基于响应曲面法的旋风分离器结构优化

为了优化旋风分离器的分离效率和能量损耗,确定影响旋风分离器性能的主要结构参数,采用响应曲面模型和CFD数值模拟,以排尘口直径（D_d）、排气口直径（D_e）、入口速度（V）为设计变量,以压降和总分离效率为目标函数,进行三因素的优化设计分析。研究结果表明,排尘口直径对压降和分离效率影响不大,排气口直径与速度对压降和分离效率影响显著,且排气口直径与速度的交互作用明显。针对本次0.5～10 μm的颗粒群,推荐最优参数组合是D_e/D=0.35、D_d/D=0.37、V=12 m/s。与实验的结构相比,在相近的分离效率情况下,压降降低了一半,有效地减少了能耗。表明所建立的响应曲面模型能够较精确地表示设计变量与目标函数之间的关系,基于响应曲面模型的优化设计方法可以有效用于旋风分离器的结构优化。同时不同的粒径要求可以采用不同的结构进行除尘,在达到分离要求的前提下,采用最小压降的结构,本次研究为分离0.5～10 μm粒径的结构提供有利的依据。     

不同数量并联微旋风分离器分离性能影响研究

为了考察不同并联旋风分离器的分离性能,运用计算流体力学(CFD)软件对由不同数量、直径为30mm的微旋风元件构成的并联分离器性能特征进行了数值研究。结果表明,当微旋风元件入口气速一致时,增加微旋风元件数量,虽然各并联分离器对5μm以下、中位粒径3.5μm颗粒的总分离效率基本相同,但对3μm以下颗粒的分级效率有所下降;组合分离器灰斗中排尘管间间距减小,微旋风元件内切向速度分布几乎不变,中心轴向速度下降,排尘管尾端气流更加紊乱;随着微旋风元件数量增加,各组合分离器微旋风元件排尘管段旋流稳定性系数S_v沿轴向逐渐增大,微旋风元件内旋流稳定性变差。     

多效旋风分离器性能的实验研究

多效旋风分离器通过采用2级螺旋管预分离含尘气体、螺旋形顶盖板导流、筒体中心稳流锥稳流和吸气回流系统防止粉尘返混等措施,解决了在旋风流场中分离微米及亚微米级颗粒的难题。文中通过实验研究了直径为0.25 m的多效旋风分离器的压降、分离效率和进口风速的关系,实验物料粒径范围为0.1—23μm,平均粒径为7.59μm。结果表明:在10—14 m/s入口风速时,对0.1—3μm颗粒的分离效率大于90%,对大于5μm颗粒的分离效率接近100%,压降在500—1 000 Pa。风速大于16 m/s时,对0.1—2μm颗粒的分离效率大于75%。     

旋风分离器防磨减阻性能机理研究

为了提高旋风分离器的防磨减阻性能,运用计算流体动力学方法研究了常规和防磨减阻旋风分离器的防磨减阻机理。结果表明:常规旋风分离器容易发生严重的局部冲蚀,而防磨减阻旋风分离器冲蚀磨损区域较为均匀。在同一粒径下,防磨减阻旋风分离器的壁面冲蚀磨损远小于常规旋风分离器。两者的壁面冲蚀磨损速率随粒径增大而逐渐增大,当粒径大于15μm时,冲蚀磨损速率变化不大。两者的压降损失随着入口速度的增加而增大,当入口速度为15 m/s时,防磨减阻旋风分离器的压降为297 Pa远小于常规旋风分离器的821 Pa。防磨减阻板不会改变旋风分离器的流场特性,分离小粒径颗粒效率略小于常规旋风分离器,但粒径大于5μm时,防磨减阻旋风分离器具有很高的分离效率。     

