采用增大凝结液滴方法的锥芯超音速旋流分离装置性能研究

To improve the separation performance of a supersonic gas separation device for the treatment of gas mixture with a single heavy component, a novel structure with shorter settlement distance was constructed and a method of droplet enlargement was applied. A series of experiments were carried out in the improved separation device under various conditions, using air-ethanol vapor as the medium and micro water droplets as nucleation centers. The effects of the inlet pressure, temperature and relative humidity, the swirling intensity, and mass flow rate of water on the separation performance were investigated. The separation was improved by increasing the inlet pressure and relative humidity. With the decrease of swirling intensity and mass flow rate of water, the separation efficiency increased first and then decreased. The inlet temperature had a slight effect on the separation. The results showed that the separation performance was effectively improved using the proposed structure and method, and the best separation in this study was obtained with the ethanol removal rate about 55% and dew point depression 27 K. The addition of water had little pollution to the air-ethanol vapor system since the water carry-over rate was within the range of %-0 in most cases.     

多进口旋流器流场特征及分离性能

为了改善单进口旋流器稳定性差、分级效率低等问题,本文提出了多进口旋流器结构。通过数值模拟方法,在恒定入料工况下,对比分析了单、二、三、四进口旋流器的流场特征和分离性能。研究结果表明：增加旋流器进口数量,会对旋流器流场和分离性能产生积极影响,有利于旋流流场径向压力的增大,且进口数量为偶数时,流场径向静压力增强效果更好;旋流器柱段区域流场切向速度增大,有利于强化旋流器分离能力。同时使用Mixture耦合RSM模型预测了离散相CaCO₃颗粒的分离效率,结果表明多进口旋流器可以在低速度入口条件下完成离散相的高精度分离。入料速度为3m/s的工况条件下,多进口旋流器分离50μm、57.5μm颗粒的底流分配率较单进口旋流器分别提升了10.60%、5.59%,对抑制旋流器溢流产品错配率和提高分级精度有积极的影响。因此,增加旋流器进口数量,可以有效提升旋流分级效率和分离精度。     

Investigation on Separation Efficiency in Supersonic Separator with Gas-Droplet Flow Based on DPM Approach

Supersonic separator is a new technology based on the adiabatic expansion of swirling gas flow, and at present it has demonstrated great application potential in separating and processing droplet liquid contained in natural gas. However, its coefficient of performance is still low and there seems to be a large gap in the method that evaluates the separation efficiency in a satisfactory manner. In order to promote the wide application of this technology in the dehydration field, it is necessary to find a new and feasible approach that can be used to predict the flow characteristic and separation performance inside a supersonic separator. In this paper, a comprehensive three-dimensional fluid numerical model to study the flow behavior and separation efficiency in a supersonic separator was established coupled with the discrete particle model (DPM). The mixture of air and water droplets was chosen as working fluid. The gas phase was modeled with compressible Navier–Stokes equations for two-phase flow and the RSM turbulence model was taken into account. The droplet phase was modeled with the discrete particle model (DPM), in which the droplets are assumed to have the same sphere shape and ignore the phase transition and nucleation process. A pilot test facility was carried out to validate the numerical model. The experimental results not only indicate that the new dehydration device can efficiently separate the liquid droplets from wet gas, but also prove that the numerical results were great agreements with the experimental results. Furthermore, based on the proposed numerical approach, the gas-droplet turbulent flow structures were predicted, the effects of different structure parameters and operation conditions on the separation efficiency were also investigated. The current works settle a foundation for further explorations on the supersonic gas–liquid separation flows inside a supersonic separator as well as the possible new applications.     

紧凑型气浮装置油水预分离区结构选型的数值研究

采用计算流体软件Fluent对4种不同预分离区结构的紧凑型气浮装置(CFU)的油水分离性能进行了数值研究. 在建立稳定可靠计算模型的基础上,分析了给定设计流量和入口含油率情况下4种预分离区结构型式的除油率及油相分布情况,并研究了入口处理量和含油率变化对CFU除油率的影响. 结果表明,同种预分离区结构型式下除油率与处理量和入口含油量有关,处理量给定时,除油率随入口含油率增加而增大,入口含油率给定时,除油率随处理量增加而降低;在设计流量4 m3/h和入口含油率2000 mg/L条件下,中心柱锥通筒喇叭口朝上结构的综合除油性能最好,除油率达87.13%,且具有较大的操作弹性.     

