入口挡板对旋风分离器内流动分布影响的试验研究

李永健，王建军，金有海

（中国石油大学(华东)， 山东 东营 257061）

入口挡板对旋风分离器内流动分布影响的试验研究

李永健，王建军，金有海

（中国石油大学(华东)， 山东 东营 257061）

运用七孔球探针对直切型旋风分离器及入口加挡板结构进行了流场的测量，并对其内部流场进行了研究，指出了随挡板角度变化，流场的变化规律，结果表明随挡板角度变大，切向速度提高，切向速度峰值位置沿径向外移，下行流的轴向速度提高，上行流的轴向速度降低。

旋风分离器； 入口挡板； 三维速度分布

旋风分离器是石油化工装置中一种重要的气固分离设备。为进一步优化结构，提高分离器的分离效率，针对直切型旋风分离器的入口结构，添加了不同角度的挡板，并进行了流场的实验研究。

1 试验模型和实验装置

实验采用七孔球探针对旋风分离器内全空间的三维流场进行测定，七孔球探针经风洞标定，可以测定3个时均速度分量与静压。

试验采用吸风附压操作，装置简图见图1 。

图1 试验装置简图Fig.1 Experimental setup

试验用直切型旋风分离器如图2所示，直径360 mm，进气口尺寸177 mm×89 mm,升气管直径144 mm，直切进口挡板竖直放置，挡板与进口的左边壁形成一定角度。旋风分离器整体用有机玻璃制造，实验中重点考察直切入口处加挡板后与旋转气流的相互影响。

每个结构的流场均控制在700 m3/h下的流量下测得，使之流量相同。

图2 分离器简图Fig. 2 Cyclone separator

2 旋风分离器流场分布特点

旋风分离器空间可分为3个区域：上部环形空间，排气芯管以下的分离空间及灰斗。图3与图4所示为典型的直切型分离器环形空间切向与轴向速度分布，图5与图6所示为分离空间切向与轴向速度分布。由图可知，分离器气流的走向为：切向进入分离器的环形空间，沿筒体与锥体外侧旋转向下形成下行流；同时在筒体，特别是在锥体中心区域反转向上形成上行流，进入排气芯管排出，另有少量的气流要旋入灰斗后再反转上升与上行流汇合。这是典型的有转折的内外旋流结构，内外旋流的旋转方向是相同的[1-3]。

图3 基准结构环形空间切向速度分布Fig.3 Benchmark structure annular space tangential Velocity

图4 基准结构环形空间轴向速度分布Fig.4 Benchmark structure annular space axial velocity

图5 基准结构分离空间切向速度分布Fig.5 Benchmark structure separation space tangential velocity

图6 基准结构分离空间轴向速度分布Fig.6 Benchmark structure separation space axial velocity

在环形区的三维速度分布呈非轴对称性。切向速度由器壁径向向内逐渐变大，在靠近排气管外壁附近时，达最大值，达最大值后径向向内则有减小的趋势。轴向速度绝大多数是向下的，但有个别处的轴向速度是向上的，这是一种环形空间的二次涡流，径向速度的方向在不同时刻，可能向心，也可能离心，从试验来看，方向随时间摆动。

在排气芯管以下的分离空间内，切向速度的轴对称性比较好，表现出强旋流的特点，轴向速度可分为上行流和下行流，上下行流分界点处的轴向速度为零，外侧下行流区内，沿径向向外，轴向速度逐渐增大，内侧上行流区内，沿径向向内，轴向速度逐渐增大，达最大值后又逐渐减小。紧邻着环形空间的分离空间的第一个截面由于受到环形空间气流的作用与下面的分离空间测得的速度趋势略有不同，切向速度峰值位置沿径向向外偏移。筒体部分的另外三个截面测得的切向速度曲线几近重合，说明内旋流与外旋流在分离空间内没有明显衰减，峰值位置没有明显的偏移[4-5]。

3 加挡板后旋风分离器流场分布特点及与基准结构的对比

分别在入口处加 5°,7°,10°挡板，使气流以一定角度向入口边壁处运动，而不是平行于边壁进入分离器，由图7与图8可明显看到在环形区的三维速度，在同一径向位置上，切向速度的值有所增大，随添加的挡板角度的不同，速度值的增大幅度有所不同，在z= 65 mm处，轴向速度在靠近边壁处有明显的上行流，依然存在二次涡流。

在排气芯管以下的分离空间内，流场分布最具规律性，由图9可看到，切向速度沿径向呈“驼峰”状分布，切向速度随着挡板角度的增加，切向速度最大值的径向位置有外移的趋势，添加10°挡板时尤为明显，也就是挡板角度过大，会使外旋流由边壁到切向速度峰值位置的范围变小;

图7 不同结构环形空间切向速度对比Fig.7 Different structure annular space tangential velocity

图8 不同结构环形空间轴向速度对比Fig.8 Different structure annular space axial velocity

图9 不同结构分离空间切向速度对比Fig.9 Different structure separation space tangential velocity

另外切向速度值在同一流量下与基准结构相比也有较大的提高，由于挡板角度不同，切向速度幅值变化也会有所不同，幅值提高由大到小的结构为10°挡板，7°挡板，5°挡板。

从轴向速度可看到（图 10），下行流的轴向速度随着挡板角度的增大，在同一径向位置值也有所提高，角度越大，速度值提高越明显，上行流的轴向速度随着角度的增大，值是下降的，随着角度的增大，下降也越明显，而且上行流的峰值也随着角度的增大而减小，峰值径向位置也径向向边壁移动。但轴向速度为零时的径向位置没有明显变化，也就是上行流与下行流的分界位置没有明显变化。

图10 不同结构分离空间轴向速度对比Fig. 10 Different structure separation space axial velocity

4 结 论

（1）入口添加挡板后的切向速度分布与基准结构相比，切向速度提高，随挡板角度增加，切向速度峰值位置径向外移。

（2）入口添加挡板后的轴向速度分布与基准结构相比，下行流轴向速度提高，而上行流的轴向速度降低，上行流峰值位置径向外移，上行流与下行流的分界位置没有明显变化。

[1] 王清华.旋风分离器结构改进的研究现状和发展趋势[J].锅炉技术，2007,38(2):5-9.

[2] 吴小林，姬忠礼，田彦辉，等.PV型旋风分离器内流场的试验研究[J].石油学报(石油加工) ，1997,13(3):93-99.

[3] 时钧，汪家鼎，余国琮，等.化学工程手册[M].北京:化学工业出版社，1996.

[4] [丹]A.C.霍夫曼，[美]L.E.斯坦因.旋风分离器-原理、设计和工程应用[M].北京：化学工业出版社，2004：41-49.

[5] 胡砾元，时铭显.蜗壳式旋风分离器全空间三维时均流场的结构[J].化工学报，2003,54(4):549-556.

Experimental Research on Influence of Inlet Baffle on Flow Fields in Cyclone Separator

LI Yong-jian，WANG Jian-jun，JIN You-hai
(China University of Petroleum, Shandong Dongying 257061，China)

Flow fields in tangential type cyclone separators were measured by means of seven-hole pitot tube. The results indicate that ,with angle of baffle plate increases, the tangential velocity increases and peak of the tangential velocity moves outward along the radial direction, the axial speed of the downward flow increases and the axial velocity of the upward flow reduces .

Cyclone separator; Inlet baffle; Three-dimensional velocities

TE 624

A

1671-0460（2011）03-0311-03

2011-01-18

李永健（1982-），男，河北任丘人，中国石油大学(华东)在读工程硕士。E-mail：liyongjian1982@hotmail.com，电话：0546-8391920。