旋风分离器内置导流叶片的流场分析

旋风分离器是油气开采领域除砂的核心设备,为研究结构对分离效率的影响,新设计了一种内置的导流叶片,基于CFD采用fluent软件对新型旋风分离器进行流场分析。结果表明：内置导流叶片的旋风分离器切向速度最大值比传统Stairmand分离器有显著提升,径向速度小幅降低,轴向速度减小并延长颗粒停滞时间。入口风速为15m/s时压降提高了15%,随着入口风速的提高压降升高的幅度越来越小,在25m/s时,压降升高11%。针对粒径2.5μm以下颗粒的分离效率平均提高了11%～19%,该研究为旋风分离器后续设计提供一定的指导意义。     

叶片组结构对气液旋风分离器性能的影响

旋风分离器圆柱内的叶片组结构影响旋风分离器的速度场、压降及收集效率。利用雷诺应力模型(RSM)和离散相模型(DPM)分别对加入叶片组前后的旋风分离器模型进行了流场、压降及分离效率的计算分析。结果表明:加入叶片组结构后在叶片两侧轴向速度靠近中心侧增大和靠近壁面侧减小;对比发现溢流管口处的叶片直径为G=60,70,80 mm的叶片组,随着叶片直径G的增大,在中心区域准强制涡内切向速度增大,在自由涡内切向速度出现了大波动。     

排气管内置壁面厚度对旋风分离器性能的影响

针对旋风分离器的排气管内置壁面厚度对其流场和分离性能的影响。采用数值试验模拟分析了旋风分离器的对应于7组不同排气管内置壁面厚度下的速度云图、压降值、切割粒径以及速度矢量的变化情况。结果表明,随排气管内置壁面厚度的逐渐增大,其筒体段和锥体段的整体切向速度依次减小,在筒体段下半部分和锥体段,当内置壁面厚度大于等于0.1D时,中心位置存在二次涡流现象且对其分离效率会产生负影响;随排气管内置壁面厚度的增加,整体轴向速度基本依次增大;随排气管内置壁面厚度的增加,压降值依次减少,切割粒径先略微减少然后一直增大,壁面厚度为0.025D时,其分离效率为最优;随排气管壁面厚度的增加,在排气管内置壁面的正下方,逐渐形成涡旋,并且涡旋强度逐渐增大。忽略旋风分离器排气管内置壁面厚度变化,会造成性能预测和数值模拟上的偏差。     

基于CFD-PBM积分矩量法旋风分离器中颗粒聚团的数值模拟

为了得到颗粒聚团对旋风分离器分离性能的影响,在不同入口颗粒浓度与入口气速下研究其对分离效率的影响。采用雷诺应力模型(RSM)计算湍流流场,通过群体平衡模型(PBM)耦合CFD对颗粒相进行数值计算。研究结果表明:时间为2 s时,旋风分离器内的聚团作用已经趋于稳定,颗粒粒径在1.5μm到3μm范围的颗粒在旋风分离器内基本无法被捕集,而粒径大于5μm的颗粒其分离效率接近于100%;随着入口颗粒浓度的增加,总体分离效率增加,而增加入口气体速度,对分离效率的影响并不是很大。     

进口条件对旋风分离器性能影响研究

文中利用计算流体力学、连续相选用雷诺应力模型、离散相选用分散颗粒群轨迹模型,对不同进口速度（8 m/s、16 m/s、24 m/s和32 m/s）和进口角度（0°、2.5°、5°和10°）下旋风分离器内不同粒径（0～10μm）颗粒的气固两相流动特性和分离效率进行数值计算分析。研究发现,同一进口风速下,当粒径小于临界粒径时,分离效率相对较低且粒径大小对分离效率影响较小;当粒径大于临界粒径时,分离效率迅速增高至100%。对于小颗粒粒径,随着进口速度的增大,旋风分离器分离性能先增强后减弱。适当增加进口角度不仅能够提升小粒径颗粒的分离效率,还能减小旋风分离器的分离粒径。进口角度和进口速度对旋风分离器的分离性能影响较大。     

