剛性過濾器脈沖反吹過程中濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性

欒鑫，姬忠禮，劉龍飛

（1中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院，北京 102200；2中國石油大學(xué)（北京）過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102200）

剛性過濾器脈沖反吹過程中濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性

欒鑫1，2，姬忠禮1，2，劉龍飛1，2

（1中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院，北京 102200；2中國石油大學(xué)（北京）過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102200）

催化汽油吸附脫硫（S-Zorb）裝置中反應(yīng)器過濾器的脈沖反吹性能直接影響吸附劑的分離與循環(huán)。利用建立的濾管過濾性能實驗裝置，采用高頻動態(tài)壓力傳感器，測定脈沖反吹過程中沿濾管長度方向不同位置處濾管內(nèi)動態(tài)壓力隨時間的變化特性，分析了濾管長度、反吹壓力和脈沖寬度對濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：自開口端至盲端，濾管內(nèi)動態(tài)壓力的壓力峰值先逐漸變大后基本不變；相同反吹條件下，隨著濾管長度的增加，濾管內(nèi)沿長度方向各位置處的壓力峰值均降低。實驗范圍內(nèi)，1750～2000 mm濾管開口端附近的動態(tài)壓力在達到壓力峰值后降低為負壓，并在反吹氣流和脈沖壓力波的共同作用下持續(xù)振蕩。適當(dāng)提高反吹壓力以及增加脈沖寬度可以改善長濾管的反吹效果。

過濾；分離；脈沖反吹；多孔介質(zhì)；動態(tài)壓力

引　言

催化汽油吸附脫硫技術(shù)（S-Zorb）基于吸附作用原理，具有脫硫率高、辛烷值損失小、氫耗和能耗低等優(yōu)點［1］，其中產(chǎn)品油含硫量低至10 μg·g-1，完全滿足國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)汽油脫硫生產(chǎn)中得到廣泛推廣。截至2015年底，全國約有25套S-Zorb裝置，國內(nèi)裝置總規(guī)模達到 32.5 M t·a-1。為了實現(xiàn)油氣和吸附劑顆粒的分離，S-Zorb裝置中設(shè)有反應(yīng)器過濾器，其內(nèi)溫度約370～440℃，壓力3.0 MPa，要求1.3 μm以上顆粒的分離效率達到99.97%［2］。過濾器的核心過濾元件為燒結(jié)金屬過濾管，隨著過濾過程的進行，過濾器壓降不斷升高，當(dāng)壓降升高到一定范圍后，利用高效脈沖反吹系統(tǒng)實現(xiàn)濾管循環(huán)再生，所以脈沖反吹的性能起著至關(guān)重要的作用［3］。

目前，脈沖反吹系統(tǒng)性能評價常用的方法是測量反吹過程的濾管內(nèi)瞬態(tài)壓力、瞬態(tài)速度以及觀測粉塵層的變化，或者利用數(shù)值計算方法模擬過濾管內(nèi)外的瞬態(tài)氣體流動［4-10］。測定瞬態(tài)壓力的方法通常是采用壓力傳感器測量過濾管內(nèi)壓力隨時間的變化規(guī)律。典型的壓力特性有3種：第1種是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的壓力特性，該特性變化平緩；第2種是強振蕩的壓力特性，該特性存在明顯較低的、甚至負值的壓力谷值；第3種是具有較大的壓力峰值，反吹開始后迅速疊加，形成一個非常短的波峰。Schildermans等［11］測定金屬濾管內(nèi)的瞬態(tài)壓力具有較大的峰值，而Chuah等［12］測定陶瓷濾管內(nèi)的瞬態(tài)壓力呈現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)特性，二者存在差異的根本原因是金屬濾管的孔隙率較低。Berbner等［13］和 Ito等［14］分別對長度為1400 mm陶瓷濾管和1000 mm金屬濾管內(nèi)動態(tài)壓力分布特性進行研究，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的壓力特性主要產(chǎn)生在濾管的中部或盲端附近，而強振蕩的壓力特性主要產(chǎn)生在濾管的開口端附近。Mai等［15］測定了脈沖反吹過程中長度均為1000 mm的3種不同陶瓷濾管的動態(tài)壓力分布，發(fā)現(xiàn)在濾管開口端位置均出現(xiàn)了較大的峰值。Kurose等［16］測定了長度為250 mm陶瓷濾管內(nèi)動態(tài)壓力分布特性，重點分析了濾管內(nèi)壓力變化的開啟時間、壓力上升速率及壓力峰值。Rhyner等［17］將動態(tài)壓力特性作為清灰效率的評價指標(biāo)，采用高頻動態(tài)壓力傳感器定量測定長度為500 mm陶瓷濾管內(nèi)的動態(tài)壓力變化，以此作為判斷濾管泄漏及失效的依據(jù)。

