董瑞倩+韓亞楠+劉云飛+王虎

摘 要 文章針對高溫高壓的條件對傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了圓柱形徑向插入、端面加導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的新型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)。由冷態(tài)模型下對超細(xì)滑石粉和FCC催化劑顆粒的分離效率-壓降對比試驗(yàn)結(jié)果表明，新型旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能優(yōu)良，雖然對超細(xì)粉料分離性能略有不足，但對大顆粒粉料的分離性能接近傳統(tǒng)直切入口旋風(fēng)分離器，可以滿足要求。并且數(shù)值流場模擬結(jié)果表明，分離器壓降與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

關(guān)鍵詞 旋風(fēng)分離器；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；分離性能；高溫高壓

中圖分類號：TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）17-0011-01

旋風(fēng)分離器由于其結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、成本低、效率高且阻力適中等優(yōu)點(diǎn)，已在全國石油催化裂化裝置中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器一般為切向矩形進(jìn)口的異形結(jié)構(gòu)，不能承受較高的壓力與溫度，使用的氣體操作壓力一般小于0.2 MPa。若將旋風(fēng)分離器推廣應(yīng)用于粉煤流化床氣化、石油化工等過程中更高壓力的氣體凈化處理，為保證分離器的設(shè)備強(qiáng)度，尚須對現(xiàn)有的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)再作一些修改，以適應(yīng)高溫、高壓工況對設(shè)備強(qiáng)度的要求。目前常用的處理方法是在角接處進(jìn)行局部加強(qiáng)，如采用加強(qiáng)筋保護(hù)角焊縫，然而這種角焊縫加強(qiáng)的效果難以進(jìn)行計(jì)算，工程上只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣，矩形入口結(jié)構(gòu)在高溫高壓條件下存在制造成本高，投資大的問題。對于催化反應(yīng)過程中所用旋風(fēng)分離器的性能與設(shè)計(jì)，國內(nèi)外許多研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，已趨成熟。但對煤氣化、煤燃燒所用高溫加壓旋風(fēng)分離器的運(yùn)行性能研究僅停留在常溫常壓理論和少數(shù)實(shí)驗(yàn)的水平。

1 新型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)特征

工業(yè)上常用的旋風(fēng)分離器一般為矩形切向入口，為了加強(qiáng)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)性能，本文提出了一種新型的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)。由圓形入口代替矩形入口，將入口切向進(jìn)氣改為徑向進(jìn)氣，并在端部設(shè)一導(dǎo)流板，具體為入口采用徑向圓柱形式，將入口圓柱形管路伸入筒體部分沿軸線豎直方向切去一半在端部設(shè)置一導(dǎo)流板，使進(jìn)入的含塵氣體沿旋風(fēng)分離器筒壁旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)氣固分離。

新型入口結(jié)構(gòu)的提出對旋風(fēng)分離器承壓能力的提高起到非常重要的作用。圓形入口結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形入口，避免了入口結(jié)構(gòu)的尖角，有效減少應(yīng)力集中的影響。入口位置由傳統(tǒng)的邊側(cè)移到筒體中部，沿徑向插入到筒體內(nèi)，這使整個筒體部分受力更平衡。在此考察不同入口形式對分離效果的影響，入口分為水平開放式（入口端部與導(dǎo)流板間沒有任何約束）、水平約束式（入口上下端部與導(dǎo)流板間附有平板約束氣流流向）和傾斜約束式（將水平約束式繞入口中心線旋轉(zhuǎn)10°）三種。

2 冷模試驗(yàn)及結(jié)果

旋風(fēng)分離器最重要的兩個參數(shù)為效率和壓降，為此，本文將新型入口旋風(fēng)分離器與傳統(tǒng)直切旋風(fēng)分離器進(jìn)行試驗(yàn)對比。兩種旋風(fēng)分離器主體尺寸相同，旋風(fēng)分離器的筒體均為Φ300 mm，進(jìn)氣口截面積均等于150×50 mm，排氣管與筒體直徑比為dr=0.4，排氣管插深都與入口下端平齊，錐體及灰斗采用統(tǒng)一尺寸結(jié)構(gòu)。本文在除入口結(jié)構(gòu)外所有尺寸都相同的條件下考察新型旋風(fēng)分離器入口對分離性能的影響。

