旋風分離器內(nèi)非軸對稱旋轉(zhuǎn)流場的測量

王江云，毛 羽，孟 文，張 果，王 娟

(中國石油大學 重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249)

旋風分離器內(nèi)非軸對稱旋轉(zhuǎn)流場的測量

王江云，毛 羽，孟 文，張 果，王 娟

(中國石油大學 重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249)

采用相位多普勒分析儀研究了不同入口旋風分離器氣相非軸對稱流場。首先采用圓管層流實驗驗證測量系統(tǒng)的準確性，然后考察不同入口結(jié)構(gòu)下直筒型旋風分離器內(nèi)部流場的分布特點。實驗測得的切向、軸向速度，湍流度分布與旋風分離器典型流場分布特點一致。對比3種入口結(jié)構(gòu)旋風分離器測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著入口結(jié)構(gòu)軸對稱性逐漸增加，其內(nèi)部流場分布的非軸對稱性明顯減小，旋轉(zhuǎn)中心與旋風分離器幾何結(jié)構(gòu)中心之間的偏心距也明顯減小，有利于提高旋風分離器的分離效率并降低因渦核擺動造成的摩擦阻力。合理地布置入口結(jié)構(gòu)是抑制單入口旋風分離器非軸對稱旋轉(zhuǎn)流動，提高旋風分離器性能的有效手段之一。

旋風分離器；相位多普勒分析儀；入口；非軸對稱旋轉(zhuǎn)流場；湍流度

旋風分離器是氣-固分離過程中應(yīng)用最為廣泛的除塵設(shè)備之一[1]，目前其研究及應(yīng)用已處于很高水平。但是，針對單入口形成的非軸對稱旋轉(zhuǎn)流動引發(fā)的渦核擺動、顆粒返混和分離效率下降[2]及進一步降低壓降[3]，以及FCC裝置旋風分離器中因非軸對稱旋轉(zhuǎn)流動引起的排氣管結(jié)焦[4-7]的問題仍未完全解決。雖然眾多學者對于這一問題進行了研究，采用將排氣管下口切口[8]、芯管偏置[9-10]、180°對稱雙入口、蝸螺形均流分配箱[11]等措施，取得了一定的效果，但在通過對旋風分離器內(nèi)非軸對稱強旋流流場測量來獲悉其產(chǎn)生的機理，找出抑制非軸對稱強旋流方法方面研究還較少。筆者采用相位多普勒分析儀(PDA)測量單直切式、單蝸殼式和雙蝸殼式3種入口結(jié)構(gòu)的直筒型旋風分離器內(nèi)非軸對稱強旋流流場，獲得了全面的流場基礎(chǔ)信息，并考察不同入口結(jié)構(gòu)對旋風分離器內(nèi)部流場非軸對稱性的影響規(guī)律，以期為旋風分離器內(nèi)抑制非軸對稱強旋流的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化提供理論指導。

1 實驗部分

1.1 實驗系統(tǒng)及測量方法

旋風分離器流場測量實驗裝置如圖1所示，由實驗系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。負壓吸風實驗系統(tǒng)的風量由出口管路上的閘板閥與畢托管測量和控制。測量對象為直徑150 mm直筒型旋風分離器，采用等面積的單切、單蝸和180°雙蝸3種入口形式。在有機玻璃旋風分離器各測點上開有測試窗，并安裝厚2 mm的光學玻璃，以減少對光路的干擾。旋風分離器結(jié)構(gòu)示意圖及流場測量點布置如圖2所示。

圖1 旋風分離器流場測量實驗裝置示意圖

圖2 旋風分離器結(jié)構(gòu)示意圖及流場測量點布置

流場測量系統(tǒng)采用丹麥Dantec公司研制的激光三維相位多普勒動態(tài)分析儀，示蹤粒子系由LZL型粒子發(fā)生器產(chǎn)生的粒徑約2 μm的丙二醇粒子。實驗中每個測點取1000個樣本點，根據(jù)測點處采集到的示蹤顆粒有效樣本點數(shù)來確定測量時限。

1.2 測量方法準確性驗證

應(yīng)用PDA系統(tǒng)測量氣相流場時，因為氣體分子的散射光非常弱，無法捕捉到足夠強的多普勒信號，所以必須向流場中釋放光學性能較好的示蹤粒子。PDA測量得到的信息實際上來自示蹤粒子，并用該粒子的運動表示流場中流體的運動。因此，示蹤粒子的選擇對測量精度具有較大的影響。同時，為了得到足夠強的多普勒信號，反映流場的流動特性，保證實驗前后數(shù)據(jù)的連貫性及安全性，要求示蹤粒子應(yīng)具有良好的球形度和折射率，較好的跟隨性、化學性質(zhì)穩(wěn)定、清潔、無毒、無腐蝕和無磨蝕。綜合考慮上述因素，選用丙二醇粒子。經(jīng)實測LZL型粒子發(fā)生器產(chǎn)生的丙二醇粒子粒徑為2 μm，光學效果較好。

