CFD技术在油气分离器选型和设计中的应用

第47卷第4期2010年8月化 工 设 备 与 管 道PROCESS EQU IPM ENT &P I P I NG V o l 47 N o 4

A ug 2010

单元设备

CFD 技术在油气分离器选型和设计中的应用

蒋国

(中国石化集团上海工程有限公司,上海 200120)

摘 要:利用CFD 数值模拟方法,气相采用RNG - 湍流模型,油滴相采用随机轨道模型,对油气两相流在一次油份内的流动分布进行研究,分析油滴在分离器内的运动轨迹及分离机理。计算结果表明:油气分离器的长径比越大其分离效果越好;当入口速度较大时,增大分离器容积可提高分离效率;当入口速度较慢时,即使增大容积其分离效果也不会得到明显的改善;分离器入口速度越大分离效果越理想。在工程应用中,利用以上分析结论进行选型和尺寸设计的油气分离器可以满足实际要求,并取得理想的分离效果,同时验证了采用的方法切实可行。关键词:油气分离器; CFD; DPM 模型; 油滴轨迹中图分类号:TQ 050.2

文献标识码:A

文章编号:1009-3281(2010)04-0013-05

App licati on of CFD Technique i n D esi gn and Selecti on

of O il and Gas Separator

JIANG Guo

(SI N OPEC Shanghai Eng i neering Co.,L t d,Shanghai 200120,China )

Abstrac t : By using CFD nu m er i ca l si m ulation ,and w ith RNG k-e m ode l for gas and random track m ode l for o il phase ,bo t h the re -search of the d i str i bution o f o il and g as co m bi ned phase in m i xed o il and the analysis of t he m ov i ng track and sepa ra tion m echan i s m of the o il drop i n separa tor w ere carried out .The ca l culati on result has shown t hat t he ratio of length and d i am eter larger ,t he separa ti on e ffect better .W hil e t he ve l oc ity at inlet i s comparati ve l y f ast ,to enlarg e t he vo l ume of separator w ill i ncrease separati on e fficiency ;ho w ever ,wh ile the veloc i ty at i n l e t is comparati ve ly slow ,

t here w ill be no apparent i m prove m en t i n separation efficiency even if the

vo l u m e o f separa tor i s en l a rged .T hus ,t he faster the ve l o city at i n l e t ,t he better the separati on e fficiency .In eng ineer i ng practice ,the abov e ana l ys i s and conc l usi on can be used to desi gn o r select o il and gas sepa ra t o r so as to obta i n expected separa ti on e ffect and ,then ,to reach t he require m ents i n eng i neer i ng.T he m ethod presented i n this a rti c l e has been va li dated i n practice .K eywords : o il and gas separator ; CFD ; DPM m ode ;l

track of o il drop

收稿日期:2010-07-07

作者简介:蒋国(1965 ),男,江苏丹阳人,主任工程师,高级工程

师。主要从事化工机械工程设计。

1 概述

在喷油螺杆压缩机中,润滑油对压缩机的性能影响很大,具有冷却、润滑和密封的功能。为满足后续工艺的要求,同时为保证润滑油的循环利用,介质气被压缩后通常需要进行油气分离。而油气分离的效果往往会影响到整个工艺系统的效率,如:在螺杆制冷循环系统中,螺杆压缩机是关键部件之一。压缩机中由于在压缩过程中喷入了大量的润滑油,制冷剂蒸气与油的混合物将一起从压缩机排出。若气、油混合物进入冷凝器和蒸发器等热交换器,由于油不会蒸发,就会在热交换器的管壁上结成油膜,油

膜的导热系数很小,如同附在管壁上一层绝热层,这样会使系统中热交换器的传热效果大大降低,从而降低了制冷效率。另一方面,大量的润滑油滞留在热交换器中,会导致回油量不足,影响到压缩机的润滑功能,从而使压缩机寿命降低,甚至会因失油而烧毁。为此,对制冷剂中夹杂的润滑油必须在进入系统前进行分离。油气分离器通常设置于压缩机与冷凝器之间,其作用就是要在制冷剂进入系统之前将润滑油进行分离。油气分离器的分油效率决定了进

入系统的制冷剂的含油量。另外,还有一些对空气品质要求苛刻的场合,对于喷油螺杆压缩机后续的油气分离的要求也相当高。为提高油气分离器的分油效率,其合理的结构设计得到越来越多的重视。

分离器结构形式多种多样,目前尚未形成统一的设计标准,设计或选型主要依靠经验数据,具有较强的主观性,往往达不到最佳分离效果,要提高油气分离器的分离效果,改进结构和优化尺寸,必须深入研究油气分离器一次油份内的湍流流场和油滴运动规律。目前,针对油气分离器内流动分布的研究主要集中在油滴颗粒的尺寸和位置变化对分离效果的影响,而关于油气分离器的结构尺寸对分离效果影响的文献很少[1-3]。油气分离器为高压金属容器,用流动显示实验研究其内部流场既不经济,研究周期又长,所以本文利用CFD数值模拟方法,对油气两相流在一次油份内的流动分布进行详细研究。分析油滴在分离器内的运动轨迹及分离机理,比较不同长径比、容积和入口速度对油气分离器分离效果的影响,为油气分离器的制造和设计提供依据。

