旋风分离器自然旋风长的影响因素

自然旋风长为旋涡尾端到排气管下口截面的轴向距离。旋涡尾端是复杂的湍流动力学现象,对旋风分离器内颗粒返混、壁面磨损、料腿结垢和堵塞有重要影响。目前,学者们将自然旋风长的影响因素主要归结为筒体直径、入口面积和排气管直径3个方面,忽略了其他结构参数及操作参数的影响,故经验公式的准确性及适用性较差。笔者对旋风分离器内部能量传递过程进行分析,阐述旋涡尾端的存在机理,并实例说明自然旋风长经验公式的局限性与不足,总结了筒体的高/径比、锥体尺寸等几何参数,以及入口速度、入口浓度等操作参数对自然旋风长的影响,以期为旋风分离器高度的设计优化提供参考。     

旋风分离器旋风长度的分析计算

认为当分离器外旋流中损耗的能量(即外旋流向内旋流传递的总能量)与内旋流旋转能量达到平衡,即内外旋流之间能量的传递达到稳定状态时,旋转气流到达旋涡尾端位置。由此,采用分离器内压降定量表征能量的损耗,推导得到旋风长度的计算公式。考察了排气管直径、入口尺寸、排气管插入深度、入口浓度、分离器长度、排尘口直径等因素对旋风长度的影响。将该公式计算结果与实验测量值进行对比,结果表明,该公式能较好地反映各因素对旋风长度的影响趋势,且数值差别较小。该公式通过旋风分离器能量传递的特性推导,具有明确的物理意义,适用性较强。     

利用CFX软件模拟计算旋风分离器内流场

采用CFX软件对某旋风分离器内的三维气固两相流场进行数值模拟。气相采用四种湍流模型,颗粒相采用拉格朗日坐标下的随机轨道模型。计算结果与实验值进行对比,并考察不同操作因素对旋风分离器分离性能的影响。对比计算结果说明:SSG模型的计算结果较为合理,且旋风分离器的分离性能对操作条件的变化响应及时;基于CFX软件的模拟计算能够较为准确的预测旋风分离器内的流动情况,为开发和设计适宜的旋风分离器提供了一定的技术参考。     

旋风分离器基本理论与最佳设计

本文首先通过流型分析确定了最佳构型必须满足的一些几何条件,进而对旋风自然长、阻力系数、临界粒径、分离效率、锥部形状等均建立了理论关系式。在此基础上得到分离能力最高的最佳尺寸比。根据Kalenzenz关于跃动速度的理论导出了计算最佳入口气速和旋风分离器最佳直径的关系式,从而使全部设计过程不依赖任何经验关系。重要参数的理论计算结果与实验数据或经验数值符合,证明了理论的可靠性。最后指出任何结构特殊的所谓“高效旋风”实际上并无特别的优点。     

单入口双进气道旋风分离器内流体的流动特性

 采用数值模拟和实验相结合的方法,对一种单入口双进气道旋风分离器内的紊流过程进行了研究。计算得到的旋风分离器内的压力降与实验数据较为吻合,验证了所采用的模型和计算方法的正确性。与普通单入口旋风分离器相比,相同处理量时,此种旋风分离器在不降低分离效率的情况下可以使压力降降低40%左右;通过特殊的双进气道设计,基本消除了普通单入口旋风分离器内旋转中心与几何中心不重合产生的涡核摆动现象,有利于提高旋风分离器的分离效率。在 FCC 沉降器内采用该旋风分离器,不仅可以大幅度降低压力降,减少能耗,而且由于在旋风分离器内形成了对称流场,有利于减少 FCC 沉降器顶旋升气管外壁的结焦。     

旋风分离器的性能及设计

旋风分离器也许是最广泛应用的工业粉尘的分离装置。虽然计算旋风分离器压降及分离效率的许多方法已有所发展。但是,通用的设计仍然注重过去的经验,而不是采用解析的设计方法。在本文中,举出了五种计算压降和四种预测效率的理论,并将用各种方法计算的结果与取自文献上的实验数据进行比较,其中以一种计算压降和预测效率的方法最准确。最后,通过最佳化步序导出了旋风分离器的设计方法。这种方法能用来计算适应任一组设计参数的、理论上认为最佳的旋风分离器的尺寸,用这种方法设计的旋风分离器与高效旋风分离器的比较,在相同的操作条件下,证明其在理论上具有较高的效率。     

