Оптимизация технологических параметров циклона-сепаратора

23 июля 2008

 Циклон-сепаратор - технологическое устройство для разделения фаз различной плотности. Опоясывающие потоки образуются в циклоне, отбрасывая более плотную фазу на стены сепаратора, которая осаждается в емкость-ловушку для последующего удаления. Более легкая среда удаляется на выходе циклона, размещенном на одном уровне с входом многофазной среды. Комплексные турбулентные вихри образуются в сепараторе засчет азимутального и тангенциального движения, отклоняя центральный «жгут» потока. При некоторых сочетаниях габаритов сепаратора (диаметр, высота), а также технологических параметров потока, «жгут» отклоняется из центра и его окончание перемещается на обечайку устройства, существенно ухудшая эффективность сепарации и скорость отвода тяжелой фазы. Аналогичный процесс встречается в природе при отклонении «жгута» торнадо от вертикального положения.

В настоящее время не существует рабочей методики по прогнозированию вероятности данного технологческого нарушения в зависимости от размеров сепаратора, потому при проектировании циклонов возможен ошибочный выбор его технологических параметров, которые приведут к потере эффективности работы устройства. Точная модель турбулетности, основанная на базовых законах газодинамики, способна произвести расчетную симуляцию процесса, отсеивая неправильные сочетания размеров-параметр еще на стадии проектирования.

Процесс отклонения конца вортексной структуры был промоделирован для 10 различных конфигураций наиболее типовых сепараторов, по широкой карте технологических режимов. Трехмерные полноразмерные численные модели сепараторов были построены с использованием порядка 500 000 кубических конечных объемов. Наиболее передовые подходы к промышленному моделированию турбулентности были использованы в данной работы: Large Eddy Simulatuion (LES) и Reynolds Stress Model (RSM). Вторая фаза моделировалась путем решения уравнения движения для каждой частицы отдельно (не более 30% частиц) с использованием т.н. Лагранжевого метода обработки (Eulerian-Lagrangian technique). Столкновения частица-частица и частица-стенка обрабатывались с использованием модели «жесткая сфера» (hard sphere model).

 

 

По результатам моделирования был сделан вывод о том, что дополнительные крутящие моменты, образующиеся в на дне устройста (емкость-ловушка), являются причиной радиальных осцилляций вертикального «жгута», а также формирования его окончания до зоны ловушки. Две стандартные геометрии были валидированы по данным из зарубежной литературы с невязкой не более 12% относительно эксперимента и не более 7% между RSM и LES. По остальным геометриям была проведены поверочные расчеты на более густой решетке (порядка 1000 000 контрольных объемов), дающие разницу между решениями не более 10%. Конечным результатом работы было определение критических технологических параметров по всем 10 типам сепараторов, что позволяет заказчику избегать неэффективных режимов работы.