旋风分离器三维数值模拟分析

李璇，回涛，王政文，高艳，张红星

(1.兰州寰球工程有限公司，甘肃 兰州 730060；2.中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司，甘肃 兰州 730060；3.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060)

0 引言

近些年，随着我国石化领域大型化的快速发展，随之也带来污染的问题。为了不影响人们的生活环境，各大石化企业建设为“绿色”化工厂成为了当前的首要任务。建设成为“绿色”化工厂装置上要设置一套除尘系统，旋风分离器是除尘系统中最重要的设备之一。

旋风分离器(又名旋风除尘器)是起分离作用的一种设备，主要用于气固或液固系统中。在工作时，它通过利用气体混合物在分离器内部高速旋转所产生的离心力，使颗粒分离出来。由于颗粒受到的离心力远远大于重力和惯性力，在较大的离心力和切向气体混合物的作用下，颗粒被分离到了外壁，达到了分离的效果。旋风分离器的特点是结构简单、操作弹性大、效率高、维护方便、价格低廉等等。因此在石化、制药等领域得到广泛的应用，此外在净化领域也有广泛的应用。旋风分离器采用立式筒体结构，主要包括进气管、排尘管、排气管、筒体、锥体、灰斗等结构组成，并采用进口面积较大、处理能力较强的180 蜗卷式进口[1-5]。旋风分离器结构简图，如图1 所示。

图1 旋风分离器结构简图

1 数学模型

1.1 三维建模

为便于旋风分离器三维数值模拟求解，首先对分离器内部流场作一些的简化假设，分别为：(1) 进入分离器的气体混合物均为稳态流动；(2) 气体混合物在分离器的进气口处流速均匀，处于湍流状态；(3)进入分离器的气体混合物为不可压缩流体；(4)分离器内部流场为恒温状态；(5) 分离器下部出口处无气体流出[6-10]。

基于以上假设，对旋风分离器建立的三维模型，如图2(a)所示。

图2 旋风分离器三维模型、网格划分

1.2 网格划分

网格划分是数值模拟分析前处理阶段中最为关键的一步，因为网格的好坏会对数值模拟计算造成直接的影响。为了达到更高的网格质量，决定采用结构化网格划分，划分结果如图2(b)所示，网格划分后总数为695 334 个，且单元网格均为四面体结构。结构化网格不仅能加快运算速度，还能避免网格扭曲导致的数值扩散等问题，降低计算误差[11-13]。

1.3 模型计算

(1)颗粒受力分析

颗粒在分离器内主要受三种力[14-17]：重力P1、分离时的介质阻力P2、浮力P3。假设颗粒为球形，则P1、P2可分别由式(1)、式(2)表示：

当颗粒向下运动时，颗粒所受重力与分离方向一致，此时颗粒所受浮力与颗粒分离阻力方向相反，受到的介质阻力会不断增加，直到与分离力数值相等。即：

(2)颗粒分离速度计算

当颗粒的所受的分离力与介质阻力相等时，颗粒会匀速下降，此时颗粒的速度即为分离速度。根据《除尘设备设计手册》所知，颗粒分离速度vc与内部气体流速v的关系见式(4)所示[18-20]：

已知旋风分离器设计的外形尺寸为：L=5 m，H=8.85 m，v=0.18 m/s

则通过计算可以得出颗粒分离速度为：vc=0.32 m/s。

(3)颗粒大小计算

通过查阅文献可知，颗粒分离速度vc也可由式(5)表示：

由于颗粒的流动可以近似为层流流动，则雷诺数Re与阻力系数ζ可分别由式(6)、式(7)表示：

将其代入式(5)中，得：

当旋风分离器的结构一定时，理论上颗粒分离速度vc≥的颗粒都能从尾气中分离出来。因此可以计算出当分离速度为vc=时，分离下来的颗粒粒径d，由式(9)表示[21]：

已知：

ρc=1 050 kg/m3，ρ=0.28 kg/m3，g=9.8 m/s2，μ=7.0×10-6kg·s/m2，vc=0.32 m/s

则：

式(1)～式(10)中：P1为颗粒所受重力(N)；P2为分离时的颗粒所受的介质阻力(N)；P3为颗粒所受浮力(N)；d为颗粒的直径(m)；ρc为颗粒的密度(kg/m3)；g为重力的加速度(m/s2)；ζ为流体的阻力系数；F为颗粒的投影面积(m2)；vc为颗粒的沉降速度(m/s)；ρ为进入分离器的气体密度(kg/m3)；L为分离器的长度(m)；H为分离器的高度(m)；v为气体流速(m/s)；Re为雷诺数；μ为黏度(1×103Pa·s)。

1.4 边界条件

在旋风分离器的内部流场中，由于进入的气体混合物中所占固相体积分数较小，因此决定采用气体不可压缩的定常流动进行模拟计算。旋风分离器模拟计算的边界条件设定如下[22]：

(1)进口边界。针对旋风分离器进口边界条件的设定：首先认为气体混合物进入分离器内部做湍流运动；其次假定混合物的法向速度是以匀速进入进口截面，定义进口边界为inlet。

