折流板除雾器分离特性的数值模拟研究

杨 琳

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

设备与自控

折流板除雾器分离特性的数值模拟研究

杨 琳

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

折流板除雾器是一种工业中广泛使用的气液分离设备，对折流板除雾器的研究目前主要集中在提高除雾效率、降低进出口压降、防止堵塞等方面。除雾效率和压降是除雾器的两个最重要性能，因而成为研究的重点。目前对除雾器的研究方法主要为实验和数值模拟，实验方法因其投入高、周期长、过程繁琐而逐渐被数值模拟方法所取代。

除雾器；除雾特性；数值模拟

除雾技术是将气流中的液滴或雾滴分离出来的技术。除雾技术广泛应用于石油、化工、柴油加氢尾气回收、天然气开采、储运及深加工、烟气余热利用、湿法脱硫、湿法除尘及发酵工程等工艺过程[1]。我国硫氧化物排放量巨大，因此，各大炼油厂、化工厂及燃煤电厂都使用了脱硫系统以控制二氧化硫的排放[2]。除雾器是脱硫系统中的关键设备，通常安装在吸收塔顶部，用来捕集脱硫后被净化的烟气中的液滴，以保护其后续设备或管路不受腐蚀和玷污[3]。若除雾器发生堵塞或除雾效率过低，都会导致脱硫系统无法正常运行，所以其性能好坏对整个脱硫系统影响巨大。因此，对除雾器进行合理设计和使用具有重要意义[4]。

1 折流板除雾器

1.1 工作原理

1.1.1 临界气流速度

临界气速的产生由二次携带所导致，在临界气速之内除雾效率会随着气速的增大而增大，但超过临界气速除雾效率会随着气速的增大而大幅度下降。

1.1.2 临界分离粒径

折流板除雾器是利用惯性力来分离液滴的，所以粒径大的液滴惯性力大而易被分离。当液滴粒径非常小时，除雾器将无法将其分离。临界分离粒径即是在某一气速下，能够被除雾器完全分离的最小液滴的直径。

1.2 基本性能参数

1.2.1 除雾效率

除雾效率指在单位时间内除雾器捕捉到的液滴质量与进入除雾器的液滴总质量之比，是除雾器的关键性能指标。影响除雾效率的因素包括气流流速、除雾器叶片板型、雾滴直径、叶片间距、布置形式等。

1.2.2 压力损失

气流通过除雾器时会产生压力损失，即除雾器出口压力值低于进口压力值，压力损失越大则造成的能耗就越高。影响除雾器压力损失的因素包括气流速度、除雾器叶片板型、叶片间距以及除雾器的布置级数等。

2 数值求解计算

2.1 模型简化

在除雾器运行时，其各除雾通道内的流动状况基本相似，差异甚微，故本文仅对除雾器单通道内的流场进行模拟。含雾滴的气流在除雾器通道内的流动实际上是一种三维、非定常、可压缩性黏性流体的复杂流动。在合理误差范围内对流场做如下简化：

1）由于气流的马赫数远小于 0.1，故可以把气体视为不可压缩气体；

2）因为除雾器通道宽度、高度比较大，而且任意流动截面相同，所以流场可简化为二维；

3）由于流动中气体各参数不随时间而改变，所以可以视气流为定常流动；

4）由于液滴粒径很小，故当作球形来处理，不考虑液滴之间的碰撞、聚合等现象，且忽略蒸发、摩擦、撕裂及热效应的影响；

5）液滴接触板面即认为捕集。忽略壁面水膜撕裂及反弹，不考虑二次带水；

6）不考虑气液两相的任何能量交换；

7）由于气液两相密度差很大，故不考虑虚假质量力、Baseet力及Magnus力的影响。

2.2 网格划分

本文网格采用GAMBIT 进行分段划分，近壁面进行网格加密处理，选择四边形结构性网格，其余部分选择三角形平铺网格。图1为直角三角形板除雾器网格划分局部放大图。叶片间距为 20mm，进口气速为2m·s-1，整个流道共生成3738个节点，5934个单元体。近壁面第一层网格高度为 0.025mm，边界网格设置5层。

