差異旋風分離器并聯(lián)的氣相流場研究

張愛琴， 來 超

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學院， 陜西 西安 710089； 2.中國石油長慶油田分公司 第四采氣廠，陜西 西安 710021)

旋風分離器并聯(lián)使用后，為了保證系統(tǒng)整體的分離效率，要求并聯(lián)旋風分離器之間的壓降差不能太大。這是由于：一方面各分離器共用一個進氣室，壓降不同會使分離器入口流量發(fā)生變化，導致工作點偏離設(shè)計的最佳工作點，單分離器的效率下降；另一方面由于多個旋風分離器共用一個公共灰斗且料腿間無隔離，壓降的不同會引起分離器間氣流相互干擾，形成公共灰斗內(nèi)的竄流返混現(xiàn)象，進而影響并聯(lián)旋風分離器的整體效率[1]。例如在煉油廠催化裂化裝置中要求并聯(lián)旋風分離器中單個旋風分離器的壓降不能超過平均值的5%。

在工程實際中，一方面，受工藝條件的限制，旋風分離器在制造過程中不可避免地會存在一些誤差，而有些結(jié)構(gòu)尺寸如芯管直徑、入口截面積對分離器壓降的影響較為明顯，因此，當旋風分離器的制造精度不能滿足要求時，并聯(lián)旋風分離器將在不等壓降條件下運行。此外，多個旋風分離器安裝位置的不對稱會導致分離器入口環(huán)境的差異，影響氣量在進氣室內(nèi)的均勻分配，進而導致分離器的工作狀態(tài)偏離設(shè)計工作點，且各分離器壓降不等。另一方面，煉油廠催化裂化裝置中第三級旋風分離器的入口煙氣溫度高達700 ℃，含塵濃度可超過10 kg/m3，高溫條件下，物料容易結(jié)焦，由于分離器升氣管外壁存在“滯流層”，具有粘附性的結(jié)焦顆粒會在分離器升氣管外表面沉積[2]。結(jié)焦現(xiàn)象改變了氣流在分離器內(nèi)的流通面積，對分離器壓降產(chǎn)生了影響。隨著裝置連續(xù)長周期運行，并聯(lián)旋風分離器中各分離器的堵塞、結(jié)焦差異逐漸增大，致使各旋風分離器的工作壓降出現(xiàn)差異，嚴重影響了系統(tǒng)整體的分離效率。

根據(jù)尺寸分類優(yōu)化理論，芯管直徑和入口截面比是影響旋風分離器分離性能的兩個關(guān)鍵尺寸。針對運行過程中并聯(lián)旋風分離器工作壓降差異的問題，本文研究了不同芯管直徑分離器的并聯(lián)問題，通過比較不同芯管直徑旋風分離器內(nèi)的流場，研究了不同分離器并聯(lián)后的流場。

1 差異旋風分離器內(nèi)部流場比較

1.1 計算模型

為研究差異分離器并聯(lián)后的流場變化規(guī)律，本文首先對三種不同芯管直徑的單個分離器的氣相流場進行了數(shù)值模擬。主要研究了Φ300 mm的PV型旋風分離器，其主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示：分離器直徑D=300 mm，入口截面比KA=5.47，芯管直徑dr分別為90、96、104 mm。

圖1 不同芯管直徑的旋風分離器幾何結(jié)構(gòu)

FLUENTS數(shù)值模擬計算方法：壓力與速度耦合方程選用SIMPLE算法，壓力插值選用PRESTO！，對流項的插值格式選用QUICK格式。先進行穩(wěn)態(tài)計算，再進行非穩(wěn)態(tài)計算，非穩(wěn)態(tài)計算中盡量減小步長。經(jīng)綜合分析，時間步長選用0.000 2 s。此外，采用Gambit進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

