基于PV型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗

姜淑鳳陳淑鑫陳建義

(1. 齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006； 2. 中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249)

旋風(fēng)分離器是一種常用的干式氣固分離設(shè)備，在石油化工、煤化工、電力環(huán)保等各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。在節(jié)能減排的大背景下，開發(fā)出能夠大幅度減小分離器壓降的新型旋風(fēng)分離器有著非常重要的意義。然而，截止目前所研究和開發(fā)的旋風(fēng)分離器都是從旋風(fēng)分離器高度、排氣管結(jié)構(gòu)、入口結(jié)構(gòu)、灰斗結(jié)構(gòu)等單方面入手[1-2]，導(dǎo)致改進(jìn)的分離器效率和壓降總是同時增大或減小，難以做到維持高效的同時減小壓降[3]。鑒于此，設(shè)計了一種新型旋風(fēng)分離器，綜合了旋風(fēng)分離器入口、排氣管、筒錐及灰斗等結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法，使之在保持高效率的同時能夠大幅度降低能耗，為開發(fā)新型旋風(fēng)分離器及推廣其工業(yè)應(yīng)用提供新的思路。

1 新型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

旋風(fēng)分離器的設(shè)計首先必須要解決選型的問題。由于在現(xiàn)有的絕大部分煉油廠流化催化裂化裝置上采用的是高效PV型旋風(fēng)分離器[4]，并且其設(shè)計和應(yīng)用較為成熟，性能的計算方法也較為完善，因此選則其作為新型分離器設(shè)計和對比試驗的基準(zhǔn)。

對于入口結(jié)構(gòu)，根據(jù)時銘顯等[5]提出的PV型旋風(fēng)分離器的設(shè)計方法，設(shè)計為矩形截面；為了增加顆粒在分離器內(nèi)的停留時間，設(shè)計為270 °蝸殼形式。并根據(jù)祝立萍[6]設(shè)計的進(jìn)口弧形導(dǎo)向板，能夠減小分離器的阻力損失；Lim等[7]在切流入口增加了一塊擋板，內(nèi)側(cè)引入潔凈氣流，提高分離器效率；沈恒根等[8]設(shè)計了對稱180 °蝸殼雙進(jìn)口的分離器，能夠增加旋流的對稱性和穩(wěn)定性，提高分離器效率。綜上研究得出入口結(jié)構(gòu)改進(jìn)的思路：在蝸殼式旋風(fēng)分離器入口中間增加一塊隔板，把入口氣流分割成2個部分，并且保證隔板按照一定的包角與分離器筒體相切，以增加進(jìn)氣的對稱性和旋流的穩(wěn)定性。

根據(jù)陳建義等[10]發(fā)明的PV-E型旋風(fēng)分離器得出思路，新設(shè)計了一種加長型的分流型排氣管。此種排氣管整體包含了漸擴(kuò)段、直筒段、二次漸擴(kuò)段和出口直筒段。在排氣管的筒體及錐體部分，沿圓周方向開有若干條狹縫，開縫角度為60 °，這些狹縫實(shí)際上起氣流通道作用，極大地增大了氣流的出口面積，因而可大幅度減小壓降。這種開縫的方向和排氣管外壁的切向呈一定角度，并與排氣管內(nèi)外氣流的旋轉(zhuǎn)方向相反，所以氣流是經(jīng)過急劇變向后才進(jìn)入狹縫的，這樣氣流中夾帶的顆粒因慣性能夠再次得到分離；并且由于內(nèi)旋流也具有較大的旋轉(zhuǎn)動能，因此能夠把夾帶進(jìn)入排氣管的塵粒從縫中二次離心分離出去，從而確保整體壓降大幅度減小的同時而分離效率不致下降。

對于分離器筒體及錐體高度，時銘顯[11]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)卦黾臃蛛x空間高度，能夠延長顆粒在分離器內(nèi)部的停留時間，使被卷吸到內(nèi)旋流的顆粒再次分離，提升整體的分離效率，因此，本文中的設(shè)計為加長型的筒錐結(jié)構(gòu)。并且，由于排氣管設(shè)計部分設(shè)計了加長型的分流型排氣管，也必須設(shè)計加長型的筒錐結(jié)構(gòu)與之匹配。

