并聯(lián)旋風(fēng)分離器分離性能的實驗研究

張愛琴　王興東　張建廣　盧竹青

摘 要：針對催化裂化三旋多管式旋風(fēng)分離器存在的整體效率偏低的問題，文章開展旋風(fēng)分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的嘗試，采用實驗的方法研究4臺切流式PV型旋風(fēng)分離器并聯(lián)后的分離性能。結(jié)果表明，并聯(lián)旋風(fēng)分離器的分離性能要高于單臺旋風(fēng)分離器，但仍存在著繼續(xù)改進(jìn)的空間。

關(guān)鍵詞：催化裂化三旋;PV型旋風(fēng)分離器;并聯(lián)旋風(fēng)分離器

中圖分類號：TQ053.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）04-0079-06

Abstract： In order to solve the low overall efficiency of third stage cyclone separators for FCC， this paper attempted to optimize the parallel structure of cyclone separators， and the research on separation performance of four tangential PV cyclone separators in parallel was carried out through the experiment. The results show that the separation performance of parallel cyclone separator is better than that of single cyclone separator， but there is still room for improvement.

Key words：? third stage separator for FCC ; PV cyclone separator ; parallel cyclone separator

在煉油廠催化裂化再生器能量回收裝置中，第三級旋風(fēng)分離器（以下簡稱三旋）主要用來回收煙氣中的顆粒，保證煙氣輪機的長周期運行。目前，我國主要使用的三旋有多管式、旋流式和布埃爾式3種，多管式絕大多數(shù)是軸流式并聯(lián)分離器。使用過程中，單個分離元件效率很高，但并聯(lián)后整體效率較低。主要是由于（1）部分單管分離器返混嚴(yán)重，導(dǎo)致分離器整體效率偏低;（2）單管入口氣速較大，磨損嚴(yán)重。由于氣體分布不均勻，使得某些單管的入口氣速偏大，更加劇了磨損;（3）單管的結(jié)垢嚴(yán)重;（4）膨脹節(jié)磨損較嚴(yán)重，且不易檢修 ;（5）多管式三旋一般單較多，由于焊接應(yīng)力及高溫時隔板的變形，使得每個單管的安裝精度較差。針對以上問題許多學(xué)者在改進(jìn)三旋結(jié)構(gòu)管上進(jìn)行了許多研究[1]。為探究影響并聯(lián)分離器性能的因素，本文采用選用4臺切流式PV型旋風(fēng)分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗，測試比較了單臺旋風(fēng)分離器性能與并聯(lián)旋風(fēng)分離器的分離性能。

1 實驗裝置

實驗裝置主要包括并聯(lián)分離器裝置和單臺分離器裝置，并聯(lián)分離器裝置如圖1所示。

實驗裝置由4臺直徑相同的分離器并聯(lián)組成，空氣由進(jìn)氣管進(jìn)入，加料器將粉塵顆粒均勻加入進(jìn)氣管，含塵氣體經(jīng)過一段進(jìn)氣管后進(jìn)入并聯(lián)分離器，被分離下來的灰塵進(jìn)入公共灰斗，清潔氣體進(jìn)入集氣室。在出氣管路中設(shè)置采樣裝置進(jìn)行采樣，出氣管路與風(fēng)機入口連接，風(fēng)機出口接袋式除塵器，整套裝置為負(fù)壓操作[2]，有利于加料及密封。

單臺分離器裝置如圖2所示。

裝置與并聯(lián)分離器裝置相似，只是沒有公共集氣室，并且將公共灰斗換成小灰斗。

單臺旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

其中，a為矩形入口高度，172 mm;b為矩形入口寬度，75 mm;dex為出口直徑，150 mm;dr為芯管直徑90、96、104 mm;D為筒體直徑，300 mm;Dh為灰斗高度，220 mm;Dt為料腿直徑，120 mm;H為分離器高度，1 850 mm;H1筒體高度，420 mm;H2為錐體高度，660 mm;H3為灰斗筒體高度，330 mm;H4為灰斗錐體高度，220 mm。

2 實驗內(nèi)容及方法

2.1 實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容主要為單臺分離器和并聯(lián)分離器的性能測試。單臺分離器性能測試主要包括不同芯管直徑的單分離器的性能測試;并聯(lián)分離器性能測試主要包括改4臺芯管直徑為96 mm的并聯(lián)分離器性能的因素。

考慮到顆粒的分離特性及實驗環(huán)境的影響，本實驗選用600目硅微粉（SiO2），此種顆粒在本實驗的旋風(fēng)分離器中分離效率不會太高，且硅微粉不易吸濕，同等條件下實驗環(huán)境對實驗結(jié)果的影響較小。顆粒大致服從對數(shù)正態(tài)分布，顆粒密度2 600 kg/m3，中位粒徑14.0μm，如圖4所示。

（1）單臺分離器性能測試。在實驗中由于制造誤差，每個分離器的入口尺寸與芯管的尺寸不盡相同。在實驗中注意調(diào)整芯管與分離器之間的匹配，盡量使每臺分離器流量Q-壓降 p曲線相差最小。在入口顆粒濃度為5 g/m3，入口氣速為13、16、18、20、22、25、30 m/s情況下加料進(jìn)行性能測試，測試參數(shù)為進(jìn)氣量、各點靜壓、分離器壓降及分離效率。

