蜗壳式旋风分离器内气相流场非轴对称特性分析

采用Fluent软件对蜗壳式旋风分离器内气相流场进行了数值模拟,并在此基础上对流场的非轴对称特性进行了机理分析。蜗壳式旋风分离器入口结构的非轴对称以及气相旋流的不稳定性造成了气流的旋转中心与旋风分离器的几何中心不重合,从而导致了气相流场三维速度的非轴对称分布以及速度分量由于基准不同而产生的大小和方向变化。环形空间流场的非轴对称性主要是非轴对称入口结构影响的结果,分离空间流场的非轴对称性主要是旋流的不稳定性造成的。根据Rayleigh准则,旋风分离器内旋流流场的不稳定性是固有的,提高流场的旋流数可使流场的不稳定性降低,流场的非轴对称性降低。入口速度的变化不影响旋流数,也不影响流场的非轴对称性,但增加入口截面积比或减小量纲1升气管内径均可提高流场的旋流数,使流场的非轴对称性降低。旋风分离器的非轴对称性可以用角动量参量来描述。     

二级旋流气液分离装置设计与流场特性模拟

通过有效体积转化进行分离器尺寸设计,针对高气液比工况设计了一种二级旋流气液分离装置,基于液滴在旋流场中的破碎特性及Navier?Stocks方程的简化求解建立一种分离器直径的校核方法,通过实验验证了该校核方法有效. 通过CFD方法对简化的分离装置内部流场的非对称性进行分析. 结果表明,旋转流场的不稳定程度随入口面积和升气管直径减小而减小,入口速度不影响流场的不稳定程度,不同的长宽比在相同的入口面积下对内部流场的非轴对称性无显著影响,但单独增加入口的长、宽或二者同时增加使入口面积增大,将使分离器筒体横截面与入口截面的面积比KA减小,增加内部流场的非轴对称性.     

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。     

新型旋风分离器气相流场测试实验研究

针对高温高压的特殊情况提出了一种新型的旋风分离器,并用三维动态粒子分析仪PDA对不同结构参数和操作条件下的气相流场进行了测试,得出该旋风分离器内气相流场的整体特性———流场的切向速度分布在分离空间具有明显的对称性,任一截面上的分布分成内外2层旋流,外旋流是准自由涡,内旋流是准强制涡;同时分析了入口角度、排气管直径、高径比和入口气速等因素对其切向速度的影响规律,在此基础上依据实验数据关联出了计算内旋流直径和速度分布指数的公式。     

柱状气液旋流器压力场和速度场模拟分析

利用计算流体动力学(CFD)方法,采用流体力学软件FLUENT,针对柱状气液旋流分离器进行了内部流场、压力场和气相浓度的分析,得到了柱状气液旋流分离器的压力降分布特性和速度分布特性。揭示了入口位置及溢流口直径对柱状气液旋流分离器分离性能的影响。经研究发现:要使柱状气液旋流分离器具有低压力损失和高分离效率的综合性能,需要将入口位置和溢流口直径控制在一定范围。     

大长径比直筒型旋风分离器内部流动特性研究

为了探究大长径比直筒型旋风分离器内部的流动特性,采用雷诺应力模型(RSM)对单入口蜗壳式旋风分离器进行数值模拟,从瞬态流场和动态特性两个方面分析不同轴向位置的切向速度分布。同时,运用RMS分析了湍流脉动速度偏离时均速度的程度。结果表明,在瞬态流场中,切向速度等值线在截面上分布不对称,呈现明显的非轴对称现象;主要表现为切向速度零值的所在位置与几何中心不重合,零值偏移的一侧,切向速度较大,偏离的一侧较小。此外,切向速度的动态变化属于高速脉动状态,具有准周期性特点,通过优化结构或操作条件可以改变涡核频率,降低工业震动。在分离空间上部区域,流动不稳定性较大,湍流脉动较强,速度波动范围较大。随着轴向向下,流体能量逐渐耗散,速度脉动逐渐减小。RMS数据表明运动流体从入口段进入旋风分离器,流动不稳定性逐渐增大,达到一定程度后,不稳定性逐渐变小,直至较为平稳。     

