張愛琴,王興東
(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710089; 2.中國石油天然氣管道局, 河北 廊坊 065000)
催化裂化旋分式三旋摒棄了多管式三旋內(nèi)部復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu),采用簡單高效的PV型旋風(fēng)分離器,大大地降低了制造安裝的難度和投資成本。從流場研究的結(jié)果來看,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合和匹配,新型旋分式三旋能有效地克服旋風(fēng)分離器并聯(lián)使用后的進(jìn)氣不均勻性、公共灰斗內(nèi)竄流返混等共性的問題。其內(nèi)部特殊的結(jié)構(gòu)形式,使得并聯(lián)旋風(fēng)分離器分離空間內(nèi)的分離能力有所提高,改善了灰斗及料腿內(nèi)的流場對稱性,大大地提高的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的整體分離效率,應(yīng)用前景較為廣闊。然而在實際生產(chǎn)中,由于旋風(fēng)分離器存在著制造誤差及磨損、堵塞等問題,并聯(lián)結(jié)構(gòu)中單臺旋風(fēng)分離器性能存在著差異,導(dǎo)致并聯(lián)旋風(fēng)分離器處于不等壓降狀態(tài)工作,嚴(yán)重地影響了其整體效率。針對此問題,文章采用不同芯管直徑的旋風(fēng)分離器并聯(lián)來模擬實際工況中不等壓降的旋風(fēng)分離器并聯(lián),研究了差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)的分離性能。
實驗裝置如圖1所示,主要包括4臺并聯(lián)的PV型旋風(fēng)分離器、公共集氣室、公共灰斗、加料器、風(fēng)機(jī)、進(jìn)氣管以及測量儀器設(shè)備。工作時為負(fù)壓操作。
實驗入口濃度采用5 g/m3,并聯(lián)分離器加料量為20 kg,加料時間為40~60 min。采用兩臺風(fēng)機(jī)同時送風(fēng),氣速由高到低進(jìn)行實驗。充分考慮環(huán)境因素對實驗結(jié)果的影響,盡可能地保障實驗數(shù)據(jù)的可對比性。實驗主要考察不同芯管直徑差異的差異旋風(fēng)分離器、不同旋向的旋風(fēng)分離器并聯(lián)的分離效率、壓降、粒級效率等性能指標(biāo)。
研究過程采用不同芯管直徑的差異旋風(fēng)分離器并聯(lián),模擬實際并聯(lián)結(jié)構(gòu)中旋風(fēng)分離器不等壓降運行的工況,選取r1和r2兩種并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。r1為4臺芯管直徑de為96 mm的旋風(fēng)分離器并聯(lián),r2為兩臺芯管直徑de為96 mm的旋風(fēng)分離器、一臺芯管直徑de為90 mm的旋風(fēng)分離器、一臺芯管直徑de為104的旋風(fēng)分離器并聯(lián),兩種排布均為全左旋,如圖2所示。
不等壓降工況運行的旋風(fēng)分離器并聯(lián)后,公共灰斗內(nèi)會發(fā)生竄流現(xiàn)象[2]。竄流作用是雙向的,對于接受氣流的旋風(fēng)分離器,由于灰斗內(nèi)的氣流進(jìn)入料腿,一方面引起返混,另一方面會使渦核的擺動增強(qiáng),均會降低其分離效率。對于給予氣流的旋風(fēng)分離器,由于氣流從料腿內(nèi)流入灰斗,相當(dāng)于增加了底部抽氣,有利于其分離效率的提高。差異分離器并聯(lián)時以上兩種效應(yīng)均存在,然而由于并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的單個旋風(fēng)分離器很難達(dá)到最佳工況點,所以,一般認(rèn)為差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)的整體效率較低。
芯管直徑差異分離器并聯(lián)實驗結(jié)果如圖3所示,相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)時分離效率E高于差異分離器并聯(lián)時的分離效率,且阻力系數(shù)ζ較??;切割粒徑結(jié)果及粒級效率如圖4所示,相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)時,切割粒徑dc50較小,粒級效率η較高,分離性能較好。分析主要是由于差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)時,一是由于單個分離元件很難同時達(dá)到最佳工作點,也就是最高效率點,使得整體的并聯(lián)效率較低。二是由于差異分離并聯(lián)時公共灰斗內(nèi)竄流效應(yīng)較大,造成公共灰斗以及分離器料腿流動較為復(fù)雜,很容易將已經(jīng)分離下來的顆粒返混至中心向上氣流區(qū),導(dǎo)致并聯(lián)結(jié)構(gòu)的總體效率降低。
圖3 分離效率E與阻力系數(shù)ξ
圖4 切割粒徑dc50和粒級效率η
本節(jié)主要針對旋向不同的并聯(lián)分離器進(jìn)行分析。如圖5所示,兩種排布均為4個芯管直徑de為96 mm的分離器并聯(lián),不同之處在于旋風(fēng)分離器的旋向不同。全左旋排布記為r1-L,左右旋交替排布記為r3-LR。
圖5 旋向差異并聯(lián)分離器
旋向不同的并聯(lián)旋風(fēng)分離器分離性能的實驗結(jié)果如圖6所示,全左旋排布的并聯(lián)分離器效率E優(yōu)于左右旋排布,阻力系數(shù)ζ較大。說明全左旋排布的并聯(lián)旋風(fēng)分離器內(nèi)部旋流較強(qiáng),對分離比較有利。采樣結(jié)果如圖7所示,左右旋的切割粒徑dc50大于全左旋,且粒級效率η較小,表明全左旋排布分離效率高于左右旋排布,且全左旋排布時對細(xì)粉的分離能力更強(qiáng)。但左右旋排布時在高氣速工況下能夠顯著降低并聯(lián)分離器壓降。
圖6 并聯(lián)分離器效率E及阻力系數(shù)ζ
圖7 切割粒徑dc50和粒級效率η
前期對公用灰斗內(nèi)流場的數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。全左旋分離器并聯(lián)時,在公共灰斗內(nèi)四個旋渦組成一個旋流較強(qiáng)的大旋渦,流動的穩(wěn)定性提高,降低了公共灰斗內(nèi)的竄流返混,使得分離效率提高。而左右旋并聯(lián)分離器中,四個旋渦相互制約性不強(qiáng),分離元件渦核的穩(wěn)定性較低。由于全左旋并聯(lián)分離器灰斗中大旋渦的存在,被分離的顆粒沿料腿進(jìn)入灰斗后會跟隨氣體的流動,在離心力作用下,進(jìn)一步向灰斗邊壁移動,減少被分離顆粒再次進(jìn)入料腿的概率,有利于分離。
圖8 并聯(lián)分離器公共灰斗內(nèi)排塵口截面速度矢量圖
(1)全左旋排布時并聯(lián)旋風(fēng)分離器的整體效率高于左右旋排布,阻力系數(shù)也較大;
(2)芯管直徑差異旋風(fēng)分離器并聯(lián)效率低于相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)性能,但阻力系數(shù)大于相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)。因此在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)該最大程度地弱化避單個旋風(fēng)分離器的差異。