螺旋导叶与分离器内壁间隙对分离器内流场及分离性能的影响

独 岩 孙国刚 祖泽辉

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院）

螺旋导叶式气液分离器是一种在分离器圆筒内设置连续的螺旋导叶，利用螺旋叶片的连续导向作用使流体作旋转运动，以将液滴从气流中分离的设备，它具有结构简单、分离效率高、投资成本低及不易堵塞等优势，在众多领域都有广泛应用［1］。

目前， 针对螺旋导叶式气液分离器结构设计、操作性能优化及内部流动的数值模拟等方面的报道已有很多，内容涉及螺旋导叶参数（螺旋角、螺距和圈数）、螺旋头数、筒径及高度等［2～4］。但在螺旋导叶的制造、安装过程中，通常导叶与分离器壁面都会存在一定环隙，然而针对这个导叶环隙的影响尚未见专门研究的报道。 有学者认为，采用焊接、填堵等方式消除环隙，可以达到密封或固定导叶的作用；也有人认为，可以留有适当的环隙，如王志雅指出环隙宽度一般可按3%～5%的分离器筒体内径来选取，但没有说明这一选择的理论依据［5］。

为此， 笔者建立一个筒径300 mm 的螺旋导叶式气液分离器模拟模型，在轴向进气、直流和逆流两种排气方式下，通过数值模拟和试验方法研究导叶环隙宽度对气液分离器内流场和分离性能的影响。

1 数值模拟模型及设置

参考螺旋导叶［5］和分离器结构的基本设计方法［6］，设计的3 种结构：螺旋导叶结构如图1a 所示，螺距176 mm，螺旋角11.3°，叶片厚度3.5 mm；直流式和逆流式分离器结构如图1b、c 所示，分离器筒径300 mm，排气管直径160 mm，造旋空间高度455 mm，分离空间高度445 mm，集液段高度250 mm。

图1 螺旋导叶及直流式和逆流式分离器结构示意图

通过Gambit 进行网格划分，全局采用六面体结构化网格，导叶环隙利用边界层加密处理。 坐标原点位于入口截面中心处，竖直向下为负。 采用Fluent14.0 对分离器内部流场进行数值模拟计算，湍流模型选用雷诺应力模型，近壁区域采用标准壁面函数进行处理， 进气口为速度入口，排气管出口为自由出流［7］。经过网格无关性验证，并综合考虑模拟计算精度和时间，确定网格数量在15 万或16 万左右。

2 模拟结果分析

轴流式螺旋导叶气液分离器模型共设置0（无环隙）、1、2、4、6 mm5 组导叶环隙宽度， 入口气速设为6.632 m/s。

2.1 压力分布

不同环隙宽度下的压力分布如图2 所示。 由图2 可以看出：随着环隙宽度的增大，分离器的压力分布对称性明显提高，导叶区域的流场分布更加均匀，有利于气液两相的分离；分离空间的静压梯度逐渐减小， 气流对液滴的剪切力减小，能够防止液滴的变形和破碎，但也会降低气流速度，影响离心分离效果。

图2 不同环隙宽度下的压力分布云图

气相压降随环隙宽度的变化曲线如图3 所示。 由图3 可以看出，环隙宽度越大压降越低，设备能耗越低，但离心力场强度越弱，故环隙宽度不宜过大，否则影响分离效果。

图3 气相压降随环隙宽度的变化曲线

2.2 切向速度

z=-675 mm 截面上，最大切向速度随环隙宽度的变化曲线如图4 所示。 由图4 可以看出，随着导叶环隙宽度的增大， 最大切向速度逐渐减小，导致分离器内的离心力场被削弱。 当环隙宽度为1～2 mm 时，最大切向速度降幅较小；当环隙宽度大于2 mm 时，降幅迅速增大。 所以，导叶环隙的宽度不宜过大，1～2 mm 之间为宜。 此外，若按照王志雅提出的 “环隙宽度按3%～5%的分离器筒体内径选取”， 对于筒径300 mm 的分离器，环隙宽度应取9～15 mm，显然会导致切向速度大幅降低，影响分离器的分离效率。

图4 最大切向速度随环隙宽度的变化曲线

2.3 轴向速度

z=-675 mm 截面上，轴向速度随径向位置的变化曲线如图5 所示。 由图5 可以看出，导叶环隙宽度的增大使得轴向速度的对称性明显改善，形成稳定的速度场，有利于气液两相的分离。

图5 轴向速度随径向位置的变化曲线

在z=-675 mm 截面的边壁区域 （∣r/R∣≈0.9）， 轴向速度随环隙宽度的变化曲线如图6 所示。 由图6 可以看出，轴向速度均为负值，气流下行流动，随着环隙宽度的增大，速度绝对值逐渐减小。 轴向速度越大，液滴停留时间越短，不利于液滴的分离；导叶环隙具有引流作用，边壁区域存在一定的下行轴向速度，有利于疏导贴壁液膜的流动。 综合来看，环隙宽度取1～2 mm 为宜。

图6 轴向速度随环隙宽度的变化曲线

2.4 环隙流量

通过Fluent 软件，在导叶区域中部分别设置环隙流道（图7a 中的红色圆环）和导叶流道（图7a 中的黄色圆环）两个环面，导出两个环面上单位时间的体积流量值，绘制不同结构分离器环隙流道的体积流量随环隙宽度的变化曲线（图7b）。结合表1 数据可得：随着环隙宽度的增大，不同结构的环隙流量均有所增大； 相同环隙宽度下，逆流式分离器的环隙流量要比直流式略高；当环隙宽度大于2 mm 时， 环隙流量开始呈y=0.01x-0.02 线性增长， 两种结构的增长趋势基本一致。整体来看，当环隙宽度为1～2 mm 时，不同结构环隙流量的增长率较小，且均占总流量的3%以内。

