葉片式氣液分離內(nèi)件數(shù)值模擬及對比分析

文曉龍，馮森森，袁淑霞，何義明，王海鵬

（1．甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；2．上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518；3．西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065）

引 言

氣液分離廣泛采用葉片式分離元件，通過特殊設計的彎折結(jié)構(gòu)實現(xiàn)液滴的慣性分離。當夾帶液滴或固體顆粒的氣流以一定的速度通過葉片通道時，流動方向不斷發(fā)生急劇變化，具有較大慣性的液滴易于保持原有運動方向而從主體氣流中分離，氣體則能順利通過葉片通道排出［1-2］。同時，液滴在通道內(nèi)發(fā)生相互碰撞，液滴碰撞后會發(fā)生聚結(jié)、反彈、破碎。小液滴聚結(jié)成大液滴提高了分離效率，而大液滴破碎成小液滴則降低了分離效率［3］。Hamedi Estakhrsar等［4］研究板片彎曲次數(shù)對壓降和分離效率的影響；Galletti等［5］用歐拉-拉格朗日法對帶鉤的葉片式分離器進行仿真計算；Elhame Narimani等［6］基于曲面響應法研究V型葉片的氣流速度和結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率的影響；James P．W 等［7］對波板表面上液滴的運動和沉積進行數(shù)值模擬，提供了一種給定負載下液滴是否發(fā)生夾帶的方法；Kauousi F等［8］研究了葉片通道的幾何參數(shù)對分離效率的影響；Koopman H．K等［9］提出了一種經(jīng)典的分離效率分析模型，用于不同葉片分離器幾何形狀的實驗；袁淑霞等［10］基于正交實驗設計法研究了尺寸因素與非尺寸因素對分離效率的影響，結(jié)果表明折流板的角度和間距對分離效率的影響非常顯著；樊玉光等［11］運用Fluent軟件對1μm到50μm粒徑的液滴在分離器內(nèi)的流場進行數(shù)值模擬，得到了不同進氣速度、葉片距及葉片傾角下的分離效率和壓降；齊玉成等［12］通過搭建實驗平臺，針對流量、葉片間距、葉片傾斜角度、葉片組數(shù)、溫度5個影響因素進行了不同流量下的試驗研究；王文燕［13］通過實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，在板片式氣液分離器內(nèi)加入鈍體，提高了分離器對液滴的捕獲能力。

盡管葉片式分離元件的分離性能及其影響因素已有很多研究，但隨著技術(shù)的發(fā)展，葉片形式層出不窮，不同形狀的葉片的分離性能及對液滴聚結(jié)破碎的影響仍有待進一步研究。本文采用計算流體動力學方法應用Fluent軟件研究葉片形式、葉片間距、葉片高度、液滴粒徑和液滴含量對分離性能的影響；將葉片式分離器的主體分離速度劃分為重力分離、慣性分離和過渡區(qū)，研究不同主體流速下的分離特性；針對不同高度葉片進行研究，得到葉片高度對不同分離形式的影響規(guī)律。研究結(jié)果應用于上海藍濱石化設備有限責任公司，取得了較好的應用效果。

1 模型及邊界條件

1．1 計算模型及方法分析

采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法，對連續(xù)域進行離散，并求解質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程得到復雜流場的流動特性、壓力分布，通過加入湍流模型模擬湍流流動影響，采用離散相模型分析離散相液滴的軌跡、分離效率、液滴粒徑分布等。由于分離器內(nèi)流體流速較低，溫度幾乎不變，可忽略能量方程［14］。葉片分離元件流道區(qū)域截面為狹長的區(qū)域，當達到慣性分離所需速度后，將進入湍流狀態(tài)，需要采用湍流模型進行模擬。雷諾平均法是目前工程應用最為廣泛的湍流數(shù)值模擬方法［15］。通常葉片流道內(nèi)的湍流程度較低，而k-ω模型考慮低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流傳播，SST k-ω模型將專為近壁區(qū)域設計的混合功能和雙模型加在一起，且合并了來源于ω方程中的交叉擴散。模型中的湍流黏度考慮到了湍流剪應力的傳播，在近壁自由流中k-ω模型比k-ε模型有更廣泛的應用范圍、精度以及可信度。因此在湍流工況下采用 SST k-ω模型［16］。

