叶片式气液分离内件数值模拟及对比分析

文晓龙，冯森森，袁淑霞，何义明，王海鹏

（1．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070；2．上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518；3．西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

引 言

气液分离广泛采用叶片式分离元件，通过特殊设计的弯折结构实现液滴的惯性分离。当夹带液滴或固体颗粒的气流以一定的速度通过叶片通道时，流动方向不断发生急剧变化，具有较大惯性的液滴易于保持原有运动方向而从主体气流中分离，气体则能顺利通过叶片通道排出［1-2］。同时，液滴在通道内发生相互碰撞，液滴碰撞后会发生聚结、反弹、破碎。小液滴聚结成大液滴提高了分离效率，而大液滴破碎成小液滴则降低了分离效率［3］。Hamedi Estakhrsar等［4］研究板片弯曲次数对压降和分离效率的影响；Galletti等［5］用欧拉-拉格朗日法对带钩的叶片式分离器进行仿真计算；Elhame Narimani等［6］基于曲面响应法研究V型叶片的气流速度和结构参数对分离效率的影响；James P．W 等［7］对波板表面上液滴的运动和沉积进行数值模拟，提供了一种给定负载下液滴是否发生夹带的方法；Kauousi F等［8］研究了叶片通道的几何参数对分离效率的影响；Koopman H．K等［9］提出了一种经典的分离效率分析模型，用于不同叶片分离器几何形状的实验；袁淑霞等［10］基于正交实验设计法研究了尺寸因素与非尺寸因素对分离效率的影响，结果表明折流板的角度和间距对分离效率的影响非常显著；樊玉光等［11］运用Fluent软件对1μm到50μm粒径的液滴在分离器内的流场进行数值模拟，得到了不同进气速度、叶片距及叶片倾角下的分离效率和压降；齐玉成等［12］通过搭建实验平台，针对流量、叶片间距、叶片倾斜角度、叶片组数、温度5个影响因素进行了不同流量下的试验研究；王文燕［13］通过实验与数值模拟相结合的方法，在板片式气液分离器内加入钝体，提高了分离器对液滴的捕获能力。

尽管叶片式分离元件的分离性能及其影响因素已有很多研究，但随着技术的发展，叶片形式层出不穷，不同形状的叶片的分离性能及对液滴聚结破碎的影响仍有待进一步研究。本文采用计算流体动力学方法应用Fluent软件研究叶片形式、叶片间距、叶片高度、液滴粒径和液滴含量对分离性能的影响；将叶片式分离器的主体分离速度划分为重力分离、惯性分离和过渡区，研究不同主体流速下的分离特性；针对不同高度叶片进行研究，得到叶片高度对不同分离形式的影响规律。研究结果应用于上海蓝滨石化设备有限责任公司，取得了较好的应用效果。

1 模型及边界条件

1．1 计算模型及方法分析

采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法，对连续域进行离散，并求解质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程得到复杂流场的流动特性、压力分布，通过加入湍流模型模拟湍流流动影响，采用离散相模型分析离散相液滴的轨迹、分离效率、液滴粒径分布等。由于分离器内流体流速较低，温度几乎不变，可忽略能量方程［14］。叶片分离元件流道区域截面为狭长的区域，当达到惯性分离所需速度后，将进入湍流状态，需要采用湍流模型进行模拟。雷诺平均法是目前工程应用最为广泛的湍流数值模拟方法［15］。通常叶片流道内的湍流程度较低，而k-ω模型考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播，SST k-ω模型将专为近壁区域设计的混合功能和双模型加在一起，且合并了来源于ω方程中的交叉扩散。模型中的湍流黏度考虑到了湍流剪应力的传播，在近壁自由流中k-ω模型比k-ε模型有更广泛的应用范围、精度以及可信度。因此在湍流工况下采用 SST k-ω模型［16］。

气液分离过程涉及两种以上性质不同的物质，采用离散相模型模拟气液相的相互作用，以及液滴间的相互作用，从统计学上得到液滴碰撞后的聚结、破碎情况。液滴的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下可表示为