叶片参数对导叶式旋风分离管性能的影响

为研究叶片结构参数对导叶式旋风分离管流场分布及分离效率的影响,基于纳维-斯托克斯方程,考虑颗粒与壁面碰撞,采用雷诺应力模型与有限体积法,对旋风分离管流场进行了数值模拟。研究了叶片高度、包弧长与出口角度对旋风分离管流场分布、压降及分离性能的影响规律。结果表明,导叶式旋风分离管外旋流压值较高,内旋流压值较低,呈"V"型分布,速度沿径向方向对称,呈驼峰型分布;叶片包弧长和出口角度对旋风分离管流场压力、速度、压降及分离效率影响较大,而叶片高度的影响则相对较小。综合考虑,叶片包弧长应在32~40 mm,叶片出口角度在20°~30°,叶片高度在43.5~47 mm范围内选取。     

一种内置旋流叶片的新型旋风分离器

提出一种新型旋风分离器,与传统旋风分离器相比,在分离器内外涡旋交界面处设置一组沿气流旋转方向由内向外的旋流叶片,以阻挡含尘气流中的颗粒进入内涡旋区。基于CFD,采用雷诺应力模型与离散相的随机轨道模型,对分离器进行气固两相流动数值模拟,比较分析添加旋流叶片前后的分离器性能。对常规及添加旋流叶片的旋风分离器的压降、分离效率与入口气流速度的关系进行了试验研究。试验结果表明,与传统分离器相比,添加旋流叶片的旋风分离器在入口流速较小时,总效率提升明显;在入口流速较大时,添加旋流叶片后的分离器压降略有增大,分割粒径减小显著。添加旋流叶片使分离器的分离效率得到提升,对小粒径颗粒的分离效率提升作用尤为明显。     

旋风分离器高温高浓度性能试验研究

为预测高温下浓度对旋风分离器分离性能的影响,选用一个直径为300mm的切流反转式旋风分离器在温度673K,入口浓度2-60g/m3范围内进行试验研究。试验用中位粒径为16.47μm的滑石粉作为粉料,试验测得了不同浓度下旋风分离器的分离效率与压降。结果显示,相同入口气液速度下,分离效率与压降均随浓度的升高而降低。     

水力旋流器细粒分离效率优化与数值模拟

水力旋流器内流体质点的切向速度、径向速度和轴向速度的分布规律及其流体动力学机理对于细粒分级粒径和效率具有决定性作用,并且受旋流器的结构参数、操作参数和物性参数等因素的影响。选用耐磨耐腐蚀的聚氨酯材料制造的不同规格固液分离水力旋流器,综合考虑分割粒径、处理流量、沉砂产率3项分离效率指标,通过多指标正交试验优化得到分离钙土的工作参数如下:旋流器直径50 mm,底流口直径10 mm,溢流口直径8 mm,并且在0.30 MPa给料压力下可达到分割粒径1.78μm,处理流量为2.39 m3/h的分离效率。同时针对优化后的旋流器工作参数,利用适用于旋流器湍流场的雷诺应力模型,运用FLUENT软件计算不同直径颗粒的亲水性固体在水动力中的速度场,得到分离介质的滞留时间为1.8×10 2s,反向轴速度最大可达3.08 m/s,最大切向速度半径为0.046 m,使得分离效率达到78.6%;从压力场的数值模拟结果看出,径向压强梯度从762.5 kPa/m增大到6 822.2 kPa/m,实现分割粒径达到1.78μm的效果。根据旋流器中压力场、速度场分布特征以及分离介质轨迹等数值模拟结果,提出延长分离介质的滞留时间、提高进料压力、降...     

