旋風分離器升氣管外壁結(jié)焦厚度對分離器性能及后續(xù)結(jié)焦影響

宋健斐　趙建鵬　魏耀東

摘 要：以煉廠常用的PV型旋風分離器為研究對象，通過增加升氣管壁厚的方法模擬結(jié)焦厚度增長，考察升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加對旋風分離器分離性能、流場及后續(xù)結(jié)焦情況的影響。結(jié)果表明：隨著結(jié)焦厚度增加，旋風分離器壓降小幅度降低但分離效率明顯降低；隨著結(jié)焦厚度增加，旋風分離器環(huán)形空間的切向速度逐漸減小，軸向速度逐漸增大，升氣管入口處的短路流逐漸增加；旋風分離器筒體段和錐體段的切向速度和軸向速度變化不明顯；此外升氣管外壁結(jié)焦厚度增加一方面會減小環(huán)形空間流體微元的向心加速度，進而減小顆粒向壁面黏附的幾率，另一方面會增強對已黏附顆粒的清除作用，抑制結(jié)焦厚度的進一步增長。

關(guān)鍵詞：旋風分離器； 結(jié)焦厚度； 分離效率； 壓降； 流場

中圖分類號：TQ 051.8 文獻標志碼：A

引用格式： 宋健斐，趙建鵬，魏耀東.旋風分離器升氣管外壁結(jié)焦厚度對分離器性能及后續(xù)結(jié)焦影響 ［J］. 中國石油大學學報（自然科學版），2023，47（2）：145-152.

SONG Jianfei， ZHAO Jianpeng， WEI Yaodong. Influence of coking thickness of outer wall of cyclone separator vortex finder on separator performance and subsequent coking ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2023，47（2）：145-152.

Influence of coking thickness of outer wall of cyclone separator vortex finder on separator performance and subsequent coking

SONG Jianfei1，2，? ZHAO Jianpeng1，2， WEI Yaodong1，2

（1.College of Mechanical and Transportation Engineering in China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China；

2.Beijing Key Laboratory of Process Fluid Filtration and Separation， Beijing 102249， China）

Abstract： Taking the PV type cyclone commonly used in refineries as the research object， the increase of the coking thickness was simulated by increasing the wall thickness of the vortex finder. Then the effect of increasing the coking thickness on the outer wall of the vortex finder on the separation performance， flow field and subsequent coking of the cyclone was investigated. The results show that the pressure drop decreases slightly but the separation efficiency of the cyclone separator decreases obviously with the increase of the coking thickness. With the increase of the coking thickness， the tangential velocity in the annular space of the cyclone decreases gradually， the axial velocity increases gradually， and the short circuit flow at the entrance of the vortex finder gradually increases. The tangential and axial velocities in the cyclone barrel and cone section do not change significantly. On one hand， the increase of the coking thickness on the outer wall of the vortex finder will reduce the centripetal acceleration of the fluid micro-element in the annular space， thereby reducing the probability of particles adhering to the wall. On the other hand， it will enhance the removal of the adhered particles and inhibit further growth of the coke thickness.

Keywords： cyclone separator; coke thickness; separation efficiency; pressure drop; flow field