（2）并聯(lián)分離器性能測試。并聯(lián)分離器性能測試，入口濃度為5 g/m3，分離元件平均入口氣速為15、18、22、26 m/s。

2.2 實驗方法

考慮到氣固兩相的分布問題，在濃度較低時可使得并聯(lián)分離器入口氣固兩相的分布更均勻[3]，本實驗入口濃度采用5 g/m3。每次實驗，單臺分離器加料量為5 kg，并聯(lián)分離器加料量為20 kg，加料時間為40～60 min，氣速由高到低進(jìn)行實驗。為保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將環(huán)境因素的影響降至最低，同一結(jié)構(gòu)的性能曲線上的點均在1天內(nèi)完成。實驗過程中充分考慮到天氣情況，盡量選擇濕度較小的天氣進(jìn)行實驗。

3 測量參數(shù)及儀器B81FD38A-9D7F-4C4C-B2AE-FFE3109EC21C

在分離器性能測試中，主要測量參數(shù)為壓降和分離效率，入口管道中流量使用畢托管測量，顆粒濃度主要通過加料量與加料時間控制。

3.1 參數(shù)測量及計算

3.1.1 進(jìn)氣量

進(jìn)氣量用畢托管測量，畢托管的動靜壓用U型管測量。

畢托管測量點的氣體流速Vg：

設(shè)管道內(nèi)氣體處于湍流狀態(tài)，則通過管道的流量Qi：

另外，假設(shè)大氣為理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有：

實驗中旋風(fēng)分離器系統(tǒng)在負(fù)壓下操作，故Ps=Pa-ps，大氣壓力Pa=101 230 Pa，空氣的氣體常數(shù)R≈286 J/（kg·K），由此可推出氣體流量為：

其中：d為入口管道直徑，m;ts為大氣溫度，℃;ps為畢托管靜壓，Pa;Δh為畢托管動壓，Pa。

3.1.2 壓降

本實驗所有測點壓降均使用U型管測量，選用合適量程的U型管對測壓點進(jìn)行測量，測點布置如圖5所示。

3.1.3 入口濃度及加料時間

入口濃度Ci可由下式確定：

其中：t為加料時間，s;Gi為加料量，kg。

當(dāng)加料量和入口濃度已知時，可由上式求得加料時間：

3.1.4 分離效率

分離效率衡量旋風(fēng)分離器性能優(yōu)異程度的一個重要指標(biāo)。在本次實驗中，旋風(fēng)分離器的總效率均用稱重法測定，收料量及入口加料量均用電子秤稱量。

分離效率：

其中：Gc，Gi，分別為收料量和入口加料量，kg 。

3.2 儀器設(shè)備

本實驗中壓力、壓差采用U型管測量，人工讀取數(shù)據(jù)。加料通過雙螺桿加料器加料，加料及收料重量使用電子秤稱量。采樣裝置中流速使用轉(zhuǎn)子流量計測量及控制，采出樣品使用粒度分析儀測量其粒徑。實驗中提供風(fēng)量的設(shè)備為離心式風(fēng)機，風(fēng)機流量控制使用旁路調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)旁路閥門，控制裝置進(jìn)氣量。進(jìn)氣管流量使用畢托管測量，采樣裝置中使用真空泵提供負(fù)壓。

3.3 出口采樣

使用等速采樣器對出口進(jìn)行采樣，如圖6所示。

樣品粒度由激光粒度分析儀測定。實驗前先用蒸餾水將一級和二級沖擊瓶清洗干凈并裝入蒸餾水約150 mL，二級沖擊瓶后面接一個空瓶，用于緩沖氣體中所夾帶的水分。最后一級為干燥瓶，瓶內(nèi)裝無水乙醇用于干燥。

由于出口管管徑較小，本實驗采用單環(huán)單點采樣，采樣前先利用U型管標(biāo)定采樣點處的動壓頭，再進(jìn)一步計算采樣點氣速，通過換算后得到轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計以及真空表讀數(shù)來調(diào)節(jié)采樣速度。采樣結(jié)束后先關(guān)閉截止閥，再關(guān)閉真空泵，將一級和二級沖擊瓶內(nèi)的液體倒入一個干凈的空瓶內(nèi)，用于出口顆粒的粒度分析。出口采樣顆粒粒徑分布及入口顆粒粒徑分布由粒度分析儀得出，結(jié)合公式（8），可以得出粒級效率[4]，在粒級效率圖中讀出旋風(fēng)分離器的切割粒徑dc50。

式中： fin（δ）、 fc（δ）和 fe（δ）分別表示入口顆粒、捕集顆粒和逃逸顆粒中粒徑為δ的質(zhì)量分率，E為總效率。

4 結(jié)果分析

4.1 單臺旋風(fēng)分離器性能

首先對單臺分離器進(jìn)行實驗，為后續(xù)測試并聯(lián)分離器性能做準(zhǔn)備。實驗采用PV型旋風(fēng)分離器，入口截面比：KA=5.47。