2 数学模型

油气分离器内的流动属于气液两相流动。两相流中各相在空间和时间上随机扩散,同时存在动态的相互作用。目前的数值模拟对两相流中的各相通常有两种处理方法:一是将某相看成连续相,根据连续性理论导出欧拉型基本方程,称为欧拉方法;二是将某相视为不连续的离散相,对每个质点进行拉格朗日追踪,称为拉格朗日方法。本文采用的DP M (D iscrete PhaseM ode,l离散相模型)模型属于欧拉-拉格朗日算法,即对气相流场采用欧拉观点进行计算,而对液滴的运动则采用拉格朗日观点进行跟踪计算。

2.1 气相控制方程

油气分离器内的流动既有弯管流动,又有冲击射流,并且流场带有明显的旋转,因此对油气分离器内的湍流流动采用RNG湍流模型计算。油气混合物中油滴相的体积是按照压缩机排气温度的要求,根据热平衡方程计算得出的。由计算可知油滴相的体积分数一般均小于10%,因此将油滴相当作稀相处理是合理的。油气两相流动的计算采用以下分相模型:

连续性方程

t+

x i( u i)=0(i=1,2,3)(1) 动量方程

t( u i)+

x j( u i u j)

=-

p

x i+

x j

u i

x j+

u j

x i-

2

3

ij

u l

x l

+

x j- u i u j+ g i+F i(i=1,2,3)(2) 方程(1)和方程(2)为雷诺平均Nav ier-Stokes 方程,它与瞬态雷诺方程有相同的形式,式中雷诺应力:

- u i u j= t

u i

x j+

u j

x i

-

2

3

k+ t

u i

x i

i,j (i,j=1,

2,3)(3) 湍流动能方程k

( k)

t+

( ku i)

x i=

x j +

t

k

k

x j+

G k-G b- -Y M+S

k(4) 扩散方程

( )

t+

( u i)

x i=

x j +

t

x j+ C1

k

(G k+C3 G b)-C2

2

k

+S (5) 方程中G k表示由层流速度而产生的湍流动能;

G b是由浮力产生的湍流动能;Y M是由于在可压缩湍流中过度的扩散产生的波动;S k和S 是定义的源项, k和 是k方程和方程对湍流系数;C1 、C2 和C3 为经验常数。

气相动量方程(式2)中的源项是气相与液滴发生的动量交换,其值如下所示:

F i= 18 C D R e p

24 D2p

(u p,i-u i)m p(6) 式中的求和是对控制容积中所有油滴流进行的,m p是油滴相的质量流率。

2.2 随机轨道模型

为了追踪油滴在分离器内的运动,本文采用随机轨道模型,即将油滴所受阻力分为时均流场阻力和脉动流场阻力两部分,也就是在油滴动量方程中分别以流场的时均速度分量和脉动速度分量代替瞬时速度分量。考虑到油气分离器内油滴相的体积分数通常小于10%,可以忽略油滴之间的相互作用。由于油相的表面张力较大,油滴的形状可以等效为

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化 工 设 备 与 管 道第47卷第4期

球形。此外,对虚拟质量力、B asset力和M agnus力也暂不考虑。这样,本文对油气分离器内油滴轨迹的计算考虑了重力、惯性力、黏性阻力、湍流扩散力和Saff m an升力。

油滴的轨迹是通过积分拉氏坐标系下的油滴作用力微分方程求解得出的。

油滴的作用力平衡方程(油滴惯性力为作用在油滴上的各种力)在笛卡尔坐标系下的形式为

d u pi d t =F D(u i-u p i)+

g i( P- )

P+

F si(i=1,2,3)(7) F D(u i-u p i)为油滴的单位质量曳力,其中

F D=18

P d2P

C D R e

24

式中 u 流体相速度;

u p 油滴速度;

流体动力黏度;

流体密度;

P 油滴密度;

d P 油滴直径;

Re 相对雷诺数(油滴雷诺数),其定义为

R e= d P|u P-u|

Saff m an升力的表达式为

F si=

2K v1/2 d ij

P d P(d lk d l)1/4

(u i-u p i)

式中:K=2.594;d ij是流体变形速率张量。

湍流扩散力对油滴轨迹的影响采用湍流随机轨道模型来加以模拟。在随机轨道模型中,沿着油滴轨道积分计算,油滴轨迹方程中的流体速度为瞬时速度 u+u (t),这样就可以考虑油滴的湍流扩散。

对油滴动量方程进行积分,即可得到以下油滴的运动轨迹方程:

x p= u p d t;y p= v p d t;z p= w p d t(8) 2.3 气相与油滴相边界条件

气相边界条件为:进口给定速度边界;出口为压力边界;壁面采用无滑移边界条件,壁面附近湍流模型采用壁面函数法,壁面的压力梯度为0。

油滴相边界条件如下所述:

(1)油气分离器入口为油滴入射面,假定油滴在这个面上进入油气分离器,同时将这个面设置为逃逸边界条件,即油滴如果因回流到达这个面,则认为油滴将脱离这个边界面,不再返回计算域。