催化裂化（fluid catalytic cracking， FCC）裝置是將重油加工為高附加值輕質(zhì)油品的煉油裝置，生產(chǎn)了市場上近70%的汽油、30%的柴油和30%的丙烯。據(jù)統(tǒng)計中國FCC裝置非計劃停工事故中約67%是由沉降器結(jié)焦引起［1］。一次停工清焦搶修的直接經(jīng)濟損失達百萬元，間接損失可超千萬元。其中旋風分離器升氣管外壁結(jié)焦的危害最為嚴重，此處焦塊質(zhì)地堅硬，脫落后會堵塞料腿或卡住翼閥，輕則分離器失效，重則整個催化劑循壞回路堵塞，導致裝置被迫停工［2-4］。宏觀上升氣管外壁0°附近的焦塊表面光滑，帶有氣流沖刷所造成的溝槽，180°后的焦塊呈凹凸不平的尖牙狀，微觀上則表現(xiàn)為相互重疊的滴狀物，其中夾雜著細小的催化劑顆粒［5-17］。此外升氣管外壁的結(jié)焦厚度通常維持在一定值，并非無限制增長［18-19］。魏耀東等［20-21］認為分離器環(huán)形空間的有效流動空間會隨著升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加而減小，進而導致切向速度變大，對焦層的沖刷力變大，限制了結(jié)焦厚度的進一步增長。李杰等［22］采用數(shù)值模擬方法研究了升氣管壁面厚度對旋風分離器分離特性的影響，發(fā)現(xiàn)升氣管壁厚的增加會使旋風分離器筒體段和錐體段的切向速度依次減小，軸向速度依次增大，壓降依次減小，切割粒徑依次增大，分離效率依次減小，對分離器的分離性能造成負面影響。旋風分離器內(nèi)部氣相流場隨升氣管外壁結(jié)焦厚度的變化規(guī)律對于研究旋風分離器分離性能變化以及后續(xù)的結(jié)焦情況有著重要意義。筆者以煉廠常用的PV型旋風分離器為研究對象，采用增加升氣管壁面厚度的方法模擬結(jié)焦厚度的增長（保持升氣管內(nèi)徑不變），在試驗中獲得4種不同結(jié)焦厚度下旋風分離器的壓降和分離效率；同時采用數(shù)值模擬方法建立4種旋風分離器的仿真模型，得到升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加對旋風分離器流場分布的影響。

1 試驗部分

1.1 材 料

采用滑石粉作為試驗中的粉塵顆粒，其粒徑分布和中位粒徑由Mastersizer2000激光粒度分析儀測定，粒度分布見圖1，試驗所用氣體為常溫常壓狀態(tài)下的空氣。

1.2 試驗設(shè)備與分析儀器

試驗裝置系統(tǒng)如圖2所示，主要由分離設(shè)備、加塵系統(tǒng)和負壓動力系統(tǒng)組成。其中負壓動力系統(tǒng)由風機和電機組成，分離設(shè)備為標準PV型蝸殼式旋風分離器。旋風分離器的結(jié)構(gòu)尺寸見圖2（圖中，db、H1、H2和H3分別為灰斗直徑、筒體高度、錐體高度和灰斗高度），其筒體直徑D為300 mm，升氣管內(nèi)徑dr為96 mm，升氣管壁厚為5 mm，結(jié)焦厚度t分別為0、10、20、30 mm，a和b分別為176和84 mm，db、H1、H2和H3分別為210、430、660和230 mm。

1.3 試驗方法

所有試驗均以空氣為氣體介質(zhì)，采用常溫負壓操作。開通風機后調(diào)節(jié)管路閥門控制風量，用皮托管測定氣體流速，用U型管測壓計測量壓降，通過調(diào)節(jié)單位時間加料量和加料時間控制入口顆粒濃度，加料完成后，分離效率用稱重法測量。

2 模擬部分

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸及網(wǎng)格劃分

用ANSYS-ICEM對旋風分離器的流體域進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，選擇旋風分離器的最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)約為56×104，4種升氣管的物理模型對比如圖3所示。分別于Z為-88，-200，-400，-760 mm（頂板處Z=0，向上為正）處取橫截面S1、S2、S3、S4，如圖2所示。

2.2 計算模型與邊界條件

旋風分離器內(nèi)流場為三維強旋湍流流場，極其復(fù)雜。雷諾應(yīng)力模型（RSM）能很好預(yù)測旋風分離器內(nèi)強旋流場［23-25］。因此以標準狀況下空氣作為介質(zhì)，采用RSM模型模擬旋風分離器內(nèi)氣相流場。氣相入口邊界條件為入口速度vin=20 m/s的速度入口，升氣管出口設(shè)置為Outflow，經(jīng)計算取湍流強度為3.6%、水力直徑為121.5 mm，壁面采用無滑移邊界條件，近壁網(wǎng)格采用標準壁面函數(shù)進行處理。采用PRESTO?。╬ressure staggering option）方法處理壓力梯度項，QUICK差分格式計算動量方程、湍動能方程和湍流耗散率方程，用SIMPLEC算法計算壓力速度耦合，時間步長為1×10-4 s，殘差為1×10-5。

