新型旋风分离器的试验研究与流场分析

摘 要 文章针对高温高压的条件对传统旋风分离器入口结构进行改进，提出了圆柱形径向插入、端面加导流板结构的新型旋风分离器结构。由冷态模型下对超细滑石粉和FCC催化剂颗粒的分离效率-压降对比试验结果表明，新型旋风分离器入口结构强度性能优良，虽然对超细粉料分离性能略有不足，但对大颗粒粉料的分离性能接近传统直切入口旋风分离器，可以满足要求。并且数值流场模拟结果表明，分离器压降与实验结果相一致。

关键词 旋风分离器；结构强度；分离性能；高温高压

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0011-01

旋风分离器由于其结构简单、无运动部件、成本低、效率高且阻力适中等优点，已在全国石油催化裂化装置中广泛应用。传统的旋风分离器一般为切向矩形进口的异形结构，不能承受较高的压力与温度，使用的气体操作压力一般小于0.2 MPa。若将旋风分离器推广应用于粉煤流化床气化、石油化工等过程中更高压力的气体净化处理，为保证分离器的设备强度，尚须对现有的旋风分离器结构再作一些修改，以适应高温、高压工况对设备强度的要求。目前常用的处理方法是在角接处进行局部加强，如采用加强筋保护角焊缝，然而这种角焊缝加强的效果难以进行计算，工程上只能凭经验进行设计。这样，矩形入口结构在高温高压条件下存在制造成本高，投资大的问题。对于催化反应过程中所用旋风分离器的性能与设计，国内外许多研究者已经进行了大量的研究，已趋成熟。但对煤气化、煤燃烧所用高温加压旋风分离器的运行性能研究仅停留在常温常压理论和少数实验的水平。

1 新型旋风分离器的结构特征

工业上常用的旋风分离器一般为矩形切向入口，为了加强旋风分离器的结构性能，本文提出了一种新型的旋风分离器结构。由圆形入口代替矩形入口，将入口切向进气改为径向进气，并在端部设一导流板，具体为入口采用径向圆柱形式，将入口圆柱形管路伸入筒体部分沿轴线竖直方向切去一半在端部设置一导流板，使进入的含尘气体沿旋风分离器筒壁旋转，以实现气固分离。

新型入口结构的提出对旋风分离器承压能力的提高起到非常重要的作用。圆形入口结构代替传统的矩形入口，避免了入口结构的尖角，有效减少应力集中的影响。入口位置由传统的边侧移到筒体中部，沿径向插入到筒体内，这使整个筒体部分受力更平衡。在此考察不同入口形式对分离效果的影响，入口分为水平开放式（入口端部与导流板间没有任何约束）、水平约束式（入口上下端部与导流板间附有平板约束气流流向）和倾斜约束式（将水平约束式绕入口中心线旋转10°）三种。

2 冷模试验及结果

旋风分离器最重要的两个参数为效率和压降，为此，本文将新型入口旋风分离器与传统直切旋风分离器进行试验对比。两种旋风分离器主体尺寸相同，旋风分离器的筒体均为Φ300 mm，进气口截面积均等于150×50 mm，排气管与筒体直径比为dr=0.4，排气管插深都与入口下端平齐，锥体及灰斗采用统一尺寸结构。本文在除入口结构外所有尺寸都相同的条件下考察新型旋风分离器入口对分离性能的影响。

试验在常温下进行，试验中一种粉料为800目滑石粉，密度为2700 kg/m3，中位粒径D（50）=9.8 μm；另一种为FCC催化剂，密度为1247 kg/m3，中位粒径D（50）=69 μm。试验装置采用吸风式负压操作，流量用标准皮托管测量，风量通过阀门调节，压降用U型管压差计测量，效率通过定量加尘、收尘及称重的方法测定，电子磅称的最小刻度为0.5 g，每次加料量为500 g，效率的试验误差不超过0.1%，试验中分离器入口气体含尘浓度保持不变，控制在10 g/m3。

根据实验结果，在采用超细颗粒800目滑石粉作为试验物料的情况下，入口未加约束时，径向插入旋风分离器相比直切入口旋风分离器的压降要低，有利于降低能耗，但是效率也随之降低，与直切式旋风分离器相差5%左右，分离效果不够理想，但是压降大幅减小，节省了能耗；当径向插入旋风分离器入口加约束时，其分离效率升高，压降也有一定程度的增大，但分离效率仍和直切式旋风分离器相差较大。因此入口的水平约束与倾斜约束对分离器分离性能的影响甚微，压降和分离效率几乎一致。

在采用较大颗粒FCC催化剂颗粒作为试验粉料的情况下，试验结果发现径向插入结构的旋风分离器相比直切入口旋风分离器在对大颗粒的FCC催化剂分离效率相差不到0.6%，但压降却能降低30%左右，故新型入口旋风分离器对于大颗粒粉尘的分离能够达到理想的要求，并能大幅度的降低能耗。

因此采用径向插入的旋风分离器，在对细颗粒的分离上虽不理想，但对大颗粒的分离却与直切的旋风分离器相差甚小，并且能较大幅度的降低能耗，故径向插入的旋风分离器在结构强度增加的情况下，对大颗粒分离的减阻上是可取的。

3 数值模拟计算及结果

目前随着计算流体力学的发展和商用软件的应用普及，对强旋流动的模拟已经达到一定的精度。本文对新型入口结构旋风分离器和直切入口旋风分离器采用FLUENT6.1计算流体力学软件提供的RSM模型对三维气相流场行了模拟，分析研究了不同入口对旋风分离器整体流场及压降的影响。

两模型在网格划分时采取了结构化网格的划分方法，两个模型的网格数均为19万个。采用雷诺应力模型模拟旋风分离器内非稳态不可压缩湍流流动，使用有限体积法建立离散方程，采用QUICK差分格式和SIMPLE算法求解控制方程，入口气流为常温状态的空气，入口速度按实验值给定，即Vi=20m/s。壁面边界条件采用无滑移条件，出口设定为压力出口。

根据模拟结果，旋风分离器内流场是复杂的三维强旋转湍流流场。两种分离器分离空间的切向速度分布的轴对称性较好，由内外两层旋流组成，外部为准自由涡，内部为准强制涡。在筒体及锥体段，两种分离器内外旋流分界位置基本相同，整体上看新型入口旋风分离器比直切型旋风分离器切向速度低，这也是新型旋风分离器对细小颗粒捕捉能力差和压降低的一个原因，与实验结果相吻合。轴向速度沿径向存在一个方向的转变点，其速度值为0，将分离空间的轴向速度总体上都可分为外部下行流区和中心上行流区。因此模拟结果表明，两种旋风分离器压降模拟结果与实验结果相一致，新型入口旋风分离器压降小更为节能。

4 结论

新型旋风分离器入口结构的提出是对高温高压旋风分离器入口结构改进的尝试，该新型旋风分离器的圆形入口没有直角，能有效地减少矩形入口带来的应力集中；入口由传统的边侧移到了筒体的中部，这样使筒体在承受压力的时候受到的应力更加均匀；新型旋风分离器在对FCC催化剂为代表的大颗粒粉尘的分离试验中收到了良好的效果，在大幅降低压降的同时，效率与传统直切入口旋风结构差不到0.6%，满足了高温煤气化等工艺的要求。

参考文献

[1]孙国刚，李双权，杨淑霞，等.高温高压旋风分离器的性能及其应用[J].中国石油大学学报（自然科学版），2006：98-101.