試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，試驗(yàn)中一種粉料為800目滑石粉，密度為2700 kg/m3，中位粒徑D（50）=9.8 μm；另一種為FCC催化劑，密度為1247 kg/m3，中位粒徑D（50）=69 μm。試驗(yàn)裝置采用吸風(fēng)式負(fù)壓操作，流量用標(biāo)準(zhǔn)皮托管測量，風(fēng)量通過閥門調(diào)節(jié)，壓降用U型管壓差計(jì)測量，效率通過定量加塵、收塵及稱重的方法測定，電子磅稱的最小刻度為0.5 g，每次加料量為500 g，效率的試驗(yàn)誤差不超過0.1%，試驗(yàn)中分離器入口氣體含塵濃度保持不變，控制在10 g/m3。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在采用超細(xì)顆粒800目滑石粉作為試驗(yàn)物料的情況下，入口未加約束時，徑向插入旋風(fēng)分離器相比直切入口旋風(fēng)分離器的壓降要低，有利于降低能耗，但是效率也隨之降低，與直切式旋風(fēng)分離器相差5%左右，分離效果不夠理想，但是壓降大幅減小，節(jié)省了能耗；當(dāng)徑向插入旋風(fēng)分離器入口加約束時，其分離效率升高，壓降也有一定程度的增大，但分離效率仍和直切式旋風(fēng)分離器相差較大。因此入口的水平約束與傾斜約束對分離器分離性能的影響甚微，壓降和分離效率幾乎一致。

在采用較大顆粒FCC催化劑顆粒作為試驗(yàn)粉料的情況下，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)徑向插入結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器相比直切入口旋風(fēng)分離器在對大顆粒的FCC催化劑分離效率相差不到0.6%，但壓降卻能降低30%左右，故新型入口旋風(fēng)分離器對于大顆粒粉塵的分離能夠達(dá)到理想的要求，并能大幅度的降低能耗。

因此采用徑向插入的旋風(fēng)分離器，在對細(xì)顆粒的分離上雖不理想，但對大顆粒的分離卻與直切的旋風(fēng)分離器相差甚小，并且能較大幅度的降低能耗，故徑向插入的旋風(fēng)分離器在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加的情況下，對大顆粒分離的減阻上是可取的。

3 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果

目前隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和商用軟件的應(yīng)用普及，對強(qiáng)旋流動的模擬已經(jīng)達(dá)到一定的精度。本文對新型入口結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器和直切入口旋風(fēng)分離器采用FLUENT6.1計(jì)算流體力學(xué)軟件提供的RSM模型對三維氣相流場行了模擬，分析研究了不同入口對旋風(fēng)分離器整體流場及壓降的影響。

兩模型在網(wǎng)格劃分時采取了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法，兩個模型的網(wǎng)格數(shù)均為19萬個。采用雷諾應(yīng)力模型模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流流動，使用有限體積法建立離散方程，采用QUICK差分格式和SIMPLE算法求解控制方程，入口氣流為常溫狀態(tài)的空氣，入口速度按實(shí)驗(yàn)值給定，即Vi=20m/s。壁面邊界條件采用無滑移條件，出口設(shè)定為壓力出口。

根據(jù)模擬結(jié)果，旋風(fēng)分離器內(nèi)流場是復(fù)雜的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場。兩種分離器分離空間的切向速度分布的軸對稱性較好，由內(nèi)外兩層旋流組成，外部為準(zhǔn)自由渦，內(nèi)部為準(zhǔn)強(qiáng)制渦。在筒體及錐體段，兩種分離器內(nèi)外旋流分界位置基本相同，整體上看新型入口旋風(fēng)分離器比直切型旋風(fēng)分離器切向速度低，這也是新型旋風(fēng)分離器對細(xì)小顆粒捕捉能力差和壓降低的一個原因，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。軸向速度沿徑向存在一個方向的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，其速度值為0，將分離空間的軸向速度總體上都可分為外部下行流區(qū)和中心上行流區(qū)。因此模擬結(jié)果表明，兩種旋風(fēng)分離器壓降模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，新型入口旋風(fēng)分離器壓降小更為節(jié)能。