基于响应曲面法径向入口旋风分离器的结构优化

采用流体力学软件对不同结构径向入口旋风分离器的气固两相流场进行了数值模拟,并基于响应曲面法得到旋风分离器的压降模型及分离效率模型。结果表明升气管直径和入口角度对旋风分离器的分离性能影响较大,且两者对旋风分离器分离性能的影响有着很强的交互作用;直筒段高度、锥体高度及升气管插入深度对分离性能影响相对较弱;下降管直径对分离效率影响较大,但对压降影响较弱;随着下降管长度的增大,压降不断增大,分离效率先减小后增大;在考虑压降及分离效率权重的基础上,得到了最优性能的旋风分离器结构,通过比较该结构旋风分离器的分离性能,发现模拟值和模型预测值吻合良好。     

排尘锥开缝结构对导叶式旋风管内细颗粒分离性能的影响

在导叶式旋风管下端安装排尘锥,通过改变排尘锥的开缝结构来改变含尘气固两相流的流动状态,从而实现旋风管的减阻增效.通过对比分析排尘锥开缝结构的变化对旋风管的压降、分离效率及粒级效率的影响.得到排尘锥开缝有助于提高7μm以下细颗粒的分离效率.     

输气站场多管旋风分离器流场分析

为了系统评价输气站场用多管导叶式旋风分离器的分离性能,模拟计算了入口速度7~27 m/s、颗粒密度1000~5000 kg/m3、颗粒浓度2.5~2500 g/m3、操作压力1~5 MPa条件下21管旋风分离器的分离效率和压降. 结果表明,多管旋风分离器的压降主要来自单管压降,约占整个压降的80%~90%,旋风子单独使用和并联使用时其流场分布规律相同,沿轴向对称分布,中心涡核处压力最低;分离效率和压降均随入口速度增大而增加,粒径为1~10 mm的固体颗粒分离效率从30.57%增加到63.86%,压降从9053 Pa增加到116864 Pa,在入口速度7~27 m/s范围内基本能除尽粒径大于6 mm的颗粒;随颗粒密度增加,分离效率增大,压降几乎不变;操作压力增大分离效率降低,而压降略增加. 各单管间进气量波动均不超过5%.     

硅氧烷油气旋流分离器流场特性及性能优化

为提高油气旋流分离器对硅氧烷油滴的回收效率及减少能量损失问题,通过CFD数值模拟和响应曲面法研究了排气管直径、排气管深度和入口速度对分离效率和压力损失的影响,结果表明：入口速度和排气管直径对分离效率和压降影响较大,且入口速度和排气管直径的交互作用比较明显,当压力越大时,硅氧烷油滴的分离效率不一定越高,入口速度越大,旋流场内油滴的破碎现象越显著,部分粒径较小的油滴会随内旋流进入排气管而逃逸,导致分离效率降低。当入口油滴粒径在0.5～10μm范围内变化时,优化后的分离效率提高了2.32%,压降降低了0.293kPa。研究结果可为油气旋流分离器的实际应用提供参考。     

排尘锥结构对旋风分离器内气固两相分离性能影响的研究

通过数值模拟的方法,采用RSM湍流模型对直切式旋风分离器三种不同排尘锥结构(排尘锥无缝、开对称缝、开阶梯缝)下的气固两相流场进行了研究。研究表明,三种排尘锥结构都可以将粒径大于8μm的返混颗粒再次分离下来;排尘锥开缝起到分流作用,有效改善排尘锥内气相流场分布,降低压降,便于返混颗粒从侧缝排出,提高抗返混能力,减少颗粒在排尘锥内部长时间停滞的机率,减小堵塞下口的可能性;排尘锥开阶梯缝可以减小涡核中心不对称性,明显提高侧缝的排尘能力,有效消弱返混夹带对3μm小颗粒的影响,提高分离器的操作弹性,减少颗粒间的磨损,为排尘锥结构的进一步优化、提高旋风管分离性能提供依据。     