關(guān)于脈沖反吹過程中濾管內(nèi)的動態(tài)壓力特性，多數(shù)學(xué)者以長度小于 1500 mm的短濾管作為研究對象，而隨著濾管加工工藝的逐步成熟，在保證濾管同心度和過濾性能均勻性的前提下，長濾管可有效提高過濾面積，在處理氣體流量相同的條件下可以減少濾管根數(shù)，進而減小容器直徑，尤其適用于高溫高壓工況。例如S-Zorb裝置中反應(yīng)器過濾器濾管長度通常為2000～3000 mm，比Shell煤氣化等領(lǐng)域內(nèi)傳統(tǒng)的500～1500 mm濾管要長。針對長濾管脈沖反吹過程中清灰不均勻特性，國內(nèi)外尚未見相關(guān)研究報道，因此采用高頻動態(tài)壓力傳感器，在實驗室常壓冷態(tài)下測定脈沖反吹過程中沿濾管長度方向不同位置處濾管內(nèi)動態(tài)壓力隨時間的變化特性，有助于認清脈沖反吹過程的關(guān)鍵影響因素，為開發(fā)新型、高效的脈沖反吹系統(tǒng)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1　實驗裝置及方法

常壓冷態(tài)濾管過濾性能實驗裝置如圖1所示。該裝置依據(jù)國際上通用的過濾介質(zhì)檢驗標(biāo)準(zhǔn)EN779 和VDI3926建立，利用該裝置能夠?qū)胃鶠V管過濾器的過濾與反吹全過程的性能進行測定分析，包括反吹過程中濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性。脈沖反吹系統(tǒng)由反吹儲氣罐、脈沖電磁閥、噴嘴及連接管路組成，通過可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）控制脈沖電磁閥啟閉。脈沖電磁閥開啟時，高壓脈沖氣體經(jīng)反吹管路由噴嘴噴出，進入過濾管內(nèi)實現(xiàn)脈沖清灰。反吹儲氣罐容積為0.01 m3，利用壓力變送器測定的儲氣罐壓力即為反吹壓力，單次脈沖反吹后儲氣罐壓降小于原有壓力的10%，能提供穩(wěn)定的反吹氣源。脈沖電磁閥選用澳大利亞GOYEN公司的RCAC25T型，最高壓力0.8 MPa。

為考察脈沖反吹過程中沿濾管長度方向不同位置處瞬態(tài)壓力變化，采用高頻動態(tài)壓力傳感器實測濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性，實驗中選取2000 mm的金屬濾管作為研究對象，并以長度分別為1500、1000 和500 mm的3根金屬濾管做對比研究，保證各濾管其余參數(shù)完全一致，分別為外徑60 mm、內(nèi)徑50 mm、平均孔徑4 μm、孔隙率35%。利用5個相同的高頻動態(tài)壓力傳感器同時測量濾管自開口端至盲端各測量點的動態(tài)壓力特性，4種長度金屬濾管測量點位置見表 1。高頻動態(tài)壓力傳感器的量程為-50～50 kPa，頻響20 kHz，精度等級±0.25%，采集卡的采樣頻率為500 kHz，滿足采樣定律。為了消除管腔效應(yīng)，壓力傳感器探頭膜片所在的平面與濾管內(nèi)壁齊平安裝。

圖1　濾管過濾性能實驗裝置Fig.1　Schematic diagram of filtration performance experimental set-up

表1　4種長度濾管的動態(tài)壓力測量點位置Table 1　Measurement points of dynam ic pressure in 4 different length of filter cand les

實驗中通過 PLC控制采集信號觸發(fā)和脈沖寬度，其中脈沖寬度設(shè)定范圍為50～500 ms，控制精度達到 1 ms。實驗中參照工業(yè)實際操作將其設(shè)為150 ms。通過電動碟閥控制管路氣體流量，閥門開度可根據(jù)工況實現(xiàn)自動控制，進而始終保持操作過程中流量恒定，設(shè)定表觀氣速為2 m·min-1，再根據(jù)不同濾管的過濾面積確定管路流量。