3 結(jié)果與討論

3.1 升氣管外壁結(jié)焦厚度對分離性能影響

3.1.1 結(jié)焦厚度對壓降影響

采用試驗和模擬相結(jié)合的方法考察了入口氣速為20 m/s，入口顆粒質(zhì)量濃度為10 g/m3時不同升氣管外壁結(jié)焦厚度分離器的壓降。圖4為試驗與模擬中旋風分離器壓降隨結(jié)焦厚度的變化曲線。由圖4可知：隨著升氣管外壁結(jié)焦厚度由0增加到30 mm，試驗中分離器的壓降由6.400 kPa降低到6.300 kPa，降低了1.56%;模擬中分離器的壓降由6.455 kPa降低為6.440 kPa，降低了0.23%?？梢娚龤夤芡獗诮Y(jié)焦厚度的增加會使分離器的壓降稍有降低。兩條曲線變化趨勢一致，但模擬值略高于試驗值，這是因為壓降是由分離器入口靜壓減去出口靜壓所得，模擬中二者均為面平均靜壓值，試驗中所測得的出口靜壓為出口管道內(nèi)近壁側(cè)測點的靜壓，一般高于面平均值。

3.1.2 結(jié)焦厚度對分離效率影響

采用試驗方法考察了兩種入口氣速條件下入口顆粒質(zhì)量濃度為10 g/m3時，不同升氣管外壁結(jié)焦厚度分離器的分離效率見圖5。由圖5可知：兩條曲線的變化趨勢相同，隨著結(jié)焦厚度由0增加到30 mm，入口氣速為20 m/s旋風分離器的分離效率由97.93%減小到95.43%，減小了2.5%；入口氣速為15 m/s旋風分離器的分離效率由95.68%減小到93.05%，減小了2.6%?？梢娚龤夤芡獗诮Y(jié)焦厚度增加會使分離器的分離效率明顯降低，并對分離器的分離性能產(chǎn)生不利影響。

導致旋風分離器分離效率減小的因素有很多，其中最主要的是切向速度和軸向速度。旋風分離器的切割粒徑x50是指被捕集概率為50%的顆粒粒徑，是旋風分離器分離性能的重要量度。切割粒徑越小，分離器的分離效率越高。根據(jù)平衡軌道模型［26］，旋風分離器的切割粒徑可以表示為

式中，ρp為顆粒密度，kg/m3;vt為切向速度，m/s；vr為徑向速度分量，m/s;μ為空氣黏度，Pa·s。

由式（1）可知，分離器的分離效率與切向速度呈正相關(guān)。圖6為4種旋風分離器不同截面處0°～180°方向的切向速度?？梢姴煌蛛x器的切向速度變化趨勢基本一致，升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加并未引起曲線形狀的改變。如圖6（a）所示，隨著結(jié)焦厚度從0增加到30 mm，分離器環(huán)形空間的最大切向速度由52.45 m/s減小至41.18 m/s，減小了21.5%。如圖6（b）、（c）和（d）所示，隨結(jié)焦厚度增加，分離器筒體段和錐體段的切向速度均有小幅度減小。由此可知，升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加會降低分離器的切向速度，使分離器的切割粒徑增大，進而降低分離器的分離效率。

