进口高宽比对旋风分离器内流动行为影响的数值模拟研究

周龙，宁长春，辛汶锦，迟誉，李壮*，高姿乔

工艺与装备

进口高宽比对旋风分离器内流动行为影响的数值模拟研究

周龙1，宁长春1，辛汶锦1，迟誉1，李壮1*，高姿乔2

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2. 中油辽河工程有限公司，辽宁 盘锦 124000）

以单入口旋风分离器为研究对象，采用数值模拟方法对不同进口高宽比条件下旋风分离器内的流体流动行为进行模拟研究，得出旋风分离器内气体流动、压力分布及颗粒运动情况，分析和讨论了入口流速和进口高宽比对分离器内流动行为的影响。

旋风分离器；流动；数值模拟

旋风分离器是工业过程中使用最广泛的气体净化装置。旋风分离器具有设计简单、无运动部件、维护成本低等优点[1-5]。在圆柱形和圆锥形的旋风分离器内，气体由入口高速切向进入旋风分离器，形成高速旋流运动。旋风分离器内部的流动是高度湍流和复杂的。为了研究不同几何结构对旋风分离器内气体流动的影响，很多学者已经进行了相关数值模拟研究[6-10]。杨志勇[11]等研究了旋风分离器在催化裂化工艺中的应用，分析讨论了入口速度对催化剂跑损的影响。Elsayed和Lacor[12-14]采用数值模拟方法研究了不同旋风分离器几何形状对气体流动行为的影响。研究结果表明，旋风分离器内最大切向速度和压降随着分离器直径的减小而增大。分离器锥体下部直径对气体流动影响不明显。El-Batsh[15]等研究了溢流管长度对分离器内气体流动行为的影响，研究结果表明溢流管的长度不会显著影响压降或最大切向速度。Wang[16]等采用实验的方法研究了溢流管形状对分离器性能的影响，结果表明倒锥形的溢流管有利于提高收集效率和压降。李杰[17]等针对灰斗的返混现象，采用数值模拟方法研究了防返混圆台位置及其底面积对旋风分离器性能的影响。

本文以单入口旋风分离器为研究对象，采用数值模拟方法对不同进口高宽比条件下旋风分离器内的气体流动、压力分布及颗粒运动行为进行研究，以期为旋风分离器的设计和分离效率的提高提供依据。

1 数学模型的建立

1.1 旋风分离器几何模型及网格划分

旋风分离器物理模型如图1(a)所示。其中分离器入口为气体入口，上部出口为气体出口，下部出口为灰尘颗粒出口。本文考虑了3种入口宽度，分别为40 mm、50 mm和60 mm。表1给出了旋风分离器的几何参数及数值模拟过程中的相关参数。

表1 物理模型和数值模拟参数

图1(b)给出了旋风分离器内流体区域网格划分。

图1 旋风分离器几何模型及网格划分

本研究采用六面体非结构网格对分离器内流体区域进行划分，不同入口宽度条件下网格数量分别为42.6万、46.8万和46.8万。

1.2 控制方程、求解方法及边界条件设置

本文通过求解连续性方程、动量方程和DPM模型来获得分离器内流体流速、压力以及颗粒轨迹分布。数值模拟求解过程中，湍流模型选择模型[2]。压力速度耦合方法采用SIMPLE算法，当收敛残差值小于10-4时，求解收敛。分离器入口设置为速度入口，分离器的气体和灰尘出口设置为Outflow，各物理量沿该截面的法向导数为零。对于灰尘颗粒，分离器入口和出口设置为“Escape”边界条件，壁面设置为“Reflect”边界条件。

2 分析讨论

图2给出了入口宽度为60 mm条件下，不同入口流速对分离器内压力分布的影响。

图2 入口速度对分离器内压力分布的影响

由图2可知，气体流经分离器入口直管段时，入口部分的压力分布相当均匀。当气体进入旋风分离器时，受到旋风分离器内圆形溢流管的影响而产生旋流，旋流使得分离器壁面处的压力很高。随着入口气体流速的增加，分离器壁面处产生的压力最大值逐渐增加。图3给出了不同入口宽度条件下分离器壁面处压力云图。由图3可知，当入口气体流速相同时，增加进口宽度，分离器壁面压力显著增加，由480 Pa增加至730 Pa。

