重油催化裂化装置沉降器顶旋风分离器升气管外壁结焦原因的流动分析

在蜗壳式旋风分离器环形空间流场测量和分析的基础上 ,分析了重油催化裂化装置沉降器顶旋风分离器升气管外壁 0°～ 90°～ 180°(以入口处为 0°)部位结焦的原因。由于进口气流在升气管外壁的绕流流动以及和内部环流的交汇作用 ,在升气管管壁表面形成了低速的“滞流区” ,并在0°～ 90°～ 180°部位形成了顺压力梯度的附面层 ,部分细小颗粒或液滴在环形空间二次涡的作用下被输送到升气管外壁表面 ,沉积在该附面层内 ,具有结焦倾向的油气组分与催化剂细颗粒发生结焦反应 ,焦粒逐渐长大形成月牙状焦块     

PV型旋风分离器的分离性能改进实验和分析（Ⅰ）——环形空间

针对PV型旋风分离器环形空间存在的顶灰环问题,从实验和流场两个方面探讨了顶灰环产生的机理和形成的条件,同时进行了有关顶灰环对旋风分离器效率影响的分离性能实验。实验结果和流场分析表明,顶灰环产生于旋风分离器环形空间的二次涡流,顶灰环的存在导致了颗粒向内旋流的扩散和逃逸,造成旋风分离器的效率下降,最后提出了抑制顶灰环对旋风分离器分离效率影响的改进方向。     

粗旋风分离器内气相流场研究与数值模拟

采用CFX软件提供的DSM模型对催化裂化沉降器内粗旋风分离器中的气相流动规律进行了数值模拟,并与用五孔探针测试的流场进行了比较。结果表明,采用合适的网格系统和边界条件等,DSM模型对粗旋风分离器具有良好的预测精度。对实验和模拟结果的分析表明,粗旋风分离器内流场与常规旋风分离器的流场不同,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。料腿直径的减小以及灰斗的存在使升气管排出的气量增大并使升气管、料腿回流区大幅减小,从而在宏观上保证了气固分离效率和较小的气相停留时间。     

单、双入口旋风分离器环形空间流场的数值模拟

采用RSM模型数值模拟了单入口、双入口旋风分离器环形空间流场分布形式。结果说明单入口分离器径向速度量值总体约是多入口分离器的10倍。双入口分离器环形空间流场对称性较好,切向速度比单入口分离器大;径向向心速度小,可能会减少气流向升气管壁面夹带的颗粒量;且升气管近壁下行速度小而均匀,能减小芯管下方短路流量,分离器性能比单入口分离器好。根据环形空间流场还可以推测,双入口分离器对升气管外壁面冲刷能力强且作用效果均匀,可以有效抑制在气管外壁大块结焦物的形成。     

基于有限元法旋风分离器应力分析与结构优化

采用有限元分析软件ANSYS对蜗壳式旋风分离器进行应力分析计算,依据JB4732分析设计标准对危险部件进行应力强度评定,并对旋风分离器原设计结构进行优化改进。结果表明,改进后蜗壳式旋风分离器的强度满足安全要求,可供类似旋风分离器的安全评估和分析设计提供参考。     

旋风分离器的性能及设计(续)

四、旋风分离器性能的最佳化 除了斯太尔曼特压降方程式能适用于所有结构形式的旋风分离器以外,上面所讨论的计算压降及效率的方程式是根据图1所示的典型旋风分离器而导出的。这些方程式能否适用于其他形式的设计,诸如具有蜗壳式气体进口的旋风分离器、旋转叶片进口的旋风分离器、或“直通式”旋风分离器(气体在旋风分离器中不走反方向)尚不知道。     

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。     

PV型旋风分离器的内流场的试验研究

用五孔球探针与热线风速仪测定了不同结构参数的ＰＶ型旋风分离器全空间内的三维速度分布，总结了入口气速与主要结构参数变化后对流场的影响规律，提出了相似放大的办法。结果表明，在旋风分离器的蜗壳顶部存在纵向二次流，在芯管下口附近存在短路流，在排尘口处有较强的灰斗返气。这些均不利于气固分离。     

PV型旋风分离器内流场的试验研究

用五孔球探针与热线风速仪测定了不同结构参数的ＰＶ型旋风分离器全空间内的三维速度分布，总结了入口气速与主要结构参数变化后对流场的影响规律，提出了相似放大的办法。结果表明，在旋风分离器的蜗壳顶部存在纵向二次流，在芯管下口附近存在短路流，在排尘口处有较强的灰斗返气，这些均不利于气固分离     

