李 熹, 劉勇峰, 陳宇波, 劉林遠

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旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗

李 熹, 劉勇峰, 陳宇波, 劉林遠

（中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041）

旋風(fēng)分離器在石油化工和天然氣集輸領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，利用化工方面的經(jīng)驗，通過大量的性能對比實驗來對旋風(fēng)分離分離效率進行優(yōu)化，首先對分離單管按原設(shè)計尺寸進行對次重復(fù)對比標(biāo)定實驗，然后以此為基礎(chǔ)進行改進單管的研制實驗，針對加灰斗和4種不同的灰斗開縫結(jié)構(gòu)展開試驗，優(yōu)選出一種在分離效率、壓降兩方面都具有優(yōu)勢的最佳結(jié)構(gòu)，試驗表明KD結(jié)構(gòu)最優(yōu)。

旋風(fēng)分離器；分離效率；壓降；灰斗

多管旋風(fēng)分離器在石油化工、天然氣集輸以及燃煤鍋爐除塵方面具有廣泛的用途[1-4]，分離器的分離單管主要有兩種型式[5]，一種為導(dǎo)葉式，另一種為切向入口結(jié)構(gòu)，由于這兩種型式各有特點，國內(nèi)外一般依據(jù)對分離器壓降、效率和結(jié)構(gòu)尺寸的要求來進行選擇。天然氣集輸時壓力高，一般選擇結(jié)構(gòu)較為緊湊的導(dǎo)葉式旋風(fēng)單管。同時，由于天然氣集輸用的分離器壓力高，因此對分離單管的壓降要求比較嚴格，這是它與目前煉油催化裂化用的分離單管的根本區(qū)別之處。目前催化裂化用分離單管的工作壓力僅為幾個大氣壓，分離單管的入口氣速為18~26 m/s，常壓下的壓降為6 000~10 000 Pa。 而天然氣分離單管的入口氣速則為8~16 m/s， 壓降為200~1 200 Pa。本項目的目的是通過大量的性能對比實驗，將我們過去在催化裂化分離器研制中的研究結(jié)果應(yīng)用到天然氣分離單管中[6,7]。在實驗中，首先對分離單管按原設(shè)計尺寸進行對次重復(fù)對比標(biāo)定實驗；然后以此為基礎(chǔ)進行改進單管的研制實驗，通過大量的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化，優(yōu)選出一種在分離效率、壓降兩方面都具有優(yōu)勢的最佳結(jié)構(gòu)。

1 實驗方法

實驗裝置采用吸風(fēng)式負壓操作，氣體直接由風(fēng)機抽出放空。為了保證實驗結(jié)果準確可靠，實驗用分離單管筒體段直徑為10834的鋼管，分離粉塵選用中位粒徑為9.3 μm的425目滑石粉。氣體流量用安裝在分離器進氣管道上的皮托管測定。實驗粉塵稱重后由人工通過電磁振蕩加料器直接加入進氣管道，在進氣管道中均勻分散后被氣流帶入旋風(fēng)分離器中分離。通過調(diào)節(jié)加料時間可控制入口含塵氣流中的含塵濃度。最后將分離下來的粉塵從收塵灰斗中取出稱重，從而可以計算出分離效率。效率采用稱重法測定，每次實驗重復(fù)3～5次，以保證數(shù)據(jù)的準確、可靠。采用精密壓力計測定旋風(fēng)分離器入口和排氣管出口的壓差作為氣流通過旋風(fēng)分離器的壓降，以衡量旋風(fēng)分離器的能耗大小。

2 原分離單管標(biāo)定實驗結(jié)果

實驗條件：粉塵平均粒徑： 9.3 μm；入口氣體含塵濃度 10 g/Nm3。

圖1 入口風(fēng)速對分離效率的影響

圖2 入口風(fēng)速對壓降的影響

圖3 灰斗結(jié)構(gòu)型式對分離效率的影響

Fig3. Influence of Ash hopper structure on the separation efficiency

由圖1、2可知，入口風(fēng)速的大小對分離效率和壓降有影響，入口風(fēng)速越大，分離的效率越高，同時，入口和出口之間的壓降越大，能耗越大，所以分離器壓降需要小。

圖4 灰斗結(jié)構(gòu)型式對分離效率的影響

Fig4. Influence of Ash hopper structure on the pressure drop

3 分離單管結(jié)構(gòu)優(yōu)化實驗

近年來，國內(nèi)外大量的旋風(fēng)分離器流場測定實驗表明排塵灰斗的結(jié)構(gòu)對分離效率具有重要影響[8]?；叶返淖饔镁褪菍⒎蛛x空間分離下的粉塵及時排出，但實驗發(fā)現(xiàn)如果灰斗結(jié)構(gòu)不合適，則會將灰斗內(nèi)的粉塵重新返混，使其進入分離空間的內(nèi)旋流由芯管帶走，而大大降低分離效率。