基于防磨结构的旋风分离器性能优化

基于气固两相流和冲蚀理论对常规Stairmand旋风分离器和防磨型旋风分离器冲蚀规律进行了研究. 结果表明,对常规旋风分离器,其壁面冲蚀磨损速率从筒体顶端向下逐渐减小,在筒体L1/H1=0.8以下区域,磨损速率基本保持不变;在L1/H1=0.8以上区域,冲蚀磨损呈增大趋势,最大为2.3′10-6 kg/(m2×s);在锥体L2/H2=0.35以下区域,冲蚀速率逐渐减小;而在L2/H2=0.35以上区域呈逐渐增大趋势,在锥体顶端达最大值2.0′10-7 kg/(m2×s). 对防磨型旋风分离器,在筒体L1/H1=0.8以上区域,壁面最大冲蚀速率为0.5′10-6 kg/(m2×s),远小于常规旋风分离器. 在锥体从锥底向上冲蚀速率逐渐减小,在锥体顶端为0.4′10-7 kg/(m2×s),小于常规旋风分离器. 在小粒径范围内,分离效率随粒径增加而基本呈线性递增趋势. 粒径大于4 mm时,防磨型旋风分离器具有较高的分离效率. 压降随防磨板高度增加逐渐减小. A3型防磨分离器压降为360 Pa,小于常规分离器压降550 Pa. 为了降低旋风分离器壁面的冲蚀磨损,减少出口压降损失,粒径大于4 mm时,可选择最合理的B1型防磨分离器提高旋风分离器的防磨性能,从而延长使用寿命.     

旋风分离器锥体局部磨损对内流场及性能的影响

为了探究局部磨损对旋风分离器性能的影响,采用Oka磨损方程以及计算流体动力学(CFD)对旋风分离器壁面磨损以及内流场特性进行数值模拟,考察旋风分离器内流场等参数随磨损厚度增大的变化规律。结果表明,旋风分离器壁在锥体底部排尘口附近壁面局部磨损严重,形成螺旋形冲蚀磨损带。磨损引起设备几何结构的改变会导致切向速度降低,颗粒所受离心力降低,锥体内局部涡强度及影响范围增大,涡核旋进(PVC)的影响加大,不利于主流的稳定与固体颗粒的分离。与未磨损时相比,当局部磨损厚度为20 mm时,粒径为4μm的颗粒分离效率由100%降低至93%,分割粒径由1.3增大至1.9μm,设备压降降低了约40%。研究工作对保障旋风分离器的长期安全稳定运行具有重要理论指导意义。     

天然气净化用多管旋风分离器的分离性能

为了系统评价天然气净化用多管旋风分离器的分离性能,在线测量了入口气速6~24 m/s、入口颗粒浓度30~2000 mg/m3范围内多管旋风分离器的分离效率和分级效率. 结果表明,多管旋风分离器的分离效率和分级效率都随入口气速和入口颗粒浓度增大而提高. 与单管旋风分离器相比,在相同实验条件下,多管旋风分离器的分离效率下降2%~15%;单管旋风分离器基本能除净粒径大于10 mm的颗粒,而多管旋风分离器只能去除15 mm以上的颗粒. 多管旋风分离器的压降主要是内部单管旋风分离器的压降,占整个压降的80%~90%.     

旋风分离器分离效率影响因素分析

采用ANSYS-FLUENT数值模拟,分析了旋风分离器内压力分布和流场速度分布,对比不同气速和不同圆柱直径对旋风分离器分离率的影响。结果表明：旋风分离器的分离效率在一定范围内会随着气速的增大而增加,达到一定值后分离效率会降低;针对一种新型旋风筒结构,将其圆筒直径从5.8 m减小到5.0 m,旋风分离器的分离效率提高。     

旋风分离器内颗粒质量浓度分布数值模拟

采用颗粒随机轨道模型和单元内颗粒源法,对旋风分离器内不同粒径颗粒质量浓度分布进行了数值模拟。结果表明,粒径较小的颗粒(dp≤4μm)大部分在旋风分离器分离空间锥段进行分离,而较大颗粒(dp>4μm)大部分在环形空间与分离空间筒段即被分离。随着颗粒粒径增加,分离器外壁的颗粒质量浓度逐渐呈螺旋灰带分布,内旋流夹带减小,环形空间顶板下方出现顶灰环。升气管入口0.25D(筒体直径)附近的短路流对小颗粒的影响较大。在分离空间下部排尘口附近0.5D有明显的颗粒返混,返混量随着颗粒粒径增大而减少。     