图7 两种流道示意图及体积流量随环隙宽度的变化曲线

表1 环隙流道和导叶流道的体积流量占比

当环隙宽度为1～2 mm 时， 体积流量占比较小， 在基本不影响主气流通过导叶区域的前提下，既有利于降低设备压降，又有助于贴壁液膜通过环隙的下行流动。

3 试验系统

轴流式螺旋导叶气液分离器的试验系统如图8 所示，主要由造雾系统、混合系统、分离系统、测量系统和供风系统5 部分组成。

图8 轴流式螺旋导叶气液分离器的试验系统示意图

供风系统（离心风机）提供试验所需负压，造雾系统中的微型隔膜液泵和气体压缩机为超声波喷嘴提供带压液体和气体，通过喷嘴产生均匀细微液滴，在混合系统（进气室）中与进气口主气流混合，形成稳定的带液气流，在分离器顶部沿轴向进入分离器入口，在气液分离器离心力和液滴重力的作用下，气体中混合的液滴被甩到分离器边壁，沿边壁向下运动至底部集液室，净化后的气体通过排气管从离心风机排出。

试验采用超声波双流体喷嘴，喷雾液滴直径小于10 μm，其他主要指标如下：

试验气体介质为常温常压空气，液体介质选用癸二酸二辛酯，分子式为C26H50O4，相对分子量为426.66，挥发度极低，标况下为透明的淡黄色油状液体，不易燃不易爆，微溶于水。

本试验中的分离性能评价指标主要包括出入口压降和分离效率， 出入口压降通过U形管压差计测量，分离效率测量采用称重法，效率η计算公式如下：

其中，W1、W2、W3分别表示储液槽内液体的质量减少量、进气室液体滞留沉降质量、集液室收集的液体质量。

4 试验结果分析

根据模拟结果， 宽度为1～2 mm 的导叶环隙能够改善分离器内部流场分布，预测将对分离性能有一定提升作用。 在此基础上，进一步对无环隙（0 mm）和有环隙（1～2 mm）条件下的分离器的分离性能进行试验对比。

4.1 压降

如图9 所示， 当存在1～2 mm 宽的导叶环隙时， 两种分离器的压降均有所降低。 在低气速（2.947 m/s） 下， 直流式分离器的压降降幅为12.04%， 高于逆流式的10.68%； 而在高气速（8.105 m/s） 下， 直流式分离器的压降降幅为12.05%，低于逆流式的12.57%。

图9 有无环隙时气相压降变化曲线

4.2 分离效率

在一定的入口液滴浓度范围内，两种分离器分离效率随浓度的变化曲线如图10 所示。

图10 两种分离器分离效率随浓度的变化曲线

由图10 可见，由于短路流的影响，逆流式分离器的分离效率明显低于直流式的。 当导叶与分离器壁面存在1～2 mm 的环隙时， 相对于无环隙结构， 直流式分离器的分离效率增幅在0.30%～0.62%之间， 逆流式的分离效率增幅在49.47%～90.58%之间。

可见， 导叶环隙改善了逆流式短路流的影响， 使得分离效率的提升相对直流式更加显著。如图11 所示， 当无环隙时， 被分离液滴形成液膜，存在3 种流动方式：方式①沿着壁面下行流动， 方式②在导叶尾端在离心力作用下被甩出，破碎成小液滴，造成雾沫夹带，导致液滴逃逸的可能性增大，不利于气液分离，方式③沿着排气管下行流动， 在逆流式短路流的作用下逃逸，极大地降低了分离效率。 导叶环隙的存在使得大部分液膜及时通过方式①流动至集液室，减小了方式②（雾沫夹带）、③（短路流）的影响，从而大幅提高了分离效率。

图11 导叶尾端液膜的流动方式

如图12 所示，试验中发现，导叶环隙的存在有利于贴壁液膜的下行流动，起到了“引流”的作用，对于被分离液滴的收集有积极影响。 可以确定，导叶环隙的存在能改善导叶尾端雾沫夹带和短路流的不利影响，使得贴壁液膜能够及时通过导叶环隙“引流”，沿壁面下行流至集液室，从而达到提高分离效率的目的。

图12 贴壁液膜的流动迹线（逆流式）

5 结束语

根据模拟和试验的结果来看，导叶环隙的作用包括：降低分离器压降，有利于降低设备能耗；对贴壁液膜有明显的引流作用，减小导叶尾端雾沫夹带的影响；改善流场的对称性；减小分离器内部的静压梯度， 有利于防止液滴的变形和破碎；对于逆流式结构中的短路流也有明显改善作用，使得分离效率的增幅要比直流式大。

环隙宽度不宜过大，1～2 mm 为宜， 此时分离器内部的切向速度降幅较小， 环隙通道内的气量占比在3%以内，对主旋气流的影响较小。 试验结果表明，相对于无环隙结构，环隙宽度为1～2 mm的直流式与逆流式分离器的压降均降低约12%；逆流式的分离效率增加显著， 增加约20%～30%；直流式的分离效率变化不大，只增加约1%。

综上所述，设置合理的导叶环隙不但能够降低设备能耗，而且能改善分离器内部流场，对分离性能具有一定提升作用，也能够降低设备制造安装的难度，节约生产成本，具有一定的应用前景和研究价值。