1、第34卷第2期化工機械#離心式氣液分離器內流場的數值模擬與結構優化趙立新33朱寶軍（大慶石油學院）李鳳明（大慶油田有限責任公司第二采油廠）1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第34卷第2期化工機械#1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第34卷第2期化工機械#摘 要 基于計算流體動力學（CFD）方法，采用Gambit建模,利用Fluent軟

2、件，對常規立罐式離心氣液分離器進行了模擬仿真。通過流場分析可以看岀，流場對稱性很差，底流岀口附近氣體含量較多，說明 氣液分離效果不好。通過結構優化，包括將底流出口改為正下方排液，單入口改為雙入口結構，減小罐體直徑，溢流管伸入分離器內部入口管之下，以及將分離器下端改為錐形結構等，改善分離器內部流場的軸對稱性及氣相體積分數分布情況，并提高分離器的凈化程度。關鍵詞氣液分離器流場數值模擬結構優化中圖分類號 TQ05118+4文獻標識碼A文章編號0254 26094 （2007） 0220090 2051994-2009 China Academic Journal Electronic Publish

3、ing House. All rights reserved. 第34卷第2期化工機械#1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第34卷第2期化工機械933教育部留學回國人員科研啟動基金項目（20052383），黑龍江省教育廳科學技術研究項目（10551016 ）33趙立新，男，1972年6月生，博士，副教授。黑龍江省大慶市，163318。在石油、化工等行業的許多場合都需要采用 氣液分離器對氣液混合介質進行分離，以完成產品凈化或滿足工藝流程的技術要求1。常規氣液分離器一

4、般采用重力沉降罐的結構形式，具有結構簡單等特點，但其體積龐大，占地面積大，處 理時間長。如采用離心式分離器，既可提高分離 效率，又可縮短處理時間，實現實時處理4,5。在分離器的結構優化方面，通常采用“理論 分析f初步設計t多樣機對比實驗”的模式。由 于實驗條件的限制，單純通過實驗來研究分離器 的性能不僅周期長而且費用高；數值模擬技術不 僅資金投入少，計算速度快，而且可以全面深入揭 示流場，不受試驗測試手段的限制。因此，利用數 值模擬技術研究分離器內流體的流動規律，進而優化分離器的結構，可以大大縮短研發周期，具有 重要的工程應用價值。近年來，CFD仿真技術在 流場模擬和結構優化方面已經取得了一些

5、可喜的 應用。本文利用 Gambit建模，采用Flue nt軟件 對離心式氣液分離器進行了流場仿真和結構優 化，為氣液分離器的結構設計與選型提供了一定 的參考。1物理模型與計算前處理1. 1物理模型初步設計和計算用的樣機采用立罐式結構（稱為原型氣液分離器），如圖1所示。頂部設置 氣體溢流口 ，同時在罐體上端部分采用單切向入 口結構，在位于罐體底部的側下方設置一個液體 排出口。圖1原型分離器結構示意圖原型氣液分離器與改進方案均采用圓截面切向入口，其中改進方案4中，錐段的長度分別為130、260、320mm,溢流管伸入長度為 40mm。氣液 分離器的其他尺寸如表1所示。表1分離器模型數據mm結構參

6、數原型方案1方案2方案3方案4罐體總高度445445445445445入口長度9090909090溢流口直徑4040404040溢流管長度000040底流口直徑6060606060底流管長度4040404040罐體直徑180180180162144單入口直徑4040-雙入口直徑-2828281. 2介質物性參數進行模擬計算時，使用介質的物性參數為：液體密度p1.25g/cm3液體運動粘度 卩1. 50g/ (m? s)氣體密度p81. 89g/m3氣體運動粘度 卩8. 411g/ (m? s)1. 3計算域網格生成及邊界條件設置使用Flue nt的前處理軟件Gambit生成計算幾何體，再進行網

7、格劃分，得到四面體網格單元，計算網格數7萬左右，湍動能、湍流耗散率和連續 性方程的收斂精度為 10-4 ,氣相殘差收斂精度為 10-3。在Flue nt計算中，入口流量 36m3 / h，氣體 體積分數為0. 02,操作分流比(即溢流流量占入 口總流量的百分比)取10% ,操作壓力pg = 2MPa。邊界條件采取如下設置：a. 入口邊界條件為入口速度，速度大小根據流量計算得出，入口湍流取值按水力直徑大小 及湍流強度給定，同時給定分散相的體積分數。b. 溢流出口邊界選取流動充分發展條件，同時給出分流比；底流出口邊界條件為壓力出口。c. 壁面邊界條件：流動邊界采用無滑移固壁條件，并使用標準壁面函數

8、法確定固壁附近流動。2原型氣液分離器流場模擬分析由圖25可以看出，原型氣液分離器的氣相 體積分數分布和壓力分布的軸對稱性不好，這勢必使得分離器內部的流場不穩定，不利于混合液的分離；氣相最濃的區域主要分布在分離器中下 部的軸心附近，聚集在底流附近的氣體會由底流 口排出，而聚集在分離器中心的氣體就不易從溢 流口排出；在溢流口附近的氣相體積分數分布相 對較低。從圖5還可發現，在入口管附近還存在 一個明顯的循環流 (渦流)區域，這一方面會造成 流場紊亂，另外渦流也會加大分離器的壓力損耗 由此可見，該結構分離器不利于氣液分離，需進行改進和優化設計。圖3軸向縱截面壓力分布云圖圖4截面A氣相體積分數分布云圖