纯化天然气水合物螺旋分离器流场与性能分析

基于海洋天然气水合物固态流化开采方法的井下原位除砂提纯回填工艺,本文结合试采所得水合物浆体特征,设计用于解决设备磨损、储层坍塌等问题的井下除砂螺旋分离器,利用CFD数值模拟方法研究了入口速度和水合物体饱和度对井下除砂螺旋分离器流场和性能的影响,得到了随着入口速度增加,流场中流体的速度急剧增大,特别是切向速度、分离效率增加。当分离效率为70%以上,分离器内压降急剧增大,表明分离器内部的能量损耗不断增加;随着入口水合物体积分数的增加,螺旋分离器内流场变化微小,水合物分离效率降低,砂分离效率增加;分离效率为80%以上,压降逐渐降低。说明该分离器的最佳操作区为入口速度范围为3～5m/s,水合物入口体积分数15%以下。研究结果表明：本螺旋分离器具有极佳的除砂效果;切向速度是决定分离器分离性能的关键速度,处理量的增大有利于水合物的提纯;海底水合物储层中水合物饱和度变化对螺旋分离器分离效率具有一定的影响,但螺旋分离器对其具有一定的适应能力;揭示了水合物井下螺旋分离器除砂的分离机理,为其设计提供了一定的依据,为海洋水合物储层开采防砂提了一种新的技术及装备。     

Effect of inlet area on the performance of a two-stage cyclone separator

The cyclone separator is an important separation device. This paper presents a new type of embedded two-stage cyclone, which includes a 2nd-stage cyclone (internal traditional cyclone) with multiple inlets and a 1st-stage cyclone (outer cylinder) that unifies the 2nd-stage cyclone inlets into one inlet. The Taguchi experimental method was used to study the two-stage cyclone separator's inlet area on its performance. Studies have shown that the increase of the 1st-stage cyclone inlet area and the increase in the number of 2nd-stage cyclone inlets (N) positively affect reducing the pressure drop and a negative effect on efficiency. It is recommended to use 2S (the original 1st-stage cyclone inlet area) of the 1st-stage cyclone inlet area and 2N of the 2nd-stage cyclone inlets when separating fine particles. Compared with a traditional cyclone, the pressure drop is reduced by 1303 Pa, the mass separation efficiency (E_q) is increased by 0.56%, and the number separation efficiency (E_n) is increased by 2.05%. When separating larger particles, it is recommended to use 2S of the 1st-stage cyclone inlet area and 4N of the 2nd-stage cyclone inlets. Compared with a traditional cyclone, although E_n decreases slightly, the pressure drop is reduced by 3055 Pa, and the E_q is increased by 0.56%. The research results provide new insight into the design of the cyclone.     

PSC100型旋风单管多相分离性能的实验研究

为研究流动参数对多相分离性能的影响,选用PSC100型旋风单管在常温常压下进行性能实验研究。结果表明:在气固液三相分离实验中,液相和固相分离效率比单独的气液、气固两相实验中液相和固相的分离效率分别增加1%、5%;液相分离效率受固相进料浓度的影响不大,固相分离效率受固相进料浓度的影响较大;在气液分离实验中,分离效率随入口流量的增大出现一个极大值,为99.6%。     

跨临界CO2快速膨胀过程中非平衡冷凝和闪蒸机理的数值研究

跨临界CO₂在高速膨胀时,压力和温度剧烈下降,会发生非平衡相变。其中在天然气超声速分离设备和超临界CO₂离心压缩机中CO₂会发生非平衡冷凝相变;在引射膨胀制冷系统中,跨临界CO₂在引射器主动喷嘴中发生非平衡闪蒸相变。为解决跨临界CO₂在膨胀过程中物性变化剧烈,非平衡相变模拟困难的问题,构建了新型非平衡相变CFD模型,以研究跨临界CO₂在超声速缩放喷嘴中的非平衡冷凝和非平衡闪蒸的相变过程和膨胀机理,模型耦合了温度驱动的蒸发-冷凝相变机制和压力驱动的空化-冷凝相变机制,并用文献中的试验结果验证了模型的准确性。研究结果表明,在冷凝相变过程中,由压力驱动的冷凝传质具有主要影响,压力驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴喉部与内流区域,温度驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴渐扩段壁面。冷凝传质速率随着进口压力的增加和进口温度的降低而增加,从而使冷凝的非平衡程度和喷嘴内的干度降低,喷嘴渐扩段内达到声速的位置也相应延后。在闪蒸相变过程中,由温度驱动的蒸发传质占据主导,蒸发相变主要发生在喷嘴喉部附近,空化相变主要发生在喷嘴渐扩段,两相CO₂在喷嘴的渐扩段达到声速。随着喷嘴进口压力的增加和进口温度的降低,闪蒸的非平衡程度增加,使喷嘴内的干度减小。本研究有助于厘清跨临界CO₂快速膨胀中的非平衡闪蒸和冷凝相变机理,并为跨临界CO₂膨胀设备的分析和优化设计提供参考。     

