PSC100型旋風(fēng)單管多相分離性能的實驗研究

高光才 孫茂生 王建軍 金有海

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

旋風(fēng)分離器是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種利用離心力進(jìn)行氣固分離的除塵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單、本身無活動部件，因此操作、維修極為方便。同時，旋風(fēng)分離器還具有分離效率高及對粉塵、負(fù)荷的適應(yīng)性好等特點，因此廣泛應(yīng)用于石油化工催化裂化、天然氣凈化分離、流化反應(yīng)過程及煤粉燃燒、氣化等行業(yè)中，尤其是在石油化工領(lǐng)域，旋風(fēng)分離器是煉油廠催化裂化裝置和海上平臺天然氣凈化分離的關(guān)鍵設(shè)備之一[1,2]。

以往的分離研究多集中在氣固、氣液兩相分離，包括分離器內(nèi)的流場分析[3,4]及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對分離性能的影響[5,6]等，而在實際的工程工藝中(如天然氣凈化)一般是氣固液三相同時存在的情況[7]，固、液同時作為非連續(xù)相會對單獨的固、液分離效率帶來影響，因而有必要研究氣固液三相的分離性能。筆者采用實驗的方法，在氣固分離和氣液分離實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行氣固液三相分離實驗，探索氣固液三相同時存在時固、液的分離效率和整體的分離效率，研究在氣固、氣液兩相的情況下固、液分離效率的變化情況，為以后多相分離的性能研究提供實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗裝置與測量方法

實驗驗裝置主要包括引風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管道、分離器本體及測量裝置等(圖1)。旋風(fēng)管單體結(jié)構(gòu)尺寸、型式與工業(yè)應(yīng)用實型相同，內(nèi)徑D為100mm，由有機(jī)玻璃制成。

圖1 實驗裝置示意圖

本實驗采用負(fù)壓引風(fēng)式操作，用離心式引風(fēng)機(jī)作為引風(fēng)動力來源。管路的流量由畢托管進(jìn)行測量，溫度計測量氣體溫度，壓降由U形管壓差計測量。氣液分離性能實驗采用空氣和水進(jìn)行實驗，在進(jìn)口處由噴壺產(chǎn)生液滴噴入；氣固實驗采用空氣和滑石粉進(jìn)行實驗，通過計量進(jìn)入分離器內(nèi)部的物料、分離器下部集料室內(nèi)的物料，計算分離效率和進(jìn)行物料衡算。對于液體進(jìn)料需進(jìn)行氯離子滴定。同時采用winner318激光粒度分析儀和庫爾特激光粒度儀對進(jìn)料和收料進(jìn)行粒徑測量。

2 實驗結(jié)果

2.1氣固分離

以滑石粉作為進(jìn)料，中位粒徑為9.89μm，流量分別為68.95、153.27、201.14m3/h，實驗結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出：入口氣體流量在68.95～201.14m3/h區(qū)間變化時，氣固分離效率隨入口流量的增大而增大。入口氣體流量越大，氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器的速度越大，從而使顆粒受到的離心力越大，更容易被分離。由此可知該設(shè)備的分離效率最大值會在最大入口流量處，但并不是入口流量越大越好，因為入口流量過大時，顆粒與分離器器壁、顆粒與顆粒之間的碰撞加劇，較大的顆粒在強(qiáng)烈地碰撞下粉碎，造成細(xì)粉塵的含量增加，不利于分離。

圖2 氣固分離實驗的分離效率曲線

入口濃度為1.0g/m3時，通過對旋風(fēng)分離器進(jìn)口物料和灰斗收料進(jìn)行粒徑測量，計算粒級效率，得到顆粒粒徑與粒級效率的關(guān)系曲線(圖3)。從圖3可以看出：隨流量從68.95m3/h增加到201.14m3/h，粒級效率達(dá)到100%時所對應(yīng)的顆粒粒徑越小，分離效果越好，這說明其對應(yīng)的分離效率也越高。

圖3 不同流量下顆粒粒徑與粒級效率關(guān)系曲線

圖4所示為流量為201.14m3/h時，不同進(jìn)料濃度的粒級效率曲線。當(dāng)進(jìn)料濃度為1.0g/m3時，粒級效率達(dá)到100%所對應(yīng)的顆粒粒徑最小，為12.99μm。

圖4 不同進(jìn)料濃度的粒級效率曲線

粒級效率之所以呈現(xiàn)圖4中所示曲線，一方面是由于較大顆粒受到的離心力較大，更容易被甩到邊壁上從而被分離下來；另一方面大顆粒向器壁移動產(chǎn)生的空氣曳力，也會將較小的顆粒夾帶至器壁，并且較小的顆粒容易團(tuán)聚成大顆粒，使小顆粒的分離效率也較高。

2.2氣液分離

采用噴壺將NaCl水溶液噴入，其中位粒徑為22.48μm。分離效率在不同流量和進(jìn)料濃度條件下的變化如圖5所示。從圖5可以看出：入口氣體流量在57.30～73.40m3/h區(qū)間變化時，分離效率隨入口流量的增大而增大；當(dāng)入口氣體流量從73.40m3/h增大到87.80m3/h時，分離效率隨入口流量的增加呈下降趨勢。

