黃世平，鄂承林，王子健，盧春喜

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）重油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

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環(huán)流預(yù)汽提組合旋流快分系統(tǒng)粒級(jí)效率的三區(qū)計(jì)算模型

黃世平，鄂承林，王子健，盧春喜

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）重油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

在大型提升管冷模實(shí)驗(yàn)裝置上，系統(tǒng)地考查了帶有環(huán)流預(yù)汽提的旋流快分（CVQS）系統(tǒng)的氣相流場(chǎng)和粒級(jí)效率。結(jié)果表明，隨著旋流快分系統(tǒng)噴出口氣速的增加，粒徑小于7 μm顆粒的粒級(jí)效率的變化較小，7～20 μm顆粒的粒級(jí)效率逐漸變小，而超過(guò)20 μm顆粒的粒級(jí)效率則逐漸增大。根據(jù)CVQS快分系統(tǒng)的氣固分離原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了計(jì)算CVQS系統(tǒng)粒級(jí)效率的三區(qū)模型。計(jì)算結(jié)果表明，在顆粒粒徑大于20 μm時(shí)，模型預(yù)測(cè)的粒級(jí)效率與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，其最大相對(duì)偏差不超過(guò)6.1%；在顆粒粒徑小于20 μm時(shí)，模型計(jì)算的粒級(jí)效率與實(shí)驗(yàn)值相差較大，其相對(duì)偏差在45.7%～80.3%之間變化，并且隨著顆粒粒徑的減小，其相對(duì)偏差逐漸增加。模型對(duì)于主要用于分離20 μm以上顆粒的CVQS系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，具有重要參考價(jià)值。

新型旋流快分；環(huán)流預(yù)汽提器；分級(jí)效率；模型；粒度分布；流態(tài)化

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157. 20151464

引　言

提升管反應(yīng)器是催化裂化的核心裝置，近年來(lái)隨著加工原料的重質(zhì)化，沉降器內(nèi)發(fā)生無(wú)選擇性二次熱裂化反應(yīng)的概率增加，導(dǎo)致目的產(chǎn)品收率降低、沉降器內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重。這就要求開(kāi)發(fā)出更加先進(jìn)的提升管出口催化劑與反應(yīng)油氣的快速分離設(shè)備，以達(dá)到將油劑快速分離、油氣快速引出以及分離的催化劑快速預(yù)汽提——“三快”［1］的目的。

關(guān)于提升管末端快分技術(shù)的開(kāi)發(fā)，國(guó)外比較先進(jìn)的技術(shù)有Mobil公司開(kāi)發(fā)的閉式直聯(lián)系統(tǒng)［2］，UOP公司開(kāi)發(fā)的VDS系統(tǒng)［3］以及VSS系統(tǒng)［4-5］。國(guó)內(nèi)主要是中國(guó)石油大學(xué)（北京）開(kāi)發(fā)的CSC［6-7］、FSC［8］、VQS［9］等技術(shù)。孫鳳俠等［10-14］研究發(fā)現(xiàn)，VQS旋流快分噴出口處產(chǎn)生部分上行短路流，致使部分從快分頭噴出的催化劑直接被上行短路流吹走而降低分離效率。為此，提出了加設(shè)隔流筒和環(huán)形蓋板的SVQS旋流快分結(jié)構(gòu)，消除了上行短路流。旋流快分下部的預(yù)汽提段是為了對(duì)快分分離的催化劑顆粒進(jìn)行預(yù)汽提，以回收其所夾帶的油氣，同時(shí)減輕沉降器內(nèi)的結(jié)焦。傳統(tǒng)的人形擋板或盤(pán)環(huán)形擋板汽提技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造及檢修困難，并且存在部分流化死區(qū)，增加了可結(jié)焦的區(qū)域。盧春喜等［15-16］借鑒液固環(huán)流原理，開(kāi)發(fā)了氣固密相環(huán)流預(yù)汽提技術(shù)。張永民等［17］的研究表明，環(huán)流預(yù)汽提器具有更高的汽提效率，與空筒結(jié)構(gòu)和盤(pán)環(huán)形擋板結(jié)構(gòu)相比，最多可分別減少 82%和48%的可汽提焦炭量。