大处理量紧凑型气浮装置的数值模拟

目前鲜有关于大处理量气浮装置结构设计研究方面的报道,气浮装置国产化研究进程缓慢。为了解决这 一问题,本文以自主研发的处理量为120m³/h 紧凑型气浮装置为计算模型,采用Eulerian 模型和RNG k-ε 湍流模 型,运用Fluent 对其三维流场进行了数值模拟研究。分别研究了内筒高度、半径间隙及入口管径等结构参数和 含油量、处理量等操作参数的影响,以便考察和优化气浮装置的分离性能。结构参数影响的数值模拟结果表明: 随着半径间隙的减小,除油率先增大后减小;随着入口管径的减小,除油率先减小后增大;改变内筒高度对除 油率的影响较小。操作参数影响的数值模拟结果表明,装置的操作弹性相对较大,对水质水量一定程度的波动 具有良好的适应性。     

跨临界CO2快速膨胀过程中非平衡冷凝和闪蒸机理的数值研究

跨临界CO₂在高速膨胀时,压力和温度剧烈下降,会发生非平衡相变。其中在天然气超声速分离设备和超临界CO₂离心压缩机中CO₂会发生非平衡冷凝相变;在引射膨胀制冷系统中,跨临界CO₂在引射器主动喷嘴中发生非平衡闪蒸相变。为解决跨临界CO₂在膨胀过程中物性变化剧烈,非平衡相变模拟困难的问题,构建了新型非平衡相变CFD模型,以研究跨临界CO₂在超声速缩放喷嘴中的非平衡冷凝和非平衡闪蒸的相变过程和膨胀机理,模型耦合了温度驱动的蒸发-冷凝相变机制和压力驱动的空化-冷凝相变机制,并用文献中的试验结果验证了模型的准确性。研究结果表明,在冷凝相变过程中,由压力驱动的冷凝传质具有主要影响,压力驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴喉部与内流区域,温度驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴渐扩段壁面。冷凝传质速率随着进口压力的增加和进口温度的降低而增加,从而使冷凝的非平衡程度和喷嘴内的干度降低,喷嘴渐扩段内达到声速的位置也相应延后。在闪蒸相变过程中,由温度驱动的蒸发传质占据主导,蒸发相变主要发生在喷嘴喉部附近,空化相变主要发生在喷嘴渐扩段,两相CO₂在喷嘴的渐扩段达到声速。随着喷嘴进口压力的增加和进口温度的降低,闪蒸的非平衡程度增加,使喷嘴内的干度减小。本研究有助于厘清跨临界CO₂快速膨胀中的非平衡闪蒸和冷凝相变机理,并为跨临界CO₂膨胀设备的分析和优化设计提供参考。     

涡发生器对脱硫系统除雾器性能的影响

通过数值模拟研究了平板、椭圆板、圆管、方管和三角管5种涡发生器分别安装于湿法烟气脱硫系统折流板除雾器中的除雾效率与压降。采用欧拉-拉格朗日方法分别求解气相-液相运动状态,入口流速U _in为3~6m/s,液滴直径范围2~80μm。结果表明,平板的除雾效率与压降增大最多,U _in=3m/s时,除雾效率相比无涡发生器高31.98%,压降高30Pa。平板对2μm液滴具有较高的除雾效率,最大为34.88%,比无涡发生器高20.81%。椭圆板U _in=3m/s时除雾效率比无涡发生器增加29.14%,压降升高20.47Pa。圆管、方管和三角管的总除雾效率分别高达95.05%、97.49%和96.48%。压降方面,方管为无涡发生器的4.18倍,圆管和三角管分别为2.05倍和2.79倍。另外,考察了椭圆板攻角的影响。在相同U _in下,除雾效率随着攻角的增加而增大,50°的椭圆板除雾效率为97.09%~99.15%。攻角对2μm液滴的分级除雾效率影响不大。压降随着攻角的增大而增加,U _in=4m/s时,攻角从0°增加到50°,压降从25.3Pa增加到92.78Pa。椭圆板因其迎流面积与长宽比的匹配以及流线型产生了较多涡流,具有良好的强化除雾效率效果以及较小的压降。     

