柱状气液分离器长径比优选及实验研究.pdf

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1、化工机械2013年柱状气液分离器长径比优选及实验研究+赵立新料宋民航蒋明虎李洪臻(东北石油大学机械科学与工程学院)摘要应用计算流体动力学软件FLuENT，针对柱状气液旋流分离器(GLCC)进行了气相体积分数和压力损失的分析，得到了GLCC的气相分布特性和压力降分布特性，揭示了分离器的长度和主直径对其分离性能的影响。此外，通过室内实验明确了不同操作参数对分离效果的影响，通过改变长径比的实验研究表明：长径比过大或过小都不利于分离效率的提高，得出了当长径比为10、直径为480mm时，其分离效率最高。关键词气液分离器长径比分离效率中图分类号TQ05I．8+4文献标识码A文章

2、编号0254击094(2013)01羽30旬5目前应用于气液分离的分离器性能各异，结构类型多种多样⋯。柱状气液分离器(以下简称为GLCC)因为其分离器主体为柱状的结构形式而得名，相比于其他结构类型的气液分离器，GL．CC具有能耗低、结构紧凑、应用方便及便于维护等优点，成为众多气液分离器中的佼佼者。GLCC的分离性能与结构参数口1和操作参数密切相关。鉴于现阶段应用的柱状气液分离器结构上存在溢流排气不彻底、底流气相夹带气导致分离效率不高等问题，有必要进一步开展对柱状气液分离器的研究分析，笔者仅对旋流器内部流场影响较大的分离器旋流腔长度和主直径进行分析研究。1柱状气液分离

3、器的初始结构GLCC的一般结构如图1所示，切向进口管向下倾斜安装在分离器主体的柱状腔体上，上部为溢流出气管，下部为底流排液管¨o。气液混合物由人口进入后，在腔内形成高速的旋转流，在离心力的作用下液相密度较大向边壁移动，由底流口排出，密度较小的气相在中心处形成气核区域由上部溢流口排出”1。图1GLCC结构示意图，固定模型尺寸：溢流管伸人长度￡。=20mm，溢流口直径D。=24mm，入口倾角a=300，入口尺寸为15mm×5mm，人口位置彳：40mm，底流口直径Dd=10mm。2物性参数及初始计算条件模拟计算中两相介质的物性参数为：气相·国家863计划课题(2012AA

4、061303)和黑龙江省普通高等学校新世纪优秀人才培养计划项目(1155-NcET．003)。¨赵立新，男，1972年6月生，教授。黑龙江省大庆市，163318。第40卷第1期化工机械3l(甲烷)的密度为667．99／m3，动力黏度为10．87mg／m·s；液相(水)的密度为998．2kg／m3，动力黏度为1．0039／m·s。初始计算条件为：人口流量4m3／h，入口气相体积分数为60％，溢流分流比为60％；入口平面法向速度分量为15m／s，其他两个方向的速度分量为零；溢流口和底流口均设定为自由出流类型并设置分流比。湍流模型采用雷诺应力模型，多相流模型采用混合相模型

5、。考虑GLCC内部流场的强旋转流动作用，压力离散采用PRESTO。动量方程采用二阶迎风，速度采用SIMPLE算法。3模拟结果分析长径比是GLCC的主要结构参数和影响其分离效率的一个重要因素。柱状气液分离器入口以上的长度能够对液体产生缓冲作用，入口以下的长度决定了气泡在液体中的停留时间。因此，有必要对分离器的长度￡和直径D进行优化。3．1旋流腔长度￡的优选保持旋流腔主直径D=60mm不变，分别改变旋流腔长度进行模拟。图2为不同长径比旋流器的溢流口处气相体积分数分布曲线，可以看出溢流口气相体积分数分布规律是随着长径比的加大溢流口整体气相体积分数呈先升高后降低的趋势，当L

6、／D=6、7、8时溢流口气相体积分数逐渐增大，这主要是由于随着分离段长度增加，气体在旋流器内停留时间延长，有助于气液的充分分离。但当￡／D=9时，其分离效率反而降低，．这是由于当长度过大时，腔内的旋转流动能损失严重，上部流体无法有效带动底流流体旋转，削弱了流体的角动量，导致用于两相分离的离心力减弱，分离效籁惫氍基罂扩口壤掰径向位置，mm率降低。可以明显看出￡／D=8时，即旋流腔长度L=480时溢流口气相体积分数整体较高、分离效果较好。图3为溢流口压力降曲线，压力降随着长径比的增大先增大后减小。这是由于气体的可压缩性，当旋流腔长度很短，而且分流比低于气体体积分数，必然

7、会在溢流口形成气核，造成溢流口背压，因此压力降先随着长径比的增大而增大。而当旋流腔长度大于一定范围时，流体动能损失严重，其压力降反而减小。综合压力降和溢流口气相体积分数分布规律，可以看出￡／D=8时分离性能最好。山‘芒迸文邕j媛翘。。e一“D：6+“D=7。+ⅣD=8．—一∥D=9图3溢流口压力降曲线3．2旋流腔主直径D的优选固定旋流腔长度L=480mm，改变旋流腔主直径进行模拟。从图4可以看出，当L／D=7、10时，轴相截面气相分布稳定，且主要集中在分离腔上部，降低了部分气相从底流排出的可能性。图5为不同长径比条件下溢流口气相体积分数曲线，从图中可以看出随着长