图4给出了不同进口宽度条件下旋风分离器=0截面内压力云图。由图可知分离器内气体旋流运动使得壁面的静压很高，并且压力由分离器壁面向分离器中心逐渐减小。因此在旋风分离器的中心区域存在大范围的负压区域。沿径向的压力梯度最大，这是由于气体较高的旋转速度产生了高强度的涡流。同时可以发现，随着进口宽度的增加，分离器内沿径向分布的压力梯度逐渐增大。

图3 高宽比对分离器内压力分布的影响

图4 高宽比对Z=0截面内压力分布的影响

图5(a)和(b)分别给出了不同进口宽度条件下，分离器内筒体高度中心线处压力和速度分布。由图5(a)可知，分离器内压力由外向内逐渐降低，在分离器中心位置处产生负压。随着入口宽度增加，分离器壁面处压力逐渐增大。由图5(b)可知，分离器内速度由壁面到中心呈先增加后减小趋势，在分离器中心位置处速度值降低至最小。同时可以看出，分离器内速度分布具有一定对称性，且速度最大值随着进口宽度增加而逐渐增大。

图6和图7分别给出了不同入口速度和进口宽度条件下旋风分离器内颗粒轨迹分布。由图6可知，当进口宽度保持不变时，随着入口气体流速增加，由溢流管逃逸的颗粒数量显著减少。这是因为气体流速较高时，颗粒受到的离心力较大，因此由溢流管逃逸的颗粒数量减少。

图5 高宽比对分离器内压力和速度分布的影响

图6 入口速度对颗粒分布的影响

图7 高宽比对颗粒分布的影响

由图7可知，当进口气体流速保持不变时，随着进口宽度增加，由溢流管逃逸的颗粒数量显著增加。这说明当进口气体流速不变时，增大进口宽度将不利于提高分离器的分离效率。

3 结 论

本文采用数值模拟方法对不同进口高宽比条件下单入口旋风分离器内的气体流动、压力分布和颗粒运动行为进行研究，得到以下结论：

1）入口气体流速和进口宽度的增加，可以显著增加分离器壁面处压力。分离器进口宽度的增加，可导致分离器内沿径向分布的压力梯度增大。

2）入口气体流速相同时，随着分离器进口宽度的增加，分离器壁面处压力增大，径向速度最大值也随之增加。

3）本文研究条件下，保持进口高宽比不变，增大气体流速有利于提高分离器的分离效率；保持入口气体流速不变，增大进口宽度不利于提高分离器的分离效率。

致谢

本文作者感谢大学生创新创业训练计划项目（2020101480067，2021101480084）的资助。

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Numerical simulation of the Effect of Inlet Height-width Ratio on the Flow Behavior in Cyclone Separator

11111*2

（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Petrochemical University, Fushun Liaoning 113001, China;2. PetroChina Liaohe Petroleum Engineering Co., Ltd., Panjin Liaoning 124000, China）

Numerical simulation was conducted to study the fluid flow behavior in a single-inlet cyclone separator. The behavior of gas flow, pressure distribution and particle movement in the cyclone separator were obtained, and the effects of inlet velocity and inlet height-width ratio on the flow behavior in the separator were analyzed and discussed.

Cyclone separator; Flow; Numerical simulation

TQ028.2

A

1004-0935（2022）04-0559-04

大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2020101480067，2021101480084）。

2021-10-09

周龙（2000-），男，辽宁石油化工大学能源与动力工程专业。 E-mail：2513736638@qq.com。

李壮（1983-），男，副教授，博士，研究方向：多相流相关数值模拟。E-mail：lizhuang@lnpu.edu.cn。