旋风分离器分离性能的数值模拟与分析

以XLPB-5.0和XCX-5.0两种旋风分离器为原型,采用CFD软件对这两种旋风分离器进行了流场与分离效率的数值模拟,初步探讨了入口蜗壳形式与芯管结构对分离效率的影响。模拟结果显示:旋风分离器内流场呈各向异性分布特点,切向速度是影响分离效率的首要因素,径向速度的存在会造成"流场短路"现象,使轴向速度呈不对称分布,导致分离效率的降低。轴向速度与径向速度的共同作用促使颗粒在旋风分离器内做螺旋运动;XLPB-5.0和XCX-5.0的分离效率分别为92.55%和94.96%,与实验结果基本吻合,且不同芯管参数下XCX型的分离效率比XLPB型高;螺旋式入口蜗壳(XCX-5.0型)对旋风分离器上部流场的影响相比直流式入口蜗壳(XLPB-5.0型)复杂;对于两种旋风分离器,随着芯管直径的增大,分离效率逐渐变小;随着芯管深度的增大,分离效率先增大后减小。     

旋风分离器入口结构影响的研究现状与进展

综述了近年来关于入口结构包括入口结构类型、入口截面形状以及入口下倾角度等对旋风分离器性能影响的研究。认为不同的入口结构参数设计对旋风分离器的性能及能耗有较大影响;随着入口数量增多,分离器压降降低,分离效率先升高后减少,双进口分离器的性能较优。入口截面形状采用倒三角形有利于提高分离效率,但压力损失增加;对于矩形入口旋风分离器,增大高宽比有利于提高分离效率,但也会增大压力损失。随着入口截面角的增加,压力损失降低,分离效率先升高后减小,存在有最优的入口截面角;螺旋下倾角能够改善旋风分离器的分离性能,降低压力损失并有效减少上灰环现象的发生。     

天然气脱蜡旋风分离器分离效率的模拟

旋风分离器分离效率高,不易堵塞,用于天然气脱蜡效果显著。通过CFD软件Fluent模拟CYG-S型天然气脱蜡旋风分离器的两相流场,得到了旋风分离器内的压力、切向速度、轴向速度分布。对比了不同入口速度下的模拟与理论计算的分割粒径x50,发现具有很好的吻合度,两相模拟有一定的可靠性。结果表明：在旋风分离器锥段底部靠近壁面处的石蜡液滴质量浓度较高;随着进口流量的增加,旋风分离器分离效率提高,当进口流量为1000 m3/h时,x50可以达到5.3 μm;大粒径液滴的分离效果明显,但在所研究的进口流量范围内,进口流量的变化不能明显地影响粒径小于5 μm液滴的分离效率;柱段和锥段长度的增加使得旋风分离器的整体长度增加,延长了液滴在旋风分离器内的停留时间,提高了旋风分离器的分离效率。     

轴对称进口回转通道对旋风分离器分离特性影响的研究

针对单进口旋风分离器内气流轴不对称问题,将单进口旋风分离器入口方式改造为轴对称型回转通道形式（即采用双进口与单进口等长通道长度的新型切向进气方式）,从旋风分离器的进风量、入口含尘量及阻力损失等方面,分析了轴对称型进口回转通道对旋风分离器分离特性的影响。分级分离效率的试验与计算结果表明,新型旋风分离器的分离性能不仅优于单进口,而且稍优于Ｓｔａｉｒｍａｎｄ高效旋风分离器     

竖直转折入口结构旋风分离器流场模拟

采用雷诺应力模型（Reynolds Stress Model,RSM）对在竖直方向带转折入口烟道结构分离器气相流场进行数值模拟,采用拉格朗日法追踪了分离器内颗粒的运动轨迹。结果表明：分离器气固流场与已有试验结果基本吻合;在相同入口面积下,在竖直方向上带有转折烟道结构旋风分离器B的效率比传统直段入口结构旋风分离器A的分离效率更高,同时分离器B的压降更大。分离器B的转折烟道结构可使入射颗粒在分离器B筒体入口具有向下的速度分量,利于提高分离效率。     

