螺旋管复合气液分离器的数值模拟与优化设计

孙 刚

（许昌学院 电气工程学院，河南 许昌461000）

0 引言

螺旋管复合气液分离器作为能源输送设备中比较关键的部件，其作用是将气体和液体有效分离，具有结构简单、分离效果好、适应大流量和含气量范围大等优点。 螺旋管复合气液分离器结构设计是否合理、分离性能的优劣，对最终能源产品质量有着不可忽视的影响。 所以，了解分离器的工作原理，研究其内部流场运动规律，进而优化分离器内部结构和运行参数，将有着非常重要的意义。 本文则应用计算流体力学方法和相关软件模拟研究分离器内流体流动的规律，从而为分离器的优化设计提供有力的参考依据。

1 分离器工作原理

文章所设计的螺旋管复合气液分离器的结构模型如图1 所示，整个分离器外观呈圆柱筒形，设计总高度为2400mm，桶内径为600mm，主要包括混合液流进口、气体出口、液体出口和底面排污口，可分为集气部分、螺旋分离部分、集液部分三个组成部分。

集气部分呈筒腔状，设计高度400mm，内径600mm，主要用于对气体携带少量油品的回收和对分离出的气体进行汇聚排空；螺旋分离部分主要由螺旋管分离元件组成，螺旋管部分设计总高600mm，由6圈螺旋构成，螺距100mm，螺旋管内径30mm，旋转半径200mm。 集液部分由入口分离段、液体储存段、液封段组成，主要用于对经旋流分离得到的气液部分进行进一步分离，经此分离之后，液体靠重力进入储液部分，气体上升进入集气部分，气液开始进入重力沉降分离过程。其中，入口分离段设计高度600mm，液封段设计高度400mm

图1 螺旋管复合气液分离器结构图Fig.1 Spiratron Composite Gas-liquid Separator structure

分离器的工作原理是：气液混合流体首先通过混合液流进口进入螺旋分离部分的螺旋管，产生离心加速度，在离心力和重力共同作用下，密度大的液体向管道外下侧聚集，沉降到一定程度后经下部的排液口排出。 密度小的气体向管道内上侧聚集，通过螺旋管道内上侧开口排出，此过程即为旋流分离过程。 当流体含气量很少或总体流量较小时，分离器主要依靠集气部分和集液部分进行重力分离，即此时采用容积式分离技术。

2 分离器内流场数值模拟

2.1 工作介质参数

进行数值模拟时，工作介质为一定含气量的液体，其有关参数如下：油的密度为860kg/m3，动力黏度为0.048kg/m·s，天然气密度为0.7 kg/m3， 动力黏度为1e-06kg/m·s， 操作压强1.01×105Pa， 重力加速度9.81m/s2，油气混合物入口流速12m/s，天然气体积分数80%，螺旋管高度600mm，螺旋圈数为6，螺旋管半径30mm，旋转半径200mm。

2.2 边界条件设定

（3）壁面条件和近壁处理：旋流管壁面包括周向边壁和顶端壁面，按照无滑移条件处理，即：u=v=ω=k=ε=0

（4）循环边界条件：在旋流管的对称面上设置循环边界，使得液体能够循环流动，令各变量沿圆周方向的梯度为零，即：

2.3 分离器数值模拟

在AutoCAD 中对螺旋管进行建模并输出成ACIS 文件， 导入Fluent 的前处理器GAMBIT 中，进行网格划分，定义边界条件，然后进行内流场模拟，结果如图2-图4 所示。

由图2-图4 可知，在进口流速为12m/s，气相体积分数为80%时，气液两相进入螺旋管后，在离心力和重力的共同作用下，气体向螺旋管内上侧聚集，液体向螺旋管外下侧聚集。 螺旋管内侧气体体积分数可以达到100%，并且内壁气体体积分数分布均匀、稳定。 但液体能量损失较大，并且某些位置出现速度激增现象。