高温高压旋风分离器的结构及性能

为了提高旋风分离器在高温高压条件下的承压耐温能力,根据工业应用成熟的PV型高效旋风分离器的结构,提出一种长圆切向入口、两端封头的压力容器式旋风筒体旋风分离器(简称容器式旋风分离器)。流场模拟分析表明,在相同入口气速下,容器式旋风分离器外旋流区的切向速度明显高于PV型旋风分离器,且器壁附近向下的轴向速度也略高于后者,中心涡核区轴向速度低于后者。用中位粒径为9.8 μm的滑石粉进行加尘冷模实验表明,相同气速下,容器式旋风分离器的分离效率较PV型旋风分离器的高约2%;相同压降下,前者的分离效率明显高于后者。容器式旋风分离器结构简单,结构强度和分离性能优良,可供高温、高压工况的分离操作使用。     

新型旋流-颗粒床耦合分离设备的三维气相流场分布

采用五孔球探针测量了无尘负荷条件下新型旋流-颗粒床耦合分离设备内复杂的三维气相流场,分析了内部流场特点。结果表明:在不同入口气速条件下,无量纲切向速度与无量纲轴向速度的分布形态基本类似;切向速度分布轴对称性较好,旋流中心与几何中心基本重合;切向速度沿轴向呈减小趋势,沿径向的分布则与常规旋风分离器不同;在入口环形空间内,切向速度在0°~180°方位区间内增大,而在180°~270°方位区间内减小;旋流空间内轴向速度整体方向向下,局部螺旋上升气流集中在筒-锥连接段270°方位;径向速度分布的规律不明显,在直筒段径向速度数值与轴向速度在同一数量级,且对气流方向有重要影响;在排气管入口截面处,外旋流方向与入口气速密切相关。各截面平均静压沿轴向呈增大趋势,结合动压场分布可判断出筒-锥连接段气体流量显著减小,部分气体螺旋向上进入颗粒床,在实际操作过程中可能会导致粉尘堆积。由于内置颗粒床的影响,设备内部的气相整体呈螺旋向下的旋流运动,内外旋流边界不太明显。排气管口处短路流、顶灰环与返混现象消失。     

旋流快分系统（VQS）环形空间内气相流场的研究

采用激光多普勒测速仪（LDV）对旋流快分系统（VQS）内环形空间的气相流场进行研究。结果表明，VQS系统内环形空间的气相流场具有双涡特性，内外涡的分界点处存在最大的切向速度。由于流体与双侧壁面之间的摩擦造成能量损失和湍流能量耗散，导致最大切向速度不断衰减且位置沿轴向向下逐渐向提升管外壁移动，同时涡量传递造成外部的准自由涡区逐渐增大，内部的准强制涡区逐渐缩小。轴向速度沿径向呈明显的线性分布，下行轴向速度沿提升管外壁向封闭罩内壁的径向方向逐渐增大。轴向速度的径向梯度沿轴向向下逐渐变小，轴向速度分布也逐渐趋于水平直线状。整个环形空间内，切向、轴向相对湍流强度分布稳定，湍流脉动与扩散比较平缓，有利于气流稳定下行，避免纵向环流、涡旋死区的发生。     

PV型旋风分离器内三维流场的数值模拟

采用雷诺应力模型(Reynolds stress model，简称RSM)，在三维贴体坐标系下采用SIMPLE算法求解控制方程，应用Fluent程序数值模拟PV型旋风分离器内三维流场。计算结果与实测值相吻合，轴向速率在中心处有滞流、回流，环形空间顶部有二次流，排气管末端有短路流。随着排气管直径的减小，切向速率增大。     

天然气单流涡流管流场与温度场数值模拟

单流涡流管(SCVT)对传统涡流管(RHVT)的结构进行了改进,在天然气管道调压系统的在线加热方面具有较大的安全、节能优势。为了使SCVT技术能更好地适应天然气管道系统的工况调整和环境温度变化,基于前人关于RHVT的研究成果,建立了SCVT流场和温度场计算模型,采用ICEM和FLUENT软件分别对计算区域进行了结构化网格划分和三维数值模拟;进而根据环道实验数据对计算模型进行了验证分析,针对SCVT在典型工况下的切向运动、轴向运动、静压、静温、短路流等特性进行了数值模拟研究。研究结果表明:①流场由一系列沿热端管方向流量不断衰减的"短路流"构成;②流场结构存在着平行于管中心的能量分离界面,界面的轴向速度为0,静压不随轴向位置变化,界面两侧的内、外旋流的轴向速度相反;③在靠近喷嘴的前半段,径向方向的静压、静温、切向速度和轴向速度差异较大,能量分离效果显著;④静温在管壁处最高,并沿着热端管方向近似呈指数趋势升高,较大的热端管长径比增大了与被加热气体之间的换热面积,有利于提高SCVT的加热性能。结论认为,该研究成果可以为涡流管加热技术的推广应用提供技术支持。     

