旋風(fēng)分離器三維數(shù)值模擬分析

李璇，回濤，王政文，高艷，張紅星

(1.蘭州寰球工程有限公司，甘肅 蘭州 730060；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060；3.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

近些年，隨著我國(guó)石化領(lǐng)域大型化的快速發(fā)展，隨之也帶來(lái)污染的問(wèn)題。為了不影響人們的生活環(huán)境，各大石化企業(yè)建設(shè)為“綠色”化工廠成為了當(dāng)前的首要任務(wù)。建設(shè)成為“綠色”化工廠裝置上要設(shè)置一套除塵系統(tǒng)，旋風(fēng)分離器是除塵系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一。

旋風(fēng)分離器(又名旋風(fēng)除塵器)是起分離作用的一種設(shè)備，主要用于氣固或液固系統(tǒng)中。在工作時(shí)，它通過(guò)利用氣體混合物在分離器內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，使顆粒分離出來(lái)。由于顆粒受到的離心力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力和慣性力，在較大的離心力和切向氣體混合物的作用下，顆粒被分離到了外壁，達(dá)到了分離的效果。旋風(fēng)分離器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作彈性大、效率高、維護(hù)方便、價(jià)格低廉等等。因此在石化、制藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，此外在凈化領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。旋風(fēng)分離器采用立式筒體結(jié)構(gòu)，主要包括進(jìn)氣管、排塵管、排氣管、筒體、錐體、灰斗等結(jié)構(gòu)組成，并采用進(jìn)口面積較大、處理能力較強(qiáng)的180 蝸卷式進(jìn)口[1-5]。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1 所示。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 三維建模

為便于旋風(fēng)分離器三維數(shù)值模擬求解，首先對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)作一些的簡(jiǎn)化假設(shè)，分別為：(1) 進(jìn)入分離器的氣體混合物均為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；(2) 氣體混合物在分離器的進(jìn)氣口處流速均勻，處于湍流狀態(tài)；(3)進(jìn)入分離器的氣體混合物為不可壓縮流體；(4)分離器內(nèi)部流場(chǎng)為恒溫狀態(tài)；(5) 分離器下部出口處無(wú)氣體流出[6-10]。

基于以上假設(shè)，對(duì)旋風(fēng)分離器建立的三維模型，如圖2(a)所示。

圖2 旋風(fēng)分離器三維模型、網(wǎng)格劃分

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬分析前處理階段中最為關(guān)鍵的一步，因?yàn)榫W(wǎng)格的好壞會(huì)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算造成直接的影響。為了達(dá)到更高的網(wǎng)格質(zhì)量，決定采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖2(b)所示，網(wǎng)格劃分后總數(shù)為695 334 個(gè)，且單元網(wǎng)格均為四面體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不僅能加快運(yùn)算速度，還能避免網(wǎng)格扭曲導(dǎo)致的數(shù)值擴(kuò)散等問(wèn)題，降低計(jì)算誤差[11-13]。

1.3 模型計(jì)算

(1)顆粒受力分析

顆粒在分離器內(nèi)主要受三種力[14-17]：重力P1、分離時(shí)的介質(zhì)阻力P2、浮力P3。假設(shè)顆粒為球形，則P1、P2可分別由式(1)、式(2)表示：

當(dāng)顆粒向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒所受重力與分離方向一致，此時(shí)顆粒所受浮力與顆粒分離阻力方向相反，受到的介質(zhì)阻力會(huì)不斷增加，直到與分離力數(shù)值相等。即：

(2)顆粒分離速度計(jì)算

當(dāng)顆粒的所受的分離力與介質(zhì)阻力相等時(shí)，顆粒會(huì)勻速下降，此時(shí)顆粒的速度即為分離速度。根據(jù)《除塵設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》所知，顆粒分離速度vc與內(nèi)部氣體流速v的關(guān)系見(jiàn)式(4)所示[18-20]：

已知旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)的外形尺寸為：L=5 m，H=8.85 m，v=0.18 m/s

則通過(guò)計(jì)算可以得出顆粒分離速度為：vc=0.32 m/s。

(3)顆粒大小計(jì)算

通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，顆粒分離速度vc也可由式(5)表示：

由于顆粒的流動(dòng)可以近似為層流流動(dòng)，則雷諾數(shù)Re與阻力系數(shù)ζ可分別由式(6)、式(7)表示：

將其代入式(5)中，得：

當(dāng)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)一定時(shí)，理論上顆粒分離速度vc≥的顆粒都能從尾氣中分離出來(lái)。因此可以計(jì)算出當(dāng)分離速度為vc=時(shí)，分離下來(lái)的顆粒粒徑d，由式(9)表示[21]：