對于灰斗結(jié)構(gòu)，徐俊等[12]將灰斗的水平頂蓋改為錐形過渡段，能夠消除灰斗中的頂部灰環(huán)，提高效率。王成等[13]發(fā)現(xiàn)灰斗也存在最佳直徑和最佳高度，其對分離效率有一定的影響，因此，設(shè)計了含特定尺寸的帶錐形過渡段的灰斗結(jié)構(gòu)。

新型分離器的各個主要結(jié)構(gòu)的形式與基準(zhǔn)PV型的對比如表1所示。

表1 新型分離器主要結(jié)構(gòu)的形式與基準(zhǔn)PV型的對比

確定新型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式以后，在基準(zhǔn)PV型旋風(fēng)分離器的基礎(chǔ)上，將表1中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，就構(gòu)成了新型分離器。表2列出了基準(zhǔn)PV型與新型分離器的結(jié)構(gòu)尺寸。

表2 兩種分離器的結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)表2中的具體數(shù)值，設(shè)計出新型旋風(fēng)分離器，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 新型分離器的結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Structure dimension of new type of separator

實(shí)驗中需要實(shí)時測量空氣濕度與溫度，保證實(shí)驗在一個合適的環(huán)境中進(jìn)行。本文中采用干濕球溫度計來測定濕度與溫度，測量時需注意保證濕球浸泡在水中。

旋風(fēng)分離器的壓降與入口氣速用U形管壓差計測量。在旋風(fēng)分離器的入口、出口以及料腿位置都設(shè)有測壓點(diǎn)，所有測壓點(diǎn)的靜壓采用U形管壓差計測定(見圖2)，壓降為入口點(diǎn)靜壓與出口點(diǎn)靜壓之差。

2 實(shí)驗驗證

2.1 實(shí)驗裝置

為了研究不同結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器的分離效果，采用新型結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)PV型對比試驗的方法。并且，為了排除各種操作參數(shù)和粉料物性參數(shù)的影響，本實(shí)驗安排在操作條件完全相同時，用同一種粉料在同一時間完成2種分離器的對比實(shí)驗。實(shí)驗系統(tǒng)如圖2所示，主要由通風(fēng)系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、旋風(fēng)分離器模型和測試儀器儀表組成。

圖2 實(shí)驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental facility

2.2 實(shí)驗參數(shù)測量方法

為了研究新型結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器分離性能，采用滑石粉為實(shí)驗粉料，采用常溫負(fù)壓操作，測量并比較滑石粉在入口質(zhì)量濃度為10 g/m3，入口氣速分別為14.4、 17.6、 19.6、 21.4、 26.1 m/s時的分離效率和壓降值。

滑石粉顆粒的形狀是不規(guī)則非球形，用比重瓶測其顆粒密度為2 780 kg/m3。用Eyetech激光粒形粒度儀測定其球形度為0.76，中位徑為12.5 μm，粒徑分布如圖3所示。

采用標(biāo)準(zhǔn)畢托管測量入口氣速Vin，如圖4所示，需要經(jīng)過以下?lián)Q算得到最終的入口氣速。

畢托管測量點(diǎn)的氣體流速

(1)

式中：Δh為畢托管動壓，Pa；ρg為氣體密度，kg/m3。

圖3 滑石粉的粒度分布Fig.3 Particle size distribution of talcum

圖4 畢托管測速方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of velocity measurement method of pitot tube

設(shè)管道內(nèi)氣體處于湍流狀態(tài)，管道內(nèi)平均氣速與最大氣速Vg的比值一般為0.84～0.86，取平均值0.85，則通過管道的流量

(2)

式中d為入口管道直徑，m。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有

(3)

式中：Ts為絕對溫度，℃；ts為大氣溫度，℃。

實(shí)驗采用負(fù)壓操作，故Ps=Pa-ps，大氣壓力Pa=0.101 3 MPa，在常溫條件下，空氣的氣體常數(shù)R≈286 J/(kg·K)，則

(4)

式中：ps為畢托管靜壓，Pa。

通過Vin與Qin的關(guān)系可得入口氣速為

(5)

分離效率E由稱重法確定，

(6)

