新型旋風分離器的試驗研究與流場分析

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)旋風分離器入口結構進行改進，提出了圓柱形徑向插入、端面加導流板結構的新型旋風分離器結構。由冷態(tài)模型下對超細滑石粉和FCC催化劑顆粒的分離效率-壓降對比試驗結果表明，新型旋風分離器入口結構強度性能優(yōu)良，雖然對超細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)直切入口旋風分離器，可以滿足要求。并且數(shù)值流場模擬結果表明，分離器壓降與實驗結果相一致。

關鍵詞 旋風分離器；結構強度；分離性能；高溫高壓

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

旋風分離器由于其結構簡單、無運動部件、成本低、效率高且阻力適中等優(yōu)點，已在全國石油催化裂化裝置中廣泛應用。傳統(tǒng)的旋風分離器一般為切向矩形進口的異形結構，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。若將旋風分離器推廣應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，為保證分離器的設備強度，尚須對現(xiàn)有的旋風分離器結構再作一些修改，以適應高溫、高壓工況對設備強度的要求。目前常用的處理方法是在角接處進行局部加強，如采用加強筋保護角焊縫，然而這種角焊縫加強的效果難以進行計算，工程上只能憑經驗進行設計。這樣，矩形入口結構在高溫高壓條件下存在制造成本高，投資大的問題。對于催化反應過程中所用旋風分離器的性能與設計，國內外許多研究者已經進行了大量的研究，已趨成熟。但對煤氣化、煤燃燒所用高溫加壓旋風分離器的運行性能研究僅停留在常溫常壓理論和少數(shù)實驗的水平。

1 新型旋風分離器的結構特征

工業(yè)上常用的旋風分離器一般為矩形切向入口，為了加強旋風分離器的結構性能，本文提出了一種新型的旋風分離器結構。由圓形入口代替矩形入口，將入口切向進氣改為徑向進氣，并在端部設一導流板，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置一導流板，使進入的含塵氣體沿旋風分離器筒壁旋轉，以實現(xiàn)氣固分離。

新型入口結構的提出對旋風分離器承壓能力的提高起到非常重要的作用。圓形入口結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形入口，避免了入口結構的尖角，有效減少應力集中的影響。入口位置由傳統(tǒng)的邊側移到筒體中部，沿徑向插入到筒體內，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（入口端部與導流板間沒有任何約束）、水平約束式（入口上下端部與導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10°）三種。

2 冷模試驗及結果

旋風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分離器與傳統(tǒng)直切旋風分離器進行試驗對比。兩種旋風分離器主體尺寸相同，旋風分離器的筒體均為Φ300 mm，進氣口截面積均等于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)一尺寸結構。本文在除入口結構外所有尺寸都相同的條件下考察新型旋風分離器入口對分離性能的影響。

試驗在常溫下進行，試驗中一種粉料為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。試驗裝置采用吸風式負壓操作，流量用標準皮托管測量，風量通過閥門調節(jié)，壓降用U型管壓差計測量，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，效率的試驗誤差不超過0.1%，試驗中分離器入口氣體含塵濃度保持不變，控制在10 g/m3。

根據實驗結果，在采用超細顆粒800目滑石粉作為試驗物料的情況下，入口未加約束時，徑向插入旋風分離器相比直切入口旋風分離器的壓降要低，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；當徑向插入旋風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粉料的情況下，試驗結果發(fā)現(xiàn)徑向插入結構的旋風分離器相比直切入口旋風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，故新型入口旋風分離器對于大顆粒粉塵的分離能夠達到理想的要求，并能大幅度的降低能耗。

因此采用徑向插入的旋風分離器，在對細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，故徑向插入的旋風分離器在結構強度增加的情況下，對大顆粒分離的減阻上是可取的。

3 數(shù)值模擬計算及結果

目前隨著計算流體力學的發(fā)展和商用軟件的應用普及，對強旋流動的模擬已經達到一定的精度。本文對新型入口結構旋風分離器和直切入口旋風分離器采用FLUENT6.1計算流體力學軟件提供的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分離器整體流場及壓降的影響。

兩模型在網格劃分時采取了結構化網格的劃分方法，兩個模型的網格數(shù)均為19萬個。采用雷諾應力模型模擬旋風分離器內非穩(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，入口速度按實驗值給定，即Vi=20m/s。壁面邊界條件采用無滑移條件，出口設定為壓力出口。

