高光才 孫茂生 王建軍 金有海

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

旋風(fēng)分離器是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種利用離心力進(jìn)行氣固分離的除塵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本身無(wú)活動(dòng)部件，因此操作、維修極為方便。同時(shí)，旋風(fēng)分離器還具有分離效率高及對(duì)粉塵、負(fù)荷的適應(yīng)性好等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于石油化工催化裂化、天然氣凈化分離、流化反應(yīng)過(guò)程及煤粉燃燒、氣化等行業(yè)中，尤其是在石油化工領(lǐng)域，旋風(fēng)分離器是煉油廠(chǎng)催化裂化裝置和海上平臺(tái)天然氣凈化分離的關(guān)鍵設(shè)備之一[1,2]。

以往的分離研究多集中在氣固、氣液兩相分離，包括分離器內(nèi)的流場(chǎng)分析[3,4]及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)分離性能的影響[5,6]等，而在實(shí)際的工程工藝中(如天然氣凈化)一般是氣固液三相同時(shí)存在的情況[7]，固、液同時(shí)作為非連續(xù)相會(huì)對(duì)單獨(dú)的固、液分離效率帶來(lái)影響，因而有必要研究氣固液三相的分離性能。筆者采用實(shí)驗(yàn)的方法，在氣固分離和氣液分離實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行氣固液三相分離實(shí)驗(yàn)，探索氣固液三相同時(shí)存在時(shí)固、液的分離效率和整體的分離效率，研究在氣固、氣液兩相的情況下固、液分離效率的變化情況，為以后多相分離的性能研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)裝置主要包括引風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管道、分離器本體及測(cè)量裝置等(圖1)。旋風(fēng)管單體結(jié)構(gòu)尺寸、型式與工業(yè)應(yīng)用實(shí)型相同，內(nèi)徑D為100mm，由有機(jī)玻璃制成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本實(shí)驗(yàn)采用負(fù)壓引風(fēng)式操作，用離心式引風(fēng)機(jī)作為引風(fēng)動(dòng)力來(lái)源。管路的流量由畢托管進(jìn)行測(cè)量，溫度計(jì)測(cè)量氣體溫度，壓降由U形管壓差計(jì)測(cè)量。氣液分離性能實(shí)驗(yàn)采用空氣和水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)口處由噴壺產(chǎn)生液滴噴入；氣固實(shí)驗(yàn)采用空氣和滑石粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)量進(jìn)入分離器內(nèi)部的物料、分離器下部集料室內(nèi)的物料，計(jì)算分離效率和進(jìn)行物料衡算。對(duì)于液體進(jìn)料需進(jìn)行氯離子滴定。同時(shí)采用winner318激光粒度分析儀和庫(kù)爾特激光粒度儀對(duì)進(jìn)料和收料進(jìn)行粒徑測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1氣固分離

以滑石粉作為進(jìn)料，中位粒徑為9.89μm，流量分別為68.95、153.27、201.14m3/h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出：入口氣體流量在68.95～201.14m3/h區(qū)間變化時(shí)，氣固分離效率隨入口流量的增大而增大。入口氣體流量越大，氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器的速度越大，從而使顆粒受到的離心力越大，更容易被分離。由此可知該設(shè)備的分離效率最大值會(huì)在最大入口流量處，但并不是入口流量越大越好，因?yàn)槿肟诹髁窟^(guò)大時(shí)，顆粒與分離器器壁、顆粒與顆粒之間的碰撞加劇，較大的顆粒在強(qiáng)烈地碰撞下粉碎，造成細(xì)粉塵的含量增加，不利于分離。

圖2 氣固分離實(shí)驗(yàn)的分離效率曲線(xiàn)

入口濃度為1.0g/m3時(shí)，通過(guò)對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)口物料和灰斗收料進(jìn)行粒徑測(cè)量，計(jì)算粒級(jí)效率，得到顆粒粒徑與粒級(jí)效率的關(guān)系曲線(xiàn)(圖3)。從圖3可以看出：隨流量從68.95m3/h增加到201.14m3/h，粒級(jí)效率達(dá)到100%時(shí)所對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑越小，分離效果越好，這說(shuō)明其對(duì)應(yīng)的分離效率也越高。

圖3 不同流量下顆粒粒徑與粒級(jí)效率關(guān)系曲線(xiàn)

圖4所示為流量為201.14m3/h時(shí)，不同進(jìn)料濃度的粒級(jí)效率曲線(xiàn)。當(dāng)進(jìn)料濃度為1.0g/m3時(shí)，粒級(jí)效率達(dá)到100%所對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑最小，為12.99μm。

圖4 不同進(jìn)料濃度的粒級(jí)效率曲線(xiàn)

粒級(jí)效率之所以呈現(xiàn)圖4中所示曲線(xiàn)，一方面是由于較大顆粒受到的離心力較大，更容易被甩到邊壁上從而被分離下來(lái)；另一方面大顆粒向器壁移動(dòng)產(chǎn)生的空氣曳力，也會(huì)將較小的顆粒夾帶至器壁，并且較小的顆粒容易團(tuán)聚成大顆粒，使小顆粒的分離效率也較高。

2.2氣液分離

采用噴壺將NaCl水溶液噴入，其中位粒徑為22.48μm。分離效率在不同流量和進(jìn)料濃度條件下的變化如圖5所示。從圖5可以看出：入口氣體流量在57.30～73.40m3/h區(qū)間變化時(shí)，分離效率隨入口流量的增大而增大；當(dāng)入口氣體流量從73.40m3/h增大到87.80m3/h時(shí)，分離效率隨入口流量的增加呈下降趨勢(shì)。