4 結(jié)論

新型旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)的提出是對高溫高壓旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)改進(jìn)的嘗試，該新型旋風(fēng)分離器的圓形入口沒有直角，能有效地減少矩形入口帶來的應(yīng)力集中；入口由傳統(tǒng)的邊側(cè)移到了筒體的中部，這樣使筒體在承受壓力的時候受到的應(yīng)力更加均勻；新型旋風(fēng)分離器在對FCC催化劑為代表的大顆粒粉塵的分離試驗(yàn)中收到了良好的效果，在大幅降低壓降的同時，效率與傳統(tǒng)直切入口旋風(fēng)結(jié)構(gòu)差不到0.6%，滿足了高溫煤氣化等工藝的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]孫國剛，李雙權(quán)，楊淑霞，等.高溫高壓旋風(fēng)分離器的性能及其應(yīng)用[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006：98-101.endprint

摘 要 文章針對高溫高壓的條件對傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了圓柱形徑向插入、端面加導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的新型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)。由冷態(tài)模型下對超細(xì)滑石粉和FCC催化劑顆粒的分離效率-壓降對比試驗(yàn)結(jié)果表明，新型旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能優(yōu)良，雖然對超細(xì)粉料分離性能略有不足，但對大顆粒粉料的分離性能接近傳統(tǒng)直切入口旋風(fēng)分離器，可以滿足要求。并且數(shù)值流場模擬結(jié)果表明，分離器壓降與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

關(guān)鍵詞 旋風(fēng)分離器；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；分離性能；高溫高壓

中圖分類號：TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）17-0011-01

旋風(fēng)分離器由于其結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、成本低、效率高且阻力適中等優(yōu)點(diǎn)，已在全國石油催化裂化裝置中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器一般為切向矩形進(jìn)口的異形結(jié)構(gòu)，不能承受較高的壓力與溫度，使用的氣體操作壓力一般小于0.2 MPa。若將旋風(fēng)分離器推廣應(yīng)用于粉煤流化床氣化、石油化工等過程中更高壓力的氣體凈化處理，為保證分離器的設(shè)備強(qiáng)度，尚須對現(xiàn)有的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)再作一些修改，以適應(yīng)高溫、高壓工況對設(shè)備強(qiáng)度的要求。目前常用的處理方法是在角接處進(jìn)行局部加強(qiáng)，如采用加強(qiáng)筋保護(hù)角焊縫，然而這種角焊縫加強(qiáng)的效果難以進(jìn)行計(jì)算，工程上只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣，矩形入口結(jié)構(gòu)在高溫高壓條件下存在制造成本高，投資大的問題。對于催化反應(yīng)過程中所用旋風(fēng)分離器的性能與設(shè)計(jì)，國內(nèi)外許多研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，已趨成熟。但對煤氣化、煤燃燒所用高溫加壓旋風(fēng)分離器的運(yùn)行性能研究僅停留在常溫常壓理論和少數(shù)實(shí)驗(yàn)的水平。

1 新型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)特征

工業(yè)上常用的旋風(fēng)分離器一般為矩形切向入口，為了加強(qiáng)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)性能，本文提出了一種新型的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)。由圓形入口代替矩形入口，將入口切向進(jìn)氣改為徑向進(jìn)氣，并在端部設(shè)一導(dǎo)流板，具體為入口采用徑向圓柱形式，將入口圓柱形管路伸入筒體部分沿軸線豎直方向切去一半在端部設(shè)置一導(dǎo)流板，使進(jìn)入的含塵氣體沿旋風(fēng)分離器筒壁旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)氣固分離。

