CFD技术在油气分离器选型和设计中的应用.pdf

第 4 7卷第 4期 2 0 1 0年 8月 化工没备与管道 P R O C E S S E Q U I P M E N T＆P I P I N , Vo 1 ． 47 No ． 4 Au g ． 2 01 0 单 元 设 备 C F D技术在油气分离器选 型和设计 中的应用 蒋 国 中国 化集 团 卜 海上程有 限公 司，上海2 0 0 1 2 0 摘要 利用 C F D数值模拟方法 ， 气相采用 R N G K 一 8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 ； C F D； D P M 模 型 ； 油 滴轨 迹 中图分 类号 T Q 0 5 0 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 ～ 3 2 8 l 2 0 1 0 0 4 0 0 1 3 - 0 5 Ap p l i c a t i o n o f CFD Te c hn i q u e i n De s i g n a n d S e l e c t i o n o f Oi l a n d Ga s S e p a r a t o r J I ANG Gu o S I NOP E C S h a n g h a i E n g i n e e r i n g C o ．， c f ， S h a n g h a i 2 0 0 1 2 0，C h n n 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 凝器之问 ， 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 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 7 - 0 7 作者 简介 蒋 国 1 9 6 5 一 ， 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。 一 ⋯出 ．重 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 ～ 一 一 一 一 一 ． 一 ～ 叩 一 ～ 一 一 一 ～ 一 一 ～ 一 ～ 一 m ㈨ 一 ～ 一 一 ～ 一 一 一 ．二 -雪 _r ㈨ ⋯ ∞ l上 一 ～ ～ 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ 一 ．一 一 l ．㈣ ㈨ 一 ～ 一 ～ 一 一 一 ～一 一 H n v ． _己 _兰 饽 ㈣ 栅 _量 _羔 一 一 m h e 0 ㈨ 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ d d h b “ m ～ ～ 一 ～ 一 ～ ～ 一 一 1 4 化工设备与管道 第 4 7卷第 4期 人系统的制冷剂 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 』 。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 C F D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、 容积和人 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问上随机扩散 ， 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 D P M D i s c r e t e P h a s e M o d e l ， 离散相模 型 模型属于欧拉一 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 R N G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 1 0 ％ ， 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 羔 o i l ，2 ，3 1 动量方程 景 一 赛 毒 [ f O xj 一 2 Ox I ] 羔 一 P M M P g ，2 ，3 2 方程 1 和方程 2 为雷诺平均 N a v i e r S t o k e s 方程 ， 它与瞬态雷诺方程有相 同的形式， 式 中雷诺 应力 一 p 一 【 广 p 五 l ，2 3 3 湍流动能方程 Ot十 O x 毒a x 嘲 ax ． L 。 rr ， ，J G k G l 一 P 一】 ， MS k 4 扩散方程 s 蠹 【 c G }1 Ox j JOt O x CI“ 1 a ．L ＼ 。 C } G C 3e G 一 c z p } S 5 方程中 G 表示由层流速度而产生的湍流动能； G 是由浮力产生 的湍流动能； ， ， M是 由于在可压缩 湍流中过度的扩散产生的波动； S 和 S 是定义的 源项 ， o r 和 是 k方程和方程对湍流系数 ； C 、 C 。 和 C 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 ∑[ ， 6 式中的求 和是对控制容积 中所有油滴流进行 的， 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 1 0 ％ ， 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 蒋 国 ． C F D技术在油气分 离器选型和设计 中的应用 1 5 球形。此外 ， 对虚拟质量力 、 B a s s e t 力 和 Ma g n u s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 S a f f m a n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 警 。 F 。 1 ， 2 ， 3 7 F 。 u 一U 。 为油滴的单位质量曳力 ， 其中 l 8 CD Re 一 2 4P P 0 P 式中“ 流体相速度 ； “ 油滴速度； 肛 流体动力黏度 ； p 流体密度 ； p P 油滴密度 ； d 油滴直径 ； R e 相对雷诺数 油滴雷诺数 ， 其定义为 R。 l一 二 S a ff m a n升力的表达式为 P d d l k d i P P 1 “ 式中 K 2 ． 5 9 4 ； d ii 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 “ 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 p J u p d t ； Y p J p d ￡ ； P f 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 侧面进人分离器 ， 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 S I M P L E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 合气首先经过人 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 1 6 化工设备与管道 第 4 7卷第 4 期 图。从图 3可以看出， 油滴 自人口进人油气分离器 ， 大部分油滴 特别是大直径油滴 立刻撞击到俑壁 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、 容积和人 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 1 n 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 ～1 0 0 m的油滴以5 m ／ 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4 a显示 了直径和高度都为 1 m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 4 b显示了 直径为 1 1 13 ， 高度为 2 1 1 1 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 4 c 显示 了直径为 l IT I ， 高度为 3 m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。 a L Dl b D2 c 上D 。 3 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 1 I T I 、 1 ． 5 m、 2 i n时 ， 容积分别为 1 ． 5 7 1 T I 、 5 ． 3 m 、 1 2 ． 5 6 m ， 对直径在 1～1 0 0 m的 油滴 以5 m ／ 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5 a和 5 b可知 ， 容积大的 分离器分离效果较理想 ， 但从 5 b和 5 c图比较可知， 并不是容积越大越好 ， 分离效果还受人 口速度的影 响较大 ， 当人口速度较慢时， 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 11 0 0 m的油滴分别以 3 m ／ s、 5 m ／ s 、 1 0 m ／ 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 ， 分离器人口速度越大 ， 油滴碰 撞到缸壁的可能性越大， 所以分离效果越理想。 蒋 国 ． C F D技 术在 油气分 离器选型和设 计中的应 用 1 7 5 结论 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 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 ； 当人 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人 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 ， 2 0 0 6 7 7 7 1 - 7 7 5 ． 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 ， 2 0 0 6 1 8 6 ． 8 9 ． [ 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 ， 2 0 0 6 3 3 6 9 7 2 ．