根據(jù)停留時間模型，旋風分離器的切割粒徑又可表示為

式中，Ns為顆粒旋轉(zhuǎn)運動到旋風分離器底部的旋轉(zhuǎn)圈數(shù);ρ為流體密度，kg/m3。

軸向速度越大，顆粒旋轉(zhuǎn)運動到旋風分離器底部的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)越小，進而導致分離器的切割粒徑越大，分離效率越低。圖7為4種旋風分離器不同截面處0° ～180°方向直線上的軸向速度對比?？梢姴煌蛛x器的軸向速度變化趨勢基本一致，升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加并未引起曲線形狀的改變。如圖7（a）所示，分離器環(huán)形空間的內(nèi)旋流為上行流，呈“M”型，外旋流軸向速度為下行流，呈先急劇增加又緩慢減小的趨勢。隨著結(jié)焦厚度由0增加到30 mm，環(huán)形空間內(nèi)旋流軸向速度顯著增加，外旋流最大軸向速度由-4.89 m/s增加到-5.84 m/s，增加了19.43%。如圖7（b）、（c）和（d）所示，隨著結(jié)焦厚度增加，分離器筒體段和錐體段的外旋流下行軸向速度小幅增加。由此可知，升氣管外壁結(jié)焦厚度增加會提高分離器的軸向速度，進而降低分離器的分離效率。

3.1.3 結(jié)焦厚度對短路流影響

基于下降流量法［27］統(tǒng)計了結(jié)焦厚度為0和30 mm兩種情況下從升氣管入口h=0處至筒體h=100 mm處的軸向下行流量，如圖8所示。可見隨著軸向位置降低，下行流量也隨之減少。下行流量曲線存在明顯的“分界點”，且旋風分離器升氣管外壁的結(jié)焦厚度會對“分界點”的軸向位置產(chǎn)生影響。結(jié)焦厚度為0時，軸向下行流量的“分界點”為（28，0.24），此時分離器的短路流為0.056 1 m3/s；結(jié)焦厚度為30 mm時，軸向下行流量的“分界點”為（40，0.22），此時分離器的短路流為0.071 5 m3/s，相比于結(jié)焦厚度為0時短路流增加了27.45%。短路流的增加會導致更多的顆粒從升氣管入口“逃逸”，進而降低分離效率。

3.2 升氣管外壁結(jié)焦厚度對后續(xù)結(jié)焦情況影響

3.2.1 顆粒向壁面的運輸過程

對于旋風分離器環(huán)形空間的一個流體微元，離心力是由靜壓梯度所產(chǎn)生的一個力（壓力梯度力）來平衡的，壓力梯度力的方向指向旋轉(zhuǎn)軸，二者合力產(chǎn)生向心加速度，維持流體微元作圓周運動，即

式中，ξ為向心加速度，m/s2；dpdr為靜壓梯度，Pa/m。

圖9為旋風分離器環(huán)形空間S1截面180°方向的切向速度和靜壓梯度隨升氣管外壁結(jié)焦厚度的變化曲線（r/R為數(shù)據(jù)點至升氣管外壁結(jié)焦表面的無量綱距離），可見二者均呈先增加后減小的變化趨勢，理論上靜壓梯度與相應(yīng)切向速度的平方成正比。取二者的最大值為例計算相應(yīng)流體微元的向心加速度，隨著升氣管外壁結(jié)焦厚度從0增加到30 mm，流體微元的向心加速度從28 512 m/s2降低到12 624 m/s2，降低了55.72%。由此可知，結(jié)焦厚度增加會大幅降低環(huán)形空間流體微元的向心加速度，導致相同條件下顆粒受到的向心加速度大幅減小，進而使顆粒進入分離器升氣管近壁側(cè)“滯流層”的難度大大增加，減小了顆粒的進入幾率。“滯流層”內(nèi)有著較低的切向速度，為結(jié)焦物的縮合反應(yīng)提供環(huán)境，顆粒進入“滯流層”的幾率越小，越有利于抑制結(jié)焦厚度增長。

3.2.2 顆粒黏附的空氣動力學模型

進入“滯流層”的結(jié)焦物顆粒與升氣管外壁接觸后會受到壁面（或結(jié)焦表面）施加的黏附力Fad、靜壓梯度施加的壓差力Fp、氣流施加的剪切力Ft和慣性提升力FL。假設(shè)研究范圍內(nèi)流體為不可壓縮連續(xù)介質(zhì)，且為定常的均勻?qū)恿髁鲃?；黏附在表面的顆粒為球形且速度為0；顆粒在邊界層內(nèi)受到剪切流作用；顆粒產(chǎn)生的變形量相對于其半徑來說很小；顆粒的重力相對而言很小，可忽略不計。基于這些假設(shè)可建立如圖10所示的空氣動力學模型［28］：

