高溫高壓旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)及性能

孫 帥，董瑞倩，孫國剛

（中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

高溫、高壓氣體的除塵是石油、化工、清潔煤利用等工藝中的一個重要問題。旋風(fēng)分離器因其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、無可動部件、造價低、能耐受高壓高溫等優(yōu)點(diǎn)，而成為上述工藝中高溫、高壓氣體除塵凈化的首選設(shè)備。傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器頂部一般為平頂板，且進(jìn)口形狀為矩形，存在多處直角焊縫，矩形入口在筒體上的開孔較大，嚴(yán)重影響分離器對高壓與溫度的承受能力，所以常規(guī)的旋風(fēng)分離器氣體操作壓力一般小于0.5MPa。針對這一缺陷，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了一些相關(guān)的研究改進(jìn)［1－6］。但是這些設(shè)計(jì)改進(jìn)，不是增大了投資費(fèi)用，就是犧牲了一部分分離效率，在機(jī)械強(qiáng)度和分離性能兩者兼顧方面還不盡如意。因此，仍需進(jìn)一步研究創(chuàng)新，以獲得既有良好的設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度，又有良好分離性能的高溫高壓旋風(fēng)分離器。筆者設(shè)計(jì)了一種上、下封頭的壓力容器式旋風(fēng)分離器筒體，同時將進(jìn)氣口設(shè)計(jì)成長圓形［7］，使其在高溫高壓工況下具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，同時還有較高的分離效率。為進(jìn)一步評價該新型旋風(fēng)分離器的分離性能，采用FLUENT6.3軟件分析其內(nèi)部流場，并通過實(shí)驗(yàn)測定了其分離效率和壓降，同時還和石油化工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的PV型高效旋風(fēng)分離器進(jìn)行對比。

1 新型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)特征

PV型旋風(fēng)分離器是20世紀(jì)80年代末開發(fā)成功的一種高效型旋風(fēng)分離器［8］，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于我國石油催化裂化等裝置。圖1（a）為PV型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)簡圖，其頂部為簡單的平頂板，升氣管置于筒體軸心，含塵氣體入口形狀為蝸殼式矩形，角焊縫用筋板加強(qiáng)。圖1（b）為筆者提出的壓力容器式旋風(fēng)筒體旋風(fēng)分離器（簡稱容器式旋風(fēng)分離器）的結(jié)構(gòu)簡圖，其進(jìn)氣口形狀為切向長圓形，且與分離器軸線、升氣管保持一定的徑向距離，使入口進(jìn)氣流具有足夠的旋轉(zhuǎn)矩，保證高效率。

2 旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場模擬研究

2.1 計(jì)算模型及方法

旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場為復(fù)雜三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場，具有很強(qiáng)的各向異性特點(diǎn)。采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）對PV型旋風(fēng)分離器內(nèi)三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可得到其內(nèi)的流場分布細(xì)節(jié)，且計(jì)算得到的壓力降與實(shí)測值吻合較好［9－10］。因此，本研究中采用FLUENT6.3軟件，用RSM計(jì)算分離器內(nèi)流場。壓力梯度項(xiàng)用壓力插補(bǔ)格式，各對流項(xiàng)均采用QUICK差分格式，而壓力和速度耦合采用SIMPLEC算法求解。

旋風(fēng)分離器的流場模擬在常溫、常壓工況下進(jìn)行。氣體選用空氣，進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，速度設(shè)定為20m/s，按照充分發(fā)展的管流計(jì)算湍流強(qiáng)度。2種旋風(fēng)分離器的入口截面積相同，PV型的筒體直徑為300mm，容器式旋風(fēng)分離器的特征直徑以錐體上端直徑計(jì)算，也是300mm。出口邊界條件按充分發(fā)展管流條件處理，所有變量在出口截面處軸向梯度為0；為保證充分發(fā)展邊界條件成立，在計(jì)算中將旋風(fēng)分離器的出口管路加長。壁面按無滑移條件處理，對近壁網(wǎng)格點(diǎn)采用壁面函數(shù)近似處理。采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為19×104，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。此方法模擬的旋風(fēng)分離器流場與用多普勒測速系統(tǒng)測定的流場相吻合［11］。

圖1 2種旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structures schematic of two cyclone separators

圖2 2種旋風(fēng)分離器的模擬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.2 Computational fluid dynamics mesh for two cyclone separators

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.2.1 旋風(fēng)分離器分離空間切向速度的徑向分布

以旋風(fēng)分離器錐體上端截面為基準(zhǔn)面（z＝0），向下為正。圖3為2種旋風(fēng)分離器分離空間切向速度的徑向分布，其中R為從分離器軸心到其壁面的徑向距離，r為從分離器軸心計(jì)量的任意徑向距離，mm；vt為分離器分離空間的切向速度，vi為分離器入口氣速，m/s。z＝ －40mm位于分離器筒體位置，z＝200mm位于分離器錐體位置。