1.2 計算結(jié)果與分析

1)分離空間速度分析

圖2為不同芯管直徑分離器分離空間內(nèi)的速度分布曲線，選取了分離器筒體空間內(nèi)芯管下方28 mm處的截面進行分析。由圖2可知，最大切向速度Vtm點的徑向位置rt隨著dr的減小而減小，其值Vtm隨dr的減小而增大。在中心上行流區(qū)，最大上行的軸向速度隨dr的增大而降低，而外側(cè)下行流分布曲線則受dr的影響較小。

圖2 不同dr的單個分離器分離空間內(nèi)速度分布曲線

2)分離器壓降對比

圖3為三種芯管直徑的分離器壓降隨入口氣速的變化曲線。由圖3可知，分離器的壓降隨入口氣速的增加而增加，同一入口氣速下不同芯管直徑的分離器壓降不同，隨著入口氣速的增加，壓降差異增大。這是由于dr減小，分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)強度增強，氣體在分離器內(nèi)的動能耗散增大，且芯管下口處的局部阻力損失增大，最終導致分離器總壓降的升高。

圖3 不同dr的分離器壓降分布曲線

2 差異旋風分離器并聯(lián)的流場研究

2.1 計算模型

本節(jié)對差異分離器并聯(lián)后的氣相流場進行研究，選取了兩種差異分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)：第一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，AC分離器的芯管直徑為96 mm、BD分離器A的芯管直徑為90 mm，記作2×V96&2×V90(以下簡稱V2)；第二種并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，AC分離器的芯管直徑為96 mm，B分離器的芯管直徑為104 mm，D分離器的芯管直徑為90 mm，記作為2×V96&V90&V104(以下簡稱V3)，見圖4～圖5。

圖4 4×V96旋風分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 差異分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 進氣均勻性及竄氣量分析

圖 6為V2、V3并聯(lián)結(jié)構(gòu)中差異分離器的氣量分布圖。V1結(jié)構(gòu)中，由于芯管直徑相同，氣量分配基本相同，在此不比較其進出口氣量分配情況。由圖6可知，差異旋風分離器并聯(lián)后，進氣室內(nèi)氣量不均勻分配，且分離器進出口流量不守恒。大芯管直徑的分離器處理量較大，且升氣管出口流量大于入口流量，排塵口處氣體凈流量為正值，由此可推測，公共灰斗內(nèi)有氣流進入到分離器內(nèi)，即為接收竄氣的分離器。反之，芯管直徑較小的分離器則為提供竄氣的分離器在同一并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，芯管直徑相同的分離器，氣量分配則基本相同。

圖6 差異分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)中分離器進出口流量分布

進氣室內(nèi)氣量分配取決于分離器入口截面上的靜壓分布，排塵口處的靜壓也是影響公共灰斗內(nèi)發(fā)生竄流返混現(xiàn)象的關(guān)鍵。因此，文章分析了三種并聯(lián)結(jié)構(gòu)分離器入口和排塵口的靜壓分布情況，見圖7。由圖7可知，四個完全相等的分離器并聯(lián)時，分離器入口和排塵口的靜壓分布基本相同，氣量均勻分配且排塵口處氣體凈流量接近于0。而當不等壓降的差異分離器并聯(lián)時，進氣室內(nèi)，大芯管直徑的分離器入口截面平均靜壓較低，且在排塵口處，四個分離器的截面平均靜壓差異較大，氣流在進氣室內(nèi)不均勻分配且在排塵口處有明顯的竄氣現(xiàn)象。

圖7 分離器入口截面和排塵口截面靜壓

圖8為V1、V2、V3并聯(lián)結(jié)構(gòu)的最大流量不均幅值和竄氣率曲線。由圖8可知，并聯(lián)旋風分離器中分離器差異越大，進氣室內(nèi)氣量分配越不均勻，公共灰斗內(nèi)竄流返混的氣量越多。