氣液分離過程涉及兩種以上性質(zhì)不同的物質(zhì)，采用離散相模型模擬氣液相的相互作用，以及液滴間的相互作用，從統(tǒng)計學上得到液滴碰撞后的聚結(jié)、破碎情況。液滴的作用力平衡方程在笛卡爾坐標系下可表示為

式中：u和ρ分別為連續(xù)相的速度與密度；FD為液滴弛豫時間的倒數(shù)，1／s；up和ρp分別為離散相的速度與密度；F為附加力，包括視質(zhì)量力、壓力梯度力、熱泳力、布朗力、升力，在該工況下均可忽略。

1．2 建模及網(wǎng)格劃分

建立3種不同形式葉片（分別稱為NH-TP葉片、NC-TP葉片和TP葉片），研究葉片形式的影響；針對每種葉片形式，研究葉片間距、葉片高度、液滴粒徑、液滴含量及主體流速對分離性能的影響。由于葉片式分離元件各通道的相似性，只取一個通道進行分析。NH-TP葉片式分離元件是一種折流板分離元件，分別在折流板的波峰和波谷處設置了葉鉤，增加了液滴被捕集的機會［17］；NC-TP葉片式分離元件也是一種折流板分離元件，在折流板高度方向每隔50 mm沖壓液槽；TP葉片與NC-TP類似，但不加工液槽。圖1（a）、圖1（b）分別為NH-TP葉片和NC-TP葉片模型及其網(wǎng)格劃分，壁面處設置邊界層網(wǎng)格，經(jīng)計算所設邊界層處的近壁面黏性影響參量y＋值小于ω方程要求的11．6，表明邊界層網(wǎng)格密度滿足要求。TP與NC-TP葉片相似，但沒有液槽，省略其模型。

圖1 葉片模型及其網(wǎng)格劃分Fig．1 Model and its grid division

1．3 邊界條件

以空氣和水為介質(zhì)，其中水以微小液滴形式存在。邊界條件設置如下：

進口為速度邊界條件，給定流體速度，同時離散相液滴從進口均勻噴入，其噴入速度與氣體流速相等。出口給定自由出流邊界。葉片表面設置為壁面，NH-TP的葉鉤和NC-TP的液槽也設置為壁面，假設離散相液滴碰到壁面即被捕捉，顆粒在此處終止計算。液滴到達板出口時，即認為逃逸。出口的離散相含量即為未被分離的液滴［18-19］。

1．4 分離效率的定義

為計算分離效率，提取出口離散相含量數(shù)值，通過與進口預設的離散相含量進行換算，得到

式中：η為分離效率；Cin為進口離散相含量，kg／m3；Cout為出口離散相含量，kg／m3。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及其分析

以NH-TP葉片為例研究板間距、液滴粒徑、主體流速、離散相含量及葉片高度對分離性能的影響，再將3種不同形式的葉片進行對比分析。

2．1 葉片間距的影響

對于帶鉤的NH-TP葉片，間距太小容易造成阻力過大，而間距過大則會造成短路，即流體從進口直線到達出口而不受葉片影響，綜合以上選擇15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm和45 mm共7種間距進行研究。

以液滴粒徑10μm、離散相含量5%為例，主體流速較低時為重力分離，主體流速較高時為慣性分離，二者之間為過渡區(qū)。圖2（a）—（c）分別為主體流速 0．012 5 m／s、4．000 0 m／s和 0．100 0 m／s時NH-TP的液滴軌跡。當主體流速為0．012 5 m／s時，停留時間足夠長，液滴能夠從氣體中沉降，此時為重力分離工況，該工況分離效率較高，出口液滴很少；而當流速為4 m／s時，慣性成為分離的主要動力，此時液滴基本被壁面和葉鉤捕集，出口處幾乎沒有液滴，分離效率很高；流速從重力分離到慣性分離的過渡過程中，某些流速分離效率較低（例如0．1 m／s），此時由于流速增加，沒有足夠的停留時間使液滴沉降，而慣性也不足，無法完全通過慣性分離，導致出口液滴數(shù)量較多，被氣流帶出的液滴直徑也較大。同時可以看出，通道內(nèi)液滴粒徑不再是單一直徑，這是由于液滴相互碰撞后發(fā)生的聚結(jié)或破碎引起。