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。     

催化裂化沉降器内两端敞开型旋风分离器内气相流动规律

研究考察了催化裂化沉降器内两端敞开型旋风分离器内油气流动规律.用CFX软件采用DSM模型进行了数值模拟,并与用五孔探针测试的流场进行了比较,表明DSM模型有良好的预测精度.在此基础上,采用标量输运方程研究了气体在旋风分离器内的停留时间分布规律.实验和模拟结果均表明,该类旋风分离器内流场与常规旋风分离器的有很大的不同,升气管和料腿均存在回流区,升气管回流区最大可波及分离空间,对分离空间流场有很大干扰.气体示踪模拟结果表明,由入口进入旋风分离器,由升气管、料腿排出的气体的停留时间近似呈对数正态分布;升气管、料腿回流区内气体停留时间呈双峰分布;升气管回流区的存在可使总气体平均停留时间增大约5%～10%;料腿直径的减小以及灰斗的存在均可增大由升气管排出的气量并使升气管、料腿回流区大幅减小,进而减小粗旋风分离器内气体总平均停留时间.     

新型多旋臂气液分离器入口旋流头的预分离特性研究

新型多旋臂气液分离器可实现大直径分离器内的气液旋流高效分离,其入口旋流头结构是分离器的重要组件之一。通过大型冷模实验,对入口旋流头结构的液滴群粒径分布进行非引出式在线测量,从压降和分离效率角度考察了旋流头的预分离性能。结果表明,在入口直管段,初始液滴粒径会在高速气流的作用下迅速进行重新分布,粒径分布呈类正态分布,Sauter平均粒径（SMD）为16.8 μm。在16.95 m/s的气速下,液滴群在H/D=2.47~8.48长度内的入口直管段中运动状态稳定,粒径分布未发生明显变化。在高气速的操作条件下,剪切效应和边壁效应共同作用使SMD略有增大。液滴群在流经旋流臂后,粒径分布发生显著变化,出现“双峰”特征,旋流臂对液滴的聚集效果明显。通过粒径分布分析,预测了旋流臂末端的液滴特征。发现旋流头的预分离性能优越,在压降占比仅3.2%~8.4%的情况下,分离效率占比可高达42.8%~62.5%。入口旋流头结构不仅可以为混合相创造强旋流的初始分离环境,还能借助自身结构特点实现对混合相的惯性预分离。     

旋风分离器内气相旋转流不稳定性的实验研究

旋风分离器内气相旋转流具有较强的不稳定性,其表现形式是旋转流的旋转中心围绕几何中心的偏心摆动,导致流场的瞬时速度随时间发生脉动变化。这种旋流的不稳定特性难以用时均流场参数进行描述,需要用动态流场参数描述,为此采用热线风速仪测量了?300 mm旋风分离器内瞬时切向速度随时间的变化。实验结果表明瞬时切向速度是由气体湍流形成的高频脉动和旋转流偏心摆动形成的低频脉动两部分叠加构成,据此探讨了旋转流摆动形成的机制。瞬时切向速度的低频脉动来源于刚性涡的偏心摆动,脉动幅值与偏心距成正比。通过瞬时切向速度频域建立了旋转流的摆动频率与入口速度、筒体直径和排气管直径的计算模型。     

旋风分离器内气相旋转流不稳定性的实验研究

旋风分离器内气相旋转流具有较强的不稳定性,其表现形式是旋转流的旋转中心围绕几何中心的偏心摆动,导致流场的瞬时速度随时间发生脉动变化。这种旋流的不稳定特性难以用时均流场参数进行描述,需要用动态流场参数描述,为此采用热线风速仪测量了?300 mm旋风分离器内瞬时切向速度随时间的变化。实验结果表明瞬时切向速度是由气体湍流形成的高频脉动和旋转流偏心摆动形成的低频脉动两部分叠加构成,据此探讨了旋转流摆动形成的机制。瞬时切向速度的低频脉动来源于刚性涡的偏心摆动,脉动幅值与偏心距成正比。通过瞬时切向速度频域建立了旋转流的摆动频率与入口速度、筒体直径和排气管直径的计算模型。     

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。     

Test of flow field on the annular meridian plane in a tubular membrane separator with rotary tangential flow

