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。     

FCC内置式四旋分离系统内气固两相流场的数值研究

通过数值模拟的方法,采用RSM湍流模型对FCC内置式四旋分离系统内气固两相流场进行了研究.研究表明,四旋灰斗底部存在错流,不利于排料;储料罐顶部平衡管泄气有利于四旋排料,但同时增加了颗粒逃逸的概率,降低分离系统效率;分离系统内颗粒运动轨迹包括灰斗捕集、排气管逃逸及平衡管逃逸,控制颗粒在平衡管逃逸可通过在储料罐内添加锥形挡板结构实现;四旋环形空间顶部与灰斗底部锥段颗粒浓度较高,易对四旋内壁产生磨损;内置式四旋分离系统优点在于不存在催化剂跑损问题.     

短接触旋流反应器导叶位置对气相流动的影响

采用雷诺应力模型对不同导叶位置下的短接触旋流反应器内气相流动进行数值模拟,并且用组分输运方程研究了气体在旋流反应器内停留时间的分布规律,分析了导叶位置对反应器内气相停留时间分布、气相流场以及排气管入口短路流的影响。结果表明:不同导叶位置的旋流反应器排剂口处气相停留时间分布曲线相似,而混合反应区内气相停留时间分布曲线仅在时间轴上发生微小偏移;叶片离反应器入口越远,混合反应区内切向速度越小,而排气管下方分离反应区内外旋流切向速度显著增大及准自由涡范围减小;叶片与排气管入口距离减小可以降低附近短路流率,减小催化剂的“跑损”,但也增大了排气管内气流旋转强度,造成不必要的能量损耗增大。     

旋风分离器内颗粒运动规律的数值模拟

采用单颗粒动力学模型计算了旋风分离器内颗粒的运动轨迹。计算结果表明：进入旋风分离器的颗粒绝大多数在环形空间内就被甩向器壁；从入口上部进入的部分较小颗粒由于局部二次流作用而上升形成顶灰环；还有少量颗粒进入下部分离空间。在下部分离空间内，有灰斗返气夹带上来的颗粒，处于内旋流的颗粒则有可能随上升气流而逃逸，所以一定的分离空间高度有利用颗粒的二次再分离。     

大型环流式旋风除尘器流场模拟

采用CFD模拟软件Fluent6．2提供的雷诺应力模型（RSM）对大型环流式旋风除尘器内的流场进行了数值模拟研究。结果表明：大型环流式旋风除尘器避免了顶部灰环,降低了设备的压降。但由于放大效应,内部流场出现局部涡,造成除尘效率降低,通过对顶部、灰仓等部位改进后,局部涡明显减少,除尘效率提高3％～6％。     

一种新型气固分离器内气相流场的数值模拟

针对催化裂化原料日益重质化的趋势,提出了一种后置烧焦管式组合再生工艺. 后置烧焦管出口的气固分离装置是实现这种工艺的关键设备之一. 为此,设计了一种基于离心与惯性分离原理相结合的新型气固分离器.为了详细研究该分离器,结合流场实验结果,采用数值模拟方法对该分离器内的气相流场进行了数值模拟,数学模型为标准湍流模型.模拟结果给出了分离器内的流场总体特征为:气流以切向速度为主,竖直向上进入分离器的气体绕排气管做旋转运动,先后由排气管上的窄缝排出,部分气体由排气管下方空间返回入口区;拱形分离空间内切向气速随径向位置的增加而减小.排气管上的开缝形式是分离器压降增加的主要因素.将排气管上的两条窄缝改成总面积与排气管内截面积相等的均匀切向窄缝,避免了管内旋流涡核的偏心,分离器压降明显降低.     

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。     

旋风分离器内气固两相流动特性的模拟研究

通过数值模拟对旋风分离器内的气固两相流动进行研究。采用RSM湍流模型和DPM两相流模型分析旋风分离器内的气固两相流动特性。旋风分离器内的气流切向速度呈中心准强制涡、外侧准自由涡的双涡分布,分界面大约在0.8倍排气管半径处;气流轴向速度呈中心上行、外侧下行的双行流分布,分界面即零速包络面大约与排气管直径一致;小粒径颗粒的运动具有随机性,粒径大于7μm的颗粒可以完全被捕集分离;流动的非轴对称特性和顶灰环对气固分离不利,应给予重视。     

旋风分离器在结构上的改进

在旋风分离器的排气管处增加二次流,通过控制二次流的大小及进风方向达到改变旋风分离器内部流场分布,从而减少上灰环和短路流的产生,提高了对微细粉尘的分离能力。     

一种新型气固分离器内两相流动的数值模拟

采用数值模拟的方法对带有切向开缝中心管式气固分离器的气固两相流进行了研究.计算中对气相采用了雷诺应力模型,对颗粒相采用了Lagrange坐标系下的随机轨道模型.结果表明:气相流场总体特征为拱形空间内气流以切向速度为主绕排气管做旋转运动,切向气速随径向位置的增加而减小.大部分气体通过开缝进入中心排气管而从中心管排出,少部分气体由排气管下方空间返回入口区.颗粒相的引入对气相流场有显著的影响,分离器拱形空间内同一径向位置的气体切向速度明显降低.颗粒由于自身惯性向边壁运动的趋势改变了气相流场分布,使气体更易向中心管内运动,从而达到较高的分离效率.计算得到的分离效率与实测值吻合较好,证明了数学模型的合理性,为进一步优化分离器结构提供了可靠依据.     