连续相采用分离求解器求解时均为N-S方程、湍流附加方程和连续性方程，并将改进的SIMPLE算法运用到速度场和压力场的耦合计算中。离散相使用二阶迎风格式。液滴运动轨迹计算选用基于欧拉-拉格朗日方法的DPM模拟液滴的运动。在已收敛或部分收敛的气体流场基础上，可以求出液滴的运动轨迹[5]。

图1 网格划分局部放大图

2.3 边界条件

2.3.1 连续相介质

边界条件：密度为1.1 kg·m-3，动力黏度为1.95456×10-5N·s·m-3的空气。进口条件：进口气流速度ux=0，uv=2、4、6、8、10m·s-1，在进口截面气速均匀分布。出口条件：出口表压为零，操作压力为1.01325×105Pa。壁面条件：壁面表面粗糙度设为零，无滑移，绝热。

2.3.2 分散相介质

液滴物性：密度为1000kg·m-3的水，气流含水量为0.05kg·m-3；进口条件与气速相同。喷射类型为表面（surface），使液滴在进口截面均匀分布。液滴直径：计算了10、20、30、40μm的液滴直径。液滴质量流量：由Q=0.05upL计算，其中up为液滴速度，L为叶片间距，计算了10、15、20、25mm的4种叶片间距。壁面条件：选择捕集（trap）类型，液滴碰撞到壁面即被捕集，不考虑反弹。

2.4 计算工况

根据除雾器实际运行状况，对每种参数选择了合适的变量值进行计算。计算参数及取值见表1，得到了每种情况下的除雾效率和压降。

表1 计算工况

3 计算结果与讨论

3.1 折流板除雾器通道内流场分布

图 2为叶片间距为 15mm，气速为 6m·s-1时折流板除雾器内各种粒子的轨迹图。

图 2 折流板除雾器通道内液滴轨迹图

3.2 各参数对除雾效率的影响

3.2.1 液滴直径对除雾效率的影响

间距为 15mm的折流板除雾器，各种液滴直径的除雾效率计算结果见图3。从图3可知，当气速为 6m·s-1，液滴直径达到30μm时除雾效率达到了100%，说明气速为 6 m·s-1时，此种结构参数的除雾器能除掉的最小液滴为30μm。

图3 液滴直径对除雾效率的影响

随着液滴直径增加，除雾效率效率增大，这是因为液滴颗粒的惯性力随着直径的增大而增大，其速度松弛时间会增大，因而更容易保持原有的运动状态。当气流速度改变方向时，液滴颗粒会更易从气流流线中分离出来，保持原有速度方向的液滴便会碰撞到除雾器叶片壁面而被捕集。

3.2.2 气速对除雾效率的影响

液滴直径20μm、叶片间距为 15mm的折流板除雾器，在各种进气速度下的除雾效率计算结果见图4。

图4 气速对除雾效率的影响

由图4可以看出，对于直径20μm的液滴，随着气速增大，除雾效率增大，但风速为10m·s-1时除雾效率都没达到100%。液滴直径为10μm时，除雾效率随气速增大变得很平缓。因为当气流湍动程度增大时，亚微观粒子所受的Saffman升力作用更明显，细微粒子运动轨迹不稳定，导致其更不容易被除去。由以上讨论可知折流板除雾器适用于相对较大粒子的分离，对微小粒子的除雾效果不好。

3.2.3 叶片间距对除雾效率的影响

在液滴直径为20μm、气速为6m·s-1的情况下，6种不同间距的折流板除雾效率计算结果见图5。从图5中可以看出，随着叶片间距增大，除雾效率降低。这是由于叶片间距的增大使介质的流通面积增大，气流方向的改变变得平缓，颗粒随气流的跟随性变得更好，故更不容易被捕集，从而除雾效率降低。