根據模擬結果，旋風分離器內流場是復雜的三維強旋轉湍流流場。兩種分離器分離空間的切向速度分布的軸對稱性較好，由內外兩層旋流組成，外部為準自由渦，內部為準強制渦。在筒體及錐體段，兩種分離器內外旋流分界位置基本相同，整體上看新型入口旋風分離器比直切型旋風分離器切向速度低，這也是新型旋風分離器對細小顆粒捕捉能力差和壓降低的一個原因，與實驗結果相吻合。軸向速度沿徑向存在一個方向的轉變點，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)。因此模擬結果表明，兩種旋風分離器壓降模擬結果與實驗結果相一致，新型入口旋風分離器壓降小更為節(jié)能。

4 結論

新型旋風分離器入口結構的提出是對高溫高壓旋風分離器入口結構改進的嘗試，該新型旋風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力集中；入口由傳統(tǒng)的邊側移到了筒體的中部，這樣使筒體在承受壓力的時候受到的應力更加均勻；新型旋風分離器在對FCC催化劑為代表的大顆粒粉塵的分離試驗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)直切入口旋風結構差不到0.6%，滿足了高溫煤氣化等工藝的要求。

參考文獻

[1]孫國剛，李雙權，楊淑霞，等.高溫高壓旋風分離器的性能及其應用[J].中國石油大學學報（自然科學版），2006：98-101.endprint

摘 要 文章針對高溫高壓的條件對傳統(tǒng)旋風分離器入口結構進行改進，提出了圓柱形徑向插入、端面加導流板結構的新型旋風分離器結構。由冷態(tài)模型下對超細滑石粉和FCC催化劑顆粒的分離效率-壓降對比試驗結果表明，新型旋風分離器入口結構強度性能優(yōu)良，雖然對超細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)直切入口旋風分離器，可以滿足要求。并且數(shù)值流場模擬結果表明，分離器壓降與實驗結果相一致。

關鍵詞 旋風分離器；結構強度；分離性能；高溫高壓

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

旋風分離器由于其結構簡單、無運動部件、成本低、效率高且阻力適中等優(yōu)點，已在全國石油催化裂化裝置中廣泛應用。傳統(tǒng)的旋風分離器一般為切向矩形進口的異形結構，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。若將旋風分離器推廣應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，為保證分離器的設備強度，尚須對現(xiàn)有的旋風分離器結構再作一些修改，以適應高溫、高壓工況對設備強度的要求。目前常用的處理方法是在角接處進行局部加強，如采用加強筋保護角焊縫，然而這種角焊縫加強的效果難以進行計算，工程上只能憑經驗進行設計。這樣，矩形入口結構在高溫高壓條件下存在制造成本高，投資大的問題。對于催化反應過程中所用旋風分離器的性能與設計，國內外許多研究者已經進行了大量的研究，已趨成熟。但對煤氣化、煤燃燒所用高溫加壓旋風分離器的運行性能研究僅停留在常溫常壓理論和少數(shù)實驗的水平。

1 新型旋風分離器的結構特征

工業(yè)上常用的旋風分離器一般為矩形切向入口，為了加強旋風分離器的結構性能，本文提出了一種新型的旋風分離器結構。由圓形入口代替矩形入口，將入口切向進氣改為徑向進氣，并在端部設一導流板，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置一導流板，使進入的含塵氣體沿旋風分離器筒壁旋轉，以實現(xiàn)氣固分離。

新型入口結構的提出對旋風分離器承壓能力的提高起到非常重要的作用。圓形入口結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形入口，避免了入口結構的尖角，有效減少應力集中的影響。入口位置由傳統(tǒng)的邊側移到筒體中部，沿徑向插入到筒體內，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（入口端部與導流板間沒有任何約束）、水平約束式（入口上下端部與導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10°）三種。

2 冷模試驗及結果

旋風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分離器與傳統(tǒng)直切旋風分離器進行試驗對比。兩種旋風分離器主體尺寸相同，旋風分離器的筒體均為Φ300 mm，進氣口截面積均等于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)一尺寸結構。本文在除入口結構外所有尺寸都相同的條件下考察新型旋風分離器入口對分離性能的影響。

