火炬系统卧式分液罐分离效率影响因素分析

火炬系统卧式分液罐分离效率影响因素分析

目前，生产规模大、技术先进的大型油厂和石油化工厂必须配备至少一套高质量、可靠的火炬系统。1物理模型、边界条件和计算方法1.1模型构建和网格划分SH3009-2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》规定分液罐的长(进出口管的距离)径比为2.5~31.2边境条件卧式分液罐入口压力为150000Pa;出口压力为148500Pa。设置入口的湍流强度为10%,水力直径为入口直径(DN500)。1.3重力的降压实用(1)火炬气是装置在正常运行或事故状态下排放的废气,主要成分是碳氢化合物、氢气和硫化氢等,属于易燃易爆有毒有害气体(2)考虑气液两相之间的相互作用力和液滴所受沉降重力,未考虑微小液滴所受到的浮力和温度对重力沉降效果的影响。(3)采用欧拉(EulerianModelTheory)多相流模型,非稳态隐式分离求解器进行求解,压力、动量、湍动能以及耗散率流项的差值方法选用二阶迎风,QUICK格式离散。(4)为保证良好的气液相分离,液相在分液罐中应保证足够的滞留时间。卧式分液罐内最大存液量应≤30min凝液泵的排量(5)为了研究气液两相分离效果,将分液罐出口处液相体积分数与入口处液相体积分数的比值与1的差值,定义为液相的分离效率η:式中:n2控制方程式2.1积分方程表明在欧拉模型两相流中,基本相q相的体积V式中:2.2质量常数守固定方程式中:2.3变量守备法式中:μ式中:K基本相q中作用于从属相p的升力为式中:F3影响储存水池中气相分离的影响因素3.1液滴直径对分离效果的影响图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为出入口压差1500Pa,气体含液率5%,液滴直径分别为1000μm、600μm、100μm时,分液罐Z=0、XY截面上运行10min后气液两相体积分数云图。从图5(a)、图5(b)可以看出,液滴在重力沉降作用下在分液罐内大量存积,而图5(c)液滴沉降的效果非常不明显,说明此时大量液滴已经随气体从出口排出罐外,分离效果不佳。当液滴直径为1000μm时,沉积液体比液滴直径为600μm时在数量上要更多一些。当液滴直径为1000μm时气相的体积分数为0.8094342;液滴直径为600μm时气相的体积分数为0.869639。数据结果表明,液滴直径较大时,重力沉降效果明显。图6为液滴直径为1000μm和600μm时,分液罐Z=0、XY截面上气液两相速度梯度云图。从图6可以看出,当液滴直径为1000μm时,分液罐内最大速度值为9.39m/s;液滴直径为600μm时,分液罐内最大速度值为6.71m/s。说明液滴直径对流体的速度产生影响,液滴直径大时会携带较大的动能。比较图5、图6可以看到,速度梯度云图与体积分数云图的变化趋势相类似。图6中液体存积区域的速度基本均趋近于零,说明在这两种流速下气体所携带的动能对沉积的液滴基本不产生影响。图7为分液罐运行10min后,不同液滴直径的出口液相分离效率图。从图7可以看出,随着液滴直径的增大,分离效果迅速提高。当液滴直径为300μm时,分离效率仅为17.37%,当液滴直径为600μm时,分离效率就迅速达到53.33%;当液滴直径为1000μm时,分离效率达到76.54%。这是由于液滴直径的增大导致重力沉降速度的增大,因此分离效果更好。3.2入口速度对分液罐内和地面移动区域的扰动图8(a)、图8(b)、图8(c)分别为液滴直径1000μm,气体含液率5%,出入口压差变化为3000Pa、1500Pa、250Pa,分液罐Z=0、XY截面上气液两相速度梯度云图。当出入口压差为3000Pa时,分液罐内最大速度值为7.86m/s;当出入口压差变化为250Pa时,分液罐内最大速度值为2.25m/s,说明分液罐内气液两相的速度梯度随着出入口压差的降低逐渐降低,符合动量守恒的基本定律。速度降低会使液滴在罐内的停留时间增长,为液滴沉降提供了有利的条件。同时,3个图中的橘黄色和绿色区域分布有所不同。如图8(a)所示,当出入口压差较大,即入口速度较大时,整个橘黄色和绿色区域贯通出入口,其他区域淡蓝色居多,说明分液罐内大量放空气体没有得到充分的扰动。而图8(b)、图8(c)的整个橘黄色和绿色区域并没有贯通出入口,橘黄色和绿色区域之间出现了淡蓝色,表明放空气体在分液罐内不同程度、不同区域产生了一定的涡旋,这是放空气体在分液罐内停留时间增加的原因之一。随着液滴的逐渐增多,分液罐内液面逐渐升高,较大的入口速度对气液两相分界面处产生频繁的扰动。如图8(a)、图8(b)所示,蓝色液面出现凹状,这种状态会随着液面的升高、入口速度的增大而逐渐被强化。当达到一定临界范围时,部分已经沉降的液滴在放空气体的动能作用下重新被送出分液罐出口,导致分液罐丧失原本设计要求的分液能力3.3热处理对分离效果的影响假设分液罐在计算过程中温度保持不变,即不进行能量求解计算。表2为3种不同温度20℃、50℃、75℃下分别设置基础相(气体)和从属相(液体)的密度,以及运动黏度及不同工作温度下分液罐分离效率的数值模拟结果。从表2可以看出,随着工作温度的升高,分液罐的分离效率随之上升。这是因为气体和液体的密度都逐渐减小,其二者密度差值的变化却不大。而气体运动黏度逐渐增大,液体运动黏度逐渐减小,其二者运动黏度的变化都将导致液滴沉降速度增大,因而导致分液罐分离效率的增大。这与文献[17]用公式推导得出的结论一致。3.4气体含液率的影响表3为不同含液率影响下分液罐的分离效率。由表3可以看出,随着气体含液率的逐渐增加,分液罐的分离效率逐渐减小。这是因为气体内含有液滴越多,颗粒间相互作用越明显,发生干扰沉降,导致沉降时间加长,分离效率降低。此结论与文献[17]的结论一致。3.5分离式液罐分离效率原分液罐计算模型中,长径比为2.5。现将长径比增大为2.7和3,即保持分液罐直径为3000mm,将进出口管的距离增大为8100mm和9000mm。表4为长径比增大时分液罐的分离效率。由表4可以看出,随着分液罐长径比的逐渐增加,气体在分液罐的分离效率逐渐增大。这是因为分液罐长径比的增大,导致液体在分液罐内的停留时间增加,故其更容易在重力的作用下沉降出来,因而分离效率提高。此结论与文献[18]的结论一致。但需注意,长径比不能无限制地增加,因为这必然导致分液罐尺寸的增大,在生产现场不容易布置,一般在能够满足分离要求的前提下尽量减小长径比。4分液罐分离条件优化运用FLUENT软件对分液罐气液两相流分离效率问题进行数值模拟,研究了液滴直径、出入口压差、工作温度、气体含液率、分液罐长径比等因素对分液罐分离作用的影响,并提出提高分液罐分离效率的优化措施。研究表明,液滴直径大,分液