已知：

ρc=1 050 kg/m3，ρ=0.28 kg/m3，g=9.8 m/s2，μ=7.0×10-6kg·s/m2，vc=0.32 m/s

則：

式(1)～式(10)中：P1為顆粒所受重力(N)；P2為分離時(shí)的顆粒所受的介質(zhì)阻力(N)；P3為顆粒所受浮力(N)；d為顆粒的直徑(m)；ρc為顆粒的密度(kg/m3)；g為重力的加速度(m/s2)；ζ為流體的阻力系數(shù)；F為顆粒的投影面積(m2)；vc為顆粒的沉降速度(m/s)；ρ為進(jìn)入分離器的氣體密度(kg/m3)；L為分離器的長(zhǎng)度(m)；H為分離器的高度(m)；v為氣體流速(m/s)；Re為雷諾數(shù)；μ為黏度(1×103Pa·s)。

1.4 邊界條件

在旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場(chǎng)中，由于進(jìn)入的氣體混合物中所占固相體積分?jǐn)?shù)較小，因此決定采用氣體不可壓縮的定常流動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算。旋風(fēng)分離器模擬計(jì)算的邊界條件設(shè)定如下[22]：

(1)進(jìn)口邊界。針對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)口邊界條件的設(shè)定：首先認(rèn)為氣體混合物進(jìn)入分離器內(nèi)部做湍流運(yùn)動(dòng)；其次假定混合物的法向速度是以勻速進(jìn)入進(jìn)口截面，定義進(jìn)口邊界為inlet。

(2)出口邊界。在設(shè)定出口邊界條件時(shí)，假定氣體混合物在出口處做湍流運(yùn)動(dòng)，定義出口邊界為outlet。

(3)壁面邊界。設(shè)定壁面邊界條件為無(wú)滑移邊界，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)近似處理近壁區(qū)的邊界流動(dòng)問(wèn)題，定義壁面邊界為wall。

2 模擬分析

2.1 對(duì)分離器內(nèi)部速度分布的研究

圖3 為旋風(fēng)分離器中間截面上的速度分布云圖、速度矢量圖。從圖3(a)中可以看出：在分離器的中心部位，形成一個(gè)突出區(qū)域，且在排氣管底部氣體混合物的速度達(dá)到最大值，這說(shuō)明此區(qū)域的紊流狀態(tài)是最大的。少部分氣體混合物進(jìn)入分離器后沒(méi)有向下流動(dòng)，而是直接流入排氣管。另一小部分氣體混合物從出口處返回至分離器內(nèi)部，進(jìn)入分離器內(nèi)部后做內(nèi)旋流動(dòng)。結(jié)合圖3(b)，綜合分析可以看出：氣體混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，受到了分離器壁面的制約，氣體混合物開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，外層出現(xiàn)了渦旋流動(dòng)[23-25]。

圖3 旋風(fēng)分離器中間截面上的速度分布云圖、速度矢量圖

2.2 對(duì)分離器內(nèi)部壓力分布的研究

圖4 為旋風(fēng)分離器中間截面上的靜壓分布云圖、動(dòng)壓分布云圖、總壓分布云圖。從圖4(a) 可以看出，旋風(fēng)分離器中間截面上的靜壓分布情況較為均勻，分離器內(nèi)部的靜壓比壁面處的靜壓低，進(jìn)氣口處的靜壓分布最大，而分離器中心軸線上的靜壓分布最小。這說(shuō)明出口處可能存在“返流”的現(xiàn)象，因此決定在分離器的底部設(shè)計(jì)一種全翼閥裝置，以防止此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。從圖4(b)可以看出，旋風(fēng)分離器中間截面上的動(dòng)壓分布情況非常不平穩(wěn)，分離器進(jìn)氣口處的動(dòng)壓分布最大，而分離器中心軸線上的動(dòng)壓分布最小。在強(qiáng)制渦流區(qū)，動(dòng)壓隨著分離器半徑的減小而減小，而在自由渦流區(qū)，動(dòng)壓隨著分離器半徑增大而減小。經(jīng)綜合分析，這可能是由于氣體混合物在分離器內(nèi)部的切向速度不對(duì)稱造成的動(dòng)壓分布不對(duì)稱。從圖4(c) 可以看出，旋風(fēng)分離器中間截面上的總壓(即為靜壓與動(dòng)壓之和)分布情況，總壓在分離器內(nèi)部分布的對(duì)稱性較好，進(jìn)氣口處的總壓分布最大，分離器中心軸線上的總壓分布最小，且總壓隨著分離器半徑的減小而減小。在分離器內(nèi)部中心區(qū)域出現(xiàn)了一些扭曲現(xiàn)象，這是因?yàn)槭艿搅恕岸螠u流”的沖擊影響所導(dǎo)致的[26-27]。

