含碰撞式分離元件塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化及水力性能研究

王念榕 胡大鵬 駱成松 張 哲 于 洋 趙國安 巨 龍 文韻豪

1. 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院, 北京 100083; 2. 大連理工大學(xué)化工學(xué)院, 遼寧 大連 116023; 3. 中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司, 浙江 杭州 310023

0 前言

氣液分離技術(shù)廣泛用于塔設(shè)備中,為了獲得大通量、高傳質(zhì)及高分離效率的塔設(shè)備[1-17],可采用氣液分離元件處理霧沫夾帶問題以提高塔設(shè)備處理量,因此尋求高效、安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定而且適用于塔設(shè)備的氣液分離元件，成為塔設(shè)備發(fā)展的重要趨勢。

從現(xiàn)有研究文獻來看,碰撞式氣液分離元件分離機理實際上可歸結(jié)為慣性碰撞[18-19]與離心分離[20-21]兩種機理的綜合作用。阻擋件的結(jié)構(gòu)形式會改變繞流撞擊式分離元件的分離效率及壓降,進而影響分離性能。如Ogawa A[22]給出了一種角鋼式的分離裝置(與角鋼結(jié)構(gòu)相似),其分離效率較優(yōu),壓降較小。Smith Jr J L等人[23]設(shè)計出U型槽鋼慣性分離元件,該分離元件具有結(jié)構(gòu)簡單,易于布置,效率高等優(yōu)點。但以上兩種結(jié)構(gòu)不能直接用于塔設(shè)備,需要研究設(shè)計出適用于塔設(shè)備的新型碰撞式氣液分離元件。

本文提出一種半圓型碰撞式氣液分離元件,并通過數(shù)值方法計算出性能最優(yōu)時的結(jié)構(gòu)參數(shù),在此基礎(chǔ)上搭建實驗平臺,對其水力學(xué)性能進行相關(guān)研究。在實際生產(chǎn)中,該研究成果可運用于分離效率估算、氣液分離元件結(jié)構(gòu)尺寸確定等方面,進而為大通量的塔設(shè)備設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 半圓型碰撞式分離元件

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對國內(nèi)外對于碰撞結(jié)構(gòu)的了解分析可知,常見碰撞式氣液分離元件結(jié)構(gòu)為U型槽鋼和角鋼,由于其結(jié)構(gòu)簡單,易于布置,能提高分離效率,降低阻力損失,因此應(yīng)用廣泛。本文在研究其分離機理的基礎(chǔ)上,進一步研究設(shè)計出一種適用于塔設(shè)備的半圓型碰撞式氣液分離元件結(jié)構(gòu)并運用數(shù)值模擬進行相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析,見圖1。

圖1 碰撞式氣液分離元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of collision gas-liquid separation structure

對所設(shè)計的半圓型碰撞式氣液分離元件通過計算流體軟件Fluent進行數(shù)值模擬,控制方程選用連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程;湍流模型選用realizable k-ε模型;離散格式選用二階迎風(fēng)格式;求解器選用默認的SIMPLE算法。模擬選用的氣體介質(zhì)是空氣,液體介質(zhì)是水;離散相模型為DPM模型。

模型整體采用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格一起劃分,為保證計算精度并節(jié)省計算時間,網(wǎng)格間距定為1.5 mm,通過Gambit軟件進行網(wǎng)格劃分,通過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗確定網(wǎng)格數(shù)為178 600,見圖2。

圖2 半圓型碰撞式氣液分離元件的網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Grid division of semicircular collision gas-liquid separator

1.2 分離元件層數(shù)對分離效率的影響

利用數(shù)值方法獲得塔性能曲線，見圖3。從圖3可知,隨著氣液分離元件層數(shù)增加,氣液分離元件分離效率提高,但是元件層數(shù)大于2層時,分離效率無顯著提升。并且隨著元件層數(shù)增多,壓降明顯增大。綜合來看,分離層數(shù)為2層時,可獲得最佳效果。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因:增加元件層數(shù)會導(dǎo)致液滴碰撞次數(shù)增加,因此,液滴被攔截下來的概率也會加大。起初,液滴濃度及平均粒徑較大,較易分離,經(jīng)過前排分離元件后,大液滴先被分離,剩下的小液滴不易分離,因此元件層數(shù)大于兩層時,即使再增加元件層數(shù),其分離效率也無顯著提升。

1.3 分離元件橫向間距對分離效率的影響

定義橫向間距為S1,分離元件槽鋼寬度為B。圖4為S1/B對阻力和分離效率的影響。

a)壓降隨入口氣流速度的分布 a)Distribution of pressure drop with different inlet gas velocity

b)分離效率隨入口氣流速度的分布 b)Gas velocity separation efficiency with different inlet gas velocity

從圖4可看出,分離效率變化與入口氣流速度變化正相關(guān),但速度增大,分離效率增大幅度減小;隨著橫向間距增大,壓降越來越小,分離效率越來越小,但是可以發(fā)現(xiàn)S1/B=0.75和S1/B=1.00時效率相差不大,因此,綜合考慮塔壓降及其分離效率,S1/B=1.00時效果最優(yōu)。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因:入口氣流速度越大,顆粒動能越大,在產(chǎn)生氣流折轉(zhuǎn)時,顆粒離心加速度也越大,使得顆粒更容易分離;對于分離效率而言,S1太大會導(dǎo)致氣流轉(zhuǎn)向程度變小,同時也會減少每排的分離元件數(shù),因此會使效率下降;對于阻力來說,也是由于氣流轉(zhuǎn)折角和分離元件變少,使產(chǎn)生的阻力變小。

