排列形式對并聯(lián)分離器內(nèi)部流場和竄流返混的數(shù)值模擬研究

張愛琴

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710089)

大直徑旋分式三旋是我國催化裂化三旋裝置一個發(fā)展方向，目前對這種新型三旋的研究只停留在現(xiàn)場試驗中，缺乏對其內(nèi)部的流動狀態(tài)與分離過程機(jī)理的系統(tǒng)研究，因而在工程設(shè)計和操作應(yīng)用過程中有很大的盲目性。文章基于前期研究成果，提出將分離器旋向交替排列可以削弱相鄰分離器間氣流的相互作用，從而改善公共灰斗內(nèi)的竄流返混現(xiàn)象的構(gòu)想[1]，采用數(shù)值模擬的方法探索排列形式對并聯(lián)旋風(fēng)分離器流場和公共灰斗內(nèi)竄流現(xiàn)象的影響規(guī)律，提出了排列形式優(yōu)化方案。

1 計算模型

為了研究旋向?qū)π质讲⒙?lián)方案分離性能的影響，本文采用典型PV型旋風(fēng)分離器，考察了全左旋中心對稱布置(簡稱L)和左右旋向交替軸對稱布置(簡稱LR)兩種分離器排列形式的并聯(lián)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場及公共灰斗內(nèi)的竄流返混現(xiàn)象。采用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖 1為V1、V2、V3并聯(lián)結(jié)構(gòu)中兩種分離排列形式示意圖，左右旋向交替軸對稱布置形式中，令A(yù)C分離器的旋向為左旋，BD分離器的旋向為右旋。圖2為并聯(lián)旋風(fēng)分離器的主體結(jié)構(gòu)。

圖1 旋風(fēng)分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖(mm)

圖2 左旋中心對稱布置和左右旋向交替軸對稱布置形式(mm)

FLUENTS數(shù)值模擬計算方法：壓力與速度耦合方程選用SIMPLE算法，壓力插值選用PRESTO！，對流項的插值格式選用QUICK格式。先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，再進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算，非穩(wěn)態(tài)計算中盡量減小步長。結(jié)合課題組經(jīng)驗，步長選用0.000 2 s。

2 排列形式對并聯(lián)旋風(fēng)分離器氣相流場的影響

根據(jù)變量控制法則，在模擬某一參數(shù)對流動狀態(tài)的影響時，應(yīng)保持其他參數(shù)不變，考慮到進(jìn)氣形式和料腿長度對并聯(lián)旋風(fēng)分離器流場的影響，本節(jié)采用D型進(jìn)氣方式，令分離器料腿長度lc=800 mm，研究了排列形式對并聯(lián)旋風(fēng)分離器流場的影響。

1)分離器內(nèi)流場的分布

圖3為全左旋中心對稱布置和左右旋向交替軸對稱布置時分離器入口橫截面上的速度矢量圖，由圖3可知，在V1-LR型并聯(lián)形式中，分離器入口截面上的速度指向分離器外壁，而在蝸殼入口處，靠近蝸殼邊壁處的速度略高，這說明，左右旋排列形式中，氣流攜帶顆粒貼近分離器外壁進(jìn)入分離器內(nèi)，有利于顆粒的分離。

圖3 V1結(jié)構(gòu)中L和LR兩種排列形式分離器入口橫截面速度矢量圖(z=-100 mm)

圖 4為兩種排列形式分離器入口截面的速度分布，由圖4可知，在相同的處理量下，L型并聯(lián)旋風(fēng)分離器中，分離入口截面最高速度可達(dá)38 m/s，而LR型并聯(lián)旋風(fēng)分離器中，分離器入口截面最高速度高達(dá)42 m/s。

圖4 V1結(jié)構(gòu)中L和LR兩種排列形式分離器入口截面速度云圖

圖5為V1-L、V1-LR中分離器內(nèi)部速度分布曲線，由圖5可知，左右旋向交替軸對稱布置的分離器分離空間的旋轉(zhuǎn)速度略大于全左旋中心對稱排列的分離器分離空間的速度，軸向速度的分布則未見明顯變化。

圖5 V1結(jié)構(gòu)中兩種排列形式分離器分離空間內(nèi)速度曲線

2)壓降分析

圖 6為全左旋中心對稱布置(L)和左右旋向交替軸對稱布置(LR)時并聯(lián)旋風(fēng)分離器的總壓降及分離器平均壓降。由圖6可知，左右旋向交替軸對稱布置的并聯(lián)旋風(fēng)分離器的總壓降和分離器平均壓降較高，增大的幅度約為6%。

圖6 三種并聯(lián)結(jié)構(gòu)L和LR排列方式的壓降分布圖

3)集氣室內(nèi)流場

圖7為V1-L、V1-LR并聯(lián)旋風(fēng)分離器集氣室內(nèi)速度矢量圖。取集氣室內(nèi)z=1 250 mm截面上的速度進(jìn)行分析。

由圖7可知,V1-L結(jié)構(gòu)中，升氣管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)射流在集氣室內(nèi)相互疊加，形成了繞集氣室中心旋轉(zhuǎn)的氣流。而V1-LR結(jié)構(gòu)中，集氣室內(nèi)氣流運動比較混亂，旋向不同的氣流相互削弱。