旋风分离器进出口结构改进的研究进展

旋风分离器作为一种重要的气固分离设备,广泛应用于化工、环保等重要领域。由于其结构上的可设计性,世界上越来越多的研究者投入到旋风分离器的结构改进研究开发中。文章综述了国内外近几年对旋风分离器进气口、排气口和排尘口等结构改进的研究进展,为新型旋风分离器的研究提供了有价值的信息。此外,应用计算流体动力学技术优化旋风分离器的结构来降低研究成本是值得重视的。     

旋风分离器结构优化实验研究

为了在降低旋风分离器压降的同时维持较高的分离效率,设计了一种新型旋风分离器。采用弧形导流板分隔进气的入口结构、渐扩型排气的出口结构、加长型的筒体和锥体的结构,有锥顶过渡段的灰斗结构,并匹配了合理的尺寸。为了验证新型分离器的性能,将新型结构的旋风分离器与基准PV型分离器进行了并联对比实验。以空气为实验介质,实验粉料为滑石粉,在入口气速为14. 2～21. 2 m/s、入口含尘浓度为0. 01 kg/m~3时,同时测量了新型分离器与PV型分离器的效率和压降。对比实验结果表明,相对于基准PV型分离器,新型旋风分离器的平均压降降低了21. 91%,且分离效率基本保持不变。     

顺流式旋风分离器的分离性能研究

采用冷态对比实验研究从灰斗引出排气管的新型顺流式旋风分离器的分离性能。试验考察了导流体直径、导流体长度、导流体-排气管口距离、排气口直径等结构因素对分离性能的影响以及不同入口气速条件下的分离性能。研究结果为该类型旋风分离器的优化设计提供了依据。     

基于异质凝结原理环流式旋风多目标优化研究

针对传统旋风分离器对粒径小于5μm的颗粒分离效率低的问题，提出通过在环流式旋风装置中构建过饱和环境，利用异质凝结原理促进细微颗粒长大的方法。基于Fletcher的经典成核理论，建立气液固数值模型，分析环流旋风分离器中气体和颗粒的流动特性以及冷凝生长和聚并过程。结果表明：经过异质凝结生长和聚并后，颗粒在旋风内的平均粒径从1μm增大到3.92μm,分离效率从51.26%提高到88.26%。在此基础上，分析内筒直径、进气管倾斜角度，以及进口气速对环流式旋风装置压降和分离效率的影响，并通过多目标优化算法得到帕累托最优设计点，优化后的分离效率可达97.5%以上，同时压降也减小至1 165 Pa以下。     

排气管尺寸对旋风分离器流场影响的数值模拟

用雷诺应力湍流模型（RSM）模拟研究旋风分离器排气管尺寸对旋风分离器流场的影响.结果表明：单入口旋风分离器的非轴对称性在环区更明显;在排气管壁存在滞流区,排气管尺寸减小,该滞流区变薄;在分离区,De/D≥0.4时,旋风分离器的中心位置存在向下旋流,该旋流造成一定返混,对提高旋风分离器效率不利;随着De/D的减小,内旋流切向速度提高,中心处的向下旋流速度减小,总压降大幅提高;当De/D=0.3时,中心处向下旋流消失,提高了分离效率.     

旋风分离器压降及分离效率计算模型

介绍了旋风分离器的基本工作原理和主要用途,以及旋风分离器的主要改进与发展方向,叙述了旋风分离器压降和分离效率的理论计算模型,并对不同模型进行了相应的分析及比较。对未来旋风分离器的应用和性能进行了展望,认为未来旋风分离器的改良将向着在标准旋风分离器上添加额外部件的方向发展,改进型旋风分离器将打破旋风分离器技术不能有效分离5μm以下粒径颗粒的传统限制。