圖2 NH-TP液滴軌跡圖Fig．2 Drop let Trajectory on NH-TP blade

不同間距NH-TP葉片分離性能對比如圖3所示。不同間距的分離效率對比（圖3（a））可以看出，重力分離的分離效率與板間距無關，而慣性分離與板間距有關，尤其是流速為0．100 0m／s和0．200 0 m／s時，間距大時由于慣性力迅速下降而導致分離效率降低很多。同時，板間距的不同也影響分離器的阻力，由于慣性分離產(chǎn)生的阻力最大，僅考慮慣性分離工況下的阻力。不同間距葉片慣性分離阻力對比（圖3（b））可以看出，間距由15 mm增加到20 mm后阻力迅速下降，間距大于25 mm后阻力幾乎不變。綜上，NH-TP葉片的理想間距為20～25 mm。

圖3 不同葉片間距NH-TP分離性能對比Fig．3 Comparison of separation performance of NH-TP blades under different spacing

2．2 液滴粒徑的影響

不同液滴粒徑NH-TP葉片分離性能對比如圖4所示。

NH-TP葉片間距20 mm、離散相含量5%時不同粒徑液滴在不同流速下的分離效率對比（圖4（a））可以看出，分離效率隨液滴粒徑的增加而增加，當液滴粒徑大于15μm后，分離效率達到99%以上；當流速較高處于慣性分離工況時，較小的粒徑仍能獲得很高的分離效率；重力分離工況僅在液滴粒徑為5μm時分離效率有所降低；而最差工況下液滴粒徑較小時將會導致明顯的分離效率降低，應盡量避免分離器工作在最差工況條件下。

圖4 不同液滴粒徑NH-TP分離性能對比Fig．4 Comparison of separation performance of NH-TP blades for dropletswith different particle sizes

氣體內(nèi)攜帶液滴導致流體密度增加，也增加了壓差，慣性分離工況下，葉片通道壓差隨液滴粒徑變化，液滴粒徑越大，分離效率越高，氣體中攜帶液滴減少，使得壓差明顯下降（圖4（b））。

2．3 主體流速的影響

主體流速不僅影響液滴的慣性，也影響液滴的流動狀態(tài)，流速低時為層流，流速高時為湍流。當NH-TP葉片間距為20 mm，液滴粒徑為10μm，離散相含量為5%時的分離效率如圖5所示。

圖5 不同主體流速下液滴粒徑10μm的NH-TP分離效率對比Fig．5 Comparison of separation performance of NH-TP blades under different bulk velocities and droplet size of 10μm

隨著主體流速的變化，分離效率表現(xiàn)為先減小后增大的特征，流速低時較高的分離效率主要由重力沉降作用產(chǎn)生，而流速高時體現(xiàn)出的較高分離效率由慣性力作用產(chǎn)生。在二者之間的分離效率有所降低。當流速為0．1 m／s（0．012 5 m／s的8倍）時，相對于重力沉降而言流速過大，無法保證足夠的停留時間，而相對慣性分離而言，該速度又過低，無法產(chǎn)生足夠的慣性力，所以分離效率很低［20］。當流速進一步增加，達到1．0m／s以上（為初始流量的80倍）時，氣液分離以慣性分離為主，較大液滴全部被捕捉，能夠到達出口的是較小液滴。當流體流速達到或高于4．0 m／s時，在較大的慣性力作用下，分離效率達到100%。由于水的表面張力大，更高流速下仍能保持較高分離效率，如果液相介質(zhì)是油等有機物，其表面張力較低，在高流速下容易破碎，不宜采用更高流速。因此，合理設計分離速度，可大大提高分離效率。

2．4 離散相含量的影響

為研究離散相含量的影響，取液相體積含量分別占連續(xù)相的 0．1%、0．5%、1．0%和 5．0%進行研究。NH-TP葉片間距為20 mm、液滴粒徑為10μm、離散相含量分別為 0．1%、0．5%、1．0%和 5．0%時不同流速下分離效率如圖6（a）所示?？梢?，分離效率隨離散相含量的增加而增加，重力分離工況和慣性分離工況下分離效率變化不明顯，在最差工況下，離散相含量低時分離效率有較大幅度下降。值得注意的是，離散相含量低時分離效率的降低并不代表NHTP葉片分離性能的下降，通常情況下離散相含量低時出口離散相含量反而更低，所謂的分離效率降低是由于分離效率是進口和出口液相含量的相對值，而進口液相減小帶來的分離效率降低并不會影響最終氣體的含液率。同樣，由于離散相含量高時氣體攜帶液量多也會導致壓差升高，如圖6（b）所示。

