側(cè)縫抽氣對多管式分離器性能和流場的影響

韓柏，劉永飛，金有海

（1揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580）

抽氣是一種依靠從排料口抽取少量氣體以達(dá)到優(yōu)化分離器性能的手段。催化裂化三旋用逆流反轉(zhuǎn)式分離器通過抽氣減小了錐體內(nèi)帶來返混夾帶的軸向速度，增加了錐體內(nèi)切向速度，減小了排氣芯管下的短路流，優(yōu)化了流場，提高了分離效率[1]。對蝸殼式分離器進(jìn)行抽氣可以減少分離器負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓中心上移，減少壁面粒子夾帶，同時延長了氣流向下旋轉(zhuǎn)的距離，抑制了旋轉(zhuǎn)氣流向上的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，降低了夾帶[2]。對于環(huán)隙排料的直流式分離器，抽氣可以減小排氣口的匯流，從而減少了已經(jīng)沉降下來的顆粒重新分散到氣流中[3]。可以看出，抽氣對于很多分離器都有改善流場、增加分離效率的作用。但是，國內(nèi)外對于側(cè)縫排液的多管直流式分離器研究很少，對于多管直流式分離器的側(cè)縫抽氣更是沒有系統(tǒng)的研究。本文從實驗和流場兩個角度出發(fā)，對多管直流式分離器的側(cè)縫抽氣進(jìn)行詳細(xì)的研究，為工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置與流程

實驗裝置流程圖如圖1所示，來自螺桿壓縮機(jī)的高壓氣流和螺桿泵從計量水池里抽出的水在雙流體噴嘴處匯合并產(chǎn)生霧化液滴。在引風(fēng)機(jī)的作用下，霧化液滴和大氣作為氣液混合相一塊進(jìn)入多管直流式分離器本體。進(jìn)入分離器后，一部分液滴在進(jìn)氣室內(nèi)慣性分離下來，其余液滴隨氣流進(jìn)入6個旋風(fēng)單管進(jìn)行旋風(fēng)分離。在導(dǎo)流葉片的作用下，液滴被甩到旋風(fēng)單管的邊壁，然后從旋流單管環(huán)形空間四周的四條側(cè)縫排出到集液室，最后分離下來的液體沿著收液管進(jìn)入收液室 1，開始慣性碰撞分離下來的液體進(jìn)入收液室2。

圖1 實驗流程圖

圖2 抽氣口示意圖（單位：mm）

整個實驗裝置是在負(fù)壓環(huán)境下操作。螺桿泵配有無級變速電動機(jī)，可以調(diào)節(jié)螺桿泵的流量；風(fēng)機(jī)連接有變頻器，可以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)氣體流量。實驗中通過將收液室1和排氣管路連接在一起來實現(xiàn)抽氣操作，如圖2所示。抽氣量通過調(diào)節(jié)連接管路上的閥門來實現(xiàn)。

1.2 測量方法

實驗中的風(fēng)量通過畢托管系統(tǒng)測出，液相流量通過計量桶測出，相關(guān)質(zhì)量通過電子稱測出。

為了排除蒸發(fā)帶來的影響，本實驗采用空氣-NaCl水溶液作為氣液兩相，用氯離子的摩爾數(shù)來計算分離效率。本實驗單獨考察抽氣對旋風(fēng)管的影響，所以單獨計算6個旋風(fēng)管的效率。

效率計算公式如式（1）。

考慮到加入少許氯化鈉對水的密度影響不大，式（1）中假定鹽水的密度與水密度相同。式中，m2為旋風(fēng)管分離收集氯化鈉溶液質(zhì)量g；C2為旋風(fēng)管分離收集氯化鈉溶液中氯離子的濃度 g/m3；m1為進(jìn)氣室分離收集氯化鈉溶液質(zhì)量g；C1為進(jìn)氣室分離收集氯化鈉溶液中氯離子的濃度g/m3；m0為進(jìn)口鹽水質(zhì)量g；C0為進(jìn)口鹽水中氯離子的濃度g/m3。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 阻力特性

如圖3所示，為抽氣前后旋風(fēng)管的阻力特性曲線。從曲線中可以看出，抽氣對旋風(fēng)管的壓降影響很小。這主要是因為，葉片處氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度是旋風(fēng)管壓降的主要原因，而抽氣后葉片處的氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度幾乎沒有變化。

圖3 抽氣與不抽氣的阻力特性曲線對比（1 mmH2O=9.80665 Pa）

2.2 性能實驗

本實驗得出了單管風(fēng)量分別為 210 m3/h、240 m3/h、275 m3/h、300 m3/h時抽氣對多管式分離器旋風(fēng)管分離效率的影響曲線，并比較了不同抽氣率對分離效率的影響，如圖4所示。

比較4個不同風(fēng)量下抽氣對多管直流式分離器效率隨著入口濃度的變化曲線不難發(fā)現(xiàn)，4組曲線有著相同的規(guī)律。

（1）在相對較低的濃度區(qū)域范圍內(nèi)，抽氣可有效增加多管直流式分離器效率；且抽氣率越大，分離效率增加越明顯，如氣量為210 m3/h、濃度為20 g/m3時，抽氣量為 0、2.5%、5%對應(yīng)分離效率為88%、90%、93%。