1.2.1 示蹤粒子跟隨性驗證

散射粒子在氣相湍流中的跟隨性可以微粒速度vp與氣相速度vg的比值及相角之差Φ來表示[12]，分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

由式(1)和式(2)計算得vp/vg=0.996，Φ/w=2.5 μs。說明采用粒徑為2 μm的丙二醇粒子作為示蹤粒子時，測得的流速是真實流速的0.996倍，粒子脈動滯后于流體的時間為2.5 μs。丙二醇粒子具有較好的跟隨性，可以作為PDA測試系統(tǒng)的示蹤粒子。

1.2.2 PDA測量精度驗證

除示蹤粒子的跟隨性外，流場中的粒子濃度、光路布置以及光學參數(shù)也會影響PDA的測量精度。因此，在進行實驗測量之前，利用簡單圓管內(nèi)的層流流動對PDA測試系統(tǒng)進行了準確性驗證，實驗裝置如圖3所示，實驗結(jié)果示于圖4。式(3)為圓管層流中速度的計算式。

從圖4速度測量值與式(3)理論解的對比發(fā)現(xiàn)，實驗測量值及變化趨勢與理論解較為吻合，能夠反映出圓管層流中速度的拋物線分布。說明筆者采用的測量方法具有很高的精度，可以用于旋風分離器內(nèi)流場的實驗研究。

(3)

圖3 圓管驗證實驗裝置示意圖

圖4 圓管驗證實驗的速度測量值與理論值

2 結(jié)果與討論

2.1 旋風分離流場測量結(jié)果及分析

測量了單切、單蝸、180°雙蝸入口的直筒型旋風分離器的氣相流場。同時采用能準確預(yù)測強旋流流場的雷諾應(yīng)力模型(RSM)[13-14]來驗證測量數(shù)據(jù)的可靠性。

2.1.1 速度場

圖5和圖6分別為0°～180°截面不同入口旋風分離器內(nèi)切向和軸向速度測量值與模擬值。從圖5、圖6可以看出，不同入口結(jié)構(gòu)下，旋風分離器內(nèi)部的速度分布均表現(xiàn)為內(nèi)部準剛性渦、外部準自由渦、中心上行流、邊壁下行流的雙層強旋流結(jié)構(gòu)，符合旋風分離器內(nèi)切向速度與軸向速度典型的分布特點，精確的實測數(shù)據(jù)可以作為模型驗證所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時，切向和軸向速度隨流動過程中能量耗散，沿軸向從上到下逐漸減小，底部截面上的切向速度峰值僅為頂部的1/3，且各截面實測值與模擬值吻合較好。

圖5 旋風分離器內(nèi)切向速度測量值與模擬值(0°～180°)

2.1.2 湍流度分析

PDA測量系統(tǒng)可以直接給出測點上瞬時湍流脈動速度的均方根值uRMS(可用式(4)表示)，反映該點上湍流的脈動速度偏離時均速度的程度，也可定義為該點湍流運動的湍流度σ，即σ=uRMS。此外，將空間一點的湍流度σ與該點的時均速度ū相比，即為該點的相對湍流度δ(可用式(5)表示)，即湍流度的大小表示脈動速度的大小，而相對湍流度則表示脈動速度占時均速度的比例。

(4)

(5)

圖7和圖8分別為0°～180°截面上不同入口旋風分離器內(nèi)切向湍流度和切向相對湍流度沿徑向的分布。由圖7、圖8可見，切向湍流度與切向相對湍流度沿徑向的分布曲線形態(tài)較相似，都被切向速度內(nèi)外雙渦結(jié)構(gòu)的分界面分為2個區(qū)域。外部區(qū)域內(nèi)，切向湍流度基本不隨徑向位置變化，分布平緩；切向相對湍流度會隨徑向向內(nèi)緩慢減小，在最大切向速度處達到最小，但在器壁附近會出現(xiàn)突然增大的情況。內(nèi)部區(qū)域的切向湍流度則隨徑向向內(nèi)逐漸增大，在軸線附近出現(xiàn)最大值；切向相對湍流度沿徑向向內(nèi)迅速增大，在軸線附近甚至會出現(xiàn)無窮大的情況。說明旋風分離器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)中心和幾何中心不重合導致旋風分離器中心處切向速度脈動速度非常大，由相對湍流度說明中心處于極大值。