新型入口結(jié)構(gòu)的提出對旋風(fēng)分離器承壓能力的提高起到非常重要的作用。圓形入口結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形入口，避免了入口結(jié)構(gòu)的尖角，有效減少應(yīng)力集中的影響。入口位置由傳統(tǒng)的邊側(cè)移到筒體中部，沿徑向插入到筒體內(nèi)，這使整個筒體部分受力更平衡。在此考察不同入口形式對分離效果的影響，入口分為水平開放式（入口端部與導(dǎo)流板間沒有任何約束）、水平約束式（入口上下端部與導(dǎo)流板間附有平板約束氣流流向）和傾斜約束式（將水平約束式繞入口中心線旋轉(zhuǎn)10°）三種。

2 冷模試驗(yàn)及結(jié)果

旋風(fēng)分離器最重要的兩個參數(shù)為效率和壓降，為此，本文將新型入口旋風(fēng)分離器與傳統(tǒng)直切旋風(fēng)分離器進(jìn)行試驗(yàn)對比。兩種旋風(fēng)分離器主體尺寸相同，旋風(fēng)分離器的筒體均為Φ300 mm，進(jìn)氣口截面積均等于150×50 mm，排氣管與筒體直徑比為dr=0.4，排氣管插深都與入口下端平齊，錐體及灰斗采用統(tǒng)一尺寸結(jié)構(gòu)。本文在除入口結(jié)構(gòu)外所有尺寸都相同的條件下考察新型旋風(fēng)分離器入口對分離性能的影響。

試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，試驗(yàn)中一種粉料為800目滑石粉，密度為2700 kg/m3，中位粒徑D（50）=9.8 μm；另一種為FCC催化劑，密度為1247 kg/m3，中位粒徑D（50）=69 μm。試驗(yàn)裝置采用吸風(fēng)式負(fù)壓操作，流量用標(biāo)準(zhǔn)皮托管測量，風(fēng)量通過閥門調(diào)節(jié)，壓降用U型管壓差計(jì)測量，效率通過定量加塵、收塵及稱重的方法測定，電子磅稱的最小刻度為0.5 g，每次加料量為500 g，效率的試驗(yàn)誤差不超過0.1%，試驗(yàn)中分離器入口氣體含塵濃度保持不變，控制在10 g/m3。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在采用超細(xì)顆粒800目滑石粉作為試驗(yàn)物料的情況下，入口未加約束時，徑向插入旋風(fēng)分離器相比直切入口旋風(fēng)分離器的壓降要低，有利于降低能耗，但是效率也隨之降低，與直切式旋風(fēng)分離器相差5%左右，分離效果不夠理想，但是壓降大幅減小，節(jié)省了能耗；當(dāng)徑向插入旋風(fēng)分離器入口加約束時，其分離效率升高，壓降也有一定程度的增大，但分離效率仍和直切式旋風(fēng)分離器相差較大。因此入口的水平約束與傾斜約束對分離器分離性能的影響甚微，壓降和分離效率幾乎一致。

在采用較大顆粒FCC催化劑顆粒作為試驗(yàn)粉料的情況下，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)徑向插入結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器相比直切入口旋風(fēng)分離器在對大顆粒的FCC催化劑分離效率相差不到0.6%，但壓降卻能降低30%左右，故新型入口旋風(fēng)分離器對于大顆粒粉塵的分離能夠達(dá)到理想的要求，并能大幅度的降低能耗。

因此采用徑向插入的旋風(fēng)分離器，在對細(xì)顆粒的分離上雖不理想，但對大顆粒的分離卻與直切的旋風(fēng)分離器相差甚小，并且能較大幅度的降低能耗，故徑向插入的旋風(fēng)分離器在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加的情況下，對大顆粒分離的減阻上是可取的。