環(huán)形空間靜壓梯度在徑向方向施加給顆粒的壓差力為

式中，δx為切向速度增加至vtx的法向距離，m;Δp為δx處與壁面處的壓力差，Pa;dp為顆粒粒徑，μm。

在式（3）～（9）中取ρ=1.205 kg/m3，μ=18.1×10-6 kg/（m·s） （標準狀況下空氣的物性參數(shù)［29］），dp=2 μm，a0/rp=0.01（可得lt=0.999 95rp，rp為顆粒半徑），代入得到不同結(jié)焦厚度下顆粒受到的壓差力、剪切力、慣性提升力以及顆粒達到平衡狀態(tài)時所需要的黏附力。

圖11（a）和（b）分別為流體施加給顆粒的剪切力和慣性提升力，由式（5）和（6）可知二者均與流體的切向速度梯度成正比。如圖9（a）所示，隨升氣管外壁結(jié)焦厚度增加，環(huán)形空間流體的最大切向速度逐漸減小，但是近壁側(cè)流體的切向速度梯度卻逐漸增大，故黏附在表面的顆粒受到的剪切力和慣性提升力隨著結(jié)焦厚度增加而增加，說明環(huán)形空間流體對顆粒的清除作用也隨著結(jié)焦厚度增加而增強。圖11（c）為壓力梯度施加給顆粒的壓差力，由式（4）可知其與靜壓梯度成正比。如圖9（b）所示，隨升氣管外壁結(jié)焦厚度增加，環(huán)形空間近壁側(cè)的靜壓梯度逐漸減小，故黏附在表面的顆粒受到的壓差力隨著結(jié)焦厚度增加而減小，說明環(huán)形空間靜壓梯度對顆粒的壓實作用也隨著結(jié)焦厚度增加而減弱。在剪切力、慣性提升力和壓差力的共同作用下，黏附在表面的顆粒在達到平衡狀態(tài)時所需的黏附力隨焦層厚度的增加而增加，如圖11（d）所示。

綜上所述，升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加會改變環(huán)形空間的流場，一方面減小了流體微元的向心加速度，導致顆粒向升氣管外壁的黏附幾率變小；另一方面改變了黏附在壁面的顆粒的受力狀態(tài)，即使顆粒到達壁面，也更容易在流場的清除作用下離開壁面，使得結(jié)焦厚度維持在一定數(shù)值，以上分析合理解釋了工業(yè)FCC裝置中旋風分離器升氣管外壁的結(jié)焦厚度總是保持一定數(shù)值的原因。

4 結(jié) 論

（1）分離器的壓降隨升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加而小幅降低，降低幅度約為1.56%。

（2）分離器升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加降低了環(huán)形空間流體的切向速度，提高了環(huán)形空間流體的軸向速度，增加了短路流，進而使得分離器的分離效率明顯降低，約為2.5%。

（3）分離器升氣管外壁結(jié)焦厚度增加會減小流體微元的向心加速度，進而降低結(jié)焦物顆粒進入升氣管近壁側(cè)“滯流層”的幾率，對于抑制結(jié)焦有積極作用。

（4）進入“滯流層”與壁面相接觸的結(jié)焦物顆粒因黏附力的作用黏附于壁面，隨著升氣管外壁結(jié)焦厚度的增加，環(huán)形空間流場對顆粒的清除作用逐漸增強，致使結(jié)焦厚度維持在一定數(shù)值。

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（編輯 沈玉英）

收稿日期：2022-06-08

基金項目：國家自然科學基金項目（22178382）

第一作者及通信作者：宋健斐（1979-），女，副教授，博士，研究方向為多相流理論與分離技術(shù)。E-mail：songjf@cup.edu.cn。