旋流泡罩相分離性能的研究

袁惠新，莫倪旭，付雙成，周發(fā)戚

（1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州 213164；2 江蘇省綠色過程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213164）

0 引言

塔設(shè)備是一種重要的化工設(shè)備，其塔內(nèi)件很大程度上決定了塔設(shè)備的傳遞性能和相分離等性能，塔內(nèi)件是國內(nèi)外許多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

針對傳統(tǒng)的泡罩塔存在的霧沫夾帶甚至液泛［1-2］的問題，作者將旋風(fēng)分離器和傳統(tǒng)泡罩有機(jī)結(jié)合，將旋風(fēng)分離器的升氣管作為泡罩管，形成了一種新的塔內(nèi)件——旋流泡罩［3］，本文在此基礎(chǔ)上又提出了一種更為簡單的旋流泡罩，將旋風(fēng)分離器的底流管作為泡罩管，如圖1 所示。旋流泡罩塔段由旋流泡罩塔件、降液管、塔板、液面、進(jìn)氣管與出氣管構(gòu)成。其中旋流泡罩塔件由泡罩、泡罩管、錐管、螺旋導(dǎo)流板、盲筒與圓筒組成。泡罩管與錐管相互連通。降液管在塔板上伸出高度最多與液面持平，在塔板下方的降液管必須浸沒在下層塔板的液面下方，形成液封，來保證氣流從進(jìn)氣管進(jìn)來夾帶塔板上的液滴后能從旋流泡罩塔內(nèi)件中流過。螺旋導(dǎo)流板為漸變螺距，螺距從遠(yuǎn)離錐管一端向接近錐管一端由大變小，來形成漸縮的螺旋通道，加速氣液流動，形成強(qiáng)旋流。為了在旋流泡罩塔件中形成氣液兩相分離，在錐管壁面上開了幾條沿著氣體旋流方向的切向縫。氣流從進(jìn)氣管進(jìn)入，夾帶N 層塔板液滴向旋流泡罩塔件流動，當(dāng)氣液兩相流從旋流泡罩進(jìn)入時，由于螺旋導(dǎo)流板的作用形成強(qiáng)旋流，利用旋流聚結(jié)和離心沉降的原理，粒度小的液滴會聚結(jié)成粒度大的液滴，粒度大的液滴將會被甩至錐管壁面上，從開縫流出，粒度小的液滴將會遷移至旋流泡罩中間，與氣流一起從N+1 層泡罩流出。該結(jié)構(gòu)能有效地實(shí)現(xiàn)氣液分離，抑制霧沫夾帶，保證塔設(shè)備正常運(yùn)行。

圖1 旋流泡罩Fig.1 Cyclone bubble-cap

胡大鵬等［4-6］研究的切流型篩板塔內(nèi)接觸元件，很大程度上能強(qiáng)化氣體與液體的傳熱傳質(zhì)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除了塔板還要加分液板。王燕等［7］研究的篩板塔內(nèi)VIST 傳質(zhì)元件，具有傳質(zhì)效果和塔內(nèi)氣液接觸效果好的優(yōu)點(diǎn)。殼牌公司的CONSEP 塔盤［8］有2 個塔板，接觸板像篩孔塔板一樣，進(jìn)行氣液接觸，分離板將夾帶液滴分離，該塔盤結(jié)構(gòu)能使氣液兩相得到良好的傳質(zhì)與相分離效果，但是每一層塔板上要加一層相分離塔板。

上述旋流型塔內(nèi)件都是用于篩板塔的，都沒有對其相分離性能研究的報道。王念榕等［9］在研究碰撞塔內(nèi)元件時，只是用了離散相模型，沒考慮液滴聚結(jié)、破碎。

本文首先用試驗(yàn)的壓力降數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬的可靠性，然后在考慮液滴的破碎和聚結(jié)的基礎(chǔ)上，研究這種旋流泡罩的操作性能和相分離性能，包括進(jìn)氣量對壓力降和相分離性能的影響，以及液滴粒度和濃度對相分離性能的影響。