3 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果

目前隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和商用軟件的應(yīng)用普及，對強(qiáng)旋流動的模擬已經(jīng)達(dá)到一定的精度。本文對新型入口結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器和直切入口旋風(fēng)分離器采用FLUENT6.1計(jì)算流體力學(xué)軟件提供的RSM模型對三維氣相流場行了模擬，分析研究了不同入口對旋風(fēng)分離器整體流場及壓降的影響。

兩模型在網(wǎng)格劃分時采取了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法，兩個模型的網(wǎng)格數(shù)均為19萬個。采用雷諾應(yīng)力模型模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流流動，使用有限體積法建立離散方程，采用QUICK差分格式和SIMPLE算法求解控制方程，入口氣流為常溫狀態(tài)的空氣，入口速度按實(shí)驗(yàn)值給定，即Vi=20m/s。壁面邊界條件采用無滑移條件，出口設(shè)定為壓力出口。

根據(jù)模擬結(jié)果，旋風(fēng)分離器內(nèi)流場是復(fù)雜的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場。兩種分離器分離空間的切向速度分布的軸對稱性較好，由內(nèi)外兩層旋流組成，外部為準(zhǔn)自由渦，內(nèi)部為準(zhǔn)強(qiáng)制渦。在筒體及錐體段，兩種分離器內(nèi)外旋流分界位置基本相同，整體上看新型入口旋風(fēng)分離器比直切型旋風(fēng)分離器切向速度低，這也是新型旋風(fēng)分離器對細(xì)小顆粒捕捉能力差和壓降低的一個原因，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。軸向速度沿徑向存在一個方向的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，其速度值為0，將分離空間的軸向速度總體上都可分為外部下行流區(qū)和中心上行流區(qū)。因此模擬結(jié)果表明，兩種旋風(fēng)分離器壓降模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，新型入口旋風(fēng)分離器壓降小更為節(jié)能。

4 結(jié)論

新型旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)的提出是對高溫高壓旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)改進(jìn)的嘗試，該新型旋風(fēng)分離器的圓形入口沒有直角，能有效地減少矩形入口帶來的應(yīng)力集中；入口由傳統(tǒng)的邊側(cè)移到了筒體的中部，這樣使筒體在承受壓力的時候受到的應(yīng)力更加均勻；新型旋風(fēng)分離器在對FCC催化劑為代表的大顆粒粉塵的分離試驗(yàn)中收到了良好的效果，在大幅降低壓降的同時，效率與傳統(tǒng)直切入口旋風(fēng)結(jié)構(gòu)差不到0.6%，滿足了高溫煤氣化等工藝的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]孫國剛，李雙權(quán)，楊淑霞，等.高溫高壓旋風(fēng)分離器的性能及其應(yīng)用[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006：98-101.endprint

摘 要 文章針對高溫高壓的條件對傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了圓柱形徑向插入、端面加導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的新型旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)。由冷態(tài)模型下對超細(xì)滑石粉和FCC催化劑顆粒的分離效率-壓降對比試驗(yàn)結(jié)果表明，新型旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能優(yōu)良，雖然對超細(xì)粉料分離性能略有不足，但對大顆粒粉料的分離性能接近傳統(tǒng)直切入口旋風(fēng)分離器，可以滿足要求。并且數(shù)值流場模擬結(jié)果表明，分離器壓降與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

關(guān)鍵詞 旋風(fēng)分離器；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；分離性能；高溫高壓