Enhancement of membrane microfiltration by rotary tangential flow is a new technique, which is based on the hydrocyclone mechanism. It improved the structure of the general membrane separator and the form of the liquid suspension flowing into the separator, so as to increase membrane fluxes and decrease membrane fouling. In our research, a tubular membrane separator with rotary tangential flow was designed for the first time. The flow field characteristics of polypropylene tubular membrane microfiltration in this tubular separator were studied systematically by means of the Particle Image Velocimetry (PIV) test. Streamlines and velocity distributions of the meridian plane of the separator under different operating parameters were obtained. The velocity distribution characteristics of rotary circular tangential flow were analyzed quantitatively with the following conclusions being obtained:

• (1) In the non‐vortex area, no matter how the operating parameters (flux, entry pressure) change, the velocity near the rotary tangential flow entrance is higher than the velocity far from the entrance at the same radial coordinates. In the vortex area, generally the flow velocity of the inner vortex is lower than that of the outer vortex. At the vortex center, the velocity is the lowest, the radial velocity being generally equal to zero. In the vortex zone, the radial velocity is less than the axial velocity.
• (2) Under test conditions, the radial velocity and the axial velocity of the vortexes' borders are 1–2 times the average axial velocity in the annular gap of the membrane module. The maximum radial velocity and axial velocity of Taylor vortexes are 2–5 times the average axial velocity in the annular gap of the membrane module.
• (3) In the vortexes that formed on the meridian plane, it was found that mass transfer occurred between the inner and outer parts of the fluid. Much fluid moved from the outer vortexes into the inner ones, which was able to prevent particles blocking the membrane tube.

Copyright © 2004 Society of Chemical Industry     

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%。     

Modeling the gas flow in a cyclone separator at different temperature and pressure

The gas flow field in a cyclone separator, operated within a temperature range of 293 K–1373 K and a pressure range of 0.1–6.5 MPa, has been simulated using a modified Reynolds-stress model (RSM) on commercial software platform FLUENT 6.1. The computational results show that the temperature and pressure significantly influence the gas velocity vectors, especially on their tangential component, in the cyclone. The tangential velocity decreases with an increase in temperature and increases with an increase in pressure. This tendency of the decrease or increase, however, reduces gradually when the temperature is above 1000 K or the pressure goes beyond 1.0 MPa. The temperature and pressure have a relatively weak influence on the axial velocity profiles. The outer downward flow rate increases with a temperature increase, whereas it decreases with a pressure increase. The centripetal radial velocity is strong in the region of 0–0.25D below the vortex finder entrance, which is named as a short-cut flow zone in this study. Based on the simulation results, a set of correlations was developed to calculate the combined effects of temperature and pressure on the tangential velocity, the downward flow rate in the cyclone and the centripetal radial velocity in the short-cut flow region underneath the vortex finder.     

不同操作参数下动态水力旋流器内部油水两相流动的数值模拟

根据计算流体动力学(CFD)的方法,应用Fluent软件对动态水力旋流器内部油水两相流场进行数值模拟,考察了不同入口流量及转筒转速下旋流器内速度场与油水两相的分布情况。结果表明:动态水力旋流器内切向速度呈双涡结构(准自由涡与准强制涡);轴向速度明显小于切向速度且不存在零速度包络面,油相集中于旋流器轴心形成油核,随着流量及转速的增加,各相速度及中心油核浓度均增加。     

旋风分离器高温流场的实验测量

引言 对旋风分离器内流场的认识是研究其分离过程的基础.长期以来,人们对旋风分离器内流场的结构、速度分布等进行了大量的测量和分析,认识到旋风分离器内是一个三维强旋旋湍流场.     

Flow Patterns in Mini‐Hydrocyclones with Different Vortex Finder Depths

Two‐phase flow patterns in a mini‐hydrocyclone with different insertion depths of the vortex finder were measured by a phase Doppler particle analyzer. The distributions of velocity, concentration, root‐mean‐square velocity, and average diameter of particles were evaluated. A deeper insertion of the vortex finder led to smaller tangential velocity at the cross section near the column cone interface. When the vortex finder insertion depth did not reach the column cone interface, the vortex finder was inserted deeper and the line of zero velocity value migrated more distinctly inward. When the vortex finder insertion depth reached or exceeded the column cone interface, strong turbulence occurred near the vortex finder. The distributions of the axial velocities of particles and root‐mean‐square velocities indicated that circulation flow existed at the bottom part of the mini‐hydrocyclone.