1 旋流泡罩相分離過程的分析

1.1 液滴受力分析

旋流泡罩相分離的工作原理是旋流聚結(jié)和離心沉降，在這些過程中，旋流泡罩內(nèi)的液滴受到離心力、向心浮力和流動阻力等的作用。

1.1.1 離心力

在旋流泡罩內(nèi)，氣體的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力場，所以旋流泡罩內(nèi)的液滴受到離心力的作用。根據(jù)旋流泡罩的結(jié)構(gòu)，液滴受到的離心力方向是沿徑向指向旋流泡罩壁面的，液滴所受離心力Fc公式為：

式中 d ——液滴直徑，m；

ρl——液滴密度，kg/m3；

v ——液滴切向速度，m/s；

r ——回轉(zhuǎn)位置半徑，m。

1.1.2 向心浮力由于旋流泡罩中旋流場壓力梯度的存在［10］，液滴在徑向方向上受到指向旋流泡罩中心的向心浮力，所受向心浮力的方向與離心力的方向相反，向心浮力FB的表達(dá)式為：

1.1.3 曳力

液滴在旋流泡罩內(nèi)會受到流體兩種作用力，一種是流體壓力在球體表面分布不均勻?qū)е碌男误w阻力，還有一種是液滴表面流體的剪應(yīng)力引起流動形成的摩擦阻力，因此，液滴在旋流泡罩中運(yùn)動受到的流體阻力為形體阻力和摩擦阻力之和，用曳力FD表示：

式中ξ——曳力系數(shù)；

A ——液滴投影面積，m2；

u —— 液滴相對于氣體在徑向的遷移速度，m/s。

1.1.4 其他作用力

液滴在旋流泡罩中還受到其他作用力，如重力、Saffman 力和Magnus 力等，由于研究液滴粒度小，相對于離心力重力可以忽略，考慮據(jù)WANG等［11］研究，在旋流器中可以忽略Saffman 力和Magnus 力。

因此液滴在旋流泡罩中主要受到離心力Fc、向心浮力FB以及曳力FD的作用，如圖2 所示。

圖2 旋流泡罩內(nèi)液滴的受力Fig.2 Forces exerted on a droplet in the cyclone bubble-cap

根據(jù)牛頓第二定律，液滴的運(yùn)動方程為：

式中 m ——液滴質(zhì)量，kg；

a ——液滴徑向沉降加速度，m/s2。

在模擬過程中選取DPM 模型中的壓力梯度力（Pressure Gradient Force）來使液滴受到向心浮力的作用；將液滴看成球體，曳力模型選擇球形曳力模型的方法來表示液滴所受的曳力。

1.2 液滴間的碰撞、聚結(jié)和破碎模型

O'Rourke 碰撞模型利用液滴能量守恒，假定當(dāng)碰撞的液滴動能小于其重新組成液滴所需的表面能時，將會永久聚結(jié)，否則將會再次分裂成兩個新的小液滴。液滴碰撞后聚結(jié)或分裂的如式評判：

式中 We ——碰撞韋伯?dāng)?shù)；

B ——無量綱碰撞參數(shù)；

γ——碰撞大液滴與小液滴半徑比。

氣液旋流中的液滴破碎模型應(yīng)用最廣泛的是TAB（Taylor Analogy Breakup）類比破碎模型，方程為：

式中 CF，Cb，Ck——無量綱常數(shù)；

y0，dy0/dt—— 振動初始的無量綱偏離距離和偏離速度；

td——阻尼時間，s；

ω ——振動頻率，s-1。

在DPM 模型中選擇Stochastic Collision 來處理液滴之間的聚結(jié)，利用Breakup 中的泰勒類比破碎模型（TAB 模型）來處理液滴的破碎。

1.3 旋流泡罩性能的表征

旋流泡罩的主要性能包括操作性能和相分離性能。

（1）旋流泡罩的操作性能。

旋流泡罩的操作性能用壓力降來反映：

式中 Pin——進(jìn)口壓力，Pa；

Pout——出口壓力，Pa。

（2）旋流泡罩的相分離性能。

旋流泡罩的分離性能用分離效率E 來評價：

式中 Vout——出口逃逸液滴的總體積，m3；

Vin——入口液滴總體積，m3。

旋流泡罩的相分離性能也可以用分割粒度x50［12］來表征，x50是以50%效率被捕獲的顆粒物空氣動力學(xué)直徑，簡單來說，就是旋流泡罩分級效率為50%時液滴的粒度，x50越小，相分離性能越好。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)平臺包含進(jìn)料霧化系統(tǒng)—霧化噴嘴、動力輸運(yùn)系統(tǒng)—鼓風(fēng)機(jī)、分離系統(tǒng)—旋流泡罩和測量系統(tǒng)—粒度儀、壓力表和流量計。霧化噴嘴用來制造液滴，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量為40～100 m3/h，旋流泡罩是3D 打印而成。