試驗在常溫下進行，試驗中一種粉料為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。試驗裝置采用吸風式負壓操作，流量用標準皮托管測量，風量通過閥門調節(jié)，壓降用U型管壓差計測量，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，效率的試驗誤差不超過0.1%，試驗中分離器入口氣體含塵濃度保持不變，控制在10 g/m3。

根據實驗結果，在采用超細顆粒800目滑石粉作為試驗物料的情況下，入口未加約束時，徑向插入旋風分離器相比直切入口旋風分離器的壓降要低，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；當徑向插入旋風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粉料的情況下，試驗結果發(fā)現(xiàn)徑向插入結構的旋風分離器相比直切入口旋風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，故新型入口旋風分離器對于大顆粒粉塵的分離能夠達到理想的要求，并能大幅度的降低能耗。

因此采用徑向插入的旋風分離器，在對細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，故徑向插入的旋風分離器在結構強度增加的情況下，對大顆粒分離的減阻上是可取的。

3 數(shù)值模擬計算及結果

目前隨著計算流體力學的發(fā)展和商用軟件的應用普及，對強旋流動的模擬已經達到一定的精度。本文對新型入口結構旋風分離器和直切入口旋風分離器采用FLUENT6.1計算流體力學軟件提供的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分離器整體流場及壓降的影響。

兩模型在網格劃分時采取了結構化網格的劃分方法，兩個模型的網格數(shù)均為19萬個。采用雷諾應力模型模擬旋風分離器內非穩(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，入口速度按實驗值給定，即Vi=20m/s。壁面邊界條件采用無滑移條件，出口設定為壓力出口。

根據模擬結果，旋風分離器內流場是復雜的三維強旋轉湍流流場。兩種分離器分離空間的切向速度分布的軸對稱性較好，由內外兩層旋流組成，外部為準自由渦，內部為準強制渦。在筒體及錐體段，兩種分離器內外旋流分界位置基本相同，整體上看新型入口旋風分離器比直切型旋風分離器切向速度低，這也是新型旋風分離器對細小顆粒捕捉能力差和壓降低的一個原因，與實驗結果相吻合。軸向速度沿徑向存在一個方向的轉變點，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)。因此模擬結果表明，兩種旋風分離器壓降模擬結果與實驗結果相一致，新型入口旋風分離器壓降小更為節(jié)能。

4 結論

新型旋風分離器入口結構的提出是對高溫高壓旋風分離器入口結構改進的嘗試，該新型旋風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力集中；入口由傳統(tǒng)的邊側移到了筒體的中部，這樣使筒體在承受壓力的時候受到的應力更加均勻；新型旋風分離器在對FCC催化劑為代表的大顆粒粉塵的分離試驗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)直切入口旋風結構差不到0.6%，滿足了高溫煤氣化等工藝的要求。

參考文獻

[1]孫國剛，李雙權，楊淑霞，等.高溫高壓旋風分離器的性能及其應用[J].中國石油大學學報（自然科學版），2006：98-101.endprint

摘 要 文章針對高溫高壓的條件對傳統(tǒng)旋風分離器入口結構進行改進，提出了圓柱形徑向插入、端面加導流板結構的新型旋風分離器結構。由冷態(tài)模型下對超細滑石粉和FCC催化劑顆粒的分離效率-壓降對比試驗結果表明，新型旋風分離器入口結構強度性能優(yōu)良，雖然對超細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)直切入口旋風分離器，可以滿足要求。并且數(shù)值流場模擬結果表明，分離器壓降與實驗結果相一致。

關鍵詞 旋風分離器；結構強度；分離性能；高溫高壓

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

旋風分離器由于其結構簡單、無運動部件、成本低、效率高且阻力適中等優(yōu)點，已在全國石油催化裂化裝置中廣泛應用。傳統(tǒng)的旋風分離器一般為切向矩形進口的異形結構，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。若將旋風分離器推廣應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，為保證分離器的設備強度，尚須對現(xiàn)有的旋風分離器結構再作一些修改，以適應高溫、高壓工況對設備強度的要求。目前常用的處理方法是在角接處進行局部加強，如采用加強筋保護角焊縫，然而這種角焊縫加強的效果難以進行計算，工程上只能憑經驗進行設計。這樣，矩形入口結構在高溫高壓條件下存在制造成本高，投資大的問題。對于催化反應過程中所用旋風分離器的性能與設計，國內外許多研究者已經進行了大量的研究，已趨成熟。但對煤氣化、煤燃燒所用高溫加壓旋風分離器的運行性能研究僅停留在常溫常壓理論和少數(shù)實驗的水平。