(2)油气分离器出口设为逃逸边界条件。

(3)油气分离器内壁设为捕捉边界,即油滴到达壁面后将被壁面捕捉。

3 油气分离器中的流场

本文中所述的分离器是重力式立式油气分离器,其结构示意图如图1,工作原理是油气混合物由侧面进入分离器,气流通过障碍改变流向和速度使气体中的液滴不断在障碍面内聚结,由于液滴表面张力的作用形成油膜。气流在不断地接触中,将气体中的细油滴,聚结成大油滴靠重力沉降下来,流入分离器的集液区,析出的气泡由中心筒排出。

气相控制方程组的求解采用有限差分的SI M-PLE算法,油滴轨迹的计算采用拉格朗日法进行积分求解,图2为油气分离器内部流场的流线图。混合气首先经过入口直管进入桶体,在桶壁上形成局部冲击射流,然后在桶壁和中心筒的限制下向下形成旋涡流动。气流从中心筒下部旋转流过,向上进入出口段。

图1 油气分离器的结构

图2 分离器内流场分布

流场对油滴运动的影响最终还要看油滴轨迹追踪的计算结果,图3为油气分离器的油滴轨迹追踪

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图。从图3可以看出,油滴自入口进入油气分离器,大部分油滴(特别是大直径油滴)立刻撞击到桶壁上而被捕获,其余的油滴在气流的作用下向下旋转运动,其中一部分运动至桶壁或底部被捕获,剩下的

少量油滴则随气流旋转运动至出口逃逸。

图3 油滴运动轨迹

4 数值计算分析

本文针对立式油气分离器的结构尺寸和入口工

况展开分析计算,详细比较了不同长径比、容积和入口速度对油气分离器分离效果的影响。4.1 长径比对油气分离器分离效果的影响

对直径1m 的油气分离器,其长径比分别为1,2,3的情况下,对直径在1~100 m 的油滴以5m /s 的流速进入分离器的运动轨迹进行跟踪,其结果如图4所示。图4a 显示了直径和高度都为1m 的分离器的分离效果,由运动轨迹可看出,进入的油滴粒子相当一部分没有被分离,效果较差;图4b 显示了直径为1m,高度为2m 的分离器的分离效果,由运动轨迹可看出,进入的油滴粒子有少部分没有被分离,分离效果较理想,当气体中有油含量并不高时,选用长径比为2的分离器可以满足要求,可实现较理想的分离效果;图4c 显示了直径为1m,高度为3m 的分离器的分离效果,由运动轨迹可看出,大部分

油滴都被分离,效果最好,但由于设备相对较细较高,安装和抗振效果都不一定能满足现场要求。因此,可根据实际情况特殊设计。

图4 长径比对分离效果的影响

4.2 容积对油气分离器分离效果的影响

在入口流量一定的情况下,分离器的长径比选为2,其直径分别取1m 、1.5m 、2m 时,容积分别为

1.57m 3、5.3m 3、1

2.56m 3

,对直径在1~100 m 的油滴以5m /s 的流速进入分离器的运动轨迹进行跟踪,其结果如图5所示。由5a 和5b 可知,容积大的分离器分离效果较理想,但从5b 和5c 图比较可知,并不是容积越大越好,分离效果还受入口速度的影

响较大,当入口速度较慢时,即使增大容积其分离效果也不会得到明显的改善。

4.3 入口速度对油气分离器分离效果的影响

当油气分离器的容积一定时,对直径在1~100 m 的油滴分别以3m /s 、5m /s 、10m /s 的流速进入分离器的运动轨迹进行跟踪,其结果如图6所示。由油滴运动轨迹可知,分离器入口速度越大,油滴碰撞到缸壁的可能性越大,所以分离效果越理想。

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图5 容积对分离效果的影响图6 入口速度对分离效果的影响

5 结论

通过对油气分离器内部流场的数值模拟,比较了不同长径比、容积和入口速度对油气分离器分离效果的影响,得到以下结论:

(1)油气分离器的长径比越大其分离效果越好,一般在2~3时,都可获得较理想的分离效果,具体参数可根据实际情况设计。

(2)当入口速度较大时,增大分离器容积可提高分离效率;当入口速度较慢时,即使增大容积其分离效果也不会得到明显的改善。

(3)分离器入口速度越大分离效果越理想,当流量一定时,可通过缩小入口管径的方法来提高入口流速,增大油滴碰壁的几率,以实现理想的分离效果。

在工程应用中,利用以上分析结论进行选型和尺寸设计的油气分离器可以满足实际要求,并取得理想的分离效果,同时验证了本文采用的方法切实可行。

参考文献

[1] 冯健美,畅云峰,屈宗长,等.油气分离器内油滴运动轨迹的

数值模拟[J].西安交通大学学报,2006(7):771-775.

[2] 褚晓冬.螺杆压缩机油气分离器内部流场的数值模拟[J].通

用机械,2006(1):86-89.

[3] 孙秀君,孙海鸥,姜任秋.油气分离器内油滴轨迹的数值模

拟[J].应用科技,2006(33):69-72.

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