中圖分類號：TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）17-0011-01

旋風(fēng)分離器由于其結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、成本低、效率高且阻力適中等優(yōu)點(diǎn)，已在全國石油催化裂化裝置中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器一般為切向矩形進(jìn)口的異形結(jié)構(gòu)，不能承受較高的壓力與溫度，使用的氣體操作壓力一般小于0.2 MPa。若將旋風(fēng)分離器推廣應(yīng)用于粉煤流化床氣化、石油化工等過程中更高壓力的氣體凈化處理，為保證分離器的設(shè)備強(qiáng)度，尚須對現(xiàn)有的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)再作一些修改，以適應(yīng)高溫、高壓工況對設(shè)備強(qiáng)度的要求。目前常用的處理方法是在角接處進(jìn)行局部加強(qiáng)，如采用加強(qiáng)筋保護(hù)角焊縫，然而這種角焊縫加強(qiáng)的效果難以進(jìn)行計(jì)算，工程上只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣，矩形入口結(jié)構(gòu)在高溫高壓條件下存在制造成本高，投資大的問題。對于催化反應(yīng)過程中所用旋風(fēng)分離器的性能與設(shè)計(jì)，國內(nèi)外許多研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，已趨成熟。但對煤氣化、煤燃燒所用高溫加壓旋風(fēng)分離器的運(yùn)行性能研究僅停留在常溫常壓理論和少數(shù)實(shí)驗(yàn)的水平。

1 新型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)特征

工業(yè)上常用的旋風(fēng)分離器一般為矩形切向入口，為了加強(qiáng)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)性能，本文提出了一種新型的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)。由圓形入口代替矩形入口，將入口切向進(jìn)氣改為徑向進(jìn)氣，并在端部設(shè)一導(dǎo)流板，具體為入口采用徑向圓柱形式，將入口圓柱形管路伸入筒體部分沿軸線豎直方向切去一半在端部設(shè)置一導(dǎo)流板，使進(jìn)入的含塵氣體沿旋風(fēng)分離器筒壁旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)氣固分離。

新型入口結(jié)構(gòu)的提出對旋風(fēng)分離器承壓能力的提高起到非常重要的作用。圓形入口結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形入口，避免了入口結(jié)構(gòu)的尖角，有效減少應(yīng)力集中的影響。入口位置由傳統(tǒng)的邊側(cè)移到筒體中部，沿徑向插入到筒體內(nèi)，這使整個筒體部分受力更平衡。在此考察不同入口形式對分離效果的影響，入口分為水平開放式（入口端部與導(dǎo)流板間沒有任何約束）、水平約束式（入口上下端部與導(dǎo)流板間附有平板約束氣流流向）和傾斜約束式（將水平約束式繞入口中心線旋轉(zhuǎn)10°）三種。

2 冷模試驗(yàn)及結(jié)果

旋風(fēng)分離器最重要的兩個參數(shù)為效率和壓降，為此，本文將新型入口旋風(fēng)分離器與傳統(tǒng)直切旋風(fēng)分離器進(jìn)行試驗(yàn)對比。兩種旋風(fēng)分離器主體尺寸相同，旋風(fēng)分離器的筒體均為Φ300 mm，進(jìn)氣口截面積均等于150×50 mm，排氣管與筒體直徑比為dr=0.4，排氣管插深都與入口下端平齊，錐體及灰斗采用統(tǒng)一尺寸結(jié)構(gòu)。本文在除入口結(jié)構(gòu)外所有尺寸都相同的條件下考察新型旋風(fēng)分離器入口對分離性能的影響。

試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，試驗(yàn)中一種粉料為800目滑石粉，密度為2700 kg/m3，中位粒徑D（50）=9.8 μm；另一種為FCC催化劑，密度為1247 kg/m3，中位粒徑D（50）=69 μm。試驗(yàn)裝置采用吸風(fēng)式負(fù)壓操作，流量用標(biāo)準(zhǔn)皮托管測量，風(fēng)量通過閥門調(diào)節(jié)，壓降用U型管壓差計(jì)測量，效率通過定量加塵、收塵及稱重的方法測定，電子磅稱的最小刻度為0.5 g，每次加料量為500 g，效率的試驗(yàn)誤差不超過0.1%，試驗(yàn)中分離器入口氣體含塵濃度保持不變，控制在10 g/m3。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在采用超細(xì)顆粒800目滑石粉作為試驗(yàn)物料的情況下，入口未加約束時，徑向插入旋風(fēng)分離器相比直切入口旋風(fēng)分離器的壓降要低，有利于降低能耗，但是效率也隨之降低，與直切式旋風(fēng)分離器相差5%左右，分離效果不夠理想，但是壓降大幅減小，節(jié)省了能耗；當(dāng)徑向插入旋風(fēng)分離器入口加約束時，其分離效率升高，壓降也有一定程度的增大，但分離效率仍和直切式旋風(fēng)分離器相差較大。因此入口的水平約束與傾斜約束對分離器分離性能的影響甚微，壓降和分離效率幾乎一致。