式中：u和ρ分别为连续相的速度与密度；FD为液滴弛豫时间的倒数，1／s；up和ρp分别为离散相的速度与密度；F为附加力，包括视质量力、压力梯度力、热泳力、布朗力、升力，在该工况下均可忽略。

1．2 建模及网格划分

建立3种不同形式叶片（分别称为NH-TP叶片、NC-TP叶片和TP叶片），研究叶片形式的影响；针对每种叶片形式，研究叶片间距、叶片高度、液滴粒径、液滴含量及主体流速对分离性能的影响。由于叶片式分离元件各通道的相似性，只取一个通道进行分析。NH-TP叶片式分离元件是一种折流板分离元件，分别在折流板的波峰和波谷处设置了叶钩，增加了液滴被捕集的机会［17］；NC-TP叶片式分离元件也是一种折流板分离元件，在折流板高度方向每隔50 mm冲压液槽；TP叶片与NC-TP类似，但不加工液槽。图1（a）、图1（b）分别为NH-TP叶片和NC-TP叶片模型及其网格划分，壁面处设置边界层网格，经计算所设边界层处的近壁面黏性影响参量y＋值小于ω方程要求的11．6，表明边界层网格密度满足要求。TP与NC-TP叶片相似，但没有液槽，省略其模型。

图1 叶片模型及其网格划分Fig．1 Model and its grid division

1．3 边界条件

以空气和水为介质，其中水以微小液滴形式存在。边界条件设置如下：

进口为速度边界条件，给定流体速度，同时离散相液滴从进口均匀喷入，其喷入速度与气体流速相等。出口给定自由出流边界。叶片表面设置为壁面，NH-TP的叶钩和NC-TP的液槽也设置为壁面，假设离散相液滴碰到壁面即被捕捉，颗粒在此处终止计算。液滴到达板出口时，即认为逃逸。出口的离散相含量即为未被分离的液滴［18-19］。

1．4 分离效率的定义

为计算分离效率，提取出口离散相含量数值，通过与进口预设的离散相含量进行换算，得到

式中：η为分离效率；Cin为进口离散相含量，kg／m3；Cout为出口离散相含量，kg／m3。

2 数值模拟结果及其分析

以NH-TP叶片为例研究板间距、液滴粒径、主体流速、离散相含量及叶片高度对分离性能的影响，再将3种不同形式的叶片进行对比分析。

2．1 叶片间距的影响

对于带钩的NH-TP叶片，间距太小容易造成阻力过大，而间距过大则会造成短路，即流体从进口直线到达出口而不受叶片影响，综合以上选择15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm和45 mm共7种间距进行研究。

以液滴粒径10μm、离散相含量5%为例，主体流速较低时为重力分离，主体流速较高时为惯性分离，二者之间为过渡区。图2（a）—（c）分别为主体流速 0．012 5 m／s、4．000 0 m／s和 0．100 0 m／s时NH-TP的液滴轨迹。当主体流速为0．012 5 m／s时，停留时间足够长，液滴能够从气体中沉降，此时为重力分离工况，该工况分离效率较高，出口液滴很少；而当流速为4 m／s时，惯性成为分离的主要动力，此时液滴基本被壁面和叶钩捕集，出口处几乎没有液滴，分离效率很高；流速从重力分离到惯性分离的过渡过程中，某些流速分离效率较低（例如0．1 m／s），此时由于流速增加，没有足够的停留时间使液滴沉降，而惯性也不足，无法完全通过惯性分离，导致出口液滴数量较多，被气流带出的液滴直径也较大。同时可以看出，通道内液滴粒径不再是单一直径，这是由于液滴相互碰撞后发生的聚结或破碎引起。