式中Gc、Gi分別為收料量和入口加料量，kg。

入口加料與最終收料質(zhì)量采用TSCALE電子秤，其量程為0～30 kg，精度為0.1 g。

2.3 實(shí)驗步驟

1)實(shí)驗前做好實(shí)驗準(zhǔn)備，檢查實(shí)驗裝置系統(tǒng)是否正常，用電子秤準(zhǔn)確稱量設(shè)定質(zhì)量的粉料，并采用實(shí)驗粉料對其進(jìn)行跑合。

2)記錄實(shí)驗環(huán)境的溫度、濕度，檢查測量系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

3)打開離心風(fēng)機(jī)，通過畢托管測試觀察調(diào)節(jié)閥門開度，使得入口氣速達(dá)到實(shí)驗值，通過U形管差壓計，讀取入口靜壓、 進(jìn)出口壓降及料腿壓降。

4)通過加料器將粉料連續(xù)、均勻地加入入口水平管道，開始進(jìn)行旋風(fēng)分離實(shí)驗。實(shí)驗中要保證在規(guī)定的時間內(nèi)將所有的實(shí)驗粉料連續(xù)、均勻地加入到旋風(fēng)分離器，待粉料全部加入到旋風(fēng)分離器內(nèi)后關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

5)待旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流完全消失，顆粒完全沉降下來后，打開收料斗收料，使用電子秤稱量粉料質(zhì)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 新型分離器優(yōu)化結(jié)果

新型與基準(zhǔn)PV分離器的實(shí)驗結(jié)果對比如圖5所示。對于壓降，新型分離器的壓降較基準(zhǔn)PV型分離器下降幅度明顯，并且隨著入口氣速的增加，這種下降的幅度也越來越大。在入口氣速為14.4 m/s時，壓降數(shù)值減小了550 Pa，降幅為31.25%；在實(shí)驗入口氣速最大為26.1 m/s時，此時壓降數(shù)值減小最多，為1 720 Pa，降幅為29.60%；而在這2個速度之間壓降的平均降幅為32.36%。

圖5 新型與基準(zhǔn)PV分離器實(shí)驗結(jié)果對比Fig.5 Experimental results of new separator and reference separator

新型分離器的效率開始略微低于基準(zhǔn)PV型分離器的效率，但是隨著入口氣速的增加，效率的差值也越來越小；待入口氣速大于18.2 m/s時，新型分離器的效率全部高于相同氣速下基準(zhǔn)PV型分離器的效率，并且隨著入口氣速的增加，效率的差值越來越大。在入口氣速為19.6 m/s時，新型分離器效率較基準(zhǔn)提高了約1.6%，效果非常明顯。

按照設(shè)計要求，分離器最重要的指標(biāo)是其最高效率點(diǎn)。由圖5可以看出，新型分離器的最高效率點(diǎn)對應(yīng)的入口氣速為19.4 m/s，對比基準(zhǔn)PV型分離器為17.6 m/s，所以在入口面積相同時，新型分離器的處理量明顯大于基準(zhǔn)PV型分離器。對于最高效率的具體數(shù)值，新型分離器的效率為95.5%，較基準(zhǔn)型降低了約0.1%，降低的數(shù)值非常小，因此可以認(rèn)為2種分離器效率相當(dāng)；同時在此入口氣速，新型分離器的壓降較基準(zhǔn)型降低了約1 390 Pa，降幅達(dá)到了34.33%。

綜合考慮新型分離器的壓降、效率可以看出，新型結(jié)構(gòu)相對基準(zhǔn)PV型分離器有著明顯的優(yōu)勢，能夠在保證分離器高效率的同時大幅度降低了分離器的壓降，并且能夠提升分離器的處理量，最終達(dá)到高效低阻的目的。

3.2 新型分離器優(yōu)化結(jié)果原因分析

通過以上實(shí)驗結(jié)果可以看出，新型分離器達(dá)到了高效低阻的目的，能夠在保證分離器有著高效率的同時大幅度的降低分離器的壓降，具體的原因分析如下：

1)首先設(shè)計了一種加長型的分流型排氣管。這種分流型排氣管整體包括了上端直筒段和下端錐體段，并且在排氣管的筒體及錐體部分，沿圓周方向開有若干條縱向狹縫。這些狹縫實(shí)際上起到了氣流通道的作用，極大地增大了氣流的出口面積，使氣流的整體出口面積變?yōu)閮H排氣管底端開口時的6.2倍，使分離器內(nèi)的軸向速度降低了很多，進(jìn)而減小了氣流在分離器內(nèi)部的動能損失，因而可以大幅度減小壓降[14-15]。