圖9和圖10分別為0°～180°截面上不同入口旋風分離器內(nèi)軸向湍流度和軸向相對湍流度沿徑向的分布。由圖9、圖10可見，軸向湍流度與軸向相對湍流度沿徑向的分布曲線形態(tài)差異較大。軸向湍流度沿徑向分布十分平緩，僅在排氣管入口處相對旋風分離器中下部有較大的波動；而軸向相對湍流度的分布曲線則沿徑向變化很大，在軸向速度零點處出現(xiàn)無窮大。從該點向外、內(nèi)分別為下、上行流區(qū)域，下行流區(qū)相對湍流度為負值，向邊壁先迅速減小，然后緩慢減小，靠近壁面又稍有增大。上行流區(qū)相對湍流度為正值，向中心先出現(xiàn)驟降，繼續(xù)向內(nèi)則變?yōu)榫徛郎p小，靠近軸線附近出現(xiàn)最小值。在上、下行流分界位置，軸向相對湍流度急劇增大，湍流脈動非常劇烈，湍動能消耗較大。

圖7 不同入口旋風分離器內(nèi)切向湍流度沿徑向的分布(0°～180°)

圖8 不同入口旋風分離器內(nèi)切向相對湍流度沿徑向的分布(0°～180°)

圖9 不同入口旋風分離器內(nèi)軸向湍流度沿徑向的分布(0°～180°)

圖10 不同入口旋風分離器內(nèi)軸向相對湍流度沿徑向的分布(0°～180°)

2.2 旋風分離流場非軸對稱分析

2.2.1 速度分布分析

通過對不同入口形式旋風分離器內(nèi)切向和軸向速度測量值對比分析發(fā)現(xiàn)，各軸向位置上，切向和軸向速度均有一定的非軸對稱性，前者的非軸對稱性主要體現(xiàn)在對稱兩側(cè)最大切向速度的大小和位置的差別，后者的非軸對稱性主要體現(xiàn)在最大上行速度是否在旋風分離器軸線上，對稱兩側(cè)上、下行流分界點位置的差別。其中單直切式旋風分離器的流場非軸對稱性最為明顯，單蝸殼式居中，雙蝸殼式非軸對稱性最小，基本呈軸對稱分布，說明入口結(jié)構(gòu)對稱性有助于抑制流場的非軸對稱性。

圖11為旋風分離器切向速度與軸向速度非軸對稱性沿周向的分布。由圖11可見，各旋風分離器的流場分布均具有非軸對稱性，且隨周向不同而變化；排氣管入口處軸對稱性最差，沿軸向遠離排氣管入口方向軸對稱性逐漸變好。由于不對稱入口結(jié)構(gòu)形成的旋轉(zhuǎn)中心和幾何中心的不重合，進而造成氣流進入旋風分離器后在環(huán)形空間形成不對稱的旋轉(zhuǎn)運動，排氣管入口處受環(huán)形空間非軸對稱流動的影響最大，故非軸對稱性明顯；隨著氣流向下流動，軸對稱的圓柱型約束空間減弱了非軸對稱的旋轉(zhuǎn)運動。總體來說，單直切式旋風分離器非軸對稱性最為明顯，單蝸殼式非軸對稱性有所減小，雙蝸殼式軸對稱性最好。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)中心偏離性分析

圖11 旋風分離器內(nèi)切向速度與軸向速度非軸對稱性沿周向的分布(0°～180°)

圖12 偏心距方向示意圖

通過對3種入口結(jié)構(gòu)直筒型旋風分離器內(nèi)流場的測量及非軸對稱性分析發(fā)現(xiàn)，單切入口結(jié)構(gòu)直筒型旋風分離器流場的非軸對稱性表現(xiàn)最強，雙蝸最弱，單蝸居中，入口的對稱性進氣結(jié)構(gòu)對旋風分離器內(nèi)流場的非軸對稱性影響較大。因此，通過合理地布置旋風分離器入口結(jié)構(gòu)，優(yōu)化進氣軸對稱性，有助于抑制旋風分離器內(nèi)部的非軸對稱性強旋流動，尤其對于只能使用單入口形式旋風分離器的場合，改善進氣結(jié)構(gòu)的軸對稱性是提高分離效率，降低壓降，開發(fā)高效、低阻、大處理旋風分離器的有效措施之一。