圖7 V1結(jié)構(gòu)中兩種排列形式集氣室內(nèi)速度矢量圖

3 排列形式對公共灰斗內(nèi)流動形式的影響

依據(jù)分離器旋向交錯排列的形式會使從相鄰分離器排塵口排出的氣流相互削弱的現(xiàn)象，進(jìn)而實現(xiàn)改善公共灰斗內(nèi)的竄流返混現(xiàn)象的設(shè)想[2]。本文分別計算了排列形式對料腿長度為200、800 mm的V1結(jié)構(gòu)、V2結(jié)構(gòu)中公共灰斗內(nèi)的流場的影響。

1)V1結(jié)構(gòu)

當(dāng)分離器料腿長度較長時,V1結(jié)構(gòu)的公共灰斗內(nèi)無明顯的竄流返混現(xiàn)象，因此本節(jié)研究了料腿長度分別為200、800 mm的分離器并聯(lián)后，排列形式對并聯(lián)旋風(fēng)分離器公共灰斗內(nèi)竄氣現(xiàn)象的影響。

圖 8為lc=800 mm的分離器并聯(lián)后公共灰斗內(nèi)分離器排塵口所在截面上的速度矢量圖，取公共灰斗內(nèi)z=-2 480 mm截面，由圖8可知，兩種排列形式的并聯(lián)旋風(fēng)分離器排塵口處旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度差異不大，均不會在公共灰斗內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流動。因而公共灰斗內(nèi)沒有明顯的竄氣現(xiàn)象。

圖8 V1結(jié)構(gòu)中兩種排列形式公共灰斗內(nèi)排塵口截面速度矢量圖(lc=800 mm)

圖9、圖 10為lc=200 mm的分離器并聯(lián)后公共灰斗內(nèi)分離器排塵口所在截面及相鄰分離器連接面的速度矢量圖，取公共灰斗內(nèi)z=-1 880 mm截面，相鄰分離器取AB分離器連接面。

圖9 V1結(jié)構(gòu)中兩種排列形式公共灰斗內(nèi)排塵口截面速度矢量圖(lc=200 mm)

圖10 V1結(jié)構(gòu)中兩種排列形式相鄰分離器連接面速度矢量圖(lc=200 mm)

由圖9～圖10可知，左右旋向交替排列的并聯(lián)形式，從相鄰排塵口出來的氣流旋轉(zhuǎn)方向相反且相互削弱，公共灰斗內(nèi)不會形成大的旋轉(zhuǎn)流動，能在一定程度上抑制公共灰斗內(nèi)的竄氣現(xiàn)象。

2)差異分離器并聯(lián)(以V2為例)

圖 11、圖 12為分離器料腿長度為800 mm時，V2-L、V2-LR結(jié)構(gòu)中公共灰斗內(nèi)分離器排塵口所在截面及相鄰分離器連接面上的速度矢量圖，取公共灰斗內(nèi)z=-2 480 mm截面，相鄰分離器取AB分離器連接面。

圖11 V2結(jié)構(gòu)中兩種排列形式公共灰斗內(nèi)排塵口截面處的速度矢量圖(lc=800 mm)

圖12 V2結(jié)構(gòu)中兩種排列形式相鄰分離器連接面速度矢量圖(lc=800 mm)

由圖11～圖12可知，兩種排列方式的公共灰斗內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流方向正好相反，在V2-L結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)氣流的方向與分離器內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)方向相同，在V2-LR結(jié)構(gòu)中，旋轉(zhuǎn)氣流的方向則與提供竄氣氣流的右旋分離器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)方向相同。并且V2-LR中公共灰斗內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的速度略小于V2-L內(nèi)的速度。

圖 13為兩種并聯(lián)結(jié)構(gòu)公共灰斗內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)速度曲線，取分離器排塵口截面上45°～225°方向上切向速度。由圖13可知，左右旋交替排列的形式的并聯(lián)旋風(fēng)分離器，公共灰斗內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)速度較小，因而可以抑制公共灰斗內(nèi)的竄流返混現(xiàn)象。

圖13 分離器排列形式對公共灰斗內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)速度的影響

綜上分析可知，左右旋向交替排列的布置方式，公共灰斗內(nèi)相鄰分離器排塵口排出的氣流旋轉(zhuǎn)方向相反，相鄰分離器交界處旋轉(zhuǎn)流動的速度方向趨于一致，沒有速度梯度，氣流之間相互作用不強(qiáng)，因而不會產(chǎn)生大的渦旋，能夠在一定程度上改善公共灰斗內(nèi)的竄流返混現(xiàn)象。

4 小 結(jié)

文章分析了分離器排列形式對并聯(lián)結(jié)構(gòu)流場及公共灰斗內(nèi)竄流返混現(xiàn)象的影響，結(jié)果表明：①左右旋交替排列形式會引起并聯(lián)結(jié)構(gòu)中分離器內(nèi)三維速度及壓降的增大。②左右旋交替排列形式可以抑制氣流在公共灰斗內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流動，改善灰斗內(nèi)的竄流返混現(xiàn)象。因而，能夠提高并聯(lián)旋風(fēng)分離器分離空間內(nèi)的分離能力，改善分離器公共灰斗的流場對稱性，應(yīng)用前景較為廣闊。