氣液經(jīng)霧化噴嘴制造液滴，由鼓風(fēng)機(jī)吹入旋流泡罩之中，對旋流泡罩進(jìn)行操作性能和相分離性能的研究。

3 數(shù)值模擬方法

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

利用Solidworks 三維建模軟件對旋流泡罩進(jìn)行建模，由于原結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此對其進(jìn)行簡化，旋流泡罩計算模型如圖3 所示。

圖3 旋流泡罩結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the cyclone bubble-cap

對圓筒直徑為100 mm 的旋流泡罩進(jìn)行研究，塔段中旋流泡罩的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸見表1，其中螺旋導(dǎo)流板的頭數(shù)為8 頭，進(jìn)口螺旋升角為45°，出口螺旋升角為25°。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸Tab.1 Dimensions table mm

對錐管壁面進(jìn)行開縫，開縫高度為60 mm，開縫寬度為3 mm，開縫方向與旋流泡罩氣流方向一致，如圖4 所示，這樣有利于氣體推動大液滴甩出旋流泡罩，實(shí)現(xiàn)氣液兩相分離。

圖4 開縫結(jié)構(gòu)Fig.4 Slotted structure

用ICEM 對旋流泡罩模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于其開縫處的結(jié)構(gòu)進(jìn)氣網(wǎng)格細(xì)化，總的網(wǎng)格數(shù)約為40 萬。

3.2 模擬方法

利用FLUENT 軟件對旋流泡罩模型進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算。首先用雷諾剪切應(yīng)力模型（RSM）來處理氣相連續(xù)性流動；接著利用離散相模型（DPM）結(jié)合流場變量求解每個液滴的受力情況獲得液滴的速度，來跟蹤每個液滴的運(yùn)動軌跡，并用O'Rourke碰撞模型與TAB 模型考慮了液滴之間的聚結(jié)和破碎。

旋流泡罩入口設(shè)置為速度入口，速度設(shè)置為4～20 m/s，旋流泡罩出口設(shè)置為壓力出口，從旋流泡罩側(cè)縫分離出來的液滴被捕集停止計算，其余壁面都設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，無壁面滑移，液滴由進(jìn)口均勻注射，同時將旋流泡罩入口設(shè)置為逃逸，開縫處設(shè)置為捕捉，泡罩出口設(shè)置為逃逸。

這里將采用SIMPLIC 算法，均用二階迎風(fēng)格式，計算精度調(diào)為10-6。

3.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

將旋流泡罩網(wǎng)格數(shù)分為213 520，338 533，413 656，498 054，576 236，652 364。如圖5 所示，對于不同網(wǎng)格數(shù)的旋流泡罩采用進(jìn)氣量為72 m3/h對其壓力降進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)在40 萬時，壓力降不再發(fā)生大幅度變化。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.5 Grid independence verification

4 結(jié)果與分析

4.1 旋流泡罩的壓力降及模擬可靠性驗(yàn)證

壓力降反映旋流泡罩操作運(yùn)行時所消耗的能量。旋流泡罩壓力降越小，所消耗的能量也越小，圖6 示出進(jìn)氣量對壓力降的影響曲線，壓力降隨著進(jìn)氣量的增大而呈冪函數(shù)增大。另外，參考前人［13-15］通過比較壓力降模擬曲線和試驗(yàn)曲線的吻合程度來驗(yàn)證模擬的可靠性。如圖6 所示，在研究范圍內(nèi)，模擬的誤差不超過12%，一定程度上反映了本文模擬的可靠性。

圖6 旋流泡罩的壓力降及模擬可靠性驗(yàn)證Fig.6 Pressure drop of the cyclone bubble-cap and the verification of the reliability of simulations