排氣管外壁開縫的方向和切向呈60 °，并與分離器內(nèi)部氣流的旋轉(zhuǎn)方向相反，如圖6所示，所以氣流在進(jìn)入狹縫之前必定會急劇變向，這樣氣流中原來夾帶的顆粒就會因慣性再次被分離而難以進(jìn)入狹縫；并且內(nèi)旋流由于也具有較大的旋轉(zhuǎn)動能，因此能夠把夾帶進(jìn)入排氣管的塵粒從縫中二次離心分離出去[16]，從而確保整體壓降大幅度降低的同時而分離效率不致下降。

圖6 排氣管縫隙示意圖Fig.6 The diagram of gap in diverged vortex finder

2)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計的入口結(jié)構(gòu)形式采用270 °的蝸殼矩形入口形式，并在分離器入口中間增加了一塊隔板。此設(shè)計能夠增大氣流的入口動量矩[17]，并且能減小入口來流與回轉(zhuǎn)氣流的相互擠壓作用和混摻現(xiàn)象，減弱分離器頂部環(huán)形空間的短路流，也縮短了內(nèi)側(cè)塵粒達(dá)到器壁的時間。而且更加均勻的進(jìn)氣方式增強(qiáng)了分離空間流場的對稱性及底部旋流的穩(wěn)定性，抑制了錐體段的擺尾現(xiàn)象和底部的竄流返混，故此，新的入口結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠提升分離器的效率。

3)設(shè)計了頂部有錐型過渡段的灰斗，削弱了灰斗頂部的上灰環(huán)[18]，因此能夠減弱灰斗中氣流的返混夾帶，提升分離效率。

4)設(shè)計了加長型的筒體和錐體結(jié)構(gòu)，使之與加長型的分流型排氣管相匹配。筒體和錐體的增長能夠增加分離空間的高度，因此能夠延長顆粒在分離器內(nèi)部的停留時間，并且分離空間的增長能夠增加自然旋風(fēng)長度，使被卷吸到內(nèi)旋流的顆粒再次分離，能夠提升分離器的分離效率[19]。

4 結(jié)論

為了減小分離器壓降，同時保證分離效率不降低，設(shè)計了一種新型的旋風(fēng)分離器。新型分離器采用了弧形導(dǎo)流板分隔進(jìn)氣的入口結(jié)構(gòu)、分流型排氣的出口結(jié)構(gòu)、加長型的筒體和錐體的結(jié)構(gòu)，有錐頂過渡段的灰斗結(jié)構(gòu)。

通過與基準(zhǔn)PV型旋風(fēng)分離器的對比試驗，以及對新型分離器中具體結(jié)構(gòu)部分的分析，可以得出如下結(jié)論：

1)對于直徑為的新型分離器，能夠大幅度的地減小分離器的壓降，平均降幅約為32.36%。隨著入口氣速的增加，新型分離器較基準(zhǔn)PV型分離器壓降減小的幅度越來越大。

2)相較于基準(zhǔn)PV型分離器，新型分離器的分離效率曲線更為平緩，因此有更好的操作彈性。隨著入口氣速的增加，整體效率先增加再減小。入口氣速大于18.2 m/s時，新型分離器的效率高于相同氣速下基準(zhǔn)PV型分離器的效率，且隨著入口氣速的增加，效率的差值也越來越大；如在入口氣速為19.6 m/s時，新型分離器效率較基準(zhǔn)提高了約1.6%。

3)新型分離器的最高效率點(diǎn)對應(yīng)的入口氣速為19.4 m/s，對比基準(zhǔn)PV型為17.6 m/s，所以在入口面積相同時，新型分離器的處理量明顯大于基準(zhǔn)PV型分離器。對于最高效率的具體數(shù)值，新型分離器的效率為95.5%，較基準(zhǔn)降低了約0.1%，降低數(shù)值非常小，因此認(rèn)為2種分離器效率相當(dāng)。

綜上所述，在一般的工業(yè)運(yùn)用場合，新型分離器能夠在大幅度降低分離器壓降的同時，保證分離器有95%左右的高效率，且能提升分離器的處理量，具有良好的操作彈性，因此擁有廣泛的應(yīng)用前景。