旋风分离器的气相流场的性能分析及数值模拟

采用CFD的专业软件FLUENT对旋风分离器的分离效率进行仿真计算。通过对旋风分离器内气相流场的模拟,观察其速度云图得出,在旋风分离器中心区域有一明显的气芯柱,且切向速度和轴向速度都具有较好的轴对称性;通过改变控制参数研究旋风分离器的分离效率,得出的结论是:当增大入口气体流量、提高颗粒相浓度将有利于提高旋风分离器的分离性能,粒径较大的颗粒分离效果较好。     

冲天炉烟气除尘系列讲座——第三讲 冲天炉烟气除尘装置（中）

4.旋风颗粒层除尘器 一般旋风除尘器只能清除大于50μm的粉尘,除尘效率为80％～85％,烟尘含量可降至350mg/m~3左右,人们为提高除尘效率,将旋风除尘器与颗粒层除尘器直接串联。如图6所示,烟气先进入内壁衬有耐火材料的旋风除尘器中,使大颗粒烟尘沉落,经初次净化后的烟气,转向中心排气管进入颗粒层除尘器。颗粒层除尘器的下部有一层不锈钢丝的托网,网孔径为0.35mm,网上堆放3～5mm石英砂层,层厚80～100mm。烟气流速按颗粒层除尘器横截面计算平均取0.5～0.7m/s,烟气流经颗粒层的过程中,在颗粒层的过滤、相互碰撞以及重力和静电的综合作用下,使烟尘附集于颗粒材料表面。被二次净化后,烟气经风机排入大气。为提高除尘效率,可制成两个颗粒过滤层结构。颗粒层的初始阻力350～400Pa,运行10～20min后阻力增大至800Pa,运行30min左右,颗粒层中的空隙被积尘阻塞,使阻力增大到1200～1500Pa。此时,烟气难于通过颗粒层,需进行反吹清除积尘。     

旋风分离器的安全性能分析及数值模拟

通过对旋风分离器内气相流场的模拟,观察其速度云图得出,在旋风分离器中心区域有一明显的气芯柱,且切向速度和轴向速度都具有较好的轴对称性。通过改变控制参数研究旋风分离器的分离效率,得出的结论是:当增大入口气体流量、提高颗粒相浓度将有利于提高旋风分离器的安全分离性能,粒径较大的颗粒分离效果较好。     

旋风分离器排气管缩口半径优化的数值模拟

利用FLUENT中的RSM模型和DPM模型对不同排气管底口半径r的缩口式旋风分离器进行了内部流场的数值模拟。对结果的时均图进行分析,得到随着收缩半径r的减小,排气管入口面积在减小,轴向速度及切向速度均增加,速度的增加可使靠近中心的颗粒获得更大的离心力,因此被捕集的颗粒数增多。当半径r与排气管半径R比值为1~0.9时,分离效率提高不大,压降变化也较小,比值为0.8~0.5时,分离效率提高很多,同时能量损失也较大,在半径r逐渐减小的过程中,旋风分离器分离效率增加,压降增加。综合考虑,当r/R为0.6~0.5左右时,分离效率约为97%~98%,此时压降也较合理。     

颗粒物性参数对旋风分离器性能影响的试验研究

通过全面测定循环流化床锅炉用旋风分离器在不同操作参数下的分离效率,研究了入口气速和入口颗粒浓度、入口颗粒物性等参数对旋风分离器的压降和分离性能的影响规律.试验结果表明,影响旋风分离器分离性能的主要物性参数是颗粒的中位粒径和密度,在入口颗粒的中位粒径相差较大时,分离性能主要受粒径的影响,而当入口颗粒粒径相差较小时,密度对分离器分离性能的影响则更为显著.     

直流式旋风分离器参数优化仿真与试验

为了在产品方案设计阶段验证直流式旋风分离器性能,利用罗辛-拉姆特函数对试验粉尘(ISO 12103-A4)粒径分布进行拟合。利用Fluent软件对直流式旋风分离器进行性能仿真,为满足分离效率不低于85%,降低流阻的需求,利用Optislang软件对旋风分离器结构参数进行优化,结果表明:粉尘平均粒径为42.27 μm,粒径分布指数1.126;分离器入口粉尘浓度由1%增至5%,分离效率不变,流阻由31.09 kPa增大至31.45 kPa;旋流叶片螺距对流阻敏感度为99.7%,对分离效率敏感度为94.3%,旋流叶片长度对流阻不敏感但对分离效率有5.8%的敏感度;通过匹配旋流叶片螺距及叶片长度,实现流阻由31.09 kPa降到12.12 kPa,分离效率仅降低4.01%。
     

