入口擋板對旋風(fēng)分離器內(nèi)流動(dòng)分布影響的試驗(yàn)研究

李永健，王建軍，金有海

（中國石油大學(xué)(華東)， 山東 東營 257061）

入口擋板對旋風(fēng)分離器內(nèi)流動(dòng)分布影響的試驗(yàn)研究

李永健，王建軍，金有海

（中國石油大學(xué)(華東)， 山東 東營 257061）

運(yùn)用七孔球探針對直切型旋風(fēng)分離器及入口加擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場的測量，并對其內(nèi)部流場進(jìn)行了研究，指出了隨擋板角度變化，流場的變化規(guī)律，結(jié)果表明隨擋板角度變大，切向速度提高，切向速度峰值位置沿徑向外移，下行流的軸向速度提高，上行流的軸向速度降低。

旋風(fēng)分離器； 入口擋板； 三維速度分布

旋風(fēng)分離器是石油化工裝置中一種重要的氣固分離設(shè)備。為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高分離器的分離效率，針對直切型旋風(fēng)分離器的入口結(jié)構(gòu)，添加了不同角度的擋板，并進(jìn)行了流場的實(shí)驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用七孔球探針對旋風(fēng)分離器內(nèi)全空間的三維流場進(jìn)行測定，七孔球探針經(jīng)風(fēng)洞標(biāo)定，可以測定3個(gè)時(shí)均速度分量與靜壓。

試驗(yàn)采用吸風(fēng)附壓操作，裝置簡圖見圖1 。

圖1 試驗(yàn)裝置簡圖Fig.1 Experimental setup

試驗(yàn)用直切型旋風(fēng)分離器如圖2所示，直徑360 mm，進(jìn)氣口尺寸177 mm×89 mm,升氣管直徑144 mm，直切進(jìn)口擋板豎直放置，擋板與進(jìn)口的左邊壁形成一定角度。旋風(fēng)分離器整體用有機(jī)玻璃制造，實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)考察直切入口處加擋板后與旋轉(zhuǎn)氣流的相互影響。

每個(gè)結(jié)構(gòu)的流場均控制在700 m3/h下的流量下測得，使之流量相同。

圖2 分離器簡圖Fig. 2 Cyclone separator

2 旋風(fēng)分離器流場分布特點(diǎn)

旋風(fēng)分離器空間可分為3個(gè)區(qū)域：上部環(huán)形空間，排氣芯管以下的分離空間及灰斗。圖3與圖4所示為典型的直切型分離器環(huán)形空間切向與軸向速度分布，圖5與圖6所示為分離空間切向與軸向速度分布。由圖可知，分離器氣流的走向?yàn)椋呵邢蜻M(jìn)入分離器的環(huán)形空間，沿筒體與錐體外側(cè)旋轉(zhuǎn)向下形成下行流；同時(shí)在筒體，特別是在錐體中心區(qū)域反轉(zhuǎn)向上形成上行流，進(jìn)入排氣芯管排出，另有少量的氣流要旋入灰斗后再反轉(zhuǎn)上升與上行流匯合。這是典型的有轉(zhuǎn)折的內(nèi)外旋流結(jié)構(gòu)，內(nèi)外旋流的旋轉(zhuǎn)方向是相同的[1-3]。

圖3 基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)環(huán)形空間切向速度分布Fig.3 Benchmark structure annular space tangential Velocity

圖4 基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)環(huán)形空間軸向速度分布Fig.4 Benchmark structure annular space axial velocity

圖5 基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)分離空間切向速度分布Fig.5 Benchmark structure separation space tangential velocity

圖6 基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)分離空間軸向速度分布Fig.6 Benchmark structure separation space axial velocity

在環(huán)形區(qū)的三維速度分布呈非軸對稱性。切向速度由器壁徑向向內(nèi)逐漸變大，在靠近排氣管外壁附近時(shí)，達(dá)最大值，達(dá)最大值后徑向向內(nèi)則有減小的趨勢。軸向速度絕大多數(shù)是向下的，但有個(gè)別處的軸向速度是向上的，這是一種環(huán)形空間的二次渦流，徑向速度的方向在不同時(shí)刻，可能向心，也可能離心，從試驗(yàn)來看，方向隨時(shí)間擺動(dòng)。