圖5 不同流量和進(jìn)料濃度下的分離效率曲線

分離效率隨入口氣體流量的增加而增加，但是隨著入口流量的繼續(xù)增加，流量變化對分離效率的影響越來越小，分離效率呈平緩變化甚至呈下降趨勢。這是由于隨著入口氣量由小變大，顆粒受到的離心力和氣流湍動使顆粒相互碰撞的阻力先后占據(jù)主導(dǎo)作用。可見，若為了追求高效而一味加大入口氣體流量是得不償失的。

2.3氣固液三相分離

在氣固液三相分離實驗中，氣體為連續(xù)相，固、液為非連續(xù)相，固相采用滑石粉，液相采用NaCl水合物，入口流量取79.66、90.72、99.91、119.27m3/h，固相入口濃度取0.8、1.0、1.2、1.5、2.0g/m3。

圖6所示為入口流量為79.66、90.72、99.91m3/h，固相入口濃度為1.0g/m3，液相入口濃度為100.0g/m3時，氣液兩相和氣固液三相中液相分離效率的對比曲線。由圖6可知，隨入口流量的增加，氣液兩相中和氣固液三相中液體效率都是逐漸減小的，但氣固液三相中液相分離效率高于氣液兩相中液相分離效率，分離效率可提高1%左右。

圖6 液相分離效率對比曲線

圖7為入口流量分別取79.66、90.72、99.91、119.27m3/h，固相入口濃度取1.0g/m3，液相入口濃度取100.0g/m3時，氣液兩相和氣固液三相中固相分離效率對比曲線。由圖7可知，隨入口流量從68.95m3/h增大到201.00m3/h，氣固兩相中固相分離效率呈逐漸增加的趨勢；氣固液三相中入口流量在79.66～99.91m3/h時，固相分離效率先增大后減小，并且均高于氣固兩相中固相分離效率，可提高5%左右。

圖7 固相分離效率對比曲線

圖8為入口流量分別取79.66、90.72、99.91、119.27m3/h，固相入口濃度取1.0g/m3，液相入口濃度取100.0g/m3時氣固液三相中液固總分離效率曲線。由圖8可知，隨入口流量的增大，液固總效率逐漸降低，和氣液兩相中液相分離效率的變化趨勢相同。

圖8 分離總效率與入口流量的關(guān)系曲線

圖9為流量80.31m3/h、液相濃度100.0g/m3、固相入口濃度取0.8、1.0、1.2、1.5、2.0g/m3時固相分離效率與固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線。由圖9可知，固相進(jìn)料濃度為0.8、1.0、1.2g/m3時，隨進(jìn)料濃度的增加，固相分離效率逐漸減小；固相進(jìn)料濃度為1.2、1.5、2.0g/m3時，隨進(jìn)料濃度的增加固相分離效率逐漸增加。

圖9 固相分離效率與固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線

圖10所示為流量取80.31m3/h、液相濃度100.0g/m3、固相入口濃度取0.8、1.0、1.2、1.5、2.0g/m3時液相分離效率和固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線。由圖10可知，在此流量和進(jìn)料濃度的條件下，液相分離效率基本大于99%，受固相入口濃度的影響不明顯。

圖10 液相分離效率與固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線

圖11所示為流量為80.31m3/h、液相濃度為100.0g/m3，固相入口濃度為0.8、1.0、1.2、1.5、2.0g/m3時氣固液三相中液固總分離效率和固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線。由圖11可知，在此流量和進(jìn)料濃度的條件下，液固總分離效率基本大于99%，表明這種分離器具有較高的多相分離效率。

圖11 液固總效率與固相進(jìn)料濃度的關(guān)系曲線

從圖6～11可知，氣固液三相中液相和固相分離效率比單獨的氣固、氣液兩相中液相和固相分離效率有所增加。這主要是由于固液混合后進(jìn)料時，進(jìn)料顆粒粒徑變大，所受的離心力變大，更容易被甩到器壁分離下來。此外，在入口流量80.31m3/h時，液相分離效率受固相進(jìn)料濃度的影響不大，固相分離效率受固相進(jìn)料濃度的影響較大。

3 結(jié)論

3.1PSC-100型旋風(fēng)單管在氣固液三相分離實驗中，液相和固相分離效率比單獨的氣固、氣液兩相中液相和固相分離效率分別增加1%、5%左右，即三相分離的性能均優(yōu)于兩相分離。

3.2PSC-100型旋風(fēng)單管在氣固液三相分離實驗中，液相分離效率受固相進(jìn)料濃度的影響不大，固相分離效率受固相進(jìn)料濃度的影響較大。

3.3PSC-100型旋風(fēng)單管在氣液分離實驗中，分離效率隨入口氣體流量的增加呈先增加后減小趨勢，其極大值為99.6%，具有較高的氣液分離性能。

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