基于CFD的叶片式除雾器的优化设计

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除雾器是一种工业生产中普遍使用的气液分离设备,常用的除雾器有丝网除雾器、叶片式除雾器、旋流板除雾器和电除尘式除雾器。叶片式除雾器由于尺寸和结构多种多样,且具有除雾效率高、压降低、允许气速大、不易堵塞等优点而在化工分离中得到广泛应用。目前对除雾器的研究方法主要为实验研究和数值模拟,实验方法因投入高、周期长、过程繁琐而逐渐被数值模拟方法所取代。本文基于计算流体力学方法,利用ANSYSY Fluent软件对叶片式除雾器的除雾流场进行了数值模拟,以提高除雾效率为目标,对叶片式除雾器的工艺参数进行了优化。全文主要开展了以下几个方面的工作:(1)对气液分离技术的原理和应用进行了探讨,对比分析了各类除雾器的应用情况,并对叶片式除雾器的结构和除雾原理进行了分析研究,明确了影响除雾效率和压降的主要因素;(2)以液滴颗粒在除雾流场内的分离原理和气液两相流数值模拟方法为基础,建立了叶片式除雾器的计算流体动力学模型,运用Fluent对除雾流场进行数值模拟,模拟时网格采用结构化的四边形网格,液滴颗粒采用DPM模型计算,连续相甲烷湍流采用重整化k-ε模型,计算的离散格式选用二阶迎风格式;(3)对五种类型(流线型、流线型带倒钩、三角形折线型、折线型带单集液槽和折线型带双集液槽)的叶片式除雾器进行了对比分析研究,确定了叶片式除雾器的初步设计方案;(4)对叶片式除雾器在不同工艺参数下的除雾流场进行了模拟计算,重点分析了叶片间距、叶片角度、叶片高度、集液槽长度、气流速度和温度对除雾效率和压降的影响,绘制了各因素对除雾效率和压降的影响曲线,并对该叶片式除雾器分离不同直径液滴的处理能力进行了分析,得到了较优的参数组合;(5)利用正交试验设计法,合理确定了叶片式除雾器各设计参数的因素和水平,采用极差分析法对模拟试验结果进行了分析,得到了各参数对除雾效率和压降影响的主次顺序,并对比确定了叶片式除雾器各参数的最佳值;(6)在研究范围内得到折线型带单集液槽叶片式除雾器的最优参数组合为:叶片间距25mm、叶片角度90°、叶片高度160mm、集液槽长度14mm、气流速度3m/s、温度100℃;论文的研究结果表明:叶片式除雾器对直径大于15μm的颗粒有较好的处理能力;各因素对除雾效率的影响主次顺序为:叶片角度>叶片间距>气流速度>叶片高度>集液槽长度>温度;各因素对压降的影响主次顺序为:气流速度>叶片角度>集液槽长度>叶片间距>温度>叶片高度;参数优化后的叶片式除雾器可使除雾效率达到100%,与参数优化前相比,除雾效率提高了19.42%。
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