單分離器性能實驗值如圖7所示。

隨著芯管直徑的增加，同一入口氣速下，分離器的阻力系數(shù)逐漸降低，效率逐漸升高，這是由于隨著芯管直徑的增加分離器內(nèi)部切向速度逐漸減小，導(dǎo)致分離器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)減弱，進(jìn)而造成分離器壓降減小。另一方面，由于分離器內(nèi)部旋流減弱，使得顆粒受到的離心力作用減小，分離效率降低[5]。

顆粒在旋風(fēng)分離器中分離時，推動力為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，阻力為流體的曳力。在分離的過程中還需要考慮短路流及返混[6]等因素，在最佳分離效率點之前，隨著氣速的增加，離心力增強，返混程度也增加，但離心力增強引起的效率增加大于返混及短路流引起的效率的減小，使得分離效率逐漸增加。當(dāng)入口氣速超過最佳效率點后，返混程度的增加大于離心力增加引起的效率增加，使得分離效率下降。

4.2 相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)性能

為探究并聯(lián)分離器性能，本文選取芯管直徑為96 mm的4臺旋風(fēng)分離器進(jìn)行并聯(lián)實驗，分析比較單臺分離器與并聯(lián)分離器性能的差異。由于實驗條件限制，單臺分離器最大氣速可達(dá)31 m/s，而并聯(lián)旋風(fēng)分離器的最大氣速為26 m/s。單臺分離器和并聯(lián)分離器實驗壓降結(jié)果如圖8所示。

圖中包括芯管直徑為96 mm的單分離器壓降、并聯(lián)分離器壓降以及使用ESD模型[7]計算出的單分離器壓降。

壓降公式如下：

單臺分離器阻力系數(shù)平均值為18.5，圖中曲線為ESD壓降模型所計算出的壓降。在ESD模型中，芯管為圓柱型芯管，但本實驗中所用的芯管為圓錐形芯管，上口徑和下口徑不同。前有學(xué)者研究已證實過，當(dāng)下口徑相同時，圓柱型芯管的壓降高于圓錐型芯管的壓降[8]。因此本論文ESD模型公式中所用芯管直徑為上口徑和下口徑的幾何平均數(shù)。經(jīng)過修正后的ESD模型和單分離器壓降的實驗值相吻合，如圖8所示。并聯(lián)旋風(fēng)分離器的壓降比單分離器壓降高，結(jié)合ESD模型，分離器內(nèi)部切向速度的大小直接影響到壓降。

本文對單分離器和并聯(lián)分離器的分離效率進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖9所示。

并聯(lián)分離器總效率高于單分離器效率。對于單臺分離器，效率曲線一般呈駝峰型，隨著入口氣速的增加，效率先增加再減少，這一規(guī)律已得到公認(rèn)[9]。在實驗條件的入口氣速下，并聯(lián)分離器的效率逐漸增加，隨著氣速的增加，并聯(lián)分離器的分離效率與單臺分離器的分離效率差距增加，并聯(lián)分離器隨氣速的增加呈單調(diào)遞增，是因其分離能力增加了，還是其他因素引起？

本文對等速采樣結(jié)果進(jìn)行了分析，得出單臺分離器和并聯(lián)分離器的切割粒徑，如表1所示。B81FD38A-9D7F-4C4C-B2AE-FFE3109EC21C

并聯(lián)分離器的切割粒徑和單臺分離器幾乎相同，但分離效率差別明顯，尤其在高氣速時。并聯(lián)分離器相對于單臺分離器來說，對于細(xì)粉的分離效率并未增加，但其分離效率卻比單臺分離器高很多。因此，并聯(lián)分離器性能的提高只能是并聯(lián)分離器內(nèi)部顆粒的返混程度降低。由于返混引起的大顆粒逃逸到出口管中，在粒級效率曲線中讀取切割粒徑時，基本不考慮逃逸的大顆粒。因此，導(dǎo)致并聯(lián)分離性能與單臺分離器切割粒徑相似，但分離性能相差較大。由此可見，并聯(lián)分離器中旋流強度增加，顆粒的返混程度降低，使得分離器效率高于單臺分離器。

單分離器分離效率呈駝峰曲線，主要是由于在高氣速下，顆粒的返混程度增加，導(dǎo)致效率降低。但并聯(lián)分離器的效率在實驗條件下呈上升趨勢，說明顆粒在并聯(lián)分離器中的返混程度得到了極大地抑制。

5 結(jié)語

結(jié)果表明，相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)時效率比單臺分離器高。然而，在生產(chǎn)使用中一般采用相同分離器進(jìn)行并聯(lián)，但有時考慮到返混等問題，經(jīng)常選用旋向不同的分離器交替排布。由于制造、安裝誤差以及使用中旋風(fēng)分離器的磨損和堵塞都使得并聯(lián)分離器中的單臺分離器性能不同。因此，很有必要對旋向和性能差異的旋風(fēng)分離器進(jìn)行并聯(lián)實驗研究。

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