圖8 三種并聯(lián)結(jié)構(gòu)進氣均勻性及竄氣量分布圖

綜上分析可知，當不等壓降的差異分離器并聯(lián)時，并聯(lián)結(jié)構(gòu)通過對處理量的調(diào)節(jié)來平衡各差異分離器的壓降。一方面在進氣室內(nèi)氣量不均勻分配，另一方面在灰斗內(nèi)發(fā)生定向的氣量遷移，致使低壓降分離器的處理量增大，而高壓降分離器的處理量減小。在工程實際應(yīng)用中，分離器的運行存在著最佳的工況點，其效率曲線為駝峰形曲線。當分離器的處理量偏離最佳設(shè)計工況點時，分離器的效率會下降，進而影響并聯(lián)旋風分離器的整體效率。

2.3 差異分離器內(nèi)部流場對比

由流量分析可知，當差異分離器并聯(lián)后，進氣室內(nèi)的流量將不均勻分配，導致各分離器的入口流量不同，

為了便于比較，后文以旋風分離器的表觀截面氣速Vin為特征值，將分離器不同截面的切向速度、軸向速度進行無量綱化，比較了差異分離器并聯(lián)后內(nèi)部流場的變化規(guī)律。

(1)

2.3.1 三種并聯(lián)結(jié)構(gòu)中dr=96 mm的分離器速度分布

圖9為不同并聯(lián)結(jié)構(gòu)中dr=96 mm的分離器無量綱速度曲線。由流量分析可知，三種并聯(lián)結(jié)構(gòu)中dr=96 mm的分離器平均處理量分別為：1 393.2、1 412.63、1 384.34 m3/h，分離器排塵口處平均流量分別為：0.75、83.40、-18.10 m3/h。由于分離器內(nèi)速度的無量綱值隨入口氣速的變化較小，因此排塵口的流量是引起其變化的主要因素。排塵口流量為負值時，分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流損失到了公共灰斗空間，必然會引起分離器內(nèi)無量綱速度的減小。排塵口流量為正值時，分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)強度得到了補充。由速度分布曲線可知，V2結(jié)構(gòu)中dr=96 mm分離器的無量綱速度最大，其次為V1、V3。

圖9 不同并聯(lián)結(jié)構(gòu)中dr=96 mm的分離器速度分布曲線

由圖9(b)可知，當分離器排塵口處氣量為正值時，分離器內(nèi)旋流的切向速度及上行的軸向速度增大，由此推測，公共灰斗內(nèi)氣流沿分離器排塵口處的低壓區(qū)進入到分離器內(nèi)旋流中，而對外旋流和下行流則幾乎無影響。

2.3.2 V2、V3并聯(lián)結(jié)構(gòu)中不同分離器速度分布

圖10～圖11為V2、V3并聯(lián)結(jié)構(gòu)中差異分離器的速度分布曲線。由圖10～圖11可知，差異分離器并聯(lián)后，分離器內(nèi)部的流場發(fā)生了變化，主要有以下兩個方面：

圖10 V2結(jié)構(gòu)中不同分離器的速度分布曲線

圖11 V3中不同分離器的速度分布曲線

(1)切向速度：接收竄氣的分離器，由于有氣流從公共灰斗內(nèi)進入到了分離器內(nèi)，分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)強度增強，分離空間內(nèi)切向速度無量綱值增加。提供竄氣的分離器，由于在排塵口有氣流輸出，可以類比于抽氣旋風分離器，料腿底部抽氣削弱了分離空間內(nèi)已形成的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)流動，使得中心準強制渦沿徑向擴大，降低了分離空間內(nèi)的旋渦強度。因此分離器空間內(nèi)切向速度無量綱值減小。并聯(lián)結(jié)構(gòu)中差異分離器的無量綱切向速度趨于一致，且內(nèi)外旋流分界點位置差別不大。

(2)軸向速度：提供竄氣氣流的分離器上行軸向速度最小，下行軸向速度大，上下行流分界面內(nèi)移，靠近壁面處下行流量的增大能促進顆粒沿壁面向灰斗輸送，對分離有利。而接收竄氣氣流的分離器上行軸向速度及上行流區(qū)域增大，氣體停留時間縮短，不利于返混顆粒的再分離。