圖6 不同離散相含量、液滴粒徑10μm的NH-TP分離性能對比Fig．6 Comparison of separation performance of NH-TP blades under different discrete phase contents and drop let size of 10μm

2．5 不同葉片高度對比分析

NH-TP型葉片式分離元件通常放置于分離器內(nèi)部，其具體使用高度需根據(jù)分離器實際尺寸確定。在慣性分離工況下，氣液分離的作用力為慣性力，與此相比，重力可忽略不計，因而分離效率與葉片高度無關。但重力分離工況下，液滴需在高度方向沉降，其沉降時間與葉片高度有關。分別研究葉片高度為200mm、400 mm、600mm及800mm時的分離效率。主體流速分別為0．012 5m／s、0．100 0m／s和0．200 0 m／s時的分離效率、含量比如圖7所示，其中的含量比是指不同葉片高度出口離散相含量與200 mm高葉片出口離散相含量的比值。

從圖7可以看出，隨著葉片高度的增加，液滴在重力作用下沉降時間也相應增加，因此導致其分離效率降低。但分離效率是進出口離散相含量的相對值，盡管體現(xiàn)了分離效率隨葉片高度增加而降低的規(guī)律，卻無法體現(xiàn)其定量關系，出口離散相含量（濃度）體現(xiàn)了分離后氣相中的含液量，可以進一步分析葉片高度增加對NH-TP型葉片分離性能的影響。由圖7（a）可見，當主體流速為0．100 0 m／s時，分離效率隨葉片高度增加降低幅度最大，而由圖7（b）可以看出，出口離散相含量隨葉片高度的增加線性增加，但其增幅小于葉片高度的增幅。如果是理想重力分離情況，出口離散相濃度比與葉片高度同步增加，即二者的關系為圖7（b）中第一條曲線。而事實上，3種流速下的濃度比增幅均小于理想重力分離工況，說明在氣液分離過程中起作用的不僅僅是重力，葉鉤的阻擋作用也阻止了分離效率的降低，而隨著流速的增加，慣性也逐漸開始作用，慣性分離時其分離效率不會隨葉片高度發(fā)生變化，體現(xiàn)在圖7（b）中理想慣性分離曲線?？梢?，當主體流速為0．100 0 m／s和0．200 0m／s時，分離作用是重力分離和慣性分離聯(lián)合作用的結(jié)果，流速越高，慣性越強，濃度比越接近理想慣性分離曲線；而流速分別為0．012 5 m／s、0．100 0 m／s和 0．200 0 m／s時則是處于理想重力分離和理想慣性分離之間的情況。

圖7 不同葉片高度NH-TP分離性能對比Fig．7 Comparison of separation performance of NH-TP bladeswith different heights

3 NH-TP、NC-TP與TP葉片分離元件性能比較

3．1 分離效率及通道內(nèi)液滴平均粒徑對比

為研究不同分離元件的分離性能，將NH-TP、NC-TP與TP葉片的分離效率與通道內(nèi)液滴平均粒徑進行對比。取NH-TP葉片間距20 mm，NC-TP和TP葉片間距10 mm，研究液滴粒徑10μm，離散相含量5%，3種葉片的分離效率和通道內(nèi)液滴平均粒徑隨速度變化的過程如圖8所示。對比研究結(jié)果表明，NH-TP的最差工況出現(xiàn)于流速為0．10 m／s，NCTP的最差工況出現(xiàn)于流速為0．20 m／s，而TP的最差工況出現(xiàn)于流速為0．50 m／s。通過對比，NH-TP的分離效果最好，即使在最差工況下也能達到95%以上，NC-TP與TP的分離效果相差較小，但最差工況時NC-TP的分離效率可達到87%以上，而TP的分離效率僅能達到79%以上，說明開槽的TP葉片適應工況的能力較好，而帶鉤的折流板適應工況的能力最好。

圖8 不同主體流速、液滴粒徑10μm的NH-TP、NC-TP與TP分離性能對比Fig．8 Comparison of separation performance of HN-TP，NC-TP and TP blades under different bluk velocities and droplet size of 10μm