在排氣芯管以下的分離空間內(nèi)，切向速度的軸對稱性比較好，表現(xiàn)出強(qiáng)旋流的特點(diǎn)，軸向速度可分為上行流和下行流，上下行流分界點(diǎn)處的軸向速度為零，外側(cè)下行流區(qū)內(nèi)，沿徑向向外，軸向速度逐漸增大，內(nèi)側(cè)上行流區(qū)內(nèi)，沿徑向向內(nèi)，軸向速度逐漸增大，達(dá)最大值后又逐漸減小。緊鄰著環(huán)形空間的分離空間的第一個(gè)截面由于受到環(huán)形空間氣流的作用與下面的分離空間測得的速度趨勢略有不同，切向速度峰值位置沿徑向向外偏移。筒體部分的另外三個(gè)截面測得的切向速度曲線幾近重合，說明內(nèi)旋流與外旋流在分離空間內(nèi)沒有明顯衰減，峰值位置沒有明顯的偏移[4-5]。

3 加擋板后旋風(fēng)分離器流場分布特點(diǎn)及與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的對比

分別在入口處加 5°,7°,10°擋板，使氣流以一定角度向入口邊壁處運(yùn)動(dòng)，而不是平行于邊壁進(jìn)入分離器，由圖7與圖8可明顯看到在環(huán)形區(qū)的三維速度，在同一徑向位置上，切向速度的值有所增大，隨添加的擋板角度的不同，速度值的增大幅度有所不同，在z= 65 mm處，軸向速度在靠近邊壁處有明顯的上行流，依然存在二次渦流。

在排氣芯管以下的分離空間內(nèi)，流場分布最具規(guī)律性，由圖9可看到，切向速度沿徑向呈“駝峰”狀分布，切向速度隨著擋板角度的增加，切向速度最大值的徑向位置有外移的趨勢，添加10°擋板時(shí)尤為明顯，也就是擋板角度過大，會(huì)使外旋流由邊壁到切向速度峰值位置的范圍變小;

圖7 不同結(jié)構(gòu)環(huán)形空間切向速度對比Fig.7 Different structure annular space tangential velocity

圖8 不同結(jié)構(gòu)環(huán)形空間軸向速度對比Fig.8 Different structure annular space axial velocity

圖9 不同結(jié)構(gòu)分離空間切向速度對比Fig.9 Different structure separation space tangential velocity

另外切向速度值在同一流量下與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)相比也有較大的提高，由于擋板角度不同，切向速度幅值變化也會(huì)有所不同，幅值提高由大到小的結(jié)構(gòu)為10°擋板，7°擋板，5°擋板。

從軸向速度可看到（圖 10），下行流的軸向速度隨著擋板角度的增大，在同一徑向位置值也有所提高，角度越大，速度值提高越明顯，上行流的軸向速度隨著角度的增大，值是下降的，隨著角度的增大，下降也越明顯，而且上行流的峰值也隨著角度的增大而減小，峰值徑向位置也徑向向邊壁移動(dòng)。但軸向速度為零時(shí)的徑向位置沒有明顯變化，也就是上行流與下行流的分界位置沒有明顯變化。

圖10 不同結(jié)構(gòu)分離空間軸向速度對比Fig. 10 Different structure separation space axial velocity

4 結(jié) 論

（1）入口添加擋板后的切向速度分布與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)相比，切向速度提高，隨擋板角度增加，切向速度峰值位置徑向外移。

（2）入口添加擋板后的軸向速度分布與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)相比，下行流軸向速度提高，而上行流的軸向速度降低，上行流峰值位置徑向外移，上行流與下行流的分界位置沒有明顯變化。

[1] 王清華.旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].鍋爐技術(shù)，2007,38(2):5-9.

[2] 吳小林，姬忠禮，田彥輝，等.PV型旋風(fēng)分離器內(nèi)流場的試驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工) ，1997,13(3):93-99.

[3] 時(shí)鈞，汪家鼎，余國琮，等.化學(xué)工程手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996.

[4] [丹]A.C.霍夫曼，[美]L.E.斯坦因.旋風(fēng)分離器-原理、設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：41-49.

[5] 胡礫元，時(shí)銘顯.蝸殼式旋風(fēng)分離器全空間三維時(shí)均流場的結(jié)構(gòu)[J].化工學(xué)報(bào)，2003,54(4):549-556.

Experimental Research on Influence of Inlet Baffle on Flow Fields in Cyclone Separator

LI Yong-jian，WANG Jian-jun，JIN You-hai
(China University of Petroleum, Shandong Dongying 257061，China)

Flow fields in tangential type cyclone separators were measured by means of seven-hole pitot tube. The results indicate that ,with angle of baffle plate increases, the tangential velocity increases and peak of the tangential velocity moves outward along the radial direction, the axial speed of the downward flow increases and the axial velocity of the upward flow reduces .

Cyclone separator; Inlet baffle; Three-dimensional velocities

TE 624

A

1671-0460（2011）03-0311-03

2011-01-18

李永健（1982-），男，河北任丘人，中國石油大學(xué)(華東)在讀工程碩士。E-mail：liyongjian1982@hotmail.com，電話：0546-8391920。