新型超音速旋流分离器流场分析与性能评估

为了解决实际开采过程中高压天然气的含水问题,结合气体动力学和流体热力学原理,设计了一套前置式超音速旋流脱水装置,围绕新装置进行了流场模拟和性能分析两方面研究。首先根据几何尺寸建立了三维数值计算模型,并结合RNG k-ε湍流模型对超音速分离器内部流场进行了模拟,得出了装置轴心线上天然气压力、温度、马赫数等特性参数的分布规律,同时对不同截面上参数的径向变化进行了分析;最后根据露点降和分离效率评估了超音速旋流分离器的工作性能,结果表明：在喷管出口处马赫数为1.51,膨胀最低温度可达140K,切向旋流速度为160m/s,可以实现水蒸气的充分凝结和分离;当压损比达到70%时,可以得到32℃的露点降,而且装置对于变压力、变温度工况具有很好的适应性,完全可以满足生产实际要求。     

旋流脱气性能影响因素的CFD模拟

液体脱气是工业生产环节不可缺少的部分。脱气式旋流器能够在线、快速地进行脱气工作, 但目前发展处于初期阶段, 对于其脱气性能影响因素的探究还不全面。本文采用计算流体动力学(CFD)的方法, 运用流体力学软件Fluent, 在H₂O-CO₂的两相体系、湍流模型采用Reynolds应力模型、多相流模型采用Mixture混合模型的条件下, 对不同柱径比的液体脱气式旋流器进行数值模拟, 利用旋流离心场的离心力和压力梯度对微小气泡进行分离, 获得了对5～50μm不同直径气泡的分离性能以及进口流速对气泡分离性能的影响关系。研究发现, 在一定条件下, 随着柱径比值的增大, 脱气效率总体上先逐渐增大, 超过一个极限值后迅速减小, 但柱径比越大, 越有利于小气泡颗粒的迁移分离;分离效率随着进口流速增加而增加, 到达极限之后效率降低。     

内联式脱液器分离性能的实验研究

以空气-纯净水为实验介质,采用称重法和控制变量法对自制的内联式脱液器的脱液性能进行了实验研究,分析了入口流速和含液量对分离效率及压力损失的影响. 结果表明,在入口流速不变的条件下,分离效率随含液量增加而增大,含液量超过一定值后,随含液量增加而下降,该定值随速度增加而增大;含液量对压力损失影响不大. 分离效率和压力损失均随入口流速增大而增加,液滴粒径为50~80 mm、入口流速从14 m/s增加到22 m/s时,气液分离效率从39.17%增加到77.85%,压力损失从2200 Pa增加到3400 Pa. 所设计的内联式脱液器脱液效果良好.     

酸团中微量正己烷的离心萃取分离研究

采用离心萃取分离技术,回收己内酰胺水解反应产生的酸性溶液(酸团)中的正己烷;建立工业侧线实验装置,考察了离心萃取机的转速、进料口流量及正己烷含量对分离性能的影响。结果表明:离心萃取分离性能随进料口正己烷含量的增加而增强;进料口流量越大,分离性能越差;设备转速为1 500 r/min时,分离效果最佳;转速为1 500 r/min,进料口流量为0.6 m3/h时,平均分离效率可达40%,分离效果好。     

CO2-空气微通道蒸发器两相区熵产分析

微通道已成为换热器研究领域的热点,以CO₂微通道蒸发器为研究对象,建立了CO₂微通道蒸发器两相区内、外侧均有相变的熵产模型,通过建立的CO₂微通道蒸发器二维分布参数模型求解系统熵产数.分析CO₂与空气侧质量流率、空气入口温度及CO₂蒸发温度对系统熵产数的影响.结果表明:CO₂质量流率对系统熵产数影响很小;系统熵产数主要由CO₂与空气两侧温差传热引起;系统熵产数随空气入口温度的增大而增大,随CO₂的蒸发温度的增大而减小;随着空气质量流率的增大,系统熵产数增大,且蒸发温度越高,空气质量流率对系统熵产数的影响越大.     

