旋风分离器性能预测模型研究进展

李时光， 吕宇玲

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东省油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580)

旋风分离器性能预测模型研究进展

李时光， 吕宇玲

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东省油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580)

为了更好地指导旋风分离器的结构设计与优化，对旋风分离器性能预测模型的理论基础、适用性与准确度进行了研究。综述了国内外关于分离效率与压降预测模型的研究进展，结合颗粒载荷、粒径分布、颗粒碰撞与聚并、高温、高压、结构形式与参数等因素对分离性能的影响，从理论基础、建模思路、建模手段等角度对预测模型进行了对比分析，结果表明模型趋于合理化但仍有局限性。基于目前研究现状与应用形势，对预测模型的发展方向进行了展望，指出综合分析多种影响因素对预测模型进行修正以及将气固分离理论与预测模型推广到气液分离领域可能会是进一步的研究重点。

预测模型； 适用性； 准确性

旋风分离器作为一种分离设备，由于其结构简单、成本低廉、便于操作与维护等，已被广泛应用于电力、冶金、机械、石化及纺织等领域。开发一款新的旋风分离器，或者对现有的结构进行改进时，往往需要准确地预测旋风分离器的性能，从而确保所开发或者改进的分离器满足工业应用要求。近年来，关于预测旋风分离器压降及效率的预测模型得到了充分发展，模型的建立主要依赖于对复杂物理过程的清晰认识与合理化假设，而模型的准确度及适用性主要取决于数学模型与真实物理过程的契合度。本文主要对国内外专家学者的研究进展进行了系统的评述，并对今后性能预测模型的发展方向进行了展望。

分离性能预测模型的研究大多是基于典型的柱锥型旋风分离器结构，其结构示意图如图1所示。

图1 典型的柱锥型旋风分离器

Fig.1 Typical column-cone cyclone separator

1 分离效率预测模型理论基础

目前气固旋流分离理论大致可分为三类[1]。

1.1 沉降分离理论

该理论以P. Rosin等[2]的研究为代表，假定气体严格地按照螺旋途径，始终保持与进入时相同的速度流动，而颗粒随气体以恒定的切向速度(与位置变化无关)，由内向外克服气流对它的阻力，穿过整个气流宽度Lw，最后到达分离器壁面而被分离，这里忽略颗粒间的相互作用与边界层的效应。

根据颗粒在离心力场中自由沉降时间与气体停留时间相等导出被100%分离的颗粒最小极限粒径：

沉降分离理论具有很大的局限性：①在受力分析中只考虑了离心力而没有考虑径向流的阻力，因而对于自由沉降时间的计算很不合理；②假定分离空间为圆柱段，严重脱离实际；③旋转圈数Nc很难测定。鉴于以上几点，转圈理论适用性差，因而发展缓慢甚至停滞。

1.2 平衡轨道理论

该理论以W. Barth[3]、Muschelknautz[4]的研究为代表，通过在旋风分离器上、下行流交界面上建立颗粒所受离心力与流体阻力的平衡关系，来确定切割粒径的分离理论。

根据Muschelknautz模型，分离效率为50%的切割粒径dc50计算如式(2)所示：

其中，vθCS为分离器内、外旋流交界面上的切向速度大小，m/s，通常假定该面为升气管投影柱面；Q为油气处理量,m3/s。

通过求得切割粒径dc50，可以计算分离器的粒级分离效率曲线：

式(3)中取m=3，该模型可以对分离器分离效率进行量化预测。

C. J. Stairmand[5]，W. Barth[3]基于平衡轨道理论得出了旋风分离器临界切割粒径公式。Wang L.等[6]于2003年分析了外旋流内的颗粒运动，建立了受力平衡的微分方程，并且利用线性回归拟合出切割粒径dc50的修正因子，改进了Barth模型，并最终简化了求解总分离效率的过程。钱付平等[7]于2005年将模型计算结果以及实验结果进行对比，结果表明，当Stairmand旋风分离器的直径为305 mm时， Barth模型对其分级效率的计算较为准确，而当直径为152 mm时，计算结果误差较大，因而Barth模型的适用性较差。

D. L.Iozia等[8-9]利用流场实验数据修正了Barth模型中的变量，提出了一个更符合实际的分离模型，计算结果和实验数据吻合较好。K. Elsayed等[10]于2010年借助数值模拟方法对不同入口参数下的切割粒径进行了研究，并与Iozia & Leith和Rietema模型计算结果进行了对比，结果表明，两个模型对切割粒径变化趋势的预测与模拟结果一致。

E.Muschelknautz等[11-14]考虑了器壁粗糙度与颗粒浓度的影响，对平衡轨道模型进行了更进一步的修正。陈建磊[15]于2014年将Muschelknautz模型用于计算气液雾状流分离，对不同气速和升气管条件下的粒级效率和切割粒径进行了计算与分析，对计算模型的推广应用进行了有益探索。G. B. Sakura等[16]于2015年采用圆形入口分离器验证了Muschelknautz模型在不同流速以及颗粒载荷情况下的预测准度，结果表明，颗粒载荷较低时模型预测与实测值契合良好，而当颗粒载荷较高时模型预测值较实测值明显偏高。