径向喷射规整旋流分离器的性能研究

径向喷射规整旋流分离器独特的结构设计,可以大大提高固体颗粒在分离区所受到的离心力。通过对新型分离器的除尘性能进行数值模拟和试验验证,结果表明,在压力损失相当的情况下,比传统型旋风除尘器对于平均粒径4μm滑石粉的捕集总效率提高了将近30%,达到93.9%。其最大优势是可以有效提高对超细粉尘的分离效率。     

锥体锥角变化对旋风分离器性能的影响

研究锥体锥角变化对旋风分离器流场和分离性能的影响,采用CFD数值模拟分析了旋风分离器对应于筒体长度与锥角角度变化的速度云图、压降值及切割粒径的变化情况。结果表明,随锥体段长度的增大,筒体段长度减小,a组和b组旋风分离器的切割粒径先增大后减小,压降先增大后减小,变化趋势都呈倒"V"形状,a2和b2的切割粒径比标准stairmand型分别降低了5.97%、6.72%。对应压降比标准stairmand型分别增大了13.7%、34.5%;旋风分离器a2和b2的切割粒径相对最小,其压降值最大。     

旋风分离器矩形入口高宽比对流场及性能的影响研究

借助流体力学软件FLUENT,采用RSM雷诺应力模型,对直切双入口型旋风分离器进行了数值模拟,分析了矩形入口不同高宽比对旋风分离器内的气相流场、压力降和分离效率的影响。结果表明:在入口面积和处理量相同的情况下,随着入口高宽比的增加,切向速度先增大后减小,对轴向速度的影响不显著。压力降先增大后减小,受到湍流的影响,在入口高宽比为3.5处达到最大值。由于较高的切向速度和较低的湍流强度,入口高宽比为4.5时分离效率最高。     

锥形溢流管开缝水力旋流器流场特性与分离性能研究

为降低旋流分离器压降,达到节能减排的目的,设计溢流管底部开缝结构的旋流器。通过固液分离试验与数值模拟相结合,对常规溢流管（型号Ⅰ）、溢流管双切开缝（型号Ⅱ）、溢流管单切开缝（型号Ⅲ）的旋流器入口流量由780 m L/s逐渐增至1 000 mL/s时的分离性能进行分析研究。研究结果表明：随入口流量的增加,锥型溢流管开缝对旋流器分离效率的影响逐渐减小,压降降幅逐渐增大,入口流量为980 mL/s时,两种改进后旋流器分离效率达到最高值,相较于型号Ⅰ旋流器,型号Ⅱ和型号Ⅲ旋流器的分离效率均基本保持不变,而压降分别降低高达到22.85%,27.46%,节能效果显著。模拟结果显示改进后旋流器的轴向速度、切向速度、压强均有所下降,溢流管开缝对轴向速度影响较大,中心处轴向速度降低明显,对切向速度影响较小。为深入探究旋流器内部流场的规律和旋流器结构改进提供了依据。     

基于响应面法的旋风分离器结构参数的优化

目前,旋风分离器的结构优化主要局限于控制变量法的单因素优化,不能准确反映综合因素条件下旋风分离器的分离效率,且结构间的细微变化及交互性难以操控,很难进一步提高其分离效率。为解决此问题,以催化裂化装置中的一级旋风分离器为研究对象,提出了基于响应面法的参数优化方法。以对分离效率影响显著的锥管段倾斜角度α、排气管插入深度s和排气管直径De为设计变量,以分离效率和压降为目标函数,优化了旋风分离器的结构参数。结果表明:利用响应面优化法将旋风分离器的分离效率由原来84.3%提升到90.4%,并对比分析了优化前后的速度、压降、分级分离效率等;响应面优化法可从全局角度智能的对结构参数进行优化组合,缩短CAD建模及网格划分时间,并可实现多参数条件下交互性的同时优化,有效提高工作效率;通过数值模拟与试验证明优化后的旋风分离器分离效率强于优化前,优化后的旋风分离器速度分布规律对称性好、速度差值大、分离效率高,同时能完成比优化前更小粒径(粒径=12μm)的完全分离任务。