Computational study of the flow characteristics and separation efficiency in a mini-hydrocyclone

The development of a simple and feasible fluid–solid separation device is critical to further advancement in the use of micro-technology. The mini-hydrocyclone, which possesses a concise geometry and simple operational process, has been proposed as a promising solution to bridge this gap since the cut-size decreases with decreasing hydrocyclone diameter. In this work, we investigated the fluid flow and particle separation ability of a 5 mm diameter mini-hydrocyclone through computational fluid dynamics (CFD) modelling. Direct numerical simulation (DNS) results with CFD have shown that the flow transition and subsequent unsteady state behaviour occurred in the mini-hydrocyclone at a low Reynolds number (Re_in = 300) because of the onset of centrifugal instability. The centrifugal instability offered an insight into the flow transition and the development of turbulent flow in hydrocyclones which have not been studied. The centrifugal instability in the mini-hydrocyclone begins as Görtler vortices developing in the boundary layer and they subsequently affect the flow field. Particle motion tracing showed that improved separation with finer cut size, d₅₀, and steeper separation sharpness were obtained as the inlet velocity was increased. The improvement can be explained by the flow characteristics when the flow transits to turbulent flow.     

柱形旋流器油水分离效果研究

建立了一套柱形旋流器油水分离实验流程。通过改变油水两相泵入速度、溢流口流量等操作参数,得到了入口流速、分水率对分离效果的影响趋势,并比较了二级柱形旋流器并联和串联两种连接方式的分离效果。结果表明,一定结构的柱形旋流器存在最优的入口流速和分水率;在2.8 m/s的入口流速下,二级柱形旋流器并联油水分离效果最好。     

喷射鼓泡塔海水脱硫特性

为探究以海水作为脱硫剂在喷射鼓泡塔上的脱硫特性,通过改变废气流量、海水温度、浸液深度、SO₂进口浓度和O₂浓度等操作参数,在自主设计和搭建的喷射鼓泡塔实验平台上进行了船舶模拟废气的脱硫实验。实验结果表明:在喷射鼓泡塔上,海水对SO₂的吸收容量为3.682 mmol·L^-1,约是去离子水的3.92倍;脱硫效率随废气流量、海水温度和SO₂进口浓度的升高而降低,随浸液深度和O₂浓度的升高而升高,与脱硫时间呈线性下降关系。液相总传质系数随废气流量和海水温度的增加而增加,其中废气流量的影响幅度较小,仅为3.16%。增加O₂浓度可显著提高海水对SO₂的吸收容量,O₂浓度从0%增至12%时,海水的吸收容量从3.682 mmol·L^-1增至7.463 mmol·L^-1。     

变温吸附碳捕集系统能效性能实验研究

燃烧后CO₂捕集技术（PCC）因易于与既有电厂结合而被认为是一项减少二氧化碳排放的重要技术。化学吸收、吸附和膜分离是PCC的主流技术。在CO₂吸附技术类中，变温吸附（TSA）是一种有效的吸附方法。近年来，TSA技术的能源消耗和能源转换效率问题成为人们对其大规模部署的关注焦点。然而，大多数的研究都是将数学模型和仿真方法应用于TSA的性能评估，缺乏足够的实验研究支持。为了对TSA系统的能源转化效率进行实验分析，开发了一套四步法TSA系统，能效性能是基本分离性能外的主要考察指标。实验采用沸石13X-APG作为吸附剂材料，根据实验测得的两组吸附等温线，计算了CO₂/N₂的吸附选择性系数。通过进气CO₂浓度、解吸时间、吸附温度和解吸温度对纯度、回收率、单位能耗和第二定律效率的影响分析，得到了4组实验结果。结果表明，第二定律效率的范围为3.24%～9.23%，回收率和纯度最高分别为83.97%和94.70%。解吸温度和进气CO₂浓度的升高，吸附温度的降低有利于分离及能效性能提升。延长解吸时间有利于分离和能效提升，但过长的操作时间反而使得效果变差，这会对工程中的运行策略优化产生积极的指导意义。