差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)的分離性能的實驗研究

張愛琴，王興東

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710089； 2.中國石油天然氣管道局， 河北 廊坊 065000)

催化裂化旋分式三旋摒棄了多管式三旋內(nèi)部復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)，采用簡單高效的PV型旋風(fēng)分離器，大大地降低了制造安裝的難度和投資成本。從流場研究的結(jié)果來看，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合和匹配，新型旋分式三旋能有效地克服旋風(fēng)分離器并聯(lián)使用后的進(jìn)氣不均勻性、公共灰斗內(nèi)竄流返混等共性的問題。其內(nèi)部特殊的結(jié)構(gòu)形式，使得并聯(lián)旋風(fēng)分離器分離空間內(nèi)的分離能力有所提高，改善了灰斗及料腿內(nèi)的流場對稱性，大大地提高的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的整體分離效率，應(yīng)用前景較為廣闊。然而在實際生產(chǎn)中，由于旋風(fēng)分離器存在著制造誤差及磨損、堵塞等問題，并聯(lián)結(jié)構(gòu)中單臺旋風(fēng)分離器性能存在著差異，導(dǎo)致并聯(lián)旋風(fēng)分離器處于不等壓降狀態(tài)工作，嚴(yán)重地影響了其整體效率。針對此問題，文章采用不同芯管直徑的旋風(fēng)分離器并聯(lián)來模擬實際工況中不等壓降的旋風(fēng)分離器并聯(lián)，研究了差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)的分離性能。

1 實驗裝置及方法

實驗裝置如圖1所示，主要包括4臺并聯(lián)的PV型旋風(fēng)分離器、公共集氣室、公共灰斗、加料器、風(fēng)機(jī)、進(jìn)氣管以及測量儀器設(shè)備。工作時為負(fù)壓操作。

實驗入口濃度采用5 g/m3，并聯(lián)分離器加料量為20 kg，加料時間為40～60 min。采用兩臺風(fēng)機(jī)同時送風(fēng)，氣速由高到低進(jìn)行實驗。充分考慮環(huán)境因素對實驗結(jié)果的影響，盡可能地保障實驗數(shù)據(jù)的可對比性。實驗主要考察不同芯管直徑差異的差異旋風(fēng)分離器、不同旋向的旋風(fēng)分離器并聯(lián)的分離效率、壓降、粒級效率等性能指標(biāo)。

2 芯管直徑對并聯(lián)旋風(fēng)分離器性能影響

研究過程采用不同芯管直徑的差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)，模擬實際并聯(lián)結(jié)構(gòu)中旋風(fēng)分離器不等壓降運行的工況，選取r1和r2兩種并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。r1為4臺芯管直徑de為96 mm的旋風(fēng)分離器并聯(lián)，r2為兩臺芯管直徑de為96 mm的旋風(fēng)分離器、一臺芯管直徑de為90 mm的旋風(fēng)分離器、一臺芯管直徑de為104的旋風(fēng)分離器并聯(lián)，兩種排布均為全左旋，如圖2所示。

不等壓降工況運行的旋風(fēng)分離器并聯(lián)后，公共灰斗內(nèi)會發(fā)生竄流現(xiàn)象[2]。竄流作用是雙向的，對于接受氣流的旋風(fēng)分離器，由于灰斗內(nèi)的氣流進(jìn)入料腿，一方面引起返混，另一方面會使渦核的擺動增強(qiáng)，均會降低其分離效率。對于給予氣流的旋風(fēng)分離器，由于氣流從料腿內(nèi)流入灰斗，相當(dāng)于增加了底部抽氣，有利于其分離效率的提高。差異分離器并聯(lián)時以上兩種效應(yīng)均存在，然而由于并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的單個旋風(fēng)分離器很難達(dá)到最佳工況點，所以，一般認(rèn)為差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)的整體效率較低。

芯管直徑差異分離器并聯(lián)實驗結(jié)果如圖3所示，相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)時分離效率E高于差異分離器并聯(lián)時的分離效率，且阻力系數(shù)ζ較??；切割粒徑結(jié)果及粒級效率如圖4所示，相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)時，切割粒徑dc50較小，粒級效率η較高，分離性能較好。分析主要是由于差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)時，一是由于單個分離元件很難同時達(dá)到最佳工作點，也就是最高效率點，使得整體的并聯(lián)效率較低。二是由于差異分離并聯(lián)時公共灰斗內(nèi)竄流效應(yīng)較大，造成公共灰斗以及分離器料腿流動較為復(fù)雜，很容易將已經(jīng)分離下來的顆粒返混至中心向上氣流區(qū)，導(dǎo)致并聯(lián)結(jié)構(gòu)的總體效率降低。

圖3 分離效率E與阻力系數(shù)ξ

圖4 切割粒徑dc50和粒級效率η

3 旋向?qū)Σ⒙?lián)旋風(fēng)分離器分離性能的影響

本節(jié)主要針對旋向不同的并聯(lián)分離器進(jìn)行分析。如圖5所示，兩種排布均為4個芯管直徑de為96 mm的分離器并聯(lián)，不同之處在于旋風(fēng)分離器的旋向不同。全左旋排布記為r1-L，左右旋交替排布記為r3-LR。

圖5 旋向差異并聯(lián)分離器

旋向不同的并聯(lián)旋風(fēng)分離器分離性能的實驗結(jié)果如圖6所示，全左旋排布的并聯(lián)分離器效率E優(yōu)于左右旋排布，阻力系數(shù)ζ較大。說明全左旋排布的并聯(lián)旋風(fēng)分離器內(nèi)部旋流較強(qiáng)，對分離比較有利。采樣結(jié)果如圖7所示，左右旋的切割粒徑dc50大于全左旋，且粒級效率η較小，表明全左旋排布分離效率高于左右旋排布，且全左旋排布時對細(xì)粉的分離能力更強(qiáng)。但左右旋排布時在高氣速工況下能夠顯著降低并聯(lián)分離器壓降。

圖6 并聯(lián)分離器效率E及阻力系數(shù)ζ

圖7 切割粒徑dc50和粒級效率η

前期對公用灰斗內(nèi)流場的數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。全左旋分離器并聯(lián)時，在公共灰斗內(nèi)四個旋渦組成一個旋流較強(qiáng)的大旋渦，流動的穩(wěn)定性提高，降低了公共灰斗內(nèi)的竄流返混，使得分離效率提高。而左右旋并聯(lián)分離器中，四個旋渦相互制約性不強(qiáng)，分離元件渦核的穩(wěn)定性較低。由于全左旋并聯(lián)分離器灰斗中大旋渦的存在，被分離的顆粒沿料腿進(jìn)入灰斗后會跟隨氣體的流動，在離心力作用下，進(jìn)一步向灰斗邊壁移動，減少被分離顆粒再次進(jìn)入料腿的概率，有利于分離。

圖8 并聯(lián)分離器公共灰斗內(nèi)排塵口截面速度矢量圖

4 小 結(jié)

(1)全左旋排布時并聯(lián)旋風(fēng)分離器的整體效率高于左右旋排布，阻力系數(shù)也較大；

(2)芯管直徑差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)效率低于相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)性能，但阻力系數(shù)大于相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)。因此在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)該最大程度地弱化避單個旋風(fēng)分離器的差異。