图2 NH-TP液滴轨迹图Fig．2 Drop let Trajectory on NH-TP blade

不同间距NH-TP叶片分离性能对比如图3所示。不同间距的分离效率对比（图3（a））可以看出，重力分离的分离效率与板间距无关，而惯性分离与板间距有关，尤其是流速为0．100 0m／s和0．200 0 m／s时，间距大时由于惯性力迅速下降而导致分离效率降低很多。同时，板间距的不同也影响分离器的阻力，由于惯性分离产生的阻力最大，仅考虑惯性分离工况下的阻力。不同间距叶片惯性分离阻力对比（图3（b））可以看出，间距由15 mm增加到20 mm后阻力迅速下降，间距大于25 mm后阻力几乎不变。综上，NH-TP叶片的理想间距为20～25 mm。

图3 不同叶片间距NH-TP分离性能对比Fig．3 Comparison of separation performance of NH-TP blades under different spacing

2．2 液滴粒径的影响

不同液滴粒径NH-TP叶片分离性能对比如图4所示。

NH-TP叶片间距20 mm、离散相含量5%时不同粒径液滴在不同流速下的分离效率对比（图4（a））可以看出，分离效率随液滴粒径的增加而增加，当液滴粒径大于15μm后，分离效率达到99%以上；当流速较高处于惯性分离工况时，较小的粒径仍能获得很高的分离效率；重力分离工况仅在液滴粒径为5μm时分离效率有所降低；而最差工况下液滴粒径较小时将会导致明显的分离效率降低，应尽量避免分离器工作在最差工况条件下。

图4 不同液滴粒径NH-TP分离性能对比Fig．4 Comparison of separation performance of NH-TP blades for dropletswith different particle sizes

气体内携带液滴导致流体密度增加，也增加了压差，惯性分离工况下，叶片通道压差随液滴粒径变化，液滴粒径越大，分离效率越高，气体中携带液滴减少，使得压差明显下降（图4（b））。

2．3 主体流速的影响

主体流速不仅影响液滴的惯性，也影响液滴的流动状态，流速低时为层流，流速高时为湍流。当NH-TP叶片间距为20 mm，液滴粒径为10μm，离散相含量为5%时的分离效率如图5所示。

图5 不同主体流速下液滴粒径10μm的NH-TP分离效率对比Fig．5 Comparison of separation performance of NH-TP blades under different bulk velocities and droplet size of 10μm

随着主体流速的变化，分离效率表现为先减小后增大的特征，流速低时较高的分离效率主要由重力沉降作用产生，而流速高时体现出的较高分离效率由惯性力作用产生。在二者之间的分离效率有所降低。当流速为0．1 m／s（0．012 5 m／s的8倍）时，相对于重力沉降而言流速过大，无法保证足够的停留时间，而相对惯性分离而言，该速度又过低，无法产生足够的惯性力，所以分离效率很低［20］。当流速进一步增加，达到1．0m／s以上（为初始流量的80倍）时，气液分离以惯性分离为主，较大液滴全部被捕捉，能够到达出口的是较小液滴。当流体流速达到或高于4．0 m／s时，在较大的惯性力作用下，分离效率达到100%。由于水的表面张力大，更高流速下仍能保持较高分离效率，如果液相介质是油等有机物，其表面张力较低，在高流速下容易破碎，不宜采用更高流速。因此，合理设计分离速度，可大大提高分离效率。

2．4 离散相含量的影响

为研究离散相含量的影响，取液相体积含量分别占连续相的 0．1%、0．5%、1．0%和 5．0%进行研究。NH-TP叶片间距为20 mm、液滴粒径为10μm、离散相含量分别为 0．1%、0．5%、1．0%和 5．0%时不同流速下分离效率如图6（a）所示。可见，分离效率随离散相含量的增加而增加，重力分离工况和惯性分离工况下分离效率变化不明显，在最差工况下，离散相含量低时分离效率有较大幅度下降。值得注意的是，离散相含量低时分离效率的降低并不代表NHTP叶片分离性能的下降，通常情况下离散相含量低时出口离散相含量反而更低，所谓的分离效率降低是由于分离效率是进口和出口液相含量的相对值，而进口液相减小带来的分离效率降低并不会影响最终气体的含液率。同样，由于离散相含量高时气体携带液量多也会导致压差升高，如图6（b）所示。