在分離效率計(jì)算模型方面，盧春喜等［18］根據(jù)提升管出口超短快分系統(tǒng)的氣固分離原理，在考慮了慣性分離和排氣管結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒的補(bǔ)集作用基礎(chǔ)上，建立了計(jì)算SSQS系統(tǒng)總分離效率的橫混模型。模型需要符合“在內(nèi)部湍流區(qū)，顆粒均勻分布在任意一個(gè)約定的φ角橫斷面上”，否則需要考慮顆粒入口濃度的影響，經(jīng)過(guò)修正后，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合相對(duì)較好。曹占友［19］從氣固兩相流的基本理論出發(fā)，根據(jù)測(cè)定的旋流快分系統(tǒng)的氣相流場(chǎng)，建立了旋流快分總分離效率的計(jì)算模型。該模型采用的是單顆粒動(dòng)力學(xué)模型，未考慮固體顆粒的相互碰撞、夾帶、團(tuán)聚和擴(kuò)散的影響。模型認(rèn)為粒徑分布對(duì)分離效率有一定影響，起主要影響作用的是24 μm以下的細(xì)粉含量。旋流快分的總效率在99%以上時(shí)，模型計(jì)算的相對(duì)誤差較小。陳建義等［20］根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的旋風(fēng)分離器的氣相流場(chǎng)及顆粒相濃度場(chǎng)，考慮了分離器內(nèi)的短路流、顆粒間的相互作用以及細(xì)粉返混等對(duì)分離性能的影響，建立了旋風(fēng)分離器分級(jí)效率的多區(qū)計(jì)算模型。在入口顆粒濃度較低時(shí)，模型計(jì)算的PV型旋風(fēng)分離器的分級(jí)效率與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差較小。

目前對(duì)旋風(fēng)分離器的研究有很多，而關(guān)于提升管末端旋流快分的研究卻還相對(duì)較少，且已有的相關(guān)研究主要針對(duì)旋流快分的總分離效率方面，而對(duì)旋流快分系統(tǒng)粒級(jí)效率方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。為此，本文在一套由新型旋流快分與密相環(huán)流預(yù)汽提相耦合的大型冷模裝置上，根據(jù)測(cè)定的其內(nèi)部氣相流場(chǎng)及顆粒粒級(jí)效率，針對(duì)提升管出口旋流快分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在前人建立的旋風(fēng)分離器粒級(jí)效率計(jì)算模型基礎(chǔ)上，建立了計(jì)算提升管出口旋流快分系統(tǒng)（CVQS）粒級(jí)效率的三區(qū)計(jì)算模型，以供工程設(shè)計(jì)參考。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置及流程

大型冷模實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置主要由提升管、快分段、預(yù)汽提段及汽提段等組成，其高度分別為：13.7 m、4.0 m、1.7 m、1.3 m，提升管的內(nèi)徑為100 mm，快分段、預(yù)汽提段及汽提段的內(nèi)徑均為572 mm?？旆侄?、預(yù)汽提段及汽提段為有機(jī)玻璃制造，其余部分采用不銹鋼制造。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為FCC平衡劑，其粒度分布采用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的MS2000激光粒度分析儀測(cè)量，其粒度分布和主要物性參數(shù)分別如圖2和表1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Schematic diagram of experimental apparatus1— air blower； 2— surge tank； 3— air rot meter； 4，10—butterfly valve；5— pre-lift section； 6—regenerated inclined tube； 7，15—solid flow meter；8—riser； 9—spent inclined tube； 11—stripping section； 12—circulating pre-stripping section； 13—separation segment； 14—supper vortex quick separator； 16，17— cyclone； 18—regenerator