在采用較大顆粒FCC催化劑顆粒作為試驗(yàn)粉料的情況下，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)徑向插入結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器相比直切入口旋風(fēng)分離器在對大顆粒的FCC催化劑分離效率相差不到0.6%，但壓降卻能降低30%左右，故新型入口旋風(fēng)分離器對于大顆粒粉塵的分離能夠達(dá)到理想的要求，并能大幅度的降低能耗。

因此采用徑向插入的旋風(fēng)分離器，在對細(xì)顆粒的分離上雖不理想，但對大顆粒的分離卻與直切的旋風(fēng)分離器相差甚小，并且能較大幅度的降低能耗，故徑向插入的旋風(fēng)分離器在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加的情況下，對大顆粒分離的減阻上是可取的。

3 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果

目前隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和商用軟件的應(yīng)用普及，對強(qiáng)旋流動的模擬已經(jīng)達(dá)到一定的精度。本文對新型入口結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器和直切入口旋風(fēng)分離器采用FLUENT6.1計(jì)算流體力學(xué)軟件提供的RSM模型對三維氣相流場行了模擬，分析研究了不同入口對旋風(fēng)分離器整體流場及壓降的影響。

兩模型在網(wǎng)格劃分時采取了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法，兩個模型的網(wǎng)格數(shù)均為19萬個。采用雷諾應(yīng)力模型模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流流動，使用有限體積法建立離散方程，采用QUICK差分格式和SIMPLE算法求解控制方程，入口氣流為常溫狀態(tài)的空氣，入口速度按實(shí)驗(yàn)值給定，即Vi=20m/s。壁面邊界條件采用無滑移條件，出口設(shè)定為壓力出口。

根據(jù)模擬結(jié)果，旋風(fēng)分離器內(nèi)流場是復(fù)雜的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場。兩種分離器分離空間的切向速度分布的軸對稱性較好，由內(nèi)外兩層旋流組成，外部為準(zhǔn)自由渦，內(nèi)部為準(zhǔn)強(qiáng)制渦。在筒體及錐體段，兩種分離器內(nèi)外旋流分界位置基本相同，整體上看新型入口旋風(fēng)分離器比直切型旋風(fēng)分離器切向速度低，這也是新型旋風(fēng)分離器對細(xì)小顆粒捕捉能力差和壓降低的一個原因，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。軸向速度沿徑向存在一個方向的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，其速度值為0，將分離空間的軸向速度總體上都可分為外部下行流區(qū)和中心上行流區(qū)。因此模擬結(jié)果表明，兩種旋風(fēng)分離器壓降模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，新型入口旋風(fēng)分離器壓降小更為節(jié)能。

4 結(jié)論

新型旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)的提出是對高溫高壓旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)改進(jìn)的嘗試，該新型旋風(fēng)分離器的圓形入口沒有直角，能有效地減少矩形入口帶來的應(yīng)力集中；入口由傳統(tǒng)的邊側(cè)移到了筒體的中部，這樣使筒體在承受壓力的時候受到的應(yīng)力更加均勻；新型旋風(fēng)分離器在對FCC催化劑為代表的大顆粒粉塵的分離試驗(yàn)中收到了良好的效果，在大幅降低壓降的同時，效率與傳統(tǒng)直切入口旋風(fēng)結(jié)構(gòu)差不到0.6%，滿足了高溫煤氣化等工藝的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]孫國剛，李雙權(quán)，楊淑霞，等.高溫高壓旋風(fēng)分離器的性能及其應(yīng)用[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006：98-101.endprint