基于蒙特卡洛算法的旋风分离器优化设计

为了提高旋风分离器的分离效率,基于蒙特卡洛算法建立了旋风分离器优化设计的数学模型。采用雷诺应力模型数值模拟旋风分离器内的强旋湍流流动,使用随机轨道模型单相耦合模拟固相颗粒的运动轨迹,从而计算分离效率。通过给定气体处理量、密度、黏度与颗粒范围等初始条件,进行旋风分离器优化设计。计算结果表明,蒙特卡洛算法能够对旋风分离器筒体直径、入口高度、入口宽度、内筒直径、内筒插入深度、直筒长度、总长度与排料口直径等参数的最优解进行快速搜索,实现旋风分离器高效分离的目的。     

旋风分离系统改进

某炼油厂蜡油催化装置再生器内原旋风分离器为布埃尔型旋风分离器,由于该旋风分离器使用时间较长,其筒体同轴度和垂直度等已发生较大变化,旋风分离器的效率下降较多,催化剂的单耗最高达到075 kg/t.为提高旋风分离器效率,降低催化剂单耗,将再生器内原旋风分离器更换为BY型新型旋风分离器后,催化剂单耗降至0.3 kg/t,达到了安全生产和节能降耗的预期目的.     

用改进的RNGk-ε 模型模拟旋风分离器内的强旋流动

在RNG k-ε湍流模型的基础上,对模型常数和近壁面处理方法加以改进,并将其应用于旋风分离器内强旋流动的数值模拟。将计算结果与RNG k-ε模型、Reynolds应力输运模型(RSM)的计算结果及实验数据进行比较。随后采用欧拉-拉格朗日模型（湍流模型为RSM）和欧拉-欧拉模型（湍流模型为改进的RNG k-ε模型）分别对旋风分离器内的气、固两相流动进行计算,考察了旋风分离器内的颗粒浓度分布特点。结果表明,改进的RNG k-ε模型和RSM对旋风分离器内流场分布的预测结果与实验结果比较吻合, 并且前者所需计算时间却大大缩短,更适合工业应用。使用改进的RNG k-ε湍流模型的欧拉-欧拉多相流模型可以重现旋风分离器内的气、固两相流动特点,并应用于旋风分离器的优化设计。     

旋风分离设备的设计

螺旋形旋风分离器作为一种单元设备来看,有其独特的优点。本文论述了分离器的分离原理和设计计算过程,推导出了分离器各相关尺寸的理论计算式,并结合实际应用情况,还列举了一些经验数据。     

旋风分离器内三维紊流场的数值模拟

用数值模拟方法计算了一种单蜗入口旋风分离器内的紊流过程，对紊流的处理分别采用了标准的k-ε二方程模型和Reynolds应力输运模型。与实测速度分布对比结果表明：Reynolds应力模型计算结果与实测值吻合较好k-ε二方程模型计算结果与实测值吻合较差，可以将Reynolds应力模型作为研究旋风分离器分离性能，能量损耗的工具，这主要由于旋风分离器内部的流动是三维强旋流，而在k-ε二方程模型中作了紊流各向同性的假设，因此，适当选用紊流模型后，数值模拟方法对强旋流或大曲率流动可以给出令人满意的结果。     

筒体直径对旋风分离器性能的影响

筒体直径是影响旋风分离器效率和压降的重要结构参数。以硅微粉为原料,在保证几何结构相似的基础上,对筒体直径分别为200、300、400mm的Stairmand型旋风分离器进行冷态对比实验,考察了不同情形下筒径对旋风分离器分离性能的影响。结果表明,旋风分离器按几何相似放大,筒径增大,在同一入口气速下,分离效率下降而压降升高;在同一处理气量下,分离效率和压降都下降。如将入口尺寸与处理气量固定,其它尺寸按几何相似放大,筒径增大则旋风分离器的分离效率增加、压降降低。进而又用几个较新的分离模型对实验进行了计算比较,发现模型计算结果与实验结果的趋势大体一致,基本上能预测筒径变化对旋风分离器分离效率与压降的影响趋势,但都不能定量计算筒径对其分离性能的影响。     

旋风分离器固定拉杆结构的改进

在延安炼油厂300kt／a催化裂化装置中，再生器内旋风分离器料腿的固定拉杆设计不合理，装置运行中，由于振动致使拉杆损坏，料腿失去约束，旋风分离器工况不稳，催化剂损耗增加。经过分析，将粗旋风分离器和一、二级旋风分离器分开固定，使其依各自的工况膨胀。改造后，运行情况良好。     