圖2　FCC平衡劑的粒度分布Fig.2　Particle size distribution curve of FCC equilibrium catalyst

表1　RFCC平衡催化劑物性參數(shù)Table 1　Properties of FCC equilibrium catalyst particles

實(shí)驗(yàn)中，再生器內(nèi)的FCC顆粒經(jīng)再生斜管進(jìn)入提升管，在提升風(fēng)的作用下進(jìn)入提升管末端的旋流快分進(jìn)行氣固分離，分離下來(lái)的FCC顆粒，依次經(jīng)分離段、環(huán)流預(yù)汽提段和汽提段返回再生器。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1氣相流場(chǎng)的測(cè)量旋流快分內(nèi)部氣相流場(chǎng)采用智能型五孔探針測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)由五孔探針、坐標(biāo)架、前置放大器、微處理單片機(jī)、計(jì)算機(jī)、穩(wěn)壓電源和直流電源等組成。實(shí)驗(yàn)中將圖3所示的五孔探針置于流場(chǎng)中的某一測(cè)點(diǎn)，根據(jù)球體繞流原理測(cè)得5個(gè)小孔的壓力相對(duì)值，分別接入5個(gè)壓力傳感器，由多路開(kāi)關(guān)掃描采集這些壓力信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大以電壓信號(hào)輸入到微處理單片機(jī)，信號(hào)再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到微處理單元并通過(guò)專用元件進(jìn)行運(yùn)算處理，最后將計(jì)算結(jié)果通過(guò)串口輸出到計(jì)算機(jī)中。實(shí)驗(yàn)選用儀器內(nèi)置的半對(duì)向測(cè)量程序?qū)庀嗔鲌?chǎng)進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)單片機(jī)處理后，可以測(cè)量氣相流場(chǎng)的軸向流動(dòng)角α、徑向流動(dòng)角β、總壓、靜壓和氣體來(lái)流速度V∞。實(shí)驗(yàn)中對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集多組數(shù)據(jù)，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。根據(jù)測(cè)量的α角、β角及V∞，如圖4所示，采用式（1）～式（3）分別計(jì)算旋流快分空間氣相流場(chǎng)的切向速度Vt、徑向速度Vr及軸向速度Vz。

圖4　五孔球探針測(cè)壓孔布置和速度分解示意圖Fig. 4　Schematic diagram of pressure measurement points on probe and velocity decomposition

1.2.2顆粒循環(huán)量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)兩臺(tái)HDLDG-06固體流量計(jì)測(cè)定的進(jìn)入旋流快分頭的顆粒流量Gsd和進(jìn)入頂旋的顆粒流量Gsu，采用式（4）計(jì)算旋流快分系統(tǒng)的總分離效率。

圖3　五孔探針示意圖Fig.3　Schematic diagram of five-hole probe

HDLDG-06固體流量計(jì)對(duì)顆粒循環(huán)量的測(cè)量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。通電后流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)將產(chǎn)生與測(cè)量管道軸線相垂直的電磁場(chǎng)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)高速通過(guò)測(cè)量管道時(shí)，將會(huì)切割磁感線而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)信號(hào)由轉(zhuǎn)換器放大處理后，可顯示固體顆粒流量。為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先采用容積法對(duì)固體流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了校正。容積法是通過(guò)關(guān)閉蝶閥14，測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)再生器18中FCC顆粒的下料高度，再換算成顆粒循環(huán)量。圖5為固體流量計(jì)的校正曲線，圖中Gs和Gs1分別為容積法和固體流量計(jì)測(cè)量的顆粒循環(huán)量。

圖5　固體流量計(jì)標(biāo)定Fig. 5　Calibration for solid rotameter

經(jīng)線性擬合，得到根據(jù)固體流量計(jì)測(cè)量值Gs1計(jì)算床內(nèi)顆粒循環(huán)量的校正關(guān)系式

采用該式計(jì)算的顆粒循環(huán)量與容積法測(cè)量的顆粒循環(huán)量間的最小相對(duì)偏差為0，最大相對(duì)偏差為15.3%，平均相對(duì)偏差為7.2%。因此經(jīng)過(guò)校正，本文采用的固體流量計(jì)可以相對(duì)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地測(cè)量床內(nèi)顆粒循環(huán)量。

