差异旋风分离器并联的分离性能的实验研究

2021-08-11张爱琴王兴东

工业加热 2021年7期

张爱琴，王兴东

(1.西安航空职业技术学院，陕西西安 710089； 2.中国石油天然气管道局，河北廊坊 065000)

催化裂化旋分式三旋摒弃了多管式三旋内部复杂的支撑结构，采用简单高效的PV型旋风分离器，大大地降低了制造安装的难度和投资成本。从流场研究的结果来看，通过结构优化组合和匹配，新型旋分式三旋能有效地克服旋风分离器并联使用后的进气不均匀性、公共灰斗内窜流返混等共性的问题。其内部特殊的结构形式，使得并联旋风分离器分离空间内的分离能力有所提高，改善了灰斗及料腿内的流场对称性，大大地提高的并联结构的整体分离效率，应用前景较为广阔。然而在实际生产中，由于旋风分离器存在着制造误差及磨损、堵塞等问题，并联结构中单台旋风分离器性能存在着差异，导致并联旋风分离器处于不等压降状态工作，严重地影响了其整体效率。针对此问题，文章采用不同芯管直径的旋风分离器并联来模拟实际工况中不等压降的旋风分离器并联，研究了差异旋风分离器并联的分离性能。

1 实验装置及方法

实验装置如图1所示，主要包括4台并联的PV型旋风分离器、公共集气室、公共灰斗、加料器、风机、进气管以及测量仪器设备。工作时为负压操作。

实验入口浓度采用5 g/m3，并联分离器加料量为20 kg，加料时间为40～60 min。采用两台风机同时送风，气速由高到低进行实验。充分考虑环境因素对实验结果的影响，尽可能地保障实验数据的可对比性。实验主要考察不同芯管直径差异的差异旋风分离器、不同旋向的旋风分离器并联的分离效率、压降、粒级效率等性能指标。

2 芯管直径对并联旋风分离器性能影响

研究过程采用不同芯管直径的差异旋风分离器并联，模拟实际并联结构中旋风分离器不等压降运行的工况，选取r1和r2两种并联结构进行比较。r1为4台芯管直径de为96 mm的旋风分离器并联，r2为两台芯管直径de为96 mm的旋风分离器、一台芯管直径de为90 mm的旋风分离器、一台芯管直径de为104的旋风分离器并联，两种排布均为全左旋，如图2所示。

不等压降工况运行的旋风分离器并联后，公共灰斗内会发生窜流现象[2]。窜流作用是双向的，对于接受气流的旋风分离器，由于灰斗内的气流进入料腿，一方面引起返混，另一方面会使涡核的摆动增强，均会降低其分离效率。对于给予气流的旋风分离器，由于气流从料腿内流入灰斗，相当于增加了底部抽气，有利于其分离效率的提高。差异分离器并联时以上两种效应均存在，然而由于并联结构中的单个旋风分离器很难达到最佳工况点，所以，一般认为差异旋风分离器并联的整体效率较低。

芯管直径差异分离器并联实验结果如图3所示，相同旋风分离器并联时分离效率E高于差异分离器并联时的分离效率，且阻力系数ζ较小；切割粒径结果及粒级效率如图4所示，相同旋风分离器并联时，切割粒径dc50较小，粒级效率η较高，分离性能较好。分析主要是由于差异旋风分离器并联时，一是由于单个分离元件很难同时达到最佳工作点，也就是最高效率点，使得整体的并联效率较低。二是由于差异分离并联时公共灰斗内窜流效应较大，造成公共灰斗以及分离器料腿流动较为复杂，很容易将已经分离下来的颗粒返混至中心向上气流区，导致并联结构的总体效率降低。

图3 分离效率E与阻力系数ξ

图4 切割粒径dc50和粒级效率η

3 旋向对并联旋风分离器分离性能的影响

本节主要针对旋向不同的并联分离器进行分析。如图5所示，两种排布均为4个芯管直径de为96 mm的分离器并联，不同之处在于旋风分离器的旋向不同。全左旋排布记为r1-L，左右旋交替排布记为r3-LR。

图5 旋向差异并联分离器

旋向不同的并联旋风分离器分离性能的实验结果如图6所示，全左旋排布的并联分离器效率E优于左右旋排布，阻力系数ζ较大。说明全左旋排布的并联旋风分离器内部旋流较强，对分离比较有利。采样结果如图7所示，左右旋的切割粒径dc50大于全左旋，且粒级效率η较小，表明全左旋排布分离效率高于左右旋排布，且全左旋排布时对细粉的分离能力更强。但左右旋排布时在高气速工况下能够显著降低并联分离器压降。

图6 并联分离器效率E及阻力系数ζ

图7 切割粒径dc50和粒级效率η

前期对公用灰斗内流场的数值模拟结果如图8所示。全左旋分离器并联时，在公共灰斗内四个旋涡组成一个旋流较强的大旋涡，流动的稳定性提高，降低了公共灰斗内的窜流返混，使得分离效率提高。而左右旋并联分离器中，四个旋涡相互制约性不强，分离元件涡核的稳定性较低。由于全左旋并联分离器灰斗中大旋涡的存在，被分离的颗粒沿料腿进入灰斗后会跟随气体的流动，在离心力作用下，进一步向灰斗边壁移动，减少被分离颗粒再次进入料腿的概率，有利于分离。