通道內(nèi)液滴平均粒徑反映了分離后通道內(nèi)殘余液滴粒徑，殘余液滴粒徑越小，說明分離性能越好。由通道內(nèi)液滴平均粒徑的對比可知，重力分離（流速較低）和慣性分離由于分離效率較高，大直徑液滴已從氣相中分離，所以所剩液滴粒徑較小。然而，由于重力分離和慣性分離條件下液滴的聚結(jié)程度不同，慣性分離時氣體流速較大，對液滴的作用力也較大。此外，液滴間的碰撞及液滴與壁面的碰撞均導致液滴粒徑聚結(jié)程度低，所以，處于慣性分離速度區(qū)間的液滴粒徑小于重力分離區(qū)間的液滴粒徑，因此在從重力分離到慣性分離的整個區(qū)間內(nèi)分離效率和通道內(nèi)粒徑的變化規(guī)律并不一一對應。

3．2 壓差對比

葉片式分離元件的壓差受主體流速影響很大，主體流速較小時，壓差可忽略不計，主體流速越大，壓差越大，因此只研究慣性分離（主體流速為4．0 m／s）時的壓差。除連續(xù)相的主體流速外，離散相液滴也影響折流板分離元件的壓差，分別研究了不同粒徑和不同離散相含量時的壓差。

NH-TP葉片間距為20mm，NC-TP和TP葉片間距為10 mm，離散相含量為5%，主體流速為4．0 m／s時不同液滴粒徑的壓差對比如圖9（a）所示；初始液滴粒徑為10μm，主體流速為4．0 m／s，不同離散相含量下壓差對比如圖9（b）所示。TP葉片與NCTP葉片結(jié)構(gòu)類似，其壓差也基本相同，僅對比了NH-TP和NC-TP的壓差。盡管NH-TP葉片間距大于NC-TP的，前者產(chǎn)生的壓差遠大于后者，由于葉鉤的存在，導致連續(xù)相氣體在葉鉤處產(chǎn)生回流，增加了流動阻力。由圖9（a）可知，液滴粒徑越小，壓差越高，這是因為液滴粒徑減小，分離效率降低，導致氣體不得不攜帶更多液滴，而液滴密度遠遠大于氣體密度，攜帶液滴越多壓差越高。同理，由圖9（b）可知，離散相含量高時，氣流也將攜帶更多液滴，從而導致壓差隨離散相含量增加而增加。

圖9 主體流速4．0 m／s下NH-TP和NC-TP壓差對比Fig．9 Comparison of pressure difference of NH-TP and NC-TP blades under the bulk velocity of 4．0 m／s

4 結(jié) 論

（1）NH-TP和NC-TP分離元件的分離效果與葉片間距有關，葉片間距越小分離效果越好，但葉片間距不宜過小，否則會造成阻力增加，NH-TP最優(yōu)葉片間距為20～25 mm，NC-TP和TP的最優(yōu)葉片間距為10 mm。研究結(jié)果表明，葉鉤的作用明顯，尤其是在主體流速的過渡區(qū)，由于葉鉤的阻擋作用，仍然可以得到較高的分離效率，而開槽也可在最差工況下起到一定效果。

（2）粒徑對葉片式分離元件的分離效率影響顯著，當液滴粒徑大于20μm后，分離效率可達到99%以上。

（3）隨著主體流速的變化，分離效率表現(xiàn)為先減小后增大的特征，流速低時較高的分離效率主要由重力沉降作用產(chǎn)生，而流速高時體現(xiàn)出的較高分離效率由慣性力作用產(chǎn)生。在二者之間的分離效率有所降低。

（4）離散相含量的增加會導致分離效率增加，但由于離散相基數(shù)大，離散相含量高時出口液相濃度仍然高于離散相含量低的工況。

（5）對不同葉片高度分離元件的分離性能研究結(jié)果表明，慣性分離效果與葉片高度無關，而重力分離或過渡區(qū)隨著葉片高度的增加，分離效率降低。

（6）不同形式葉片的最差工況流速不同，NH-TP的最差工況出現(xiàn)于流速為0．10 m／s，NC-TP的最差工況出現(xiàn)于流速為0．20 m／s，而TP的最差工況出現(xiàn)于流速為0．50 m／s。NH-TP的分離效果最好，NC-TP與TP的分離效果相差較小，但最差工況時NC-TP的分離效率可達87%以上，而TP的分離效率僅能達到79%以上，說明開槽的TP葉片適應工況的能力較好，而帶鉤的折流板適應工況的能力最好。