根據(jù)式（4）計(jì)算的旋流快分總分離效率以及旋流快分入口和出口采樣顆粒的粒度組成，采用式（6）計(jì)算不同粒徑顆粒的粒級(jí)效率。

圖6　取樣示意圖Fig.6　Schematic diagram of sampling

式中，fo（δ）為快分出口各粒徑顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

fi（δ）為快分入口各粒徑顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.3采樣方法實(shí)驗(yàn)中采用濕法直接取樣，如圖6所示。通過(guò)兩根采樣管分別從快分入口和快分出口將氣固混合物引向裝有去離子水的沖擊瓶中。為保證采樣的準(zhǔn)確性，每個(gè)操作工況下均在3個(gè)不同徑向位置（r/R=0、0.5、0.94）進(jìn)行采樣，每個(gè)徑向位置均采樣3次以上，將不同徑向位置3次采樣的樣品進(jìn)行混合后作為最終的粒度分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2　流場(chǎng)及分離性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7為在不同噴出氣速Up下，旋流快分內(nèi)部氣相流場(chǎng)的軸向速度Vz、切向速度Vt和徑向速度Vr的徑向分布曲線。

由圖7（a）可知，軸向速度Vz主要為下行流，在隔流筒邊壁附近有部分上行流。由于上部環(huán)形蓋板的存在會(huì)強(qiáng)制使這部分氣流向下流動(dòng)，有利于快分效率的提高。另外，隨著噴出速度增加，氣體向下的軸向速度逐漸增加，有利于分離后的顆粒向下沉降。切向速度Vt是旋流快分進(jìn)行氣固分離的主要?jiǎng)恿?，由圖7（b）可知，隨著噴出速度增加，切向速度逐漸增加，氣固分離的動(dòng)力增加，有利于快分效率的提高，此外，切向速度沿徑向由內(nèi)而外先增大后減小，呈典型的“雙渦”流型。由圖7（c）可見(jiàn)，沿徑向由內(nèi)而外，徑向速度由“向心流”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤半x心流”。值得注意的是，隨著噴出速度的增加，“離心流”區(qū)域逐漸增大，這有利于將粉體顆粒富集于旋流快分系統(tǒng)的邊壁區(qū)域，而此區(qū)域內(nèi)作為氣固相分離主要推動(dòng)力的切向速度是最大的，因此，這對(duì)于快分分離效率的提高是非常有利的。

2.2粒級(jí)效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖8給出了不同噴出速度下快分粒級(jí)效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由圖8、圖9可知，不同粒徑顆粒的分離效率隨噴出速度的變化規(guī)律不同。（1）粒徑小于7 μm顆粒的分離效率較低（低于40%）且受?chē)姵隹跉馑俚挠绊戄^小。因?yàn)樵摿椒秶鷥?nèi)的顆粒對(duì)于氣相的跟隨性較好，且由于其自身的重力較小，易被氣流揚(yáng)起而出現(xiàn)“二次夾帶”，導(dǎo)致該部分顆粒很難被補(bǔ)集，故而其分離效率較難提高。（2）粒徑分布在7～20 μm區(qū)間內(nèi)的顆粒，隨著噴出口氣速的增加，旋流快分的粒級(jí)效率逐漸變小。這是因?yàn)殡S著噴出口氣速的增加，粒徑較小的顆粒受到的揚(yáng)析作用更加明顯，7～20 μm區(qū)間內(nèi)的顆粒向上逃逸的數(shù)量增多，從而導(dǎo)致粒級(jí)效率逐漸減小。（3）當(dāng)顆粒粒徑大于某一臨界值（dp=20 μm左右）后，旋流快分的粒級(jí)效率隨著噴出口氣速的增大而逐漸增大。這是因?yàn)榱酱笥?0 μm的顆粒質(zhì)量較大，且在跟隨氣體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生聚團(tuán)現(xiàn)象而使整個(gè)顆粒團(tuán)的離心力更大，因此，噴出口氣速越大，分離效率就越高。