图6 不同离散相含量、液滴粒径10μm的NH-TP分离性能对比Fig．6 Comparison of separation performance of NH-TP blades under different discrete phase contents and drop let size of 10μm

2．5 不同叶片高度对比分析

NH-TP型叶片式分离元件通常放置于分离器内部，其具体使用高度需根据分离器实际尺寸确定。在惯性分离工况下，气液分离的作用力为惯性力，与此相比，重力可忽略不计，因而分离效率与叶片高度无关。但重力分离工况下，液滴需在高度方向沉降，其沉降时间与叶片高度有关。分别研究叶片高度为200mm、400 mm、600mm及800mm时的分离效率。主体流速分别为0．012 5m／s、0．100 0m／s和0．200 0 m／s时的分离效率、含量比如图7所示，其中的含量比是指不同叶片高度出口离散相含量与200 mm高叶片出口离散相含量的比值。

从图7可以看出，随着叶片高度的增加，液滴在重力作用下沉降时间也相应增加，因此导致其分离效率降低。但分离效率是进出口离散相含量的相对值，尽管体现了分离效率随叶片高度增加而降低的规律，却无法体现其定量关系，出口离散相含量（浓度）体现了分离后气相中的含液量，可以进一步分析叶片高度增加对NH-TP型叶片分离性能的影响。由图7（a）可见，当主体流速为0．100 0 m／s时，分离效率随叶片高度增加降低幅度最大，而由图7（b）可以看出，出口离散相含量随叶片高度的增加线性增加，但其增幅小于叶片高度的增幅。如果是理想重力分离情况，出口离散相浓度比与叶片高度同步增加，即二者的关系为图7（b）中第一条曲线。而事实上，3种流速下的浓度比增幅均小于理想重力分离工况，说明在气液分离过程中起作用的不仅仅是重力，叶钩的阻挡作用也阻止了分离效率的降低，而随着流速的增加，惯性也逐渐开始作用，惯性分离时其分离效率不会随叶片高度发生变化，体现在图7（b）中理想惯性分离曲线。可见，当主体流速为0．100 0 m／s和0．200 0m／s时，分离作用是重力分离和惯性分离联合作用的结果，流速越高，惯性越强，浓度比越接近理想惯性分离曲线；而流速分别为0．012 5 m／s、0．100 0 m／s和 0．200 0 m／s时则是处于理想重力分离和理想惯性分离之间的情况。

图7 不同叶片高度NH-TP分离性能对比Fig．7 Comparison of separation performance of NH-TP bladeswith different heights

3 NH-TP、NC-TP与TP叶片分离元件性能比较

3．1 分离效率及通道内液滴平均粒径对比

为研究不同分离元件的分离性能，将NH-TP、NC-TP与TP叶片的分离效率与通道内液滴平均粒径进行对比。取NH-TP叶片间距20 mm，NC-TP和TP叶片间距10 mm，研究液滴粒径10μm，离散相含量5%，3种叶片的分离效率和通道内液滴平均粒径随速度变化的过程如图8所示。对比研究结果表明，NH-TP的最差工况出现于流速为0．10 m／s，NCTP的最差工况出现于流速为0．20 m／s，而TP的最差工况出现于流速为0．50 m／s。通过对比，NH-TP的分离效果最好，即使在最差工况下也能达到95%以上，NC-TP与TP的分离效果相差较小，但最差工况时NC-TP的分离效率可达到87%以上，而TP的分离效率仅能达到79%以上，说明开槽的TP叶片适应工况的能力较好，而带钩的折流板适应工况的能力最好。

图8 不同主体流速、液滴粒径10μm的NH-TP、NC-TP与TP分离性能对比Fig．8 Comparison of separation performance of HN-TP，NC-TP and TP blades under different bluk velocities and droplet size of 10μm

