Методы расчета двухфазных течений (газ-жидкость) в центробежных се-парационных элементах (ЦСЭ)

Материал с сайта: http://www.cae-services.ru/

Назначение ЦСЭ:

• сепарация газа от капельной жидкости и механических примесей

• обеспечение контактирования газа и жидкости с целью тепло-массообмена между фа-зами в процессах абсорбции или ректификации многокомпонентных смесей

1. Пример задач

ЦСЭ устанавливается в сепараторах на тарелках (кол-во элементов на тарелке зависит от производительности аппарата). Газ попадает в ЦСЭ снизу через завихритель поз.2 по чертежу, закручивается и движется вверх.

За счет центробежных сил капли жид-кости отбрасываются к стенке элемента, об-разуют пленку. Далее через каплеуловитель жидкость попадает на тарелку и по опускным трубам отводится в кубовую часть сепарато-ра.

Очищенный от капельной жидкости газ выходит через верхнюю часть аппарата.

ЦСЭ устанавливается в сепараторах на тарелках (кол-во элементов на тарелке зависит от производительности аппарата). Газ попадает в ЦСЭ снизу через завихритель поз.2 по чертежу, закручивается и движется вверх.

За счет центробежных сил капли жид-кости отбрасываются к стенке элемента, об-разуют пленку. Далее через каплеуловитель жидкость попадает на тарелку и по опускным трубам отводится в кубовую часть сепарато-ра.

Очищенный от капельной жидкости газ выходит через верхнюю часть аппарата.

Целью моделирования является оценка эффективности работы элемента, то есть, определение нежелательного уноса жидкости газом в верхнюю часть аппарата и гидравли-ческих потерь в элементе.

Жидкость поступает сверху в центральную часть завихрителя по трубе 3. Газ поступает из под полотна тарелки 1 вверх, закручивается лопатками завихрителя 2, подхватывает вытекающую из трубы 3 жидкость, раскручивает ее и отбрасывает на стенки сепарационной обечайки 4, где она сепарируется от газа и удаляется из элемента через прорези 5, через зазор 6 и через щель между сепарационной обечайкой 4 и отбойником 7, выполненным в форме половинки тора.

Газо-жидкостный поток дополнительно подкручивается установленным на трубе 3 от-ражателем 8

Неотсепарированная жидкость уносится газом на вышележащую тарелку через выход 9.
Целью моделирования является:

• определение перепада давления на тарелке, провала жидкости через лопатки завихрителя и уноса жидкости на сепарационную тарелку

• оптимизация высоты установки отражателя

Методы решения

Особенностью многофазного течения (в отличие от многогокомпоненого течения) явля-ется то, что различные жидкости в нем перемешаны на макроскопическом уровне масштабов, которые существенно больше молекулярных масштабов.
В этом случае необходимо решать основные уравнения для каждой жидкости отдель-но.
Между различными фазами необходимо учитывать силовое взаимодействие, а также тепло- и массоперенос.
Существуют два основных метода решения этой задачи:
Метод Эйлера-Эйлера, когда для всех фаз решаются основные уравнения в приближе-нии Эйлера, и в этих уравнениях учитывается межфазное взаимодействие.
Метод Лагранжа - для непрерывной фазы используется подход Эйлера, а движение частиц отслеживается по их траекториям в приближении Лагранжа.

Для рассматриваемых задач наиболее оптимальным представляется использование метода Эйлера-Эйлера, т.к. в этих задачах очень важно оседание капель на стенки, образо-вание пленки жидкости и ее течение вдоль стенок.
Однако, если важна мультидисперсность жидкости (т.е. распределение капель по фракциям размеров), подход Эйлер-Эйлер становится очень громоздким и требует больших вычислительных ресурсов.
Еще больше усложняется задача, если необходимо учитывать вторичный унос капель жидкости (срыв с поверхности пленки, разбрызгивание при осаждении капель жидкости на пленку).
В этом случае предлагается расчет многофазного течения в комбинированном при-ближении: Эйлер-Эйлер (гомогенная модель для течения со свободной поверхностью) для пленки, модель Лагранжа для капель.
Использование только одной модели Лагранжа вряд ли возможно, т.к. она плохо опи-сывает образование пленки жидкости и ее течение вдоль стенок.
Полная модель уноса жидкости с поверхности пленки должна учитывать переход ка-пель в пленку, а также касательное напряжение на межфазной поверхности, разбрызгивание пленки за счет ударов капель и образование вторичных капель.

Результаты

Метод Эйлера-Эйлера проиллюстрирован на примере решения задачи 2.
Использовались следующие исходные данные:
• непрерывная фаза - воздух;
• дисперсная фаза - вода;
• расход воздуха - 0.578 [м3/с];
• температура воздуха - 53 [°C];
• расход воды - 7 [м3/час];
• температура воды - 25 [°C]

Физические модели:
• Негомогенная модель Эйлера-Эйлера.
• Средний диаметр капель воды - 0.3 мм
• Модель Schiller-Naumann для лобового сопротивления
• Коэффициент поверхностного натяжения - 0.073 Н/м

Модели турбулентности:
• для воздуха - k-?
• для воды - Dispersed Phase Zero Equation (модель, основанная на геометриче-ском масштабе течения и средней скорости)

Геометрическая модель

3D CAD модели элемента тарелки получены в формате Catia V5 (*. CATPart).
Для расчета использовался сектор, составляющий 1/16 всего элемента (22.5°)

Сеточная модель (ICEM): 185939 узлов

Число элементов - 164800. Гексаэдрических - 163970, клинообразных - 830

Граничные условия

Результаты расчета

Рис.1. Изменение избыточного давления вдоль тракта

При угле открытия лопатки завихрителя рав-ном 10° перепад давления составляет ~3000Па

Увеличение угла открытия лопатки завихри-теля до 30° снижает перепад до ~500Па

Рис.2. Объемная доля жидкости

Провал жидкости через лопатки завихрителя для рассматриваемого варианта практически отсутствует.

Унос жидкости на сепарационную тарелку составляет менее 0.1% от всего подаваемого расхода жидкости.

Рис.3. Скорость газа

Газ после прохода через лопатки завихрителя и закручивания попадает на обечайку и отражается от нее.

На рисунке видно, что расположение отбой-ника по высоте наиболее оптимально для но-вой закрутки течения.
При более высоком или более низком распо-ложении отбойника его эффективность была бы меньше.

Рис.4. Распределение вектора скорости газа

Расчетные ресурсы

Персональный компьютер:

Процессор: Intel® Core^TM2 Duo CPU P8600 (2.4GHz)

Память: 3GB

Операционная система: Windows XP

Время расчета одной конфигурации - 20 минут