气液法聚乙烯工艺通过冷凝液的高效分离与可控注入,在流化床中营造差异化的温度区域和反应氛围,从而实现在单一反应器中生产高性能聚乙烯树脂,极大地推动了聚烯烃工业的进步。在该工艺中,循环气与冷凝液的快速高效分离是实现冷凝液可控注入以及反应器内温度、组分浓度分布精确调控的基础。因此,开发高性能气液分离器是气液法聚乙烯工艺的操作优化与产品改进的关键所在。旋流型管道气液分离器是一种新型离心分离设备,由旋流板、布置多孔区的内筒以及外筒组成。气液两相在旋流板的导流作用下发生旋转,液相向壁面运动并富集成膜,气液两相在壁面小孔处发生分离。由此可见,分离器内两相流动特性和小孔处气液分离特性是决定气液分离器工作性能的重要因素。本文运用计算流体力学(CFD)模拟方法,建立了旋流型管道气液分离器的三维流动模型,结合冷模实验验证,以液相分流系数KL(定义为小孔内液相分流量与总液相流量的比值)和分流比少Φ(定义为液相分流系数与气相分流系数的比值,其中气相分流系数为小孔内气相流量与总气相流量的比值)作为表征气液分离程度的关键参数,定量研究了分离器壁面小孔处的气液分离特性及其影响机制。主要结论如下。(1)采用CFD模拟方法对冷模实验尺寸的气液分离器进行稳态模拟,在冷模实验验证CFD模拟准确性的基础上,采用工业物系进行模拟计算(后续章节同),考察了周向均匀布置四个小孔时,小孔参数对各小孔内气液分离特性的影响规律。结果表明:在所考察范围内,气液分离器内两相流流型沿轴向由雾状流向环状流转变,且在L/D≤1.0区域内(L为小孔的轴向位置,D为管径),壁面无液膜覆盖,液相分流系数随轴向距离的增加而增加;在L/D＞1.0区域内,壁面形成液膜,液相分流系数增至0.007并呈现动态稳定;小孔直径越大,小孔液相分流系数越大,分流比越小,小孔阻力的降低对气相流动的影响更为显著;随着小孔两侧压差的增大,液相分流系数增大,分流比减小,气相流动对压力的变化更为敏感;重力对小孔内气液分离特性的影响可以忽略。(2)考察了气液分离器操作参数(液相表观速度、气相表观速度)和旋流板参数(旋流板叶片仰角、叶片数以及罩筒高度)对小孔内气液分离特性的影响规律。结果表明,在所考察范围内,液相表观速度越高或气相表观速度越低,小孔内液相分流系数越低,分流比越高;旋流板叶片仰角越大,小孔内的液相分流系数越小,分流比越大;液相表观速度与分流比随叶片数的增加呈现出先增加后不变的趋势;罩筒高度对液相分流系数的影响并不显著;小孔处的气液分离特性同时受气液分离器内旋流强度、压力分布及液膜厚度的影响,当旋流强度越大、压差越大或液膜厚度越小时,小孔内液相分流系数越高,分流比越低。(3)以七个小孔作为壁面小孔排布的重复单元(中心小孔四周均匀布置六个小孔,小孔总体呈正三角形排布),研究了液相表观速度、气相表观速度以及孔间相互作用对小孔处气液分离特性的影响。结果表明,中心小孔处的液相分流系数随液相表观速度的增大而减小,随气相表观速度的增大而增大,与单孔时的情形一致,但中心小孔处的液相分流系数与分流比均比单孔时低;沿液相流动方向,部分液膜在上游小孔处被分离,导致下游小孔处液相含量下降,下游小孔内液相分流系数显著小于上游小孔;部分下游小孔处液相分流系数随液相表观速度的升高而升高,其主要原因在于随着液相表观速度的增加,该小孔入口处的液相含量显著升高,导致分流系数升高。