(2)出口边界。在设定出口边界条件时，假定气体混合物在出口处做湍流运动，定义出口边界为outlet。

(3)壁面边界。设定壁面边界条件为无滑移边界，并采用标准壁面函数近似处理近壁区的边界流动问题，定义壁面边界为wall。

2 模拟分析

2.1 对分离器内部速度分布的研究

图3 为旋风分离器中间截面上的速度分布云图、速度矢量图。从图3(a)中可以看出：在分离器的中心部位，形成一个突出区域，且在排气管底部气体混合物的速度达到最大值，这说明此区域的紊流状态是最大的。少部分气体混合物进入分离器后没有向下流动，而是直接流入排气管。另一小部分气体混合物从出口处返回至分离器内部，进入分离器内部后做内旋流动。结合图3(b)，综合分析可以看出：气体混合物进入旋风分离器后，受到了分离器壁面的制约，气体混合物开始向下运动，外层出现了涡旋流动[23-25]。

图3 旋风分离器中间截面上的速度分布云图、速度矢量图

2.2 对分离器内部压力分布的研究

图4 为旋风分离器中间截面上的静压分布云图、动压分布云图、总压分布云图。从图4(a) 可以看出，旋风分离器中间截面上的静压分布情况较为均匀，分离器内部的静压比壁面处的静压低，进气口处的静压分布最大，而分离器中心轴线上的静压分布最小。这说明出口处可能存在“返流”的现象，因此决定在分离器的底部设计一种全翼阀装置，以防止此类现象的发生。从图4(b)可以看出，旋风分离器中间截面上的动压分布情况非常不平稳，分离器进气口处的动压分布最大，而分离器中心轴线上的动压分布最小。在强制涡流区，动压随着分离器半径的减小而减小，而在自由涡流区，动压随着分离器半径增大而减小。经综合分析，这可能是由于气体混合物在分离器内部的切向速度不对称造成的动压分布不对称。从图4(c) 可以看出，旋风分离器中间截面上的总压(即为静压与动压之和)分布情况，总压在分离器内部分布的对称性较好，进气口处的总压分布最大，分离器中心轴线上的总压分布最小，且总压随着分离器半径的减小而减小。在分离器内部中心区域出现了一些扭曲现象，这是因为受到了“二次涡流”的冲击影响所导致的[26-27]。

图4 旋风分离器中间截面上的静压分布云图、动压分布云图、总压分布云图

2.3 对分离器内部颗粒运动轨迹的研究分析

本节主要研究在旋风分离器内部颗粒大小对颗粒运动轨迹的影响，特定的选择粒径为1 μm 与30 μm的颗粒，并追踪分析两种不同粒径的颗粒在进入分离器内部的运动情况。并观察两种不同粒径的颗粒在旋风分离器内部的分离过程，从而得出分离效率规律。

图5 为1 μm 与30 μm 颗粒的运动轨迹。从图5(a)中可以看出，1 μm 粒径的颗粒紧跟随外旋流向下旋转，之后又随内旋流从出口流出，只有一小部分颗粒从出口处逃逸。从图5(b)中可以看出，30 μm 粒径的颗粒在分离器内部运动时，由于受到离心力的作用，沿壁面旋转向下运动，没有从出口处逃逸，而是全部从出口处流出，随后被分离。

图5 不同粒径的颗粒在旋风分离器内部的运动轨迹

通过对比分析不同粒径的颗粒在旋风分离器内部的运动轨迹，可以发现，颗粒的粒径越大，分离效果越好，分离效率越高。这主要是因为较小粒径的颗粒，所受的离心力较小，容易在出口处逃逸，而较大粒径的颗粒，所受的离心力较大，相比于较小粒径的颗粒会更早碰撞到壁面，因此会全部从出口处流出，不会从出口处逃逸[28-29]。

3 结论

对分离器内部速度场的分析：(1)排气管底部区域的紊流程度最强；(2) 气体混合物受到分离器内部复杂流场的作用，一小部分气体混合物出现了“短路流”的现象，另一小部分气体混合物进入分离器内部后做内旋流动；(3)气体混合物进入分离器后，受到了器壁的制约，气体混合物开始向下运动，外层出现了涡旋流动。

对分离器内部压力场的分析：(1) 分离器内部静压分布较为均匀。静压比壁面处的静压低，进气口处的静压分布最大，而分离器中心轴线上的静压分布最小，说明出口处存在“返流”的可能；(2)分离器内部动压分布非常不平稳。在强制涡流区，动压随着分离器半径的减小而减小；在自由涡流区，动压随着分离器半径增大而减小，这可能是由于气体混合物在分离器内部的切向速度不对称造成的；(3)总压在分离器内部分布的对称性较好，且随着分离器半径的减小而减小，在中心区域出现了一些扭曲现象，这是因为受到了“二次涡流”的冲击影响所导致的。

对分离器内部颗粒运动轨迹的分析：(1) 粒径较小的颗粒所受的离心力较小，跟随性较好，容易在出口处被带出逃逸；(2)粒径较大的颗粒离心力较大，跟随性较差，与粒径较小的颗粒相比较会较早地碰撞到器壁，从而较快地落入底部被捕集分离；(3)颗粒粒径越大，分离效率越高。