高入口浓度下PV型旋风分离器的分离效率计算

基于Muschelknautz 分离模型,以PV型旋风分离器为对象,针对高入口浓度的分离效率的计算,将旋风分离器分离空间的气固分离过程划分为2个区域,提出了串级分离模型。当入口浓度大于临界入口浓度时,旋风分离器内有器壁附近的颗粒支配区和中心区域的气体支配区。颗粒支配区内颗粒速度大于气体速度,颗粒夹带气体沿器壁螺旋下行进入灰斗被全部捕集,形成了颗粒的一级分离;气体支配区内气体速度大于颗粒速度,气体携带颗粒做旋转运动进行离心分离过程,形成了颗粒的二级分离。旋风分离器总的气固分离过程是一级分离和二级分离的叠加。通过高入口浓度的实验对串级分离模型进行了验证,基于串级分离模型给出的PV型旋风分离器的分离效率与实测值较吻合。研究表明旋风分离器临界入口浓度对总效率的计算影响较大。串级分离计算模型包含了结构参数和气、固相物性等参数,具有很好的通用性,可以满足PV型旋风分离器的工程计算和设计要求。     

差异旋风分离器并联性能测量及流场分析

通过改变旋向和芯管直径,设计了3种差异旋风分离器,并按中心对称方式组成了3种并联方案:相同分离器、旋向差异分离器和芯管差异分离器并联。在冷态实验装置上,测量了单分离器和并联分离器的性能,并利用FLUENT软件分析了并联分离器的流场。结果表明,并联分离器的效率均高于单分离器,且效率-气速曲线未出现"驼峰";与相同分离器并联相比,旋向交替变化时并联总压降较小,分离效率也更低,但各分离器流量分配均匀,未发现"窜流"现象;当芯管有差异时,并联总压降增大,各分离器进口流量分配不均匀,且进、出口流量平均相差6.0%,公共灰斗中存在"窜流",旋流稳定性变差,效率降低。为了保证并联分离器的性能,应采用相同分离器对称并联的方式。     

径向入口结构的旋风分离器内三维流场的数值研究

采用雷诺应力模型(RSM)对径向入口结构的旋风分离器内气相流场进行了数值模拟。不同于传统的切向入口结构,径向入口设计使得新型旋风分离器在保证较高分离效率的同时更能适应高压下的作业,且降低了工程焊接难度。通过模拟结果与实验值的对比发现,RSM模型能很好地预测新型旋风分离器内部气相流场,且模拟结果表明:旋风分离器内部流场呈现非轴对称性,主要表现为沿轴向气流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合,且在分离空间内各轴截面出现具有周期性的摆动涡核。分离空间内切向速度场以0.8倍升气管直径为边界,呈现自由涡与强制涡结合的兰金涡形式,随着入口角度和升气管直径比(dr=dr/D)的减小,切向速度增大,内外旋流区也随之变化。此外,升气管内切向速度呈"U"形分布,由于速度分布中心不断发生变化,亦存在摆动涡核且摆动频率较分离空间的大。     

基于Muschelknautz模型的旋风分离器分离性能分析

基于旋风分离器设计计算的Muschelknautz模型和工业现场回转窑窑尾排放烟尘粒径数据,从理论角度分析了旋风分离器设备本体结构、气流入口截面尺寸及气流温度等因素对气固分离效率所产生的影响。综合施工周期、施工难度等因素,采取将入口截面积缩小39%,优化流道结构来消除紊流等改造措施,最终将旋风分离器收尘效率提高10%以上,同时出口烟尘颗粒累积分布粒度降低10.00μm以上,达到了预期效果。     

低入口浓度下微旋风分离器的试验研究

设计了公称直径75mm的微旋风分离器,在低入口浓度下对其进行试验研究.结果表明,该微旋风分离器的分离效率随着流量的增加先上升后下降,并随入口浓度的增加而上升,在雾滴平均粒径为31 μm、流量为56Nm3/h、入口浓度为12.4mg/L时,分离效率在78.3％以上,适用于加氢裂化工艺中循环氢的脱硫处理.笔者根据实验数据还...     

