螺旋導(dǎo)葉與分離器內(nèi)壁間隙對分離器內(nèi)流場及分離性能的影響

獨 巖 孫國剛 祖澤輝

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院）

螺旋導(dǎo)葉式氣液分離器是一種在分離器圓筒內(nèi)設(shè)置連續(xù)的螺旋導(dǎo)葉，利用螺旋葉片的連續(xù)導(dǎo)向作用使流體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以將液滴從氣流中分離的設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、投資成本低及不易堵塞等優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用［1］。

目前， 針對螺旋導(dǎo)葉式氣液分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計、操作性能優(yōu)化及內(nèi)部流動的數(shù)值模擬等方面的報道已有很多，內(nèi)容涉及螺旋導(dǎo)葉參數(shù)（螺旋角、螺距和圈數(shù)）、螺旋頭數(shù)、筒徑及高度等［2～4］。但在螺旋導(dǎo)葉的制造、安裝過程中，通常導(dǎo)葉與分離器壁面都會存在一定環(huán)隙，然而針對這個導(dǎo)葉環(huán)隙的影響尚未見專門研究的報道。 有學(xué)者認(rèn)為，采用焊接、填堵等方式消除環(huán)隙，可以達(dá)到密封或固定導(dǎo)葉的作用；也有人認(rèn)為，可以留有適當(dāng)?shù)沫h(huán)隙，如王志雅指出環(huán)隙寬度一般可按3%～5%的分離器筒體內(nèi)徑來選取，但沒有說明這一選擇的理論依據(jù)［5］。

為此， 筆者建立一個筒徑300 mm 的螺旋導(dǎo)葉式氣液分離器模擬模型，在軸向進(jìn)氣、直流和逆流兩種排氣方式下，通過數(shù)值模擬和試驗方法研究導(dǎo)葉環(huán)隙寬度對氣液分離器內(nèi)流場和分離性能的影響。

1 數(shù)值模擬模型及設(shè)置

參考螺旋導(dǎo)葉［5］和分離器結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計方法［6］，設(shè)計的3 種結(jié)構(gòu)：螺旋導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，螺距176 mm，螺旋角11.3°，葉片厚度3.5 mm；直流式和逆流式分離器結(jié)構(gòu)如圖1b、c 所示，分離器筒徑300 mm，排氣管直徑160 mm，造旋空間高度455 mm，分離空間高度445 mm，集液段高度250 mm。

圖1 螺旋導(dǎo)葉及直流式和逆流式分離器結(jié)構(gòu)示意圖

通過Gambit 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全局采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，導(dǎo)葉環(huán)隙利用邊界層加密處理。 坐標(biāo)原點位于入口截面中心處，豎直向下為負(fù)。 采用Fluent14.0 對分離器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算，湍流模型選用雷諾應(yīng)力模型，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理， 進(jìn)氣口為速度入口，排氣管出口為自由出流［7］。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，并綜合考慮模擬計算精度和時間，確定網(wǎng)格數(shù)量在15 萬或16 萬左右。

2 模擬結(jié)果分析

軸流式螺旋導(dǎo)葉氣液分離器模型共設(shè)置0（無環(huán)隙）、1、2、4、6 mm5 組導(dǎo)葉環(huán)隙寬度， 入口氣速設(shè)為6.632 m/s。

2.1 壓力分布

不同環(huán)隙寬度下的壓力分布如圖2 所示。 由圖2 可以看出：隨著環(huán)隙寬度的增大，分離器的壓力分布對稱性明顯提高，導(dǎo)葉區(qū)域的流場分布更加均勻，有利于氣液兩相的分離；分離空間的靜壓梯度逐漸減小， 氣流對液滴的剪切力減小，能夠防止液滴的變形和破碎，但也會降低氣流速度，影響離心分離效果。

圖2 不同環(huán)隙寬度下的壓力分布云圖

氣相壓降隨環(huán)隙寬度的變化曲線如圖3 所示。 由圖3 可以看出，環(huán)隙寬度越大壓降越低，設(shè)備能耗越低，但離心力場強(qiáng)度越弱，故環(huán)隙寬度不宜過大，否則影響分離效果。

圖3 氣相壓降隨環(huán)隙寬度的變化曲線

2.2 切向速度

z=-675 mm 截面上，最大切向速度隨環(huán)隙寬度的變化曲線如圖4 所示。 由圖4 可以看出，隨著導(dǎo)葉環(huán)隙寬度的增大， 最大切向速度逐漸減小，導(dǎo)致分離器內(nèi)的離心力場被削弱。 當(dāng)環(huán)隙寬度為1～2 mm 時，最大切向速度降幅較??；當(dāng)環(huán)隙寬度大于2 mm 時，降幅迅速增大。 所以，導(dǎo)葉環(huán)隙的寬度不宜過大，1～2 mm 之間為宜。 此外，若按照王志雅提出的 “環(huán)隙寬度按3%～5%的分離器筒體內(nèi)徑選取”， 對于筒徑300 mm 的分離器，環(huán)隙寬度應(yīng)取9～15 mm，顯然會導(dǎo)致切向速度大幅降低，影響分離器的分離效率。