1.3 边界层分离理论

该理论以D. Leith[17]等的研究为代表，假定旋风分离器任一横截面上的颗粒浓度是均匀的，近壁面处的边界层内是层流流动，只要颗粒进入边界层即视为被捕捉。

首先，分离效率为50%的切割粒径计算如式(4)所示：

式中，n为外旋流速指数；Kv、KA分别为与结构尺寸有关的常数。

考虑湍流扩散对颗粒分离的影响，把气流中悬浮颗粒的横向混合理论与分离器内气流的平均停留时间相结合，推导了分级效率模型：

P. W.Dietz[18]于1981年考虑到分离空间内颗粒浓度分布的复杂性，提出对三个区域(入口区域、下降流区域、上升流区域)分别进行分析，极大地改进了Leith & Licht模型。H. Mothes等[19]于1988年将Dietz的三区模型改进为四区模型，着重分析了排气管内的分离过程，因而模型更能反映真实的物理过程。R. Clift等[20]于1991年结合实验数据对以上3种气固两相分离模型进行了对比分析，结果表明Leith & Licht模型在平均停留时间的计算上具有一定的局限性，Dietz模型适合对小直径旋风分离器的分级效率进行预测，而Mothes & Loffler模型总体上优于其它两个模型。

金有海等[21]于1991年对Leith & Licht模型、Barth模型以及Mothes & Dietz模型进行了适当的修正，并在三种不同直径的蜗壳式旋风分离器上进行实验并加以对比分析。结果表明，修正后模型的计算结果与实验结果基本吻合。钱付平等[22]于2007年对Leith & Licht模型中的停留时间进行了修正，结合边界层中升力作用的影响，改进了现有模型，与实测数据对比，结果表明，改进模型在小粒径范围内具有明显优势，对不同结构参数的适应性也优于原有模型。

综上所述，分离效率预测模型的发展与进步依赖于对物理过程的清晰认识，分离器内颗粒受力、颗粒间相互作用、速度压力场分布情况主要受结构参数与操作条件两方面的影响。目前，主要通过实验和模拟手段对影响规律进行探究，从而对现有模型中不合理的假设条件与推导过程进行修正，提高模型的预测精度与适用性。侯广信[23]于2008年对颗粒的碰撞与团聚进行了实验研究，同时考虑了温度因素的影响，提出了新的旋风分离器分离模型，丰富了高温旋风分离器设计的理论基础。李真发等[24]于2016年对二元颗粒的分离特性进行了实验探究，指出不同的颗粒组合对分离效率具有促进或者抑制的作用，提出了团聚稳定度的概念，从颗粒表面形状与摩擦力角度解释了颗粒的团聚情况，推进了对二元颗粒分离特性的研究。陈建磊等[25-27]于2013年对数值模拟方法进行了优化，在此基础上对旋流场内零轴速包络面和旋转涡核边界分布特性展开了研究与分析，为预测模型的修正提供了重要依据。

2 压降预测模型

压降通常以旋风分离器入口速度头的倍数ξ来表示。ξ与ΔP的关系如式(6)所示：

下面所介绍的是几种常见的压降预测模型，对其理论和推导过程在本文中不作叙述。

(1) Shepherd & Lapple[28]模型

(2) First[29]模型

(3) Alexander[30]模型

(4)Stairmand[5]模型

(5) Barth[3]模型

式中，K，Y，φ均为与结构有关的常数；n为外旋流速指数；ξi为n的函数；utmax为气体最大切向速度,m/s；ue为气体出口速度,m/s；ξi为进口和器壁的摩擦损失,m；ξe为核心和排气管的损失,m。

关于颗粒浓度对压降的影响：E.Muschelknautz等[31]于1970年在压降计算中引入壁面粗糙系数，改进了预测模型。E. Muschelknautz[32]于1972年探究了压降随颗粒浓度的变化规律，提出了相应的阻力系数修正因子，并于1990年提出颗粒临界浓度[12]的概念，指出超过临界浓度后分离机理的变化，更加真实地反映了分离过程，完善了预测模型。

关于结构参数对压降的影响：王德耕[33]于1998年建立了速度分布指数通用计算式，在此基础上提出了进口、出口阻力系数，与不同的入口形式(直切、90°蜗壳，180°蜗壳)和出口形式(直管、收缩管)相对应；根据分离空间内流场分布提出了速度校正系数，对压降预测模型进行了修正；与文献中的数据进行对比验证，发现该模型准确性更高。吴克明等[34]于2005年提出总的压降主要包括三部分：入口区、主流区、出口区压降，分别研究了切向、螺旋、轴向入口形式以及圆形、方形入口截面所对应的阻力系数，在结构形式上进行了创新与发展；通过实验进行对比验证，结果表明，该模型准确度高，应用范围广。