通道内液滴平均粒径反映了分离后通道内残余液滴粒径，残余液滴粒径越小，说明分离性能越好。由通道内液滴平均粒径的对比可知，重力分离（流速较低）和惯性分离由于分离效率较高，大直径液滴已从气相中分离，所以所剩液滴粒径较小。然而，由于重力分离和惯性分离条件下液滴的聚结程度不同，惯性分离时气体流速较大，对液滴的作用力也较大。此外，液滴间的碰撞及液滴与壁面的碰撞均导致液滴粒径聚结程度低，所以，处于惯性分离速度区间的液滴粒径小于重力分离区间的液滴粒径，因此在从重力分离到惯性分离的整个区间内分离效率和通道内粒径的变化规律并不一一对应。

3．2 压差对比

叶片式分离元件的压差受主体流速影响很大，主体流速较小时，压差可忽略不计，主体流速越大，压差越大，因此只研究惯性分离（主体流速为4．0 m／s）时的压差。除连续相的主体流速外，离散相液滴也影响折流板分离元件的压差，分别研究了不同粒径和不同离散相含量时的压差。

NH-TP叶片间距为20mm，NC-TP和TP叶片间距为10 mm，离散相含量为5%，主体流速为4．0 m／s时不同液滴粒径的压差对比如图9（a）所示；初始液滴粒径为10μm，主体流速为4．0 m／s，不同离散相含量下压差对比如图9（b）所示。TP叶片与NCTP叶片结构类似，其压差也基本相同，仅对比了NH-TP和NC-TP的压差。尽管NH-TP叶片间距大于NC-TP的，前者产生的压差远大于后者，由于叶钩的存在，导致连续相气体在叶钩处产生回流，增加了流动阻力。由图9（a）可知，液滴粒径越小，压差越高，这是因为液滴粒径减小，分离效率降低，导致气体不得不携带更多液滴，而液滴密度远远大于气体密度，携带液滴越多压差越高。同理，由图9（b）可知，离散相含量高时，气流也将携带更多液滴，从而导致压差随离散相含量增加而增加。

图9 主体流速4．0 m／s下NH-TP和NC-TP压差对比Fig．9 Comparison of pressure difference of NH-TP and NC-TP blades under the bulk velocity of 4．0 m／s

4 结 论

（1）NH-TP和NC-TP分离元件的分离效果与叶片间距有关，叶片间距越小分离效果越好，但叶片间距不宜过小，否则会造成阻力增加，NH-TP最优叶片间距为20～25 mm，NC-TP和TP的最优叶片间距为10 mm。研究结果表明，叶钩的作用明显，尤其是在主体流速的过渡区，由于叶钩的阻挡作用，仍然可以得到较高的分离效率，而开槽也可在最差工况下起到一定效果。

（2）粒径对叶片式分离元件的分离效率影响显著，当液滴粒径大于20μm后，分离效率可达到99%以上。

（3）随着主体流速的变化，分离效率表现为先减小后增大的特征，流速低时较高的分离效率主要由重力沉降作用产生，而流速高时体现出的较高分离效率由惯性力作用产生。在二者之间的分离效率有所降低。

（4）离散相含量的增加会导致分离效率增加，但由于离散相基数大，离散相含量高时出口液相浓度仍然高于离散相含量低的工况。

（5）对不同叶片高度分离元件的分离性能研究结果表明，惯性分离效果与叶片高度无关，而重力分离或过渡区随着叶片高度的增加，分离效率降低。

（6）不同形式叶片的最差工况流速不同，NH-TP的最差工况出现于流速为0．10 m／s，NC-TP的最差工况出现于流速为0．20 m／s，而TP的最差工况出现于流速为0．50 m／s。NH-TP的分离效果最好，NC-TP与TP的分离效果相差较小，但最差工况时NC-TP的分离效率可达87%以上，而TP的分离效率仅能达到79%以上，说明开槽的TP叶片适应工况的能力较好，而带钩的折流板适应工况的能力最好。