圖4 最大切向速度隨環(huán)隙寬度的變化曲線

2.3 軸向速度

z=-675 mm 截面上，軸向速度隨徑向位置的變化曲線如圖5 所示。 由圖5 可以看出，導(dǎo)葉環(huán)隙寬度的增大使得軸向速度的對稱性明顯改善，形成穩(wěn)定的速度場，有利于氣液兩相的分離。

圖5 軸向速度隨徑向位置的變化曲線

在z=-675 mm 截面的邊壁區(qū)域 （∣r/R∣≈0.9）， 軸向速度隨環(huán)隙寬度的變化曲線如圖6 所示。 由圖6 可以看出，軸向速度均為負(fù)值，氣流下行流動，隨著環(huán)隙寬度的增大，速度絕對值逐漸減小。 軸向速度越大，液滴停留時間越短，不利于液滴的分離；導(dǎo)葉環(huán)隙具有引流作用，邊壁區(qū)域存在一定的下行軸向速度，有利于疏導(dǎo)貼壁液膜的流動。 綜合來看，環(huán)隙寬度取1～2 mm 為宜。

圖6 軸向速度隨環(huán)隙寬度的變化曲線

2.4 環(huán)隙流量

通過Fluent 軟件，在導(dǎo)葉區(qū)域中部分別設(shè)置環(huán)隙流道（圖7a 中的紅色圓環(huán)）和導(dǎo)葉流道（圖7a 中的黃色圓環(huán)）兩個環(huán)面，導(dǎo)出兩個環(huán)面上單位時間的體積流量值，繪制不同結(jié)構(gòu)分離器環(huán)隙流道的體積流量隨環(huán)隙寬度的變化曲線（圖7b）。結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可得：隨著環(huán)隙寬度的增大，不同結(jié)構(gòu)的環(huán)隙流量均有所增大； 相同環(huán)隙寬度下，逆流式分離器的環(huán)隙流量要比直流式略高；當(dāng)環(huán)隙寬度大于2 mm 時， 環(huán)隙流量開始呈y=0.01x-0.02 線性增長， 兩種結(jié)構(gòu)的增長趨勢基本一致。整體來看，當(dāng)環(huán)隙寬度為1～2 mm 時，不同結(jié)構(gòu)環(huán)隙流量的增長率較小，且均占總流量的3%以內(nèi)。

圖7 兩種流道示意圖及體積流量隨環(huán)隙寬度的變化曲線

表1 環(huán)隙流道和導(dǎo)葉流道的體積流量占比

當(dāng)環(huán)隙寬度為1～2 mm 時， 體積流量占比較小， 在基本不影響主氣流通過導(dǎo)葉區(qū)域的前提下，既有利于降低設(shè)備壓降，又有助于貼壁液膜通過環(huán)隙的下行流動。

3 試驗系統(tǒng)

軸流式螺旋導(dǎo)葉氣液分離器的試驗系統(tǒng)如圖8 所示，主要由造霧系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和供風(fēng)系統(tǒng)5 部分組成。

圖8 軸流式螺旋導(dǎo)葉氣液分離器的試驗系統(tǒng)示意圖

供風(fēng)系統(tǒng)（離心風(fēng)機(jī)）提供試驗所需負(fù)壓，造霧系統(tǒng)中的微型隔膜液泵和氣體壓縮機(jī)為超聲波噴嘴提供帶壓液體和氣體，通過噴嘴產(chǎn)生均勻細(xì)微液滴，在混合系統(tǒng)（進(jìn)氣室）中與進(jìn)氣口主氣流混合，形成穩(wěn)定的帶液氣流，在分離器頂部沿軸向進(jìn)入分離器入口，在氣液分離器離心力和液滴重力的作用下，氣體中混合的液滴被甩到分離器邊壁，沿邊壁向下運(yùn)動至底部集液室，凈化后的氣體通過排氣管從離心風(fēng)機(jī)排出。

試驗采用超聲波雙流體噴嘴，噴霧液滴直徑小于10 μm，其他主要指標(biāo)如下：

試驗氣體介質(zhì)為常溫常壓空氣，液體介質(zhì)選用癸二酸二辛酯，分子式為C26H50O4，相對分子量為426.66，揮發(fā)度極低，標(biāo)況下為透明的淡黃色油狀液體，不易燃不易爆，微溶于水。