圖2為在反吹壓力0.6 MPa條件下，PB3處動態(tài)壓力特性的重復(fù)性驗證。由圖可知，動態(tài)壓力隨時間的變化趨勢基本一致，且正、負壓峰值等特征點的誤差均在±0.1 kPa范圍內(nèi)，表明數(shù)據(jù)重復(fù)性良好，故以單次采集數(shù)據(jù)代替多次實驗數(shù)據(jù)的平均值作為測定結(jié)果。

圖2　反吹壓力0.6 MPa條件下PB3處動態(tài)壓力特性Fig.2　Dynam ic pressure characteristics in PB3under cleaning pressure 0.6 MPa

2　結(jié)果與分析

2.1濾管內(nèi)沿長度方向壓力分布特性

圖3為反吹壓力0.5 MPa條件下2000 mm濾管不同測量點處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性。除開口端 PA1處外，其余各測量點變化趨勢一致，均具有較高的峰值。分析認為，在脈沖電磁閥開啟瞬間，在脈沖壓力波的作用下使濾管內(nèi)壓力迅速升至最大值，由于二次引流作用使進入過濾管內(nèi)的氣量增大，同時金屬過濾管的孔隙率和滲透率均較低，過濾管內(nèi)部空間相當(dāng)于彈性腔體，對反吹氣流具有緩沖作用，導(dǎo)致壓力下降速率先快后慢。在脈沖反吹即將結(jié)束時（t約為365 ms）有一段明顯的“負壓區(qū)”，該現(xiàn)象與文獻［18-21］中針對短濾管情況下已有的研究結(jié)果吻合。分析得到其產(chǎn)生的原因是當(dāng)脈沖反吹即將結(jié)束時，引射作用減弱，濾管內(nèi)氣體壓力高于與之直接相連的集氣室內(nèi)壓力，部分氣體由濾管開口端排向集氣室，濾管內(nèi)壓力也逐漸減小。當(dāng)濾管內(nèi)壓力減小到與濾管外壓力相等時，氣體由于慣性作用繼續(xù)向集氣室流動最終導(dǎo)致濾管內(nèi)形成負壓。圖 4為文獻［22］中測定的脈沖反吹過程中濾管外徑向瞬態(tài)速度特性，其中脈沖寬度為46 ms。通過對比可知，濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性的正壓階段與AB段氣體速度的正值階段相一致，說明在濾管內(nèi)壓力高于濾管外壓力時，氣體由濾管內(nèi)向濾管外流動；而在脈沖反吹即將結(jié)束時，由于“負壓區(qū)”的存在，濾管外壓力高于濾管內(nèi)壓力，使得濾管外氣體向濾管內(nèi)流動，形成回流現(xiàn)象，表明濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性與濾管外瞬態(tài)速度特性的測定結(jié)果相吻合，驗證了測定結(jié)果的可靠性。

圖3　反吹壓力0.5 MPa條件下2000 mm濾管不同測量點處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性Fig.3　Dynamic pressure characteristics in different measurement points of 2000 mm filter candle at cleaning pressure 0.5 MPa

圖5為反吹壓力0.5 MPa條件下不同測量點處濾管內(nèi)動態(tài)壓力峰值的對比。由于反吹氣體進入濾管后，沿濾管長度方向的氣流速度逐漸減小，導(dǎo)致動壓降低而靜壓增大，自濾管開口端至盲端，濾管內(nèi)壓力峰值逐漸増大，濾管開口端和盲端峰值分別為5.41 kPa和12.41 kPa，這是導(dǎo)致濾管沿長度方向清灰效果存在差異的根本原因，同時也與實際過程中濾管開口端粉塵易架橋造成濾管斷裂相吻合。但值得注意的是從 PA6處開始，濾管內(nèi)壓力峰值基本維持不變。

圖4　濾管外徑向速度特性Fig.4　Radial velocity characteristics outside filter candle

圖5　反吹壓力0.5 MPa條件下不同測量點處濾管內(nèi)動態(tài)壓力峰值的對比Fig.5　Comparison of maximum pressure in different measurement points at cleaning pressure 0.5 MPa

2.2反吹壓力對濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性的影響

圖6為不同反吹壓力條件下PA5處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性。隨著反吹壓力的升高，濾管內(nèi)正壓峰值逐漸變大，負壓峰值亦逐漸變大，二者變化趨勢一致。不同反吹壓力下，濾管內(nèi)PA5處壓力由0升至正壓峰值的時間均為17 ms，壓力上升速率分別為0.47、0.59、0.70、0.81 kPa·ms-1，表明壓力上升時間與反吹壓力大小無關(guān)，壓力上升速率隨著反吹壓力的增加而增大。利用同樣的方法測定并對比，發(fā)現(xiàn)沿濾管長度方向，其余各測量點壓力峰值和壓力上升速率均有相同變化規(guī)律。