圖5 不同流量和進(jìn)料濃度下的分離效率曲線(xiàn)

分離效率隨入口氣體流量的增加而增加，但是隨著入口流量的繼續(xù)增加，流量變化對(duì)分離效率的影響越來(lái)越小，分離效率呈平緩變化甚至呈下降趨勢(shì)。這是由于隨著入口氣量由小變大，顆粒受到的離心力和氣流湍動(dòng)使顆粒相互碰撞的阻力先后占據(jù)主導(dǎo)作用?？梢?jiàn)，若為了追求高效而一味加大入口氣體流量是得不償失的。

2.3氣固液三相分離

在氣固液三相分離實(shí)驗(yàn)中，氣體為連續(xù)相，固、液為非連續(xù)相，固相采用滑石粉，液相采用NaCl水合物，入口流量取79.66、90.72、99.91、119.27m3/h，固相入口濃度取0.8、1.0、1.2、1.5、2.0g/m3。

圖6所示為入口流量為79.66、90.72、99.91m3/h，固相入口濃度為1.0g/m3，液相入口濃度為100.0g/m3時(shí)，氣液兩相和氣固液三相中液相分離效率的對(duì)比曲線(xiàn)。由圖6可知，隨入口流量的增加，氣液兩相中和氣固液三相中液體效率都是逐漸減小的，但氣固液三相中液相分離效率高于氣液兩相中液相分離效率，分離效率可提高1%左右。

圖6 液相分離效率對(duì)比曲線(xiàn)

圖7為入口流量分別取79.66、90.72、99.91、119.27m3/h，固相入口濃度取1.0g/m3，液相入口濃度取100.0g/m3時(shí)，氣液兩相和氣固液三相中固相分離效率對(duì)比曲線(xiàn)。由圖7可知，隨入口流量從68.95m3/h增大到201.00m3/h，氣固兩相中固相分離效率呈逐漸增加的趨勢(shì)；氣固液三相中入口流量在79.66～99.91m3/h時(shí)，固相分離效率先增大后減小，并且均高于氣固兩相中固相分離效率，可提高5%左右。

圖7 固相分離效率對(duì)比曲線(xiàn)

圖8為入口流量分別取79.66、90.72、99.91、119.27m3/h，固相入口濃度取1.0g/m3，液相入口濃度取100.0g/m3時(shí)氣固液三相中液固總分離效率曲線(xiàn)。由圖8可知，隨入口流量的增大，液固總效率逐漸降低，和氣液兩相中液相分離效率的變化趨勢(shì)相同。

圖8 分離總效率與入口流量的關(guān)系曲線(xiàn)

圖9為流量80.31m3/h、液相濃度100.0g/m3、固相入口濃度取0.8、1.0、1.2、1.5、2.0g/m3時(shí)固相分離效率與固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖9可知，固相進(jìn)料濃度為0.8、1.0、1.2g/m3時(shí)，隨進(jìn)料濃度的增加，固相分離效率逐漸減??；固相進(jìn)料濃度為1.2、1.5、2.0g/m3時(shí)，隨進(jìn)料濃度的增加固相分離效率逐漸增加。

圖9 固相分離效率與固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖10所示為流量取80.31m3/h、液相濃度100.0g/m3、固相入口濃度取0.8、1.0、1.2、1.5、2.0g/m3時(shí)液相分離效率和固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖10可知，在此流量和進(jìn)料濃度的條件下，液相分離效率基本大于99%，受固相入口濃度的影響不明顯。

圖10 液相分離效率與固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖11所示為流量為80.31m3/h、液相濃度為100.0g/m3，固相入口濃度為0.8、1.0、1.2、1.5、2.0g/m3時(shí)氣固液三相中液固總分離效率和固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖11可知，在此流量和進(jìn)料濃度的條件下，液固總分離效率基本大于99%，表明這種分離器具有較高的多相分離效率。

圖11 液固總效率與固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線(xiàn)

從圖6～11可知，氣固液三相中液相和固相分離效率比單獨(dú)的氣固、氣液兩相中液相和固相分離效率有所增加。這主要是由于固液混合后進(jìn)料時(shí)，進(jìn)料顆粒粒徑變大，所受的離心力變大，更容易被甩到器壁分離下來(lái)。此外，在入口流量80.31m3/h時(shí)，液相分離效率受固相進(jìn)料濃度的影響不大，固相分離效率受固相進(jìn)料濃度的影響較大。

3 結(jié)論

3.1PSC-100型旋風(fēng)單管在氣固液三相分離實(shí)驗(yàn)中，液相和固相分離效率比單獨(dú)的氣固、氣液兩相中液相和固相分離效率分別增加1%、5%左右，即三相分離的性能均優(yōu)于兩相分離。

3.2PSC-100型旋風(fēng)單管在氣固液三相分離實(shí)驗(yàn)中，液相分離效率受固相進(jìn)料濃度的影響不大，固相分離效率受固相進(jìn)料濃度的影響較大。

3.3PSC-100型旋風(fēng)單管在氣液分離實(shí)驗(yàn)中，分離效率隨入口氣體流量的增加呈先增加后減小趨勢(shì)，其極大值為99.6%，具有較高的氣液分離性能。

[1] 岑可法.氣固分離理論及技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1999:318～320.

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