旋流管作为内嵌式气液分离器的应用研究.doc

作者简介：张庆国（1982-），男，工程师，硕士学位，石油化工行业轴流导叶式旋流管特性分析 张庆国1 李英存2 （1中国石化中原石油工程设计有限公司 河南 濮阳 457001； 2中国石化中原石油化工有限公司 河南 濮阳 457001） 摘要：轴流导叶式旋流管是一种新型的旋流分离装置，其结构简单，阻力损失小，适用范围广；本文采用CFD数值模拟对旋流管内部的流动特性及不同旋流数对旋流管分离性能的影响进行了研究，并与已有的试验研究对比。研究表明，旋流管的径向速度峰值会随旋流数的增加而降低，液体携带量则降低，当旋流数达到5时，没有液体夹带。 关键词：旋流管，CFD模拟，旋流数，径向速度，液体夹带 中图分类号：TQ051.8 文献标识码：A Study on Performance of Axial Flow Vane-guide Swirl Tube Zhang Qing-guo[1] Li Ying-cun[2] (1. Sinopec Petroleum Engineering Zhongyuan Corporation, Puyang, Henan 457001, China 2. Sinopec Petroleum Zhongyuan Petrochemical Co., Ltd, Puyang, Henan 457001, China Abstract: As a new separation device, axial flow vane-guide swirl tube is simple because without moving parts and have low pressure drop. These features make it could use widely. The goal of this work is to use CFD to simulate the performance of flow, and investigate the influence of swirl number. The peak of radial velocity would decrease when swirl number increases. Droplet carry over could decrease as swirl number increases. There is no any droplet carry over when swirl number is 5. Key words: Swirl tube, CFD simulation, Swirl number, Droplet carry over 1.前言 旋流分离器在气液、液液、液固等体系的分离过程中得到了广泛的应用。尤其是组合为多管并联使用时，具有效率高，处理量大等优点，典型的应用是在天然气长输管线中天然气的净化工艺[1][2]。常见的旋流分离器多以切向入口方式进入装置，但这种切向入口方式限制了装置的承压能力，且压力降较大[3]。而轴流式的入口形式恰好能够很好的解决上述问题。基于CFD数值模拟技术，对一种新型轴流导叶式旋流管内部的流体流动特性进行详细的研究，以寻求更高效的轴向旋流分离结构。 此种轴流导叶式旋流管尺寸较小、内部无活动件，同轴大小管之间形成了一个环隙空间，且环隙之间有固定式的造旋叶片部件，具体如图1所示。气液从入口环隙进入，经固定式旋流叶片形成涡流进入漩涡区。气流在漩涡急弯处发生U型转向然后进入到内管流出，而液体则沿外管壁下降到集液管。这种结构旋流比较稳定，有助于维持流动的特性，且阻力损失较小。 图1 轴流导叶式旋流管原理图 2.模拟分析 2.1数值模拟 确定数值算法中的网格尺寸、边界条件和收敛判定准则等，利用CFX中的有限体积法求解质量和动量方程。采用非结构化网格，网格密度与流量梯度成正比。网格单元数200000，平均尺寸为0.7mm。X、Y、Z轴分别代表径向、轴向和切向，其分向速度依次为U、V和W； 流体流动为湍流，入口雷诺数约为104。将网格近似为实体边界，保证从最近的节点到壁面间最小有5个壁面单元的距离。为了促进收敛，当壁面-边界湍流时，动量方程采用低雷诺数的k-ω湍流模型，自动修正边界条件下的k-ω方程。当总控制体的质量和动量方程的RMS误差低于10-6（相当于每个方程的不平衡性低于0.005%）时，自动停止计算。 连续相为气相，当温度为25℃、压力为1atm时认为气相为不可压缩流体，具有恒温传输特性；分散相为球状液滴，其中液滴浓度足够低，不会破坏连续相。定义旋流数S： S=Win/Vin （1） 式中Win