圖7為不同反吹壓力條件下不同測量點壓力由0升至正壓峰值所需時間的對比。自濾管開口端至盲端，壓力上升時間先逐漸升高，自PA6處附近又逐漸降低，并且不同反吹壓力下同一測量點處壓力上升時間均基本一致，表明壓力上升時間只與測量點位置有關(guān)。而由圖5已知，相同反吹壓力下，自PA6處至濾管盲端，濾管內(nèi)壓力峰值基本不變，分析認為，壓力上升時間和壓力峰值的這種變化趨勢均是受濾管底部固有氣體的阻礙作用所導(dǎo)致。

圖6　不同反吹壓力PA5處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性Fig.6　Dynam ic pressure characteristics in PA5at different cleaning pressure

圖7　不同測量點壓力上升時間對比Fig.7　Comparison of pressure increase time in different measurement points at different cleaning pressure

2.3不同長度濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性對比

圖8為不同長度濾管在0.5 MPa反吹壓力條件下開口端處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性。雖然4種長度濾管開口端處均產(chǎn)生明顯的振蕩，但PB1、PC1和PD1處濾管內(nèi)壓力振蕩均在正壓范圍內(nèi)，而PA1處濾管內(nèi)壓力在達到壓力峰值后降低為負壓，并在負壓區(qū)域持續(xù)振蕩一段時間，不利于該處濾管外粉塵的清除。

針對2000 mm濾管開口端PA1處動態(tài)壓力特性的異?，F(xiàn)象，采用盲端填充的方式改變2000 mm濾管的長度，分別測定長度為1900、1750和1600 mm時濾管開口端PA1處動態(tài)壓力特性，其實驗結(jié)果如圖9所示。由于反吹氣流與脈沖壓力波的疊加，使得PA1處濾管內(nèi)壓力在達到壓力峰值后降低為負壓并持續(xù)振蕩。隨著濾管長度的增加，下降的幅度逐漸增大，這是由脈沖反吹氣體與濾管內(nèi)氣體相互作用造成的。當(dāng)濾管長度增加到一定值，脈沖反吹氣體進入濾管開口端時，由于濾管內(nèi)容積的相應(yīng)增加，使得濾管內(nèi)氣體對脈沖反吹氣體的阻力降低，脈沖反吹氣體射流外緣位于PA1處附近。

圖8　不同長度濾管開口端處動態(tài)壓力特性的對比Fig.8　Comparison of dynam ic pressure characteristics among different length of filter candles near open end

圖9　改變?yōu)V管長度開口端PA1處動態(tài)壓力特性的對比Fig.9　Comparison of dynam ic pressure characteristics in PA1while changing length of filter candle

為了改善 2000 mm濾管開口端附近的反吹性能，改變反吹壓力測定PA1處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性結(jié)果如圖10所示。反吹壓力升高，PA1處壓力振蕩更加劇烈，相比于反吹壓力為0.5 MPa時的壓力特性，在脈沖作用時間內(nèi)的多個波谷均出現(xiàn)更低的負壓峰值；反吹壓力降低，雖然壓力振蕩稍有減弱，振蕩階段負壓持續(xù)時間減少，但沒有從根本上解決存在負壓的問題，并且較低的反吹壓力勢必會影響整只濾管的清灰效果。因此，改變反吹壓力無法有效改善2000 mm濾管開口端的反吹性能。

圖10　不同反吹壓力PA1處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性Fig.10　Dynam ic pressure characteristics in PA1at different cleaning pressure

反吹壓力0.5 MPa條件下，改變脈沖寬度測定PA1處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性結(jié)果如圖11所示。脈沖寬度電信號的設(shè)定值分別為50、150、250、350 ms，對應(yīng)的實際氣體脈沖時間分別為 210、290、370、450 ms，隨著脈沖寬度的增大，雖然壓力峰值不變，但是實際氣體脈沖時間延長，而負壓振蕩的持續(xù)時間并沒有延長，有利于防止細顆?；亓鳎瑥亩纳圃撎幍姆创敌Ч?。

圖11　不同脈沖寬度PA1處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性Fig.11　Dynamic pressure characteristics in PA1at different pulse w idth