关于温度、压力对压降的影响：Chen J等[35]于2007年提出旋风分离器的压降中最主要的两部分是旋流损失和排气管中动能耗散，同时考虑流场分布和温度的影响，提出了各部分损失的计算方法，并进行实验加以对比验证。结果表明，模型准确度高，适用于纯气流、含尘和高温条件下旋风分离器压降的计算，可以满足旋风分离器设计计算的要求。Zhu Z等[36]于2008年在实测压降数据的基础上，建立了一个高压下单管旋风分离器的半经验压降预测模型。熊至宜等[37]于2010年对单管和多管旋风分离器的压降预测模型进行归纳，结合多管旋风分离器在高压下的实测压降数据，建立了多管旋风分离器在高压下的压降预测模型，并通过实验验证了压降模型的可靠性。

关于压降研究方法的进展：K. Elsayed等[10]于2010年借助数值模拟方法对不同入口参数下的压降进行了研究,并与多种压降模型的计算结果进行了对比。结果表明，Muschelknautz模型对压降的预测更为准确。Zhao B等[38]于2010年提供了一种新的建模思路，建立了旋风分离器阻力系数的RBFNN(基于径向基函数神经网络)预测模型，通过实验验证了该预测模型比Shepherd & Lapple、First、Alexander、Stairmand及Barth模型的准确度更高。

综上所述，近年来研究学者分别从颗粒浓度、结构参数、温度、压力等角度对压降预测模型进行了修正，并且对比分析显示修正模型的预测精度与适用性优于原有模型，然而综合考虑双因素或者多因素对模型进行修正研究的文献十分欠缺，而且模型的修正相对于目前旋风分离器的改进趋势来说有些滞后。王灯文等[39]在综合分析主要结构参数对分离性能影响规律的基础上，于2012年对未来旋风分离器结构优化方向进行了预测；于洲等[40]于2014年总结了近年来改良版动态旋风分离器的相关研究，研究表明，添加额外构件可以有效提高分离器对于5 μm以下粒径颗粒的分离效率，然而目前尚未提出对应的计算模型。

3 结论

本文主要介绍了三种分离理论，总结了多种压降及分离效率预测模型，并对模型的发展历程进行了调研。调研发现，各个研究学者从不同角度出发，对分离机理进行了深入研究，奠定了建模的理论基础，推动了建模的合理化进程，改进了模型的适用性与准确度，但是模型的发展与应用仍存在一定的局限性。

(1) 大量研究学者通过理论分析、实验与模拟的方式，发现影响旋风分离器分离性能的主要因素包括：颗粒载荷、粒径分布、颗粒间相互作用、壁面粗糙度、温度、压力、结构形式与参数等，并且对整个物理过程进行了一定程度的假设与简化，最后建立了基于不同理论的分离性能预测模型并且在后续的研究中得到了不断地修正，但是其准确度与适用性尚未达到设计应用的标准。随着现代计算技术与工具的迅速发展，当务之急是对物理过程与数学模型重新进行审视，改变目前以单因素或双因素为主的研究模式，全面考虑多因素的耦合作用，实现模型的合理化假设与多因素耦合下的量化分析，使数学模型更加接近真实的物理过程，进而推导出准确度更高、适用范围更广的预测模型。

(2) 分离性能预测模型的适用性主要包括两方面：一是在气固分离领域不同分离器结构形式与操作条件的适用性，二是雾状流态下气液分离的适用性。旋风分离器由于其紧凑性、高效性被广泛推广到气液分离领域，但是其对应性能计算模型的研究较为滞后，限制了气液分离器的发展。建议结合液滴的破碎与聚并将气固分离性能预测模型推广到气液分离。

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(编辑 王亚新)

Research Progress in Prediction Models of Cyclone Performance

Li Shiguang， Lyu Yuling

(KeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationSafety，CollegeofPipelineandCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，QingdaoShandong266580，China)

In order to better guide the cyclone design and optimization, the theoretical basis, applicability and accuracy of the prediction models of cyclone performance were investigated. Research progress on the prediction models of separation performance and pressure drop was reviewed. Combined with the influence of the particle load, particle size distribution, particle collision and coalescence, high temperature, high pressure, structure and parameters on the separation performance, the prediction models were compared and analyzed from aspects of the theoretical basis, modeling ideas and modeling tools. The results showed that prediction models were gradually rationalized but still limited. Based on the current conditions of research and application, the future direction for development of the prediction models was prospected. Comprehensive analysis of various factors' effects on the prediction models and the extension of the gas-solid separation theory and prediction models to the gas-liquid separation field might be the focus of the further research．

Prediction models； Applicability； Accuracy

1006-396X(2017)03-0089-06

2016-12-20

2017-03-10

国家科技重大专项子课题(2011ZX05026-004)。

李时光(1991-)，男，硕士研究生，从事紧凑型气液旋流分离器研究;E-mail：leeshiguang776@163.com。

吕宇玲(1971-)，女，博士,教授，博士生导师，从事多相管流与油气田集输技术研究;E-mail：lyl8391811@163.com。

TQ051.8

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.03.016

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn