火炬系統(tǒng)臥式分液罐分離效率影響因素分析

火炬系統(tǒng)臥式分液罐分離效率影響因素分析

目前，生產(chǎn)規(guī)模大、技術(shù)先進(jìn)的大型油廠和石油化工廠必須配備至少一套高質(zhì)量、可靠的火炬系統(tǒng)。1物理模型、邊界條件和計(jì)算方法1.1模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分SH3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定分液罐的長(進(jìn)出口管的距離)徑比為2.5~31.2邊境條件臥式分液罐入口壓力為150000Pa;出口壓力為148500Pa。設(shè)置入口的湍流強(qiáng)度為10%,水力直徑為入口直徑(DN500)。1.3重力的降壓實(shí)用(1)火炬氣是裝置在正常運(yùn)行或事故狀態(tài)下排放的廢氣,主要成分是碳?xì)浠衔铩錃夂土蚧瘹涞?屬于易燃易爆有毒有害氣體(2)考慮氣液兩相之間的相互作用力和液滴所受沉降重力,未考慮微小液滴所受到的浮力和溫度對重力沉降效果的影響。(3)采用歐拉(EulerianModelTheory)多相流模型,非穩(wěn)態(tài)隱式分離求解器進(jìn)行求解,壓力、動量、湍動能以及耗散率流項(xiàng)的差值方法選用二階迎風(fēng),QUICK格式離散。(4)為保證良好的氣液相分離,液相在分液罐中應(yīng)保證足夠的滯留時(shí)間。臥式分液罐內(nèi)最大存液量應(yīng)≤30min凝液泵的排量(5)為了研究氣液兩相分離效果,將分液罐出口處液相體積分?jǐn)?shù)與入口處液相體積分?jǐn)?shù)的比值與1的差值,定義為液相的分離效率η:式中:n2控制方程式2.1積分方程表明在歐拉模型兩相流中,基本相q相的體積V式中:2.2質(zhì)量常數(shù)守固定方程式中:2.3變量守備法式中:μ式中:K基本相q中作用于從屬相p的升力為式中:F3影響儲存水池中氣相分離的影響因素3.1液滴直徑對分離效果的影響圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別為出入口壓差1500Pa,氣體含液率5%,液滴直徑分別為1000μm、600μm、100μm時(shí),分液罐Z=0、XY截面上運(yùn)行10min后氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖。從圖5(a)、圖5(b)可以看出,液滴在重力沉降作用下在分液罐內(nèi)大量存積,而圖5(c)液滴沉降的效果非常不明顯,說明此時(shí)大量液滴已經(jīng)隨氣體從出口排出罐外,分離效果不佳。當(dāng)液滴直徑為1000μm時(shí),沉積液體比液滴直徑為600μm時(shí)在數(shù)量上要更多一些。當(dāng)液滴直徑為1000μm時(shí)氣相的體積分?jǐn)?shù)為0.8094342;液滴直徑為600μm時(shí)氣相的體積分?jǐn)?shù)為0.869639。數(shù)據(jù)結(jié)果表明,液滴直徑較大時(shí),重力沉降效果明顯。圖6為液滴直徑為1000μm和600μm時(shí),分液罐Z=0、XY截面上氣液兩相速度梯度云圖。從圖6可以看出,當(dāng)液滴直徑為1000μm時(shí),分液罐內(nèi)最大速度值為9.39m/s;液滴直徑為600μm時(shí),分液罐內(nèi)最大速度值為6.71m/s。說明液滴直徑對流體的速度產(chǎn)生影響,液滴直徑大時(shí)會攜帶較大的動能。比較圖5、圖6可以看到,速度梯度云圖與體積分?jǐn)?shù)云圖的變化趨勢相類似。圖6中液體存積區(qū)域的速度基本均趨近于零,說明在這兩種流速下氣體所攜帶的動能對沉積的液滴基本不產(chǎn)生影響。圖7為分液罐運(yùn)行10min后,不同液滴直徑的出口液相分離效率圖。從圖7可以看出,隨著液滴直徑的增大,分離效果迅速提高。當(dāng)液滴直徑為300μm時(shí),分離效率僅為17.37%,當(dāng)液滴直徑為600μm時(shí),分離效率就迅速達(dá)到53.33%;當(dāng)液滴直徑為1000μm時(shí),分離效率達(dá)到76.54%。這是由于液滴直徑的增大導(dǎo)致重力沉降速度的增大,因此分離效果更好。3.2入口速度對分液罐內(nèi)和地面移動區(qū)域的擾動圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)分別為液滴直徑1000μm,氣體含液率5%,出入口壓差變化為3000Pa、1500Pa、250Pa,分液罐Z=0、XY截面上氣液兩相速度梯度云圖。當(dāng)出入口壓差為3000Pa時(shí),分液罐內(nèi)最大速度值為7.86m/s;當(dāng)出入口壓差變化為250Pa時(shí),分液罐內(nèi)最大速度值為2.25m/s,說明分液罐內(nèi)氣液兩相的速度梯度隨著出入口壓差的降低逐漸降低,符合動量守恒的基本定律。速度降低會使液滴在罐內(nèi)的停留時(shí)間增長,為液滴沉降提供了有利的條件。同時(shí),3個(gè)圖中的橘黃色和綠色區(qū)域分布有所不同。如圖8(a)所示,當(dāng)出入口壓差較大,即入口速度較大時(shí),整個(gè)橘黃色和綠色區(qū)域貫通出入口,其他區(qū)域淡藍(lán)色居多,說明分液罐內(nèi)大量放空氣體沒有得到充分的擾動。而圖8(b)、圖8(c)的整個(gè)橘黃色和綠色區(qū)域并沒有貫通出入口,橘黃色和綠色區(qū)域之間出現(xiàn)了淡藍(lán)色,表明放空氣體在分液罐內(nèi)不同程度、不同區(qū)域產(chǎn)生了一定的渦旋,這是放空氣體在分液罐內(nèi)停留時(shí)間增加的原因之一。隨著液滴的逐漸增多,分液罐內(nèi)液面逐漸升高,較大的入口速度對氣液兩相分界面處產(chǎn)生頻繁的擾動。如圖8(a)、圖8(b)所示,藍(lán)色液面出現(xiàn)凹狀,這種狀態(tài)會隨著液面的升高、入口速度的增大而逐漸被強(qiáng)化。當(dāng)達(dá)到一定臨界范圍時(shí),部分已經(jīng)沉降的液滴在放空氣體的動能作用下重新被送出分液罐出口,導(dǎo)致分液罐喪失原本設(shè)計(jì)要求的分液能力3.3熱處理對分離效果的影響假設(shè)分液罐在計(jì)算過程中溫度保持不變,即不進(jìn)行能量求解計(jì)算。表2為3種不同溫度20℃、50℃、75℃下分別設(shè)置基礎(chǔ)相(氣體)和從屬相(液體)的密度,以及運(yùn)動黏度及不同工作溫度下分液罐分離效率的數(shù)值模擬結(jié)果。從表2可以看出,隨著工作溫度的升高,分液罐的分離效率隨之上升。這是因?yàn)闅怏w和液體的密度都逐漸減小,其二者密度差值的變化卻不大。而氣體運(yùn)動黏度逐漸增大,液體運(yùn)動黏度逐漸減小,其二者運(yùn)動黏度的變化都將導(dǎo)致液滴沉降速度增大,因而導(dǎo)致分液罐分離效率的增大。這與文獻(xiàn)[17]用公式推導(dǎo)得出的結(jié)論一致。3.4氣體含液率的影響表3為不同含液率影響下分液罐的分離效率。由表3可以看出,隨著氣體含液率的逐漸增加,分液罐的分離效率逐漸減小。這是因?yàn)闅怏w內(nèi)含有液滴越多,顆粒間相互作用越明顯,發(fā)生干擾沉降,導(dǎo)致沉降時(shí)間加長,分離效率降低。此結(jié)論與文獻(xiàn)[17]的結(jié)論一致。3.5分離式液罐分離效率原分液罐計(jì)算模型中,長徑比為2.5?，F(xiàn)將長徑比增大為2.7和3,即保持分液罐直徑為3000mm,將進(jìn)出口管的距離增大為8100mm和9000mm。表4為長徑比增大時(shí)分液罐的分離效率。由表4可以看出,隨著分液罐長徑比的逐漸增加,氣體在分液罐的分離效率逐漸增大。這是因?yàn)榉忠汗揲L徑比的增大,導(dǎo)致液體在分液罐內(nèi)的停留時(shí)間增加,故其更容易在重力的作用下沉降出來,因而分離效率提高。此結(jié)論與文獻(xiàn)[18]的結(jié)論一致。但需注意,長徑比不能無限制地增加,因?yàn)檫@必然導(dǎo)致分液罐尺寸的增大,在生產(chǎn)現(xiàn)場不容易布置,一般在能夠滿足分離要求的前提下盡量減小長徑比。4分液罐分離條件優(yōu)化運(yùn)用FLUENT軟件對分液罐氣液兩相流分離效率問題進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了液滴直徑、出入口壓差、工作溫度、氣體含液率、分液罐長徑比等因素對分液罐分離作用的影響,并提出提高分液罐分離效率的優(yōu)化措施。研究表明,液滴直徑大,分液