图5 叶片间距对除雾效率的影响

从实验结果中可以看出，随着进气速度和液滴直径的增大，除雾效率增大；随板间距的增大，除雾效率减小。总的来说，折流板除雾器适用于相对较大粒子的分离，对微小粒子的分离效果不佳。提高除雾效率的有效途径是减小叶片间距、增大进气速度和减小板片转折角度，然而减小叶片间距会提高除雾器的制造成本，提高进气速度会增加能耗。除雾器的结构优化和运行参数的选取要综合考虑这些因素。

3.3 各参数对压降的影响

3.3.1 气速对压降的影响

图6为叶片间距15mm、液滴直径20μm，折流板除雾器在各种气速下除雾器压降的计算结果。从图6中可以看出，除雾器压降随气速的增大而增大且增大幅度较大，表明气速对压降的影响比较大。根据速度和压力云图的分析，其原因可能是：在除雾器通道第二个拐弯处的外凸侧有流体漩涡区存在，此漩涡区是由气流在通道内受离心力作用从通道中心流向叶片外壁，再由外壁返回所造成的。而离心力随着气速的增大呈平方增大，所以会产生更大漩涡。流动阻力由于漩涡区的存在而增加，从而使压降变大。

图6 气速对压降的影响

3.3.2 叶片间距对压降的影响

图7为叶片间距15mm、液滴直径20μm，折流板除雾器在各种叶片间距下除雾器压降的计算结果。从图7可以看出，压降随叶片间距的增大而减小，但总体减小幅度并不大，且当气速减小时，压降随叶片间距的增大而减小的幅度更平缓。其原因是随着叶片间距增大，气流流通面积变大，使流动方向的改变变得平缓，从而使漩涡区的存在变小，流动阻力变小，导致压降变小。相对于气速对压降的影响，叶片间距对压降的影响还是很小的，其并不是影响压降的关键因素。

图7 叶片间距对压降的影响

4 结论

折流板除雾器通道内流场在转角处发生变化，形成高压低速区和低压高速区。在高压低速区湍动能最大，湍流耗散最强烈，气流产生回流，造成流通面积减小，流速增大，提高除雾效率。同时回流也造成了气流流动阻力的增大，使进出口产生压降。

其他参数固定的情况下，除雾效率随叶片间距的增大而减小，随进气速度的增大而增高，随液滴直径的增大而迅速增大。除雾器压降随叶片间距增大而减小，随气速增大而增大。当间距不变时，不同进气速度下，除雾器能出去的小液滴极限直径不同，但极限直径并不与气速成线性关系。总的来说，折流板除雾器对微小粒子的除雾能力不佳，其适用于相对较大粒子的分离。

[1] 李大明，兰明安.超滤技术在高效气液分离领域中的应用[J].河南化工，2000，24(4)：28-29.

[2] 邓卫平，吴德飞.加氢装置气液分离器的研制[J].石油化工设备技术，2005，26(3)：6-11.

[3] 任相军，王振波，等.气液分离技术设备进展[J].过滤与分离，2008(3)：43-47.

[4] 罗绍强，蔡振云.燃煤电厂烟气脱硫技术进展[J].浙江化工，2007，38(2)：13-17.

[5] 李文艳，徐妍，等.数值模拟技术在湿法脱硫除雾器优化设计上的应用[J].热力发电，2007(5)：10-14.

Numerical Simulation Study on Separation Characteristics of Baffle Plate Demister

YANG Lin
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

Baffle plate demister was widely used in the gas-liquid separation equipment industry, the present studies of baffle plate demister were focused on improving defogging efficiency, reducing the import and export drop and preventing clogging and so on. Base on defogging efficiency and pressure drop were the two most important performance of demister, so the research emphasis in these aspects was concerned. Current the research methods of demister were mainly included the experimental and numerical simulation. But result on high investment, long cycle, complicated process of experimental, it gradually replaced by numerical simulation.

mist eliminator; demisting characteristic; numerical simulation

TQ 015.8

A

1671-9905(2017)07-0060-05

杨琳(1991-)，女，西安石油大学在读硕士研究生，E-mail: 18629579665@163. com，电话：18729183864

2017-04-12