圖12為0.5 MPa反吹壓力條件下不同長度濾管距開口端750 mm處濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性。由圖可知，不同長度濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性的變化趨勢基本一致，但正壓峰值差異明顯，以2000 mm和1500 mm濾管為例，各測量點正壓峰值對比如圖13所示。反吹條件相同的情況下，在距開口端相同距離處兩濾管內(nèi)正壓峰值存在較大差異，2000 mm濾管內(nèi)正壓峰值較低，且近濾管盲端PA9處正壓峰值12.41 kPa，同樣小于 1500 mm近盲端 PB5處正壓峰值 13.32 kPa。為了解決2000 mm濾管內(nèi)各測量點正壓峰值降低的問題，將反吹壓力提高至0.6 MPa，各測量點正壓峰值均變大。因此，提高反吹壓力可以改善2000 mm濾管的反吹效果，這對實際工況中長濾管的反吹壓力選擇具有重要指導(dǎo)作用。

圖12　距開口端750 mm處不同長度濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性的對比Fig.12　Comparison of dynamic pressure characteristics in points of 750 mm from open end among different length of filter candles

圖13　2000 mm和1500 mm濾管內(nèi)正壓峰值對比Fig.13　Comparison of maximum pressure between 2000 mm and 1500 mm filter candles

3　結(jié)　論

（1）采用高頻動態(tài)壓力傳感器測定脈沖反吹過程中沿濾管長度方向不同位置處濾管內(nèi)動態(tài)壓力隨時間的變化特性。自開口端至盲端，濾管內(nèi)動態(tài)壓力的壓力峰值先逐漸變大后基本不變，這將直接導(dǎo)致濾管沿長度方向清灰不均勻。相同反吹條件下，隨著濾管長度的增加，濾管內(nèi)沿長度方向各位置處的壓力峰值均降低。

（2）相同反吹條件下與傳統(tǒng)短濾管相比，長濾管內(nèi)動態(tài)壓力特性的變化趨勢基本一致，且均在脈沖反吹即將結(jié)束時存在明顯的“負壓區(qū)”，易造成細顆粒回流重新吸附在濾管外表面，影響清灰效率。不同之處在于本實驗范圍內(nèi)，1750～2000 mm濾管開口端附近的動態(tài)壓力在達到壓力峰值后降低為負壓，并在反吹氣流和脈沖壓力波的共同作用下持續(xù)振蕩，不利于該處粉塵的清除。

（3）反吹壓力的大小直接影響壓力峰值和壓力上升速率，提高反吹壓力可使濾管內(nèi)壓力峰值升高，改善長濾管的反吹效果。適當(dāng)增大脈沖寬度可以使長濾管開口端附近的正壓持續(xù)時間延長，進而改善長濾管開口端附近的反吹效果。

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Dynam ic pressure characteristics in filter candle during process of pulse cleaning for rigid filter

LUAN Xin1，2， JI Zhongli1，2， LIU Longfei1，2
（1School of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum， Beijing 102200， China；2Beijing Key Laboratory of Process Fluid Filtration & Separation， China University of Petroleum， Beijing 102200， China）

The performance of reactor filter in the adsorptive desulphurization unit of catalytic gasoline （S-Zorb）w ill pose direct impacts on the separation and recycling of adsorbent. By utilizing high frequency sensors and experimental set-up of filtration performance during the process of pulse cleaning， the dynamic pressure characteristics varied w ith time in different measurement points along filter candles were investigated. A lso， the effects of the length of filter candle， cleaning pressure and pulse w idth on dynam ic pressure characteristics were analyzed. As shown by the results， the maximum pressure in the filter candle remained stable after gradually increasing from the open end to the blind end. Meanwhile， lower maximum pressure in different measurement points along the whole filter candle was found under the same operating conditions when the longer filter candle was utilized. In these experiments， the dynamic pressure near the open end of 1750—2000 mm filter candles reduced to negative pressure after reaching the maximum pressure. Due to the combination of airflow and pulse pressure wave， the sustained oscillations in the dynamic pressure profile can be discovered. Furthermore， the cleaning efficiency of long filter candle can be improved through the method of properly increasing cleaning pressure and pulse w idth.

filtration； separation； pulse cleaning； porous media； dynam ic pressure

date: 2016-03-31.

Prof. JI Zhongli， jizhongli63@vip.sina.com

supported by the National Basic Research Program of China （2012CB215000）.

TQ 021.1；TQ 028

A

0438—1157（2016）08—3452—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160396

2016-03-31收到初稿，2016-07-21收到修改稿。

聯(lián)系人：姬忠禮。第一作者：欒鑫（1990—），男，博士研究生。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2012CB215000）。