圖7　不同噴出氣速下快分內(nèi)部氣相流場(chǎng)分布Fig.7　Distribution of internal gas flow field under different injection gas velocity

圖8　不同噴出口氣速下粒級(jí)效率分布Fig.8　Fractional efficiency distribution under different injection gas velocity

圖9　噴出速度對(duì)顆粒分離效率的影響Fig.9　Effect of ejection velocity on particle separation efficiency

3　三區(qū)模型的建立

3.1區(qū)域劃分

由新型旋流快分頭的結(jié)構(gòu)以及其內(nèi)部氣相流場(chǎng)和顆粒濃度分布的特點(diǎn)，可將新型旋流快分大致劃分3個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖10。其中區(qū)域1為入口影響區(qū)，該區(qū)受?chē)姵鰵馑俚挠绊戄^大，切向速度占主導(dǎo)地位。由于上部環(huán)形蓋板的強(qiáng)制約束作用，消除了直接向上的氣相短路流，故該區(qū)域的軸向速度均向下，該區(qū)域的徑向速度較小，顆粒在該區(qū)可被全部分離向下。區(qū)域2為下行流區(qū)，該區(qū)域內(nèi)切向速度仍占主導(dǎo)地位，徑向速度和軸向速度均較小。固相顆粒在該區(qū)域的停留時(shí)間越長(zhǎng)將越有利于氣固兩相的分離。區(qū)域3為上行流區(qū)，該區(qū)處于內(nèi)旋流區(qū)，切向速度比區(qū)域2小，軸向速度向上，在區(qū)域3內(nèi)，細(xì)小顆粒跟隨氣相向上逃逸。

圖10　新型旋流快分器的幾何模型Fig.10　Geometry of a novel vortex quick separator

3.2模型假設(shè)

根據(jù)新型旋流快分內(nèi)部氣相流場(chǎng)以及顆粒粒級(jí)效率實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，做出如下基本假設(shè)：

（1）旋流快分內(nèi)部氣相流場(chǎng)為三維湍流模型，在整個(gè)旋流快分過(guò)程中，離心力起主導(dǎo)作用，氣固相在分離過(guò)程中呈稀相運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，顆粒的存在對(duì)于氣相運(yùn)動(dòng)的影響不大；

（2）氣相流場(chǎng)中切向速度分為雙旋流模型，即分為內(nèi)、外旋流，氣相流場(chǎng)的徑向速度為軸對(duì)稱的，結(jié)果可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，氣相流場(chǎng)的軸向速度也為軸對(duì)稱的，且假定在各區(qū)域的橫截面上是均勻分布的，即軸向速度僅為軸向高度Z的函數(shù)；

（4）各區(qū)之間的質(zhì)量傳遞通過(guò)相鄰區(qū)域的交界面進(jìn)行，忽略交界面上的濃度擴(kuò)散。

3.3模型建立

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，列出各區(qū)域的顆粒相方程如下

式中，Qv（z）表示每個(gè)區(qū)域顆粒的軸向體積流率，Qv0為區(qū)域1的顆粒體積流率，并且等于顆粒總流率，m3·s-1；ni（i=1，2，3）為各區(qū)域的顆粒質(zhì)量濃度，kg·m-3；Γw（z）為邊壁處的顆粒通量、Γv（z）表示區(qū)域2向區(qū)域3遷移的顆粒通量，kg·（m2·s）-1；Rw為封閉罩半徑，Rv（z）為區(qū)域3半徑，r為提升管半徑，m；Ur0為區(qū)域1氣相徑向速度，m·s-1；l為新型旋流快分有效長(zhǎng)度，m。