2.3.3 分離器中心線上流場分布

旋風分離器中心軸線上的軸向速度和靜壓表征了分離器內(nèi)上行氣量的大小和分離器內(nèi)部的流動形態(tài)。圖12～圖14為三種并聯(lián)結(jié)構(gòu)中分離器中心線上的速度和靜壓分布曲線，其中z=-1.68 m為分離器灰斗錐體末端，z=-1.46 m為分離器灰斗筒體末端，z=-1.08 m為分離器錐體末端，z=-0.42 m為分離器筒體末端、z=-0.172 m為分離器芯管末端、z=1.5 m為分離器升氣管出口。

由圖12～圖14可知， V1結(jié)構(gòu)中，并聯(lián)旋風分離器中心軸線上的軸向速度和靜壓分布曲線基本重合，分離器內(nèi)部流動狀態(tài)相同。V2、V3結(jié)構(gòu)中，差異分離器中心軸線上的軸向速度和靜壓分布曲線不同，芯管直徑大的分離器中心線上的軸向速度大于芯管直徑小的分離器，且在局部區(qū)域的正壓力梯度高。

圖12 V1結(jié)構(gòu)中分離器中心線上的靜壓和軸向速度分布曲線

圖13 V2結(jié)構(gòu)中分離器中心線上的靜壓和軸向速度分布曲線

圖14 V3結(jié)構(gòu)中分離器中心線上的靜壓和軸向速度分布曲線

2.4 公共灰斗內(nèi)竄流返混現(xiàn)象

2.4.1 公共灰斗內(nèi)流場結(jié)構(gòu)分析

圖 15為公共灰斗內(nèi)分離器排塵口所在截面上的靜壓分布與速度矢量圖，由圖15可知，V1結(jié)構(gòu)中四個分離器排塵口靜壓分布基本相同。 V2結(jié)構(gòu)中，BD分離器排塵口的靜壓呈中心低、邊壁高的分布形態(tài)，AC分離器排塵口的靜壓則低于截面其他區(qū)域的靜壓。V3結(jié)構(gòu)中，B分離器排塵口截面上靜壓最低，而ACD分離器的靜壓分布形態(tài)基本相同。由速度矢量圖可知，V1結(jié)構(gòu)中，四個分離器間未能形成明顯的干擾氣流。而其他兩種結(jié)構(gòu)中，差異分離器排塵口處的速度分布不同：接收竄氣的分離器排塵口的速度分布不再是分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)雙渦結(jié)構(gòu)，提供竄氣的分離器排塵口處仍有較強的氣流旋轉(zhuǎn)，相鄰分離器間有明顯的干擾氣流。

圖15 三種并聯(lián)結(jié)構(gòu)公共灰斗內(nèi)z=-2 480 mm截面流場分布圖

圖16～圖17為三種并聯(lián)結(jié)構(gòu)中相鄰分離器中心連接面上的速度矢量圖，選取了并聯(lián)結(jié)構(gòu)中分離器A、B、D進行分析。由圖16～圖17可知，V1結(jié)構(gòu)中，相鄰分離器間無干擾氣流。而差異分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，相鄰分離器間有明顯的氣流運動，氣流旋轉(zhuǎn)方向與分離器內(nèi)部氣流旋轉(zhuǎn)方向相同。

圖16 AB分離器連接面上速度矢量圖

圖17 AD分離器連接面上速度矢量圖

2.4.2 差異分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)灰斗內(nèi)速度分析

圖18為V2結(jié)構(gòu)中公共灰斗內(nèi)分離器排塵口截面速度分布曲線，以A、B分離器為例進行分析。由圖18可知，接收竄氣的分離器的排塵口處切向速度的是公共灰斗內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的切向速度，軸向速度以上行為主。提供竄氣的分離器排塵口的切向速度仍然呈雙渦結(jié)構(gòu)，軸向速度分布上下行流的組合流動。