4.2 旋流泡罩的相分離性能

4.2.1 進(jìn)氣量對相分離效率的影響

圖7 示出旋流泡罩的進(jìn)氣量對相分離效率的影響。相分離效率隨進(jìn)氣量的增大而增大，但存在一個臨界進(jìn)氣速度，當(dāng)進(jìn)氣量達(dá)到臨界進(jìn)氣速度后，相分離效率開始下降。實(shí)際上，進(jìn)氣速度的影響包括2 個方面：沉降速度和聚結(jié)破碎。在旋流場內(nèi)存在液滴的旋流聚結(jié)過程［16］，但也存在液滴破碎過程。進(jìn)氣速度大，流體旋轉(zhuǎn)快，液滴所受離心力大，沉降速度大，對液滴分離有利。但是，隨著進(jìn)氣速度的增大，湍流程度加劇，液滴的破碎過程會強(qiáng)于液滴的聚結(jié)過程。當(dāng)進(jìn)氣速度達(dá)到臨界進(jìn)氣速度后，進(jìn)氣速度對破碎的作用大于對沉降速度貢獻(xiàn)，此時，相分離效率隨進(jìn)氣速度的增大反而下降。

圖7 進(jìn)氣量對相分離效率的影響Fig.7 Effect of inlet volume on phase separation efficiency

4.2.2 進(jìn)氣液滴粒度對相分離效率的影響

圖8 示出在不同進(jìn)氣液滴粒度下進(jìn)氣速度對分離效率的影響。總體而言，進(jìn)氣液滴粒度越大，相分離效率越高。另外，與大液滴相比，小液滴的分離效率隨進(jìn)氣速度的增大而增大得更快。這是因?yàn)樾∫旱蔚谋砻鎻埩Υ?，不容易破碎。隨著進(jìn)氣速度的增大，小液滴除了沉降速度增大外，聚結(jié)過程強(qiáng)于大液滴，破碎過程弱于大液滴，且達(dá)到臨界進(jìn)氣速度晚。因此，臨界進(jìn)氣速度與液滴粒度有關(guān)，液滴粒度越小，臨界進(jìn)氣速度越大。

圖8 不同進(jìn)料粒度下進(jìn)氣速度對相分離效率的影響Fig.8 Effect of inlet velocity on phase separation efficiency under different inlet particle size of droplets

圖9 示出進(jìn)氣速度與x50的關(guān)系。從圖中看出，隨著進(jìn)氣速度的增加，分割粒度越來越小，進(jìn)氣速度越大，越能有效分離小液滴，抑制霧沫夾帶。

圖9 進(jìn)氣速度對x50 的影響Fig.9 Effect of inlet velocity on x50

4.2.3 進(jìn)氣液滴濃度對相分離效率的影響

圖10 示出在進(jìn)氣速度為8 m/s、不同粒度下旋流泡罩進(jìn)氣液滴濃度對分離效率的影響。由于液滴碰撞幾率隨著進(jìn)氣液滴濃度的增加而增加，因此，旋流泡罩分離效率隨著進(jìn)氣液滴濃度的增加而增加，但后面會趨于平緩。此外，在進(jìn)氣液滴粒度為4 μm 以下時，由于液滴碰撞主要以聚結(jié)為主，小液滴聚結(jié)成大液滴，加速向旋流泡罩壁面沉降，分離效率提高。在進(jìn)氣液滴粒度為4 μm以上時，在一定的質(zhì)量濃度下，液滴數(shù)量少，碰撞的幾率小，因此分離效率隨進(jìn)氣液滴濃度的變化影響不大。

圖10 進(jìn)料液滴濃度對相分離效率的影響Fig.10 Effect of inlet droplet concentration on phase separation efficiency

5 結(jié)論

（1）在本研究的進(jìn)氣量范圍內(nèi)，旋流泡罩壓力降為300～1 300 Pa，壓力降隨著進(jìn)氣量的增大而增大。

（2）相分離效率隨進(jìn)氣速度的增大而提高，但存在一個臨界進(jìn)氣速度，當(dāng)進(jìn)氣速度達(dá)到臨界進(jìn)氣速度后，相分離效率開始下降。臨界進(jìn)氣速度值與液滴粒度有關(guān)，液滴粒度越大，臨界進(jìn)氣速度越小。

（3）進(jìn)氣中液滴粒度越大，旋流泡罩的相分離效率越高。

（4）對于小液滴，其液滴濃度對相分離效率的影響比大液滴的濃度的影響更為顯著。