1.4 分離元件縱向間距對分離效率的影響

定義縱向間距為S2,分離元件槽鋼寬度為B。圖5為S2/B對阻力和分離效率的影響。

a)壓降隨入口氣流速度的分布 a)Distribution of pressure drop with different inlet gas velocity

b)分離效率隨入口氣流速度的分布 b)Gas velocity separation efficiency velocity with different inlet gas velocity

從圖5可看出，隨著入口氣流速度的增大,壓降越來越大,分離效率也越來越大,但增大幅度減小;隨著縱向間距的增大,壓降越來越小,分離效率越來越小,并且隨著縱向間距的增大,壓降和分離效率減小程度不再顯著,可以發(fā)現(xiàn)S2/B=0.75和S2/B=1.00時效率基本相同。因此,對壓降與分離效率進行綜合考慮,S2/B=0.50時效果最優(yōu),不僅分離效率高、壓降低,而且空間利用率也十分合理。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因:入口氣流速度越高,顆粒動能越大,在產(chǎn)生氣流折轉(zhuǎn)時,顆粒離心加速度也越大,使得顆粒更容易分離;對于分離效率而言,S2太大,氣流在元件處速度太小,離心力很小,因此分離作用很小。對于阻力而言,S2太大,氣流團湍動,阻力損耗小。

2 實驗平臺搭建及結(jié)果分析

2.1 實驗平臺

采用上述半圓型氣液分離元件,搭建實驗平臺,并測得水力學(xué)性能曲線,以此為基礎(chǔ),分析最佳操作工況,計算操作彈性,為其進一步優(yōu)化提供參考。

實驗內(nèi)容主要為氣、液相循環(huán)。實驗過程:打開離心風(fēng)機,加速后的氣體通過管道進入設(shè)備底端入口,依次經(jīng)過塔板,最后經(jīng)頂端出口排出。其中,離心風(fēng)機轉(zhuǎn)動速度可通過變頻器調(diào)節(jié),氣體流量可通過熱線測速儀測量,塔板之間的壓降則通過U型壓差計測量;通過泵可將水槽中的液體抽送到入口,液體流動方向與氣體相反,最后從排液口排出,并匯入水槽,入口閥可控制液相流量,并可由轉(zhuǎn)子流量計測出具體數(shù)值。實驗流程見圖6。

圖6 實驗流程圖Fig.6 Experiment flow chart

2.2 濕板壓降

濕板壓降是衡量設(shè)備不同工況下操作狀態(tài)重要參數(shù)之一,通過改變工況進行研究不同參數(shù)對濕板壓降的影響。

1)氣體流量相同時,液體流量變化對濕板壓降的影響,見圖7。由圖7可知,當氣相流體流量為定值時,不同液相流體流量下,濕板壓降浮動數(shù)值為0～100 Pa,表明改變液相流體流量對塔板壓降無顯著作用。這是因為正常工作狀態(tài)下,在溢流堰高度不變時,清液層高度是一定的,液量增大對塔板上清液層高度變化的影響可忽略不計,因此壓降變化并不顯著。

2)液體流量相同時,氣體流量變化對濕板壓降的影響,見圖8。由圖8可知,當液相流體流量值一定時,塔板每層壓降值隨氣體流量的增加而增大,且增大幅度顯著。這是由于氣體流量的增加,進而使氣體增速,板上的氣液層之間的接觸方式從鼓泡變?yōu)閲娚?。此時,由于湍動程度大,塔板上克服液層阻力損失較大,因此總阻力損失較大。

2.3 塔板負荷性能

塔板負荷性能曲線見圖9。

空塔氣流速度u計算公式如下:

(1)

式中:QV為氣體流量,m3/h;D為篩板塔內(nèi)徑,m。

分析可知,當氣相流量低于400 m3/h時,即空塔氣流速度低于1.1 m/s,塔將出現(xiàn)漏液現(xiàn)象,因此氣相流速的操作下限為1.1 m/s。當氣相流量大于1 600 m3/h時,即空塔氣流速度大于3.56 m/s,塔將出現(xiàn)霧沫夾帶現(xiàn)象,因此氣相流速的操作上限為3.56 m/s。塔的操作彈性大小可通過式(2)計算得出。

(2)

式中:QV-max和QV-min分別為霧沫夾帶和漏液時的氣相流量,m3/h。

經(jīng)實驗和計算表明,常規(guī)篩板塔空塔氣流速度通常為1～1.5 m/s,加入半圓型氣液分離元件相同工況下可使塔處理能力約為常規(guī)塔的2.4～3.5倍。

a)底層塔板 a)Bottom tray

b)中層塔板 b)Middle tray

c)頂層塔板 c)Top tray

a)底層塔板 a)Bottom tray

b)中層塔板 b)Middle tray

c)頂層塔板 c)Top tray

圖9 塔板負荷性能圖Fig.9 Load performance diagram of tray

3 結(jié)論

1)通過對半圓型氣液分離元件結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化模擬,分析裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率影響,可知分離層數(shù)越多、橫向與縱向間距越小,分離效率越高且阻力越大。綜合分離效率和壓降及空間利用率可得知,元件層數(shù)為2,元件橫向間距與元寬度比值為1.0,元件縱向間距與元件寬度比值為0.5時,碰撞式氣液分離元件效果最優(yōu)。

2)當氣體流量為定值時,表明改變液相流量對塔板壓降無顯著作用;當液相流量為定值時,塔板各層壓降于氣體流量正相關(guān),且壓降增大幅度顯著。

3)改變液體流量對漏液線及霧沫夾帶線無明顯影響,且操作范圍較廣。