邊壁處的徑向顆粒速度Upw（此處氣相徑向速度為零）可由Stokes定律求出，即慣性力與曳力平衡

在區(qū)域2以及區(qū)域3邊界處的氣固流動(dòng)更加復(fù)雜，首先應(yīng)該找到曳力與離心力的平衡以求得顆粒速度，再由顆粒速度與顆粒質(zhì)量濃度的乘積求得顆粒通量。值得注意的是，在此邊界范圍內(nèi)，氣相的徑向速度需考慮在內(nèi)。

由假設(shè)中忽略交界面上的濃度擴(kuò)散，即忽略顆粒相的徑向速度，可由離心力與曳力平衡計(jì)算得出顆粒速度Upv

由圖11可知，區(qū)域2以及區(qū)域3的顆粒通量由兩部分組成：①由氣相徑向速度Ur（z）裹挾細(xì)顆粒由區(qū)域2向區(qū)域3運(yùn)動(dòng)；②在離心力的作用下，固體顆粒以顆粒速度Upv由區(qū)域3向區(qū)域2運(yùn)動(dòng)。因此顆粒通量可由式（17）表示

將求得的各參數(shù)代入顆粒相方程，求解非定常系數(shù)常微分方程組可得到如下解析解

圖11　新型旋流快分器的模型簡(jiǎn)化圖Fig.11　Modified vortex quick separator for analysis

因此，可得到新型旋流快分器的分級(jí)效率為

3.4模型驗(yàn)證

圖12為不同粒徑顆粒的粒級(jí)效率的模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線，圖13為20 μm以上和20 μm以下顆粒的粒級(jí)效率的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差對(duì)比。

圖12　粒級(jí)效率實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線Fig.12　Comparison between experimental value of fractional efficiency and model predictive value

由圖12和圖13可見(jiàn)，在顆粒粒徑約小于5 μm前及大于20 μm后，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值間的變化趨勢(shì)基本相同，二者僅在數(shù)值上存在一些差別；在顆粒粒徑約為5～20 μm之間時(shí)，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值間的變化趨勢(shì)及數(shù)值均存在一定差別。在顆粒粒徑大于20 μm時(shí)，模型預(yù)測(cè)的粒級(jí)效率與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，其最大相對(duì)偏差不超過(guò)6.1%；而在顆粒粒徑小于20 μm時(shí)，模型計(jì)算的粒級(jí)效率與實(shí)驗(yàn)值相差較大，與實(shí)驗(yàn)值相比，模型的計(jì)算值相對(duì)較大，其相對(duì)偏差在45.7%～80.3%之間變化，并且隨著顆粒粒徑的減小，其相對(duì)誤差逐漸增加。

圖13　實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值偏差對(duì)比Fig.13　Comparison between experimental value of fractional efficiency and model predictive value

這是由于在旋流快分系統(tǒng)的徑向方向，向內(nèi)的曳力和向外的離心力共同控制著顆粒的運(yùn)動(dòng)，兩種力的綜合作用對(duì)旋流快分的粒級(jí)效率具有重要影響。（1）粒徑大于20 μm的顆粒，離心力的作用明顯大于曳力，故大部分顆粒能被分離，模型的計(jì)算偏差相對(duì)較小。（2）當(dāng)顆粒粒徑小于5 μm時(shí)，曳力的作用明顯大于離心力，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)完全依附于氣體的運(yùn)動(dòng)，受氣相擾動(dòng)的影響較大，同時(shí)在模型假設(shè)中忽略了交界面上濃度擴(kuò)散的影響，導(dǎo)致在該粒度分布范圍內(nèi)，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值間的變化趨勢(shì)基本相同，但計(jì)算的數(shù)值卻相對(duì)較大。（3）對(duì)于粒徑為5～20 μm之間的顆粒，隨著粒徑的減小，離心力的變化相對(duì)較小，而曳力的變化逐漸增大，使得離心力與曳力之間的數(shù)量差變小，其值可能會(huì)小于氣體湍流作用在某些區(qū)域引起的曳力變化值，顆粒的最終走向會(huì)由氣體的湍流在局部所引起的曳力變化情況決定。因此在該粒徑范圍內(nèi)的顆粒，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值間的變化趨勢(shì)及數(shù)值均存在一定差別。

