Сверхзвуковой сепаратор (3S-сопло) для очистки ПНГ

Определить оптимальную геометрию проточной части сопла Лаваля и завихрителя для достижения температуры потока ниже -70°C и максимального отделения жидкой фазы.

2.1. Рабочая среда (Состав газа):
Моделирование проводить для бинарной смеси (или многокомпонентной, если позволяет ПО):
1. Метан (CH_4): 97.8% (об.)
2. Сероводород (H_2S): 2.2% (об.)
Важно: Использовать модель реального газа (Real Gas Model, уравнение Пенга-Робинсона или Redlich-Kwong), так как давление высокое.
2.2. Параметры на Входе (Inlet):
• Давление (P_{total}): 60 бар (абс).
• Температура (T_{total}): +20°C (293 K).
• Массовый расход: Подобрать под геометрию (целевой объемный расход ~5000 нм³/час).
2.3. Параметры на Выходе (Outlet):
• Целевое давление восстановления: Не менее 40–45 бар (допустимая потеря давления — не более 30%).
3. Задачи для расчетчика (Что нужно сделать)
Этап А: Геометрия и Сетка
Построить параметрическую 3D-модель сопла, включающую:
1. Завихритель (Swirler): На входе (тип — шнек или лопатки). Угол закрутки варьировать (30°, 45°, 60°).
2. Критическое сечение (Горло): Варьировать диаметр (D_{throat}) в диапазоне 10–15 мм.
3. Диффузор (Рабочая часть): Угол раскрытия строго не более 5–7 градусов (для предотвращения отрыва потока). Длина диффузора 150–250 мм.
Этап Б: Физика процесса (Самое важное)
Настроить решатель (Solver) с учетом:
• Сжимаемости потока (Compressible flow) — переход через Мах > 1.
• Нуклеации и конденсации (Nucleation model): Расчет должен показать, в какой точке сероводород начнет превращаться в жидкость.
• Центробежных сил: Расчет траектории капель (Discrete Phase Model — DPM). Капли должны ударяться о стенки диффузора, а не лететь по центру.
4. Критерии успеха (Что мы ищем)
Модель считается успешной, если расчет показывает:
1. Статическая температура: В зоне расширения падает до -70°C...-80°C.
2. Центробежное ускорение: Достигает значений > 10 000 g (для эффективного отброса капель).
3. Сепарация: Более 80% образовавшихся капель достигают стенок до выхода из сопла.
4. Отсутствие ударных волн (скачков уплотнения): Внутри диффузора, которые могут разрушить охлаждение.
5. Результаты (Что выдать заказчику)
1. Чертеж профиля сопла: Точные координаты (X, Y) для токаря с ЧПУ.
2. Картины полей (Контурные графики):
• Распределение температуры по длине (показать зону холода).
• Распределение числа Маха (показать, где сверхзвук).
• Траектории частиц жидкости (показать, что их прижимает к стенке).
3. График P-T: Фазовая диаграмма поведения смеси внутри сопла (зашли ли мы в зону жидкости).