9、圖5截面A速度分布云圖3優化設計基于前面的流場分析結果，為改善分離效果 采用以下幾種方案對分離器進行優化設計。為確保模擬結果具有對比性，以下改進方案所采用的計算條件與原型氣液分離器相同。3. 1改進方案1 將底流口置于分離器底部 正下方保持其他條件不變，將底流口置于分離器正 下方。圖6 7為改進后的氣相體積分數分布云圖 ft徑向皿廡/m腑側00帕皿 S.FaL I-fl.oa輕向JEM/m由圖9的切向速度對比曲線可以看出，由單入口變為雙入口后，分離器內部速度場分布的軸 對稱性得到提高，說明分離器內部流場趨于穩定 模擬得到的切向速度與文獻7所得到的結果在定性上是一致的，表明湍流模型的選取是正確的

10、fi.no圖9截面B處單入口與雙入口的切向速度對比曲線3. 3改進方案3小罐體直徑該方案仍采用雙入口形式進行模擬分析，但縮小罐體直徑，而其他條件保持不變。從圖10氣相體積分數對比曲線可以看出，罐體直徑為180mm的分離器分離效果較差,而罐體 直徑為162mm和144m m的分離器分離效果有所 改善,在分離器軸心附近氣相體積分數較高；隨著 圖10截面B處不同罐體直徑 的氣相體積分數對比曲線3. 4改進方案4 增加溢流管的伸入長度、罐體下部改為錐體結構在模擬中，將溢流管伸入分離器一定長度，定 為40mm。基于其他類似分離器的研究經驗3，增加溢流管的伸入長度，可以減少混合液由入口進入后，未經分離而直

11、接從溢流口排出的液體量，即減少溢流短路流。圖11截面B處不同錐段長度 的氣相體積分數對比曲線由圖11可以看出，錐體長度為 260mm的分 離器，比錐體長度為 130mm和320mm的分離器 的分離效果好（軸心附近氣相體積分數較高）。所以,錐體的最佳長度應在260mm左右。分離器的下部由柱體變為錐體后，錐段的壁面和底流出 口附近的含氣量很低幾乎為零）,提高了底流排出液體的凈化率。4結論4. 1原型氣液分離器的壓力和相分布的軸對稱 性不好，內部流場不穩定，氣相主要分布在分離器 中下部的軸心附近，不易排出，故此結構分離器不 利于氣液分離。4. 2底流出液口置于正下方后 ，氣相主要集中 在分離器軸心中

12、上部的溢流口附近，有利于氣體排出，分離效果有了明顯改善。4. 3由單入口變為雙入口后（入口流速和總處理量保持不變），分離器內部流場分布的軸對稱 性較好，使流場趨于穩定。4.4分離器罐體直徑減小，分離效率稍有提高 在處理量不變的情況下，考慮到氣液混合液在分 離器內應有足夠的停留時間及壓力損失不能太 大，所以罐體直徑也不宜過小。4. 5增加溢流管的伸入長度 ，將其伸入至入口 下方附近較為適宜；分離器的下部由柱體變為錐 體后，錐段的壁面和底流出口附近的含氣量很低（氣體體積分數幾乎為零），提高了底流排出液體的凈化程度。參考文獻1 Svaovsky L. Hydrocyclones London: Ho

13、lt， Rinehart and W inston, 1984: 1 52趙立新，蔣明虎，孫德智.旋流分離技術研究進展.化 工進展，2005, 24 (10): 111811233蔣明虎，趙立新，李楓等.旋流分離技術.哈爾濱：哈 爾濱工業大學出版社,2000: 164蔣明虎，趙立新.含油污水高效處理系統的試驗研究.化學工程,2002, 30 (1 ) : 45 485趙立新，蔣明虎，溫青等.水力旋流器分離細顆粒的試 驗研究.化學工程,2004, 32 (4) : 42466 Cullivan J C, W illiam s R A, Cross C R. Understanding the H

14、ydrocyclone Separator Through Computational FluidI ll .*Dynamics Trans ChemE, 2003, 81, Part A: 455 4667魏立新，劉揚，張樂天.液液水力旋流器的模擬分析 與結構優化.石油機械,2006, 34 (1) : 36398 Zhao L ixin, Belaidi A, Thew M T Pressure Characteris2 tics of Hydrocyclones W ith Gas Injection. Proc of 13th In2 ternational Offshore and

15、Polar Engineering, Honolulu, Hawaii, USA, 2003, I: 68 72（收稿日期：2006210210,修回日期：2006212212）1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第34卷第2期化工機械#1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第34卷第2期化工機械#N um erical Sm ulatio

16、n and Structure Optim iza tion of theFlow F ie ld in the Cen trifuga l Ga s2_ iqu id S epara to rs1 1 2ZHAO L ixin , ZHU B aojun , L I Fengm ingA(D aqing Petroleum Institute, D aqing, 163318, Heilongjiang, China;2N c2 O il Production Plant, Daqing Oilfield Co L td, D aqing, 163355, Heilongjiang, Chi

17、na )Ab stract Based on the computatbnal fluid dynam ics(CFD) method, a smulation was made of the noimal vertical 2vessel type ce ntrifugal gas2liquid separaors using Gambit and Flue nt s)flware The flow field an alysis shows that the gaQiquid separati ngefficie ncy is no t satisfied with the bad axi

18、al symmetry of the flow field and high gasc ontent n ear the u nderflow outlet With a structure optim izat bn, the axial symmetry of the flow field and the volume fraction of the gasphase in the separaorswere improved, and thepurificati on level of the sep arators was increasedby changing the underflow outlet into draining liquid from the low side; changing the sin2 gle outlet into double outlet; reducing the diameter of the vessel; extending the ove