加氢裂化空冷管束流动传热的耦合模拟

为研究加氢裂化空冷管道内流动场和温度场分布规律,在流动传热耦合分析的基础上,结合高雷诺数k-ε湍流模型和热对流传导模型,采用有限元方法数值模拟空冷管道内湍流流动与对流传热过程。研究结果表明:管道壁面处存在速度边界层和温度边界层,有着较大的速度梯度和温度梯度;衬管后存在回流区域,最大回流长度为4.8 mm;流体温度随管道长度呈近线性递减趋势,在同一截面处流体温差较小;流体出口温度随管径减小而减小,随流速的增大而增大。     

含扭曲片乙烯裂解炉管内流场的数值模拟

 基于网格生成法，采用计算流体力学对含扭曲片的乙烯裂解炉管内强化传热的流场(流速、压降和阻力损失)进行了数值模拟，并分析了扭曲片扭曲比对流场的影响。结果表明流体流经扭曲片，切向速度迅速增大；流出构件后，切向流速沿轴向逐渐变小，而沿径向逐渐增大。在管径方向存在一个轴向速度等于整个截面平均轴向速度的点。管内总压降及扭曲片局部压降均随雷诺数增大而增大，不随管径变化而变化。管内平均阻力系数与雷诺数呈线性关系，随雷诺数增大而变小；扭曲片局部阻力损失随雷诺数的增大而迅速增大，随管径减小而增加。扭曲比对管内流场有影响，较佳的取值范围为2.4~2.6。     

分层配注器波纹环空流场的数值模拟

用3D Max建立了分层配注器波纹环空流场的计算模型,调入PHOENICS的VR编辑环境中,根据实际配注器的几何尺寸,在柱坐标系下,采用局部加密正交网格,应用k-ε湍流计算模型对水介质流场进行了数值计算,给出流场的速度分布与压力分布曲线,并对比分析了3种形状的波纹环空流场的数值计算结果。结果表明,波纹环空流场特性与流道的形状有密切关系。     

环空充气钻井工艺设计及参数分析

针对传统寄生管充气钻井工具在环空中形成的气相分布不均匀的弊端,设计了一种新型环形气体均布寄生管充气钻井工具。根据传热学、热力学和垂直气液两相管流理论,考虑注入气体物性随井筒温度压力变化,对环空充气工艺参数进行优化分析。分析结果表明,环空压力随注气量增大先急剧降低后逐渐升高,注气量通常选择在稍大于临界点处对应的气体流量;在静压控制区环空压力变化幅度明显大于井口回压变化,环空压力变化敏感;在摩擦控制区随井口回压变化,环空压力变化幅度较小,更加缓和,易于调节。     

螺旋分离器水流动特性的CFD模拟与PIV试验

设计了一种新的螺旋分离器,采用CFD数值模拟技术对螺旋分离器的入口管段、螺旋分离段及出口管段内流体流动速度场及压力损失分布特性进行了分析,结合PIV流场测试试验对分离器的入口管段和出口管段内流体流动速度场进行了测量和对比分析。介绍了螺旋分离器油水分离的工作原理、结构参数及PIV实验流程。结果表明：该螺旋分离器螺旋导流效果明显,在螺旋分离段及出口管段内具有持续时间长、离心分离强的螺旋流分离流场;流体流过螺旋分离段后,在出口管段内可形成稳定的螺旋流场;通过对比分离器内入口管段及出口管段PIV试验速度测量值与数值模拟值,结果吻合良好,验证了模拟结果的可靠性;通过分离器的压力损耗分析,指出了螺旋分离器的主要压力损耗位置,设计工况下的分离器最大压力损耗不超过90 kPa。     

旋流式气锚的设计与应用

旋流式气锚主要由外管、衬管和内吸管组成,外管有很多与内表面相切向下倾斜的小孔,衬管开有很多径向孔眼,外管与衬管利用上下接头固定,两者之间形成一个环形空间,内吸管与抽油泵相连并与衬管之间形成一个环形空间.油气混合液经过外管、衬管和内吸管进入抽油泵,整个过程通过剪切作用、离心力作用和重力作用三级分离,井下油气分离效率高,可用于油气比较高的机抽井.