鑒于旋流快分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在工程實(shí)際應(yīng)用中，為了將反應(yīng)油氣快速分離和引出，提升管出口旋流快分系統(tǒng)主要用于分離粒徑20 μm以上的催化劑顆粒，而對(duì)于粒徑小于20 μm的催化劑顆粒則主要由與旋流快分系統(tǒng)出口相連接的沉降器頂部旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離。為此，雖然本文建立的粒級(jí)效率模型對(duì)粒徑小于20μm顆粒的預(yù)測(cè)結(jié)果較差，但由于其對(duì)大于20 μm顆粒的預(yù)測(cè)結(jié)果較好，因此該模型在旋流快分系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中仍具有重要的參考價(jià)值。

4　結(jié)　論

不同粒徑顆粒的粒級(jí)效率隨噴出速度的變化規(guī)律不同。隨著噴出口氣速的增加，粒徑小于7 μm顆粒的粒級(jí)效率變化不大，7～20 μm顆粒的粒級(jí)效率逐漸變小，而超過(guò)20 μm顆粒的粒級(jí)效率則逐漸增大。

針對(duì)新型旋流快分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在分析其氣相流動(dòng)規(guī)律和氣固相分離特性的基礎(chǔ)上，建立了計(jì)算新型旋流快分粒級(jí)效率的三區(qū)模型。在顆粒粒徑大于20 μm時(shí)，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的吻合較好，其最大相對(duì)偏差不超過(guò)6.1%；而在顆粒粒徑小于20 μm時(shí)，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差較大，其相對(duì)偏差在45.7%～80.3%之間變化，并且隨著顆粒粒徑的減小，其相對(duì)偏差逐漸增加。由于在工程實(shí)際應(yīng)用中，為了將反應(yīng)油氣快速分離和引出，提升管出口旋流快分系統(tǒng)主要用于分離粒徑20 μm以上的催化劑顆粒，因此所建立的粒級(jí)效率三區(qū)模型在旋流快分系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Triple region model for calculating fractional efficiency of combined system of circulation pre stripper and vortex quick separator

HUANG Shiping， E Chenglin， WANG Zijian， LU Chunxi
（State Key Laboratory of Heavy Oil Processing， China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China）

The gas flow field and the fractional efficiency of a novel combined system of circulation pre stripper & vortex quick separator （CVQS） were investigated via a large-scale cold model. The results showed that the separation efficiency of particles under 7 μm almost unchanged with increasing ejection gas speed， while getting smaller when the particle size was between 7 μm to 20 μm， and higher as the particle size is beyond 20 μm. On the basis of above investigations， the gas-solid separation mechanism of CVQS was talked over， and a triple region model used for analyzing the fractional efficiency of CVQS was proposed. The calculated results showed that this model was in good agreement with experimental data within the larger particle size distribution （beyond 20 μm）and the maximum relative deviation was under 6.1%. For the particle under 20 μm， there was an obvious difference between experimental and model values， whose relative deviation was within 45.7% and 80.5%，respectively. Therefore， the triple region model had important reference value in CVQS engineering design for separating particles beyond 20 μm.

novel vortex quick separator； circulation pre stripper； fractional efficiency； model； particle size distribution； fluidization

date： 2015-09-16.

Prof. LU Chunxi， lcx725@sina.com

supported by the National Basic Research Program of China（2012CB215004）.

TQ 051.8

A

0438—1157（2016）05—1922—09

2015-09-16收到初稿，2016-02-20收到修改稿。

聯(lián)系人：盧春喜。第一作者：黃世平（1992—），男，碩士研究生。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB215004）。