本試驗中的分離性能評價指標(biāo)主要包括出入口壓降和分離效率， 出入口壓降通過U形管壓差計測量，分離效率測量采用稱重法，效率η計算公式如下：

其中，W1、W2、W3分別表示儲液槽內(nèi)液體的質(zhì)量減少量、進(jìn)氣室液體滯留沉降質(zhì)量、集液室收集的液體質(zhì)量。

4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果， 寬度為1～2 mm 的導(dǎo)葉環(huán)隙能夠改善分離器內(nèi)部流場分布，預(yù)測將對分離性能有一定提升作用。 在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對無環(huán)隙（0 mm）和有環(huán)隙（1～2 mm）條件下的分離器的分離性能進(jìn)行試驗對比。

4.1 壓降

如圖9 所示， 當(dāng)存在1～2 mm 寬的導(dǎo)葉環(huán)隙時， 兩種分離器的壓降均有所降低。 在低氣速（2.947 m/s） 下， 直流式分離器的壓降降幅為12.04%， 高于逆流式的10.68%； 而在高氣速（8.105 m/s） 下， 直流式分離器的壓降降幅為12.05%，低于逆流式的12.57%。

圖9 有無環(huán)隙時氣相壓降變化曲線

4.2 分離效率

在一定的入口液滴濃度范圍內(nèi)，兩種分離器分離效率隨濃度的變化曲線如圖10 所示。

圖10 兩種分離器分離效率隨濃度的變化曲線

由圖10 可見，由于短路流的影響，逆流式分離器的分離效率明顯低于直流式的。 當(dāng)導(dǎo)葉與分離器壁面存在1～2 mm 的環(huán)隙時， 相對于無環(huán)隙結(jié)構(gòu)， 直流式分離器的分離效率增幅在0.30%～0.62%之間， 逆流式的分離效率增幅在49.47%～90.58%之間。

可見， 導(dǎo)葉環(huán)隙改善了逆流式短路流的影響， 使得分離效率的提升相對直流式更加顯著。如圖11 所示， 當(dāng)無環(huán)隙時， 被分離液滴形成液膜，存在3 種流動方式：方式①沿著壁面下行流動， 方式②在導(dǎo)葉尾端在離心力作用下被甩出，破碎成小液滴，造成霧沫夾帶，導(dǎo)致液滴逃逸的可能性增大，不利于氣液分離，方式③沿著排氣管下行流動， 在逆流式短路流的作用下逃逸，極大地降低了分離效率。 導(dǎo)葉環(huán)隙的存在使得大部分液膜及時通過方式①流動至集液室，減小了方式②（霧沫夾帶）、③（短路流）的影響，從而大幅提高了分離效率。

圖11 導(dǎo)葉尾端液膜的流動方式

如圖12 所示，試驗中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉環(huán)隙的存在有利于貼壁液膜的下行流動，起到了“引流”的作用，對于被分離液滴的收集有積極影響。 可以確定，導(dǎo)葉環(huán)隙的存在能改善導(dǎo)葉尾端霧沫夾帶和短路流的不利影響，使得貼壁液膜能夠及時通過導(dǎo)葉環(huán)隙“引流”，沿壁面下行流至集液室，從而達(dá)到提高分離效率的目的。

圖12 貼壁液膜的流動跡線（逆流式）

5 結(jié)束語

根據(jù)模擬和試驗的結(jié)果來看，導(dǎo)葉環(huán)隙的作用包括：降低分離器壓降，有利于降低設(shè)備能耗；對貼壁液膜有明顯的引流作用，減小導(dǎo)葉尾端霧沫夾帶的影響；改善流場的對稱性；減小分離器內(nèi)部的靜壓梯度， 有利于防止液滴的變形和破碎；對于逆流式結(jié)構(gòu)中的短路流也有明顯改善作用，使得分離效率的增幅要比直流式大。

環(huán)隙寬度不宜過大，1～2 mm 為宜， 此時分離器內(nèi)部的切向速度降幅較小， 環(huán)隙通道內(nèi)的氣量占比在3%以內(nèi)，對主旋氣流的影響較小。 試驗結(jié)果表明，相對于無環(huán)隙結(jié)構(gòu)，環(huán)隙寬度為1～2 mm的直流式與逆流式分離器的壓降均降低約12%；逆流式的分離效率增加顯著， 增加約20%～30%；直流式的分離效率變化不大，只增加約1%。

綜上所述，設(shè)置合理的導(dǎo)葉環(huán)隙不但能夠降低設(shè)備能耗，而且能改善分離器內(nèi)部流場，對分離性能具有一定提升作用，也能夠降低設(shè)備制造安裝的難度，節(jié)約生產(chǎn)成本，具有一定的應(yīng)用前景和研究價值。