圖18 公共灰斗內(nèi)截面AB分離器排塵口處速度曲線

圖19為公共灰斗內(nèi)分離器排塵口下方速度分布曲線，選取分離器排塵口下方70、120 mm截面上的速度分布圖。由圖19可知，沿軸向向下，接收竄氣的分離器下方公共灰斗內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流則無明顯衰減，軸向速度的數(shù)值較小，并且分布極不規(guī)則。提供竄氣的分離器內(nèi)的強旋流有明顯衰減，下行流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯闲辛鳌?/p>

圖19 灰斗空間排塵口下方速度曲線

綜上分析可知，差異分離器并聯(lián)時，公共灰斗內(nèi)有明顯的竄流返混現(xiàn)象，差異分離器排塵口的氣流相互作用，在排塵口附近及灰斗壁面區(qū)域形成繞灰斗中心有規(guī)則旋轉(zhuǎn)的氣流，氣流流經(jīng)接收竄氣的分離器排塵口處的低壓區(qū)時進入到分離器內(nèi)，隨分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流上行至芯管出口。由于提供竄氣的分離器排塵口的靜壓呈中心低邊壁高分布，因而氣流流經(jīng)提供竄氣的分離器排塵口中心的低壓區(qū)時進入到分離器內(nèi)，而在排塵口邊壁高壓區(qū)則以繞流的形式流動。

2.5 差異分離器并聯(lián)后的壓降

圖20為V1、V2、V3結(jié)構(gòu)中分離器壓降分布圖。由圖20可知，差異旋風分離器并聯(lián)后，各分離器工作壓降趨于一致。差異分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的總壓降大小取決于各分離器本身的壓降及灰斗內(nèi)的竄氣情況，在本文的計算過程中，將四個芯管直徑均為96 mm分離器的工況設(shè)定為理想工況，并以相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行數(shù)據(jù)分析，由抽氣旋風分離器的壓降變化規(guī)律可知：當基準分離器排塵口氣量為負值時，分離器壓降降低，相應(yīng)地并聯(lián)結(jié)構(gòu)的總壓降將會降低。反之，總壓降升高。

圖20 三種結(jié)構(gòu)中分離器壓降分布圖

3 小 結(jié)

文章首先研究了單個旋風分離器內(nèi)的流場，以此為基礎(chǔ)對不同芯管直徑的差異旋風分離器并聯(lián)后的流場進行了研究，主要研究結(jié)論如下：

(1)芯管直徑對分離器速度分布和壓降均有明顯的影響。

(2)進氣室內(nèi)氣量不均勻分配且排塵口處氣體凈流量不為 0。

(3)并聯(lián)結(jié)構(gòu)中差異分離器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)強度趨于一致，軸向速度的大小則取決于底部竄氣的情況。提供竄氣的分離器，上行軸向速度減小，下行軸向速度增加，上下行流分界點內(nèi)移，對分離效率的提高有利；接收竄氣的分離器，上行軸向速度和上行流區(qū)域增加。

(4)差異分離器并聯(lián)后公共灰斗內(nèi)有明顯的竄流返混現(xiàn)象。接收竄氣的分離器其排塵口處靜壓較低。提供竄氣的分離器，其排塵口處有較強的氣流旋轉(zhuǎn)。竄氣氣流在公共灰斗內(nèi)繞中心旋轉(zhuǎn)的流動，流經(jīng)接收竄氣分離器的排塵口處時進入到分離器內(nèi)。氣流在公共灰斗內(nèi)的流動會導致已分離的顆粒隨旋轉(zhuǎn)氣流重新進入到接收竄氣的分離器內(nèi)，影響并聯(lián)結(jié)構(gòu)的整體效率。

(5)并聯(lián)結(jié)構(gòu)總壓降取決于分離器的壓降及公共灰斗內(nèi)的竄氣情況。