旋风分离器有无灰斗对气相流场动态特性的影响

旋风分离器底端的排尘口依据气固分离工艺的要求分别采用有灰斗或无灰斗结构。但灰斗是否存在对旋风分离器内部流场影响的研究尚显不足。为此，采用热线风速仪对排尘口有灰斗和无灰斗的旋风分离器气相流场的切向速度进行了测量。结果表明旋风分离器内旋转流具有较强的不稳定性，表现为瞬时切向的速度低频高幅值波动变化。灰斗的存在进一步导致了排尘口附近瞬时切向速度的强烈波动。通过对瞬时切向速度的频谱分析表明，有灰斗结构的旋风分离器瞬时切向速度有2个主频，分别是存在于整个空间的全空间主频和出现在锥体下端排尘口附近区域的局部主频。无灰斗结构的旋风分离器仅有1个全空间主频。全空间主频是气体旋流中心围绕旋风分离器几何中心摆动造成的，而局部主频是灰斗气体回流造成的。灰斗气体回流主频与全空间旋转流摆动的主频叠加形成了锥体下端排尘口附近区域瞬时切向速度的2个主频。     

Stereoscopic PIV studies on the swirling flow structure in a gas cyclone

Understanding the swirling flow in a gas cyclone is of great importance in improving the cyclone design. Once the three-dimensional strong swirling flow is fully understood, cyclone performance such as pressure drop and separation efficiency can be improved by optimizing the cyclone design. The swirling flow was investigated by the stereoscopic particle image velocimetry (Stereo-PIV) in this work. The instantaneous whole-field tangential, axial, and radial velocities were measured simultaneously in the cylindrical and conical separation zone, and in the dust hopper area of the cyclone with gas inlet velocity of .The time-averaged flow pattern in the cylindrical and conical sections of the cyclone showed: a typical Rankine vortex with inner quasi-forced vortex and outer quasi-free vortex which is generated by tangential gas velocity; inner upward flow and outer downward flow of axial gas velocity; and centripetal flow in the region close to the wall due to the presence of radial gas velocity. In the dust hopper, a secondary longitudinal circular flow is formed in the annulus area between the conical body and the cylindrical wall. Experimental results indicate that the separated particles may be re-entrained into the cyclone from the bin to degrade the separation efficiency of the cyclone.     

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。     

旋流分离-颗粒床耦合气固分离装备旋流场静压分布

针对一种集旋风分离器和内置颗粒床优势于一体的新型耦合气固分离装备在无灰负荷及固定床操作条件入口环形空间、分离空间和灰斗内静压场进行研究。结果表明,静压沿周向为非对称分布,轴向为非均匀分布,径向则呈中心低两侧高分布;且存在着静压分布的降压区(0?~180?,以入口处为0?)和增压区(180?~360?);装备中心的负压及旋流作用在轴向高度H=6.41D(D为旋风壳体内径)以下对静压的影响不再显著;内置颗粒床外壁附近存在“滞留层”,有利于提高装备的分离性能。根据实验数据给出了静压周向分布和静压轴向分布的经验公式。     

蜗壳式旋风分离器内的湍流特性(Ⅰ)分离空间

采用激光多普勒测速系统测试了蜗壳式旋风分离器内的流场,分析了最主要的分离空间内湍流特性.内旋流区、排尘口附近、近壁处以及上下行流交界点和内外旋流交界点等处的湍流度变化非常剧烈,而且数值上也大得多.比较轴向和切向湍流度得知表明分离空间的湍流是各向异性的.Reynolds应力值在内旋流区大于外旋流区,而且在排尘口附近、排气管下口附近都有陡增,湍流黏性系数也反映了这个特点.     

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。     

排尘结构对导叶式旋风管内流动分布影响的数值研究

通过数值模拟的方法研究了排尘结构对装有分流型芯管导向叶片式旋风管内流场的影响规律。研究发现,随排尘口直径增加,环形空间切向速度增加,分离空间内旋流区切向速度增加,外旋流区切向速度减小,经分流型芯管侧缝流量减小;旋风管压降随排尘口直径增加而减小,排尘口直径为200mm和250mm时,旋风管能耗最低;锥体尺寸增加可有效减小灰斗区及外旋流区的能耗。     

PDC型旋风管灰斗内流场的测试与分析

采用智能型五孔球探针测试技术 ,重点对PDC型旋风管灰斗内排尘口处的流场进行了测量研究 ,对有关操作参数与结构参数的影响进行了对比分析 ,得到了灰斗内排尘口处的流动分布规律 ,并对排尘口处的上行流率进行了计算 .     

新型双蜗壳式旋风分离器内流场分布的试验研究

采用五孔球探针测试仪对一种新型双渐开线入口结构旋风分离器分离空间的三维速度和压力分布进行了测量。试验结果表明,该旋风分离器分离空间的切向速度呈现“驼峰”分布,最大值达到29vp,离心力场较强,上行流区的静压变化为顺压梯度,有利于降低压力损失;在流场测量的基础上,利用积分离散化的方法计算了分离空间的下行流量,指出控制短路流和分离空间下端的旋涡流动是进一步的优化方向。