圖4 旋風(fēng)分離器中間截面上的靜壓分布云圖、動(dòng)壓分布云圖、總壓分布云圖

2.3 對(duì)分離器內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的研究分析

本節(jié)主要研究在旋風(fēng)分離器內(nèi)部顆粒大小對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，特定的選擇粒徑為1 μm 與30 μm的顆粒，并追蹤分析兩種不同粒徑的顆粒在進(jìn)入分離器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況。并觀察兩種不同粒徑的顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的分離過(guò)程，從而得出分離效率規(guī)律。

圖5 為1 μm 與30 μm 顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖5(a)中可以看出，1 μm 粒徑的顆粒緊跟隨外旋流向下旋轉(zhuǎn)，之后又隨內(nèi)旋流從出口流出，只有一小部分顆粒從出口處逃逸。從圖5(b)中可以看出，30 μm 粒徑的顆粒在分離器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到離心力的作用，沿壁面旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有從出口處逃逸，而是全部從出口處流出，隨后被分離。

圖5 不同粒徑的顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡

通過(guò)對(duì)比分析不同粒徑的顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以發(fā)現(xiàn)，顆粒的粒徑越大，分離效果越好，分離效率越高。這主要是因?yàn)檩^小粒徑的顆粒，所受的離心力較小，容易在出口處逃逸，而較大粒徑的顆粒，所受的離心力較大，相比于較小粒徑的顆粒會(huì)更早碰撞到壁面，因此會(huì)全部從出口處流出，不會(huì)從出口處逃逸[28-29]。

3 結(jié)論

對(duì)分離器內(nèi)部速度場(chǎng)的分析：(1)排氣管底部區(qū)域的紊流程度最強(qiáng)；(2) 氣體混合物受到分離器內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)的作用，一小部分氣體混合物出現(xiàn)了“短路流”的現(xiàn)象，另一小部分氣體混合物進(jìn)入分離器內(nèi)部后做內(nèi)旋流動(dòng)；(3)氣體混合物進(jìn)入分離器后，受到了器壁的制約，氣體混合物開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，外層出現(xiàn)了渦旋流動(dòng)。

對(duì)分離器內(nèi)部壓力場(chǎng)的分析：(1) 分離器內(nèi)部靜壓分布較為均勻。靜壓比壁面處的靜壓低，進(jìn)氣口處的靜壓分布最大，而分離器中心軸線上的靜壓分布最小，說(shuō)明出口處存在“返流”的可能；(2)分離器內(nèi)部動(dòng)壓分布非常不平穩(wěn)。在強(qiáng)制渦流區(qū)，動(dòng)壓隨著分離器半徑的減小而減??；在自由渦流區(qū)，動(dòng)壓隨著分離器半徑增大而減小，這可能是由于氣體混合物在分離器內(nèi)部的切向速度不對(duì)稱造成的；(3)總壓在分離器內(nèi)部分布的對(duì)稱性較好，且隨著分離器半徑的減小而減小，在中心區(qū)域出現(xiàn)了一些扭曲現(xiàn)象，這是因?yàn)槭艿搅恕岸螠u流”的沖擊影響所導(dǎo)致的。

對(duì)分離器內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的分析：(1) 粒徑較小的顆粒所受的離心力較小，跟隨性較好，容易在出口處被帶出逃逸；(2)粒徑較大的顆粒離心力較大，跟隨性較差，與粒徑較小的顆粒相比較會(huì)較早地碰撞到器壁，從而較快地落入底部被捕集分離；(3)顆粒粒徑越大，分離效率越高。