（2）抽氣后，多管直流式分離器效率曲線在一定入口濃度值處出現(xiàn)了效率的下降現(xiàn)象。

（3）單管風(fēng)量越大，多管直流式分離器性能曲線出現(xiàn)下降對應(yīng)的入口濃度值就越大。

圖4 抽氣對效率的影響

考慮到抽氣對于逆流反轉(zhuǎn)式分離器、蝸殼式分離器、環(huán)隙排料的直流式分離器性能的影響情況，最可能使性能曲線出現(xiàn)以上變化的原因是抽氣對于流場的影響。為了具體考察抽氣對于分離空間內(nèi)流場產(chǎn)生的影響，本文對直流式分離管進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

3 數(shù)值模擬

為了進(jìn)一步考察抽氣對直流式分離器分離空間流場的影響規(guī)律。本文采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行進(jìn)一步的研究[7-8]。

3.1 模型簡介

對模型進(jìn)行簡化，本模型是在直流式單管側(cè)縫周圍加一個圓環(huán)腔，在腔下面開兩個口作為抽氣口，如圖5所示。直流單管內(nèi)徑100 mm，長385 mm；排氣管內(nèi)徑80 mm，長300 mm；4條漸擴(kuò)銳縫均布在分離管上，側(cè)縫長度為 150 mm。湍流模型采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）。

圖5 直流式單管排液側(cè)縫結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

（1）建模 運用Gambit進(jìn)行建模，下導(dǎo)流錐尖所在平面中心為坐標(biāo)原點，Z軸沿筒體軸線向上為正。排氣管段壁厚度為 3 mm，分離管段壁厚度取為 5 mm。考慮到模型的復(fù)雜性和形狀的不規(guī)則性以及數(shù)值計算的精度，對于本模型的不同區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格總數(shù)169067，最大網(wǎng)格質(zhì)量為0.835491，小于0.97，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.8的網(wǎng)格所占百分比約為 0.01%，網(wǎng)格質(zhì)量較高。單管網(wǎng)格模型如圖 6所示。

（2）邊界條件設(shè)定

①入口邊界條件 流體為常態(tài)的空氣，流場數(shù)值計算從進(jìn)口截面開始，進(jìn)口邊界類型采用速度進(jìn)口（VELOCITY-INLET），空氣流量Q=300 m3/h，即 Uin=10.62 m/s，密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.7894×10?5kg/(m·s)，水力直徑 d=10 m。則雷諾數(shù)Re、湍流強(qiáng)度Ii可分別通過式（2）、式（3）計算。

圖6 直流式單管建模

經(jīng)計算，Re=7.26×104，Ii=3.949%。

②出口邊界條件 出口邊界選擇目前應(yīng)用廣泛的流動出口（OUTFLOW）。

③壁面條件 導(dǎo)流葉片、導(dǎo)流錐、分離管、排氣管等邊壁設(shè)為壁面（WALL），按照無滑移條件處理。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

如圖7～圖9為分離空間側(cè)縫上沿水平面上的三維速度在抽氣前后的變化情況。從圖中可以看出，從分離空間到排氣管因為匯流而產(chǎn)生的向心徑向速度減小；自由渦區(qū)域切向速度增大，切向速度峰值處也略有增大；軸向上行流速度減小。

直流式分離器的分離理論是飛行時間模型[4-6]，即看在一定時間內(nèi)顆粒是否能被收集下來。經(jīng)過葉片后，自由渦區(qū)域的液滴濃度要遠(yuǎn)高于管中心區(qū)域的液滴濃度，抽氣后自由渦區(qū)域的切向速度增大有利于提高液滴所受離心力，減少液滴飛行到壁面的時間；同時，軸向上行流速度抽氣后有所減小，增加了液滴在分離空間內(nèi)的停留時間。從飛行時間模型看，這兩方面都是有利于液滴的分離。向心的徑向速度抽氣后有所減小，這就減小了邊壁附近液滴重新被吹到中心并被氣流帶走的可能性。因此，從分離空間內(nèi)三維速度方面看抽氣有利于液滴分離。

圖7 抽氣對徑向速度的影響

圖8 抽氣對切向速度的影響

圖9 抽氣對軸向速度的影響

從實驗數(shù)據(jù)可知，在每個流量下的低濃度區(qū)域，抽氣增加分離效率，但是在高濃度區(qū)域，效率曲線隨著濃度的增大出現(xiàn)了下降現(xiàn)象。這由兩方面原因造成：第一，邊壁附近的切向速度增大，導(dǎo)致液膜處速度梯度增大，氣流對液膜的剪切力增大，或者說液膜的運動速度增大；第二，濃度的增高使得分離下來的液量大大增加，液膜厚度增加。表征液膜活躍程度的液膜雷諾數(shù)跟液膜運動速度和液膜厚度有關(guān)，抽氣后液膜活躍程度增高，效率下降由液膜夾帶引起。

4 結(jié) 論

（1）抽氣后，每個流量下低濃度區(qū)域的效率上升；高濃度區(qū)域出現(xiàn)了液膜夾帶，效率下降明顯。

（2）抽氣使旋流器的最佳性能區(qū)間減小，操作彈性減小。

（3）抽氣后向心徑向速度減小；自由渦區(qū)域切向速度增大，切向速度峰值處也略有增大；軸向上行流速度減小。

（4）一方面抽氣改善了流場，有利于分離；另一方面抽氣使得液膜夾帶更容易發(fā)生，降低了直流式分離器的操作彈性。

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