圖3 2種旋風(fēng)分離器分離空間切向速度的徑向分布Fig.3 Radial distribution of tangential velocity in separate space of two cyclones

由圖3可以看出，2種旋風(fēng)分離器的切向速度均呈現(xiàn)對稱分布，且具有雙渦結(jié)構(gòu)。在分離器的筒體和錐體部分，2種旋風(fēng)分離器內(nèi)、外旋流分界位置基本相同，且內(nèi)旋流區(qū)的切向速度近似相同，但是在外旋流區(qū)，容器式旋風(fēng)分離器的切向速度要大于PV型旋風(fēng)分離器。切向速度在旋風(fēng)分離器中占主導(dǎo)地位，是其顆粒分離所受離心力的主要提供者，直接影響分離器的壓降和分離效率，由此可知容器式旋風(fēng)分離器應(yīng)更有利于顆粒的分離。

2.2.2 旋風(fēng)分離器分離空間軸向速度的徑向分布

圖4為2種旋風(fēng)分離器分離空間軸向速度的徑向分布。其中vz為分離器分離空間的軸向速度，m/s。由圖4可見，軸向速度沿徑向存在一個方向的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，其速度值為0，將分離空間的軸向速度總體上分為外部下行流區(qū)和中心上行流區(qū)。在下行流區(qū)，容器式旋風(fēng)分離器器壁附近向下的軸向速度較PV型旋風(fēng)分離器的稍高，這有利于將顆粒傳輸?shù)脚帕峡?；而在中心上行流區(qū)，前者在渦核部位的軸向速度較后者的低，這有助于減少顆粒的夾帶，對其分離有利。

因此，由流場模擬綜合推斷，容器式旋風(fēng)分離器相比PV型旋風(fēng)分離器，不僅結(jié)構(gòu)簡單，還有較高的機(jī)械強(qiáng)度和分離效率。

圖4 2種旋風(fēng)分離器分離空間軸向速度的徑向分布Fig.4 Radial distribution of axial velocity in separate space of two cyclones

3 旋風(fēng)分離器冷模性能的實(shí)驗(yàn)研究

為測定容器式旋風(fēng)分離器的性能，對2種旋風(fēng)分離器的冷模性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，2種旋風(fēng)分離器的定性尺寸完全相同，模型分離器筒體直徑為300mm；采用負(fù)壓吸風(fēng)式操作，入口氣速為14、18、22、26m/s，氣量通過風(fēng)機(jī)吸氣口的閥門調(diào)節(jié)，用畢托管測量；粉料質(zhì)量濃度穩(wěn)定在10g/m3。實(shí)驗(yàn)粉料為800目滑石粉，顆粒的中位粒徑9.8μm，密度2700kg/m3。采用定量加塵、收塵及稱量的方法測定旋風(fēng)分離器的分離效率。壓降用U型管測量。

圖6為2種旋風(fēng)分離器在不同氣速下的分離效率。由圖6可以看出，在相同氣速下，容器式旋風(fēng)分離器的分離效率較PV型分離器的高約2%。這是由于前者的離心半徑較大，在相同氣量下，其提供的離心力就較大，更有利于顆粒的分離，因而相應(yīng)的分離效率就較高。圖7為對比實(shí)驗(yàn)測得的2種旋風(fēng)分離器的壓降－效率曲線。從圖7可以看出，在相同壓降下，容器式旋風(fēng)分離器的分離效率較PV型旋風(fēng)分離器的高，在高氣速下則更高，相比后者更適用于高溫、高壓工況。

圖6 2種旋風(fēng)分離器不同氣速（vi）下的分離效率（η）Fig.6 Efficiency（η）at various flow velocity（vi）of two cyclone separators

圖7 2種旋風(fēng)分離器壓降（Δp）-效率（η）曲線Fig.7 Pressure drop（Δp）-efficiency（η）curves of two cyclone separators

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)了一種長圓切向入口容器式旋風(fēng)分離器，其結(jié)構(gòu)簡單，能夠消除直角接頭帶來的應(yīng)力集中，提高承載能力。

（2）對容器式旋風(fēng)分離器和PV型旋風(fēng)分離器的氣相流場模擬表明，前者外旋流區(qū)的切向速度明顯高于后者，前者下行流區(qū)器壁附近向下的軸向速度較后者的稍高，有利于將顆粒傳輸?shù)脚帕峡?，而在中心渦核區(qū)的軸向速度低于后者，有助于減少顆粒夾帶，利于顆粒分離。

（3）在相同氣速下，容器式旋風(fēng)分離器的分離效率較PV型旋風(fēng)分離器高約2%；在相同壓降下，前者的分離效率較后者的高，在高氣速下則更高；兩者相比，前者更適合于在高溫高壓工況下應(yīng)用。

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