所以对流速应进行调整，以保证气液分离效果最佳，并尽可能较小能量损失。 实际应用也表明对螺旋管主要结构尺寸进行修改，也可有效提高分离效率，降低能量损失。基于以上原因，应对分离器螺旋分离部分进行优化设计。

图2 螺旋管内气相体积分数分布云图Fig.2 gas phase volume point distribution

图3 螺旋管内部气相体积分数沿X、Y、Z 向剖切云图Fig.3 gas phase volume sectioning figure in X,Y,Z coordinate

图4 螺旋管内部气相速度矢量图Fig.4 gas phase velocity vectorgraph inside spiratron

3 分离器优化设计

3.1 螺旋分离部分运行参数优化

运行参数优化主要包括分离器进口流速，最优流速可以使气液尽可能完全分离开，即内壁气体的体积分数尽可能的大，而外壁气体分数尽可能的小，另一方面又可以使能量损失大大减小。

通过对高含气率（气体体积分数80%）、中等含气率（气体体积分数50%）、低含气率（气体体积分数30%）3 组参数，进口流速依次为2m/s、4m/s、8m/s、12m/s、16m/s 分别进行数值模拟， 得出气液的进口流速为8m/s 最为合适。

3.2 螺旋分离部分结构参数优化

3.2.1 螺旋管旋转半径尺寸优化

在入口气体体积分数80%、 气液两相流速均为8m/s 时对分离器的旋转半径设置3 组对照模拟试验， 得出螺旋管最佳旋转半径在150～200mm 时气液的分离效果最好，而且压降损失无明显增大，其气体体积分数分布云图如图5 所示。

图5 旋转半径为200mm 时的气体体积分数云图Fig.5 gas volume point figure in 200mm turning radius

3.2.2 螺旋管高度的优化

改变螺旋管的高度也可影响气液分离效果，在入口流速仍为8m/s，入口气体体积分数为0.8 的条件下对螺旋管的高度进行3 组对照模拟试验，得出螺旋管的最佳螺旋高度为400mm，其气体体积分数分布云图如图6 所示。

图6 螺旋高度为400mm 时的气体体积分数云图Fig.6 gas volume point figure in 400mm spiralism height

3.2.3 螺旋管开孔的优化

由上述模拟结果可知，在螺旋管内壁处汇聚大量的气体，在适当流速下其体积分数可达到100%，所以在内壁开孔排气是必要的。根据每圈开孔流通面积与螺旋管截面积的正比原则，初步设计在中间两圈每圈内稍偏上侧开直径为5mm 孔30 个，下面两圈每圈内稍偏上侧开直径为10mm 孔10 个。 在螺旋管旋转半径为200mm、 螺旋管径30mm、螺旋管高度400mm、进口气体体积分数为80%、进口气液流速为8m/s 时进行模拟实验，其内开孔处气体体积分数X-Y 分布图如图7 所示。 模拟结果表明此种开孔方式可有效提高气液的分离效率，内壁开孔处的开孔截面平均气体体积分数达到了97%，大量的气体通过孔排出，液体出口处的平均液体体积分数也达到了75%以上。

图7 内开孔处气体体积分数X-Y 分布图Fig.7 gas volume point distribution curve in inner open pore

4 结论

螺旋管复合气液分离器作为能源输送设备中关键的分离部件，其分离性能的优劣对整个系统的正常运行有着直接的影响，研究螺旋管复合气液分离器的工作原理，了解其性能，找出其最优工作状态和最佳结构参数，有着非常重要的意义。本文则采用数值模拟的方式，对螺旋管复合气液分离器进行了模拟分析和优化设计。 通过模拟结果可知，在进口流速为8m/s，气相体积分数为80%时，气液混合流体可通过螺旋管实现有效分离，其中螺旋管内壁气体体积分数可达到100%，外壁液体体积分数可达到99%以上，螺旋管内部气液层状分布，且分布情况稳定、均匀。

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