Effects of the Inlet Section Angle on the Flow Field of a Cyclone

The gas flow fields of a cyclone with different inlet section angles have been studied numerically. The gas flow fields were simulated by means of the Reynolds Stress Transport Model (RSTM). The velocities and pressure drop profiles of these cyclones were investigated. The shortcut flow rates at the bottom of the vortex finder were calculated with different inlet section angles. To analyze the relationship between the inlet section angle and the vortex finder insertion deepness, this paper details the shortcut flow rates at the bottom of the vortex finder for three vortex finder insertion depths. The results indicate that the inlet section angle can decrease the shortcut flow from the bottom of the vortex finder, which has practical importance for the improvement of the separation efficiency. The inlet section angle can also decrease the pressure coefficient of a cyclone. When the inlet section angle is 45 °, the level of decrease is up to 30 %. However, the effect of the inlet section angle on the separation performance is related to the dimension of the vortex finder, i.e., the insertion depth and diameter of the vortex finder, and the effect is different when the cyclone has different vortex finder insertion depths.     

CFB用旋风分离器内气相流场的数值研究

采用RSM非稳态湍流模型对循环流化床锅炉用旋风分离器内气相流场进行了数值模拟。计算值与实验值比较吻合。数值计算的结果表明:排气管下口存在明显的短路流,排尘口附近存在明显的返混现象;排气管直径增加,分离空间切向速度值降低,上行流轴向速度减小。用CFD方法计算的旋风分离器内流场可为高效CFB锅炉用旋风分离器的设计提供参考依据。     

单、双进口对旋风分离器升气管外壁结焦影响的数模分析

利用数值模拟技术,对比考察了旋风分离器采用轴对称双进口和单边切向进口时升气管外壁附近及环形空间的静压和切向速度分布,分析比较这两种进口形式下升气管外切向剪切力和径向压力梯度力对升气管外壁结焦物沉积与积累的影响。结果表明,双入口分离器升气管近壁环向顺、逆压梯度区范围均小于单进口分离器,切向速度沿环向变化不明显,近壁低速易沉积区范围小,且不容易出现油气及催化剂的回流和滞留区,能有效抑制结焦物的沉积;双进口分离器升气管近壁区的平均剪切力比单进口分离器大30%以上,而平均径向压力梯度力比单进口分离器约小17%,能一定程度上削减结焦层厚度,抑制结焦物积累的能力强于单进口。轴对称双进口旋风分离器升气管外壁结焦的倾向将明显小于单切向进口的旋风分离器。     

柱状旋流分离器零轴速面分布特性模拟分析

采用雷诺应力模型对柱状旋流分离器气相流场中的零轴速包络面分布进行了数值模拟分析,考察了旋流不稳定性、流速以及结构参数变化对其分布的影响。指出由于分离器旋转流动不稳定性的固有存在,零轴速边界在整个分离空间会呈非轴对称的扭曲状态;在研究速度范围内,流场处于自模化区,分离器运动相似,入口速度变化对零轴速边界的分布影响不大;升气管直径与入口面积对升气管入口区域的零轴速边界分布影响较大,随升气管直径的减小和入口面积的增大,零轴速边界逐渐收缩。远离升气管入口区域,升气管直径与入口面积的影响减弱,零轴速边界宽度逐渐增大,并趋于一致;使流场趋于稳定的升气管直径与入口面积,截面零轴速边界会保持较好的圆度。     