為此，我們在實驗中對表1中五種結(jié)構(gòu)的排塵斗結(jié)構(gòu)進行了對比實驗?；叶繁诿骈_縫的目的是將灰斗內(nèi)的粉塵及時排出。通過改變開縫寬度、開縫面積研究分離效率和壓降的變化規(guī)律。

表1給出了四中不同開縫的排塵灰斗結(jié)構(gòu)對分離效率和壓降的影響，圖3和圖4則給出了相應(yīng)的分離效率和壓降隨分離器入口氣速的變化曲線。由圖4可以看出，第四種開縫結(jié)構(gòu)KD的分離效率最高，并且壓降還略有降低。

表1 排灰斗開縫結(jié)構(gòu)對比

4 改進單管的全性能實驗

圖5和圖6分別給出了開縫結(jié)構(gòu)KD、不開縫結(jié)構(gòu)B和原分離單管的分離效率和壓降對比曲線。

圖5和圖6比較了開縫結(jié)構(gòu)KD、不開縫結(jié)構(gòu)B和原分離單管的分離效率和壓降隨速度變化規(guī)律。由圖中可以看出，通過本項目的進行而優(yōu)化出的開縫結(jié)構(gòu)KD在分離單管壓降與原分離單管基本相同的前提下，在入口速度為8～16 m/s時分離效率要高2%～3％，達到研究方案的目標(biāo)。

圖5 灰斗結(jié)構(gòu)型式對分離效率的影響

Fig5. Influence of Ash hopper structure on the separation efficiency

圖6 灰斗結(jié)構(gòu)型式對分離效率的影響

Fig6. Influence of Ash hopper structure on the pressure drop

5 結(jié)論

入口風(fēng)速對旋風(fēng)分離器的分離效率和壓降有影響。旋風(fēng)分離器增加灰斗后，灰斗的結(jié)構(gòu)對于分離效率和壓降有影響，其中灰斗的KD結(jié)構(gòu)最優(yōu)。KD結(jié)構(gòu)比單分離管在壓降基本相同的前提下，入口速度為8～16 m/s時，分離效率高2%～3％。

［1］王清華.旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)改進的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].鍋爐技術(shù),2007,38(2):5-9.

［2］宋勇. 旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流流場數(shù)值模擬[D].沈陽：東北大學(xué),2011.

［3］崔銘偉.旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固兩相流流場數(shù)值模擬[D].東營：中國石油大學(xué)（華東）,2009.

［4］胡礫元,時銘顯.蝸殼式旋風(fēng)分離器全空間三維時均流場的結(jié)構(gòu)[J].化工學(xué)報,2003,54(4):549-556.

［5］A.C.Hoffmann L. E.Stein.旋風(fēng)分離器——原理、設(shè)計和工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004:41-78;194-197.

［6］李永健,王建軍,金有海.入口擋板對旋風(fēng)分離器內(nèi)流動分布影響的試驗研究[J].當(dāng)代化工,2011,40(3)3:311-313.

［7］關(guān)宏軍,夏長斌,扈玉華,等.沉降器旋風(fēng)分離器料腿堵塞原因分析[J]. 當(dāng)代化工,2004,33(6):359-360.

［8］張濤.許立新,蘭毅軒. 灰斗對旋風(fēng)分離器氣相流場的影響[J].中國科技博覽,2013,21:383-384.

Structure Optimization of Cyclone Separators

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（China Petroleum Engineering Co., Ltd. Southwest Company, Sichuan Chengdu 610041，China）

Cyclone separators are widely used in petrochemical gas gathering and transportation. In this paper, based on the experience of chemical engineering, a lot of performance contrast experiments were carried out to optimize the cyclone separation efficiency. First of all, calibration of separation single pipe were carried out based on the size of the original design by repeated comparison experiments; Then optimization experiments of the single tube were carried out for ash hopper and four kinds of slotted structures for ash hopper to find optimal structure with advantages in separation efficiency and pressure drop. Experiment results show that KD structure is the best.

Cyclone separator; Separation efficiency; Pressure drop; Ash hopper

TQ 051

A

1671-0460（2014）06-1018-03

2014-02-26

李熹（1978-），男，四川成都人，工程師，2000畢業(yè)于四川輕化工學(xué)院腐蝕與防護專業(yè)，研究方向：油氣集輸、橇裝。E-mail：lixi@cnpc.com.cn。