圖13 不同入口旋風分離器旋轉(zhuǎn)中心偏心距的軸向分布

3 結(jié) 論

(1) 采用PDA對圓管內(nèi)層流流動進行了流場測量，測量結(jié)果與理論值相吻合，說明所采用的示蹤粒子及測量方法具有較高的精度，可以用于旋風分離器內(nèi)流場的測量。

(2) 對3種入口結(jié)構(gòu)的直筒型旋風分離器內(nèi)氣相流場測量的結(jié)果表明， 3種入口結(jié)構(gòu)旋風分離器內(nèi)的流場均表現(xiàn)出旋風分離器內(nèi)典型雙層旋流結(jié)構(gòu)(內(nèi)剛性渦和外準自由渦)的基本流動特征。

(3) 3種入口結(jié)構(gòu)的旋風分離器均存在旋轉(zhuǎn)中心與幾何結(jié)構(gòu)中心不重合的現(xiàn)象，隨著入口結(jié)構(gòu)軸對稱性逐漸增加，其內(nèi)部流場分布的非軸對稱性明顯減小，氣流旋轉(zhuǎn)中心與旋風分離器幾何結(jié)構(gòu)中心之間的偏心距也明顯減小。因此，合理地布置旋風分離器入口結(jié)構(gòu)，增加單入口旋風分離器入口軸對稱性是提高旋風分離器性能的有效手段之一。

符號說明：

a,b,c——BBO方程系數(shù)；

dp——微粒粒徑，m；

N——測量采樣數(shù)；

Q——風量，m3/h；

R,Rc——分別為測試圓管半徑、旋分器筒體半徑，mm；

r——徑向位置，mm；

Δr——旋轉(zhuǎn)中心在徑向坐標上的偏移量，mm；

vt,vz——分別為切向、軸向的測量速度，m/s；

ui——測量樣本的瞬時速度，m/s；

u′——測量樣本的脈動速度，m/s；

uRMS——湍流脈動速度的均方根值，m/s；

vp,vg——分別為微粒、氣相的速度，m/s；

v——測試圓管氣相的速度，m/s；

w——湍流脈動角頻率，kHz；

Δx,Δy——分別為旋轉(zhuǎn)中心在x、y坐標上的偏移量，mm；

z——軸向坐標，mm；

Φ——相角之差，rad；

ρp,ρg——分別為顆粒和氣相的密度，kg/m3；

σ,σt,σz——分別為湍流度和切向、軸向湍流度，m/s；

δ,δt,δz——分別為相對湍流度和切向、軸向相對湍流度。

[1] 岑可法，倪明江， 嚴建華. 氣固分離理論及技術(shù)[M].杭州：浙江大學出版社. 1999：339-340.

[2] 吳小林，姬忠禮， 田彥輝，等. PV 型旋風分離器的內(nèi)流場的試驗研究[J].石油學報 (石油加工)，1997，13(3)：93-99. (WU Xiaolin，JI Zhongli，TIAN Yanhui，et al. Experimental study on flow field of PV type cyclone separator [J].Acta Petroleum Sinica (Petroleum Processing Section)，1997，13(3)：93-99.)

[3] CHEN Jianyi， SHI Mingxian. A universal model to calculate cyclone pressure drop [J].Powder Technology，2007，171(3)：184-191.

[4] 宋健斐，魏耀東， 高金森，等. 催化裂化裝置沉降器內(nèi)結(jié)焦物的基本特性及油氣流動對結(jié)焦形成過程的影響[J].石油學報 (石油加工)，2008，24(1)：9-14. (SONG Jianfei，WEI Yaodong，GAO Jinsen，et al. Characteristics of coke in FCC disengager and effect of oil gas flow on coke formation process [J].Acta Petroleum Sinica (Petroleum Processing Section)，2008，24(1)： 9-14.)

[5] 魏耀東，張鍇， 時銘顯. 催化裂化裝置沉降器頂旋升氣管外壁結(jié)焦過程的分析[J].石油煉制與化工，2004，35(11)：56-59. (WEI Yaodong，ZHANG Kai，SHI Mingxian. Analysis of coking course on the exit-tube external wall of cyclone in FCC Disengager [J].Petroleum Processing and Petrochemicals，2004，35(11)：56-59.)

[6] 魏耀東，燕輝， 時銘顯. 重油催化裂化裝置沉降器頂旋風分離器升氣管外壁結(jié)焦原因的流動分析[J].石油煉制與化工，2000，31(12)：33-36. (WEI Yaodong，YAN Hui，SHI Mingxian. Flow analysis of coking on the riser external wall of cyclone separator in the disengager of heavy oil catalytic cracker [J].Petroleum Processing and Petrochemicals，2000，31(12)：33-36.)