入口颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的实验分析

旋风分离器的入口气流颗粒浓度对旋风分离器的压力降有重要影响。在入口气流颗粒质量浓度5~550 g/m3范围内,对蜗壳式旋风分离器的压力降进行了实验分析。结果表明,随着入口颗粒浓度的增加,旋风分离器的压力降逐渐降低,尤其是开始阶段,降幅明显。除旋风分离器的入口部分压力损失外,旋风分离器的压力降主要由气、固两相流与器壁之间的摩擦损失和气、固两相流的旋转损失两部分构成,前者与入口气流速度有关,后者与旋转速度有关。随着入口颗粒浓度的增加,摩擦损失部分增加,但旋风分离器内的气、固两相流的旋转速度降低,旋转损失部分降低,综合结果是旋风分离器的总压力降降低。旋风分离器的压力降变化也使管路系统压力分布发生变化,导致入口流量发生变化,加入颗粒后通过旋风分离器的流量相对纯气相时的流量明显增加。最后,给出了入口气流颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的计算方法。计算中考虑了加入颗粒后对切向速度的衰减作用,适用于高入口颗粒浓度的工况。     

PV型旋风分离器捕集效率计算方法的研究

应用相似理论对旋风分离器内气固相运动进行相似分析，得出了对分离性能有影响的一系列相似准数。根据大量实验数据的回归分析，关联了这些相似准数与粒级效率的关系，从而给出了ＰＶ型高效旋风分离器的粒级效率的计算公式。计算结果的精确度比实验结果的高。     

旋风分离器的理论及设计

本文引用了在旋风分离器领域中进行的实验研究和数学分析,力图确定有效工作的旋风分离器的最佳尺寸和形状。 文中列示了气体在旋风分离器不同点的流动图型、静压以及三个速反分量。 用无因次数群的数学分析法研究了旋风分离器内粉尘分离的机理以及气体流速、压力降、和旋风分离器几何尺寸之间的关联。 基于以上的数学分析,用诺模图来选择已知负荷的旋风分离器。     

旋风分离器结构改进的研究

根据旋风分离器的工作原理及应用特点 ,分析了影响旋风分离器分离效率的因素及结构存在的问题 ,并提出了改进措施 ,即内管外壁增设螺旋翼片 ,扩散形锥体改为悬挂挡板。通过实验观察 ,改进结构的旋风分离器分离效率比常规旋风分离器高。实践证明 ,对于密度差异较小的非均相物系的分离 ,只要对旋风分离器作适当改进 ,仍能取得令人满意的效果 ,这大大拓宽了旋风分离器的应用领域     

丙烯腈反应器两级旋风分离器可行方案

分析了在丙烯腈反应器内采用两级旋风分离器替代沿用已久的三级旋风分离器可行性.以PV型旋风分离器为模型,提出了4种可行的两级串联旋风分离器,并对各两级旋风分离器以及原三级旋风分离器的性能进行了综合分析比较.指出了开发高效、低阻且更加适合于现有反应器扩能的新型两级旋风分离器的几点建议.     

旋风分离器的设计技巧

简体的长度、进气管和排气管的尺寸以及锥体和下料管是设计旋风分离器时要考虑的重点。应用力学原理进行分析，可以得到旋风分离器各部位尺寸的最佳比例。旋风分离器的除尘效率也受诸多因数的影响，如人口气流中粉尘的含量、多级偶合串联等。通过对旋风分离器的工作原理及其内在规律进行剖析，提出设计旋风分离器的实用方法。     

单入口双进气道旋风分离器内冲蚀特性

采用雷诺应力湍流模型、离散相模型和改进的冲蚀模型对一种单入口双进气道旋风分离器内的气 固紊流及冲蚀过程进行了数值模拟,得到旋风分离器内壁面冲蚀速率详细分布规律。结果表明,固体颗粒对旋风分离器内壁的冲蚀主要发生在蜗壳上顶板、蜗壳与筒体连接段及排尘口处;在旋风分离器分离空间内,由上至下旋流稳定性逐渐减弱,导致壁面冲蚀速率逐渐增大。与普通单入口旋风分离器相比,在相同处理量时,单入口双进气道旋风分离器内形成的轴对称稳定旋流可以有效减弱颗粒与壁面的碰撞和磨削,从而明显降低壁面摩擦阻力损失和冲蚀速率,有利于旋风分离器的压降降低和长周期稳定运行。