1 新型旋風分離器的結構特征

工業(yè)上常用的旋風分離器一般為矩形切向入口，為了加強旋風分離器的結構性能，本文提出了一種新型的旋風分離器結構。由圓形入口代替矩形入口，將入口切向進氣改為徑向進氣，并在端部設一導流板，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置一導流板，使進入的含塵氣體沿旋風分離器筒壁旋轉，以實現(xiàn)氣固分離。

新型入口結構的提出對旋風分離器承壓能力的提高起到非常重要的作用。圓形入口結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形入口，避免了入口結構的尖角，有效減少應力集中的影響。入口位置由傳統(tǒng)的邊側移到筒體中部，沿徑向插入到筒體內，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（入口端部與導流板間沒有任何約束）、水平約束式（入口上下端部與導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10°）三種。

2 冷模試驗及結果

旋風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分離器與傳統(tǒng)直切旋風分離器進行試驗對比。兩種旋風分離器主體尺寸相同，旋風分離器的筒體均為Φ300 mm，進氣口截面積均等于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)一尺寸結構。本文在除入口結構外所有尺寸都相同的條件下考察新型旋風分離器入口對分離性能的影響。

試驗在常溫下進行，試驗中一種粉料為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。試驗裝置采用吸風式負壓操作，流量用標準皮托管測量，風量通過閥門調節(jié)，壓降用U型管壓差計測量，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，效率的試驗誤差不超過0.1%，試驗中分離器入口氣體含塵濃度保持不變，控制在10 g/m3。

根據實驗結果，在采用超細顆粒800目滑石粉作為試驗物料的情況下，入口未加約束時，徑向插入旋風分離器相比直切入口旋風分離器的壓降要低，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；當徑向插入旋風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粉料的情況下，試驗結果發(fā)現(xiàn)徑向插入結構的旋風分離器相比直切入口旋風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，故新型入口旋風分離器對于大顆粒粉塵的分離能夠達到理想的要求，并能大幅度的降低能耗。

因此采用徑向插入的旋風分離器，在對細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，故徑向插入的旋風分離器在結構強度增加的情況下，對大顆粒分離的減阻上是可取的。

3 數(shù)值模擬計算及結果

目前隨著計算流體力學的發(fā)展和商用軟件的應用普及，對強旋流動的模擬已經達到一定的精度。本文對新型入口結構旋風分離器和直切入口旋風分離器采用FLUENT6.1計算流體力學軟件提供的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分離器整體流場及壓降的影響。

兩模型在網格劃分時采取了結構化網格的劃分方法，兩個模型的網格數(shù)均為19萬個。采用雷諾應力模型模擬旋風分離器內非穩(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，入口速度按實驗值給定，即Vi=20m/s。壁面邊界條件采用無滑移條件，出口設定為壓力出口。

根據模擬結果，旋風分離器內流場是復雜的三維強旋轉湍流流場。兩種分離器分離空間的切向速度分布的軸對稱性較好，由內外兩層旋流組成，外部為準自由渦，內部為準強制渦。在筒體及錐體段，兩種分離器內外旋流分界位置基本相同，整體上看新型入口旋風分離器比直切型旋風分離器切向速度低，這也是新型旋風分離器對細小顆粒捕捉能力差和壓降低的一個原因，與實驗結果相吻合。軸向速度沿徑向存在一個方向的轉變點，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)。因此模擬結果表明，兩種旋風分離器壓降模擬結果與實驗結果相一致，新型入口旋風分離器壓降小更為節(jié)能。

4 結論

新型旋風分離器入口結構的提出是對高溫高壓旋風分離器入口結構改進的嘗試，該新型旋風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力集中；入口由傳統(tǒng)的邊側移到了筒體的中部，這樣使筒體在承受壓力的時候受到的應力更加均勻；新型旋風分離器在對FCC催化劑為代表的大顆粒粉塵的分離試驗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)直切入口旋風結構差不到0.6%，滿足了高溫煤氣化等工藝的要求。

參考文獻

[1]孫國剛，李雙權，楊淑霞，等.高溫高壓旋風分離器的性能及其應用[J].中國石油大學學報（自然科學版），2006：98-101.endprint