双循环旋风分离器除尘机理的数值模拟

双循环旋风分离器通过将主进口设置在筒体中部,将顶部进气口设置为回流口,消除了进气口附近的二次流,避免了短路流,将大于3μm颗粒的分离效率提高至接近100%,并避免了少量11—15μm颗粒的短路逃逸。为了探索该设备的除尘机理,借助CFD软件,通过数值模拟研究的方式,辅助分析了2种进气口在分离性能上不同,传统旋风分离器不能完全分离3—8μm和11—15μm颗粒的机理,以及消除二次流的方法。计算结果表明:当回流气速低于主进气速时,会产生类似于顶端进气口的现象,即二次流、灰环和短路流,降低了小于6μm颗粒的分离效率。当回流气速略大于主进气速时,可以完全消除主进气口附近的二次流,使得所有粒径颗粒的分离效率都较高。模拟结果与实验结果从定性的角度符合较好。     

分流型芯管对导叶式旋风管内颗粒逃逸的控制

Experimental and computational fluid dynamics was used in this study to predict the escape particles and evaluate the performance of PSC type cyclone tube with slotted vortex finder.The simulation results showed that the PSC type cyclone tube could remove the particles with a diameter greater than 5 μm.The PSC type cyclone tube increased the grade efficiency of particles with a diameter greater than 2 μm as compared with the Shell type cyclone tube.Short circuit flow occurred around the vortex finder slots and there was almost no short circuit flow under the vortex finder inlet.Most small particles escaped from vortex finder slots of the PSC type cyclone tube.The slotted vortex finder could develop “upwards flow” near the vortex finder inlet outside wall and control the escape particles under the vortex finder inlet.The force analysis of particles near the slotted vortex finder slots showed that gas flow carried the particles with a diameter smaller than 3 μm out the separator.     

局部磨损对α型旋风分离器内流场及分离性能的影响

以α型旋风分离器为研究对象,基于欧拉-拉格朗日方法,采用雷诺应力模型（RSM）、颗粒离散相模型（DPM）、E/CRC磨损方程对分离器内流场与磨损特性进行数值模拟。通过分析速度矢量、切向速度、颗粒运动轨迹等参数的分布规律,研究了局部磨损对设备内流场及分离性能的影响。结果表明,α型旋风分离器入口正对壁面磨损最为严重,最大磨损率约为1.4×10^-5kg/(m²·s)。磨损引起壁面几何结构的改变,导致气流方向发生偏转,不利于主流的稳定与固体颗粒的分离。随局部磨损的加剧,排气管下口短路流急剧增大,从而导致排气管下口以下区域流体流量减少,外涡切向速度降低;细颗粒的逃逸现象更加明显,粗颗粒运动轨迹趋于重合,更易形成高浓度灰环加剧壁面磨损。与未磨损时相比,局部磨损厚度50mm时,3μm粒径颗粒的分离效率由74.38%降低至54.97%,分割粒径d₅₀由0.73μm增大至2.36μm;设备压降降低了约15.41%。     

双入口直切式旋风分离器流场内旋进涡核现象的研究

主要研究了双入口直切式旋风分离器流场中的一种涡核非稳态现象———旋进涡核。实验表明 ,旋进涡核存在于分离器排尘口下部及锥体中下部 ,在排尘口处涡核摆动最强烈 ,同时涡核的摆动在一定操作参数下具有一定的频率和幅值 ,因此势必会造成粉尘的夹带返混 ,致使分离器效率降低。与单入口旋风分离器相比 ,双入口直切式旋风分离器内旋进涡核频率降低 ,幅值减小 ,但范围不变。说明入口形式是否轴对称对旋进涡核的存在与否不起主要作用     

Collection efficiencies of various designs of post‐cyclone

Post‐cyclone (PoC) is a novel secondary dust separator, which collects a certain fraction of the particles escaping through the vortex finder of a reverse flow cyclone. Due to the residual swirl in the vortex finder, the particles in the effluent air are concentrated at the wall of the vortex finder in an outer annulus. The particles in the outer annulus are split from the main stream and collected in a bleed flow. This paper presents the experimentally determined collection efficiencies of various designs of PoC. Depending on the design, operating conditions and the size and density of the particles, PoC can reduce the emission of the parent cyclones by 5% to 50%. In some experiments, the bleed flow from PoC is recycled back to the inlet of the cyclone. Significant improvement in the removal of fines occurs when the bleed flow is recycled to the inlet.