[7] 魏耀東，宋健斐， 張鍇，等. 催化裂化裝置沉降器內(nèi)結(jié)焦的微觀結(jié)構(gòu)及其生長過程的分析[J].燃料化學學報，2005，33(4)：445-449. (WEI Yaodong，SONG Jianfei，ZHANG Kai，et al. Analysis of microstructures of coke and coking mechanism in the reactors of fluid catalytic cracking units [J].Journal of Fuel Chemistry and Technology，2005，33(4)：445-449.)

[8] 孫國剛，李雙全， 時銘顯. PX型高效旋風分離器的研究開發(fā)[J].煉油技術(shù)與工程，2006，36(6)：30-34. (SUN Guogang，LI Shuangquan，SHI Mingxian. Development of PX type high-efficiency cyclone [J].Petroleum Refinery Engineering，2006，36(6)：30-34.)

[9] 張定坤，李軍. 排氣管偏置式旋風分離器的工作特性研究[J].鍋爐技術(shù)，2005，36(5)：28-31. (ZHANG Dingkun，LI Jun. A research on the operation efficiency of a cyclone separator with eccentric exit tube [J].Boiler Technology，2005，36(5)：28-31.)

[10] 彭雷，李軍， 王國鴻. 排氣管偏置對CFB鍋爐旋風分離器性能的影響[J].熱能動力工程，2004，19(2)：153-157. (PENG Lei，LI Jun，WANG Guohong. A research on the operation efficiency of a cyclone separator with eccentric exit tube [J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2004，19(2)：153-157.)

[11] 譚岳云. 一種新型旋風分離器——均勻料流旋風分離器[J].鑄造設(shè)備研究，2005，(5)：10-14. (TAN Yueyun. A novel equi-fluid cyclone-separator [J].Research Studies on Foundry Equipment，2005，(5)：10-14.)

[12] 舒瑋. 湍流中散射粒子的跟隨性[J].天津大學學報，1980，(1)：75-83. (SHU Wei. Following behaviors of scattered particles tracers in turbulent [J].Journal of Tianjin University，1980，(1)：75-83.)

[13] 毛羽，龐磊， 王小偉，等. 旋風分離器內(nèi)三維紊流場的數(shù)值模擬[J].石油煉制與化工，2002，33(2)：1-6. (MAO Yu，PANG Lei，WANG Xiaowei，et al. Numerical modeling of three-dimension turbulent field in cyclone separator [J].Petroleum Processing and Petrochemical，2002，33(2)：1-6.)

[14] 吳小林，申屠進華， 姬忠禮. PV 型旋風分離器內(nèi)三維流場的數(shù)值模擬[J].石油學報 (石油加工)，2003，19(5)：74-79. (WU Xiaolin，SHENTU Jinhua，JI Zhongli. Numerical simulation of three-dimension flow field in a PV type cyclone [J].Acta Petroleum Sinica (Petroleum Processing Section)，2003，19(5)：74-79.)

Experimental Measurement of Non-axisymmetric Rotating Flow Field in Cyclone Separator

WANG Jiangyun, MAO Yu, MENG Wen, ZHANG Guo, WANG Juan

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

The non-axisymmetric rotating flow field in cyclone with different inlet structures was studied by phase Doppler analyzer. The accuracy of the measurement system was verified by circular tube laminar flow experiment, and then the internal flow field distribution in cyclone tube with different inlet structures was researched. The measured results showed a good agreement with the typical cyclone flow filed distribution. The non-axisymmetry of the internal flow field obviously decreased with the increasingly axial symmetry of inlet structure by compared with the measured results of three inlet structures. And the eccentric distance between the swirl flow center and the geometric center also reduced, contributing to improve the collection efficiency and reduce frictional resistance induced by vortex core oscillating. Therefore, reasonable arranging inlet structure is obviously one effective method to restrain the non-axisymmetric rotating flow in single inlet cyclone separator and to improve the performance of cyclone separator.

cyclone separator; phase Doppler analyzer; inlet; non-axisymmetric rotating flow field; turbulent intensity

2014-04-18

國家自然科學基金項目(21106181)、中國石油大學(北京)科研基金項目 (KYJJ2012-03-15)資助

王江云，男，助理研究員，博士，從事多相流動與分離、腐蝕及燃燒過程的數(shù)值模擬與實驗研究；E-mail：wangjy@cup.edu.cn

毛羽，男，教授，博士，從事多相流動及燃燒、氣固分離及液體霧化技術(shù)、化工過程裝備優(yōu)化等方面的研究；Tel：010-89733293; E-mail:maoyu@cup.edu.cn

1001-8719(2015)04-0920-10

TE624

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.04.013