切流式三旋單管內固相顆粒運動規律的數值研究

趙 艷 高光才 王建軍 金有海

(中國石油大學(華東)化學工程學院)

催化裂化裝置生成的焦炭約提供整個裝置能耗的70%，降低催化裂化裝置能耗的關鍵在于焦炭能量的利用，其中利用煙氣輪機回收再生煙氣中的壓力能是焦炭能量利用的重要環節。現場操作發現煙機存在結垢現象，而催化劑細粉的存在是其主要原因之一。為了降低煙氣輪機入口煙氣粉塵的濃度與粒徑，確保煙機安全、長周期、高效運行，在催化裂化反再系統與能量回收系統之間引入了第三級旋風分離器(簡稱三旋)，同時對三旋分離催化劑顆粒與再生煙氣的性能和效率提出了嚴格要求。三旋入口粉塵濃度約300mg/m3，出口煙氣粉塵濃度約80mg/m3，特別是出口的粉塵粒徑較小，小于4μm的占90%，小于7μm的占99%，粉塵粒徑遠低于煙氣輪機入口粉塵粒度控制指標(入口煙氣不含10μm顆粒)，因此，不會對煙氣輪機轉子造成沖蝕，滿足長周期生產的要求。

切流式三旋主要應用于百萬噸煉油催化裂化裝置中的高溫煙氣凈化。在工程應用過程中比較關心三旋的兩個性能指標：分離效率和分離器壓降。與傳統的單管[1]相比，新型的BSX型三旋[2]單管直徑為800～1 200 mm，單管進氣速度增加，經過結構優化和尺寸匹配后，其分離元件數量減少且配備了獨立灰斗，減少了三旋的壓力和氣量分配不均、返混和粉碎催化劑問題，提高了組合效率，節省投資20%以上，節省檢修費用50%以上。

目前已有很多學者在實驗室條件下對三旋的基準結構的氣相流場進行測量與模擬，而對切流式三旋內顆粒相的運動規律與粒級效率的研究較少。Griffiths W D等對導葉式分離器進行了氣固兩相流的研究[3,4]，王海剛采用實驗與數值結合的方法對分離器進行研究[5]，魏新利等對分離器內顆粒相的運動軌跡進行研究，實際工程應用中的切流式三旋的系統龐大，受測量手段與操作工況的限制，對三旋內整個流場的認識較少[6]。

筆者采用數值模擬的方法，對三旋單管的整個氣流兩相流場進行了研究，重點研究了不同粒徑顆粒在三旋內的運動軌跡與規律，為優化切流式三旋的結構和提高其分離性能提供了參考依據。

1 切流式三旋的數值模擬計算方法

1.1湍流模型

湍流模型采用完全摒棄渦粘性假設、并考慮強制渦的各向異性的RSM模型[7]，具體而言，首先采用了k-ε模型模擬，收斂后采用穩態RSM模型，最后采用非穩態RSM模型進行模擬。

對于離散方程采用求解壓力-速度耦合方程的半隱方法算法(SIMPLE)，對于壓力梯度項采用PRESTO!，擴散項采用中心差分，逐行迭代計算。為保證精度，每個控制方程中的對流項的離散采用二階精度的QUICK格式。

1.2顆粒相模型

在氣相流場模擬的基礎上，考慮到切流式三旋入口邊界條件滿足固相的體積分數小于10%，所以筆者采用離散項DPM模型中應用廣泛的隨機軌道模型進行顆粒運動規律的數值模擬，相間耦合的隨機軌道模型考慮了氣相湍流對顆粒的作用，也考慮了顆粒運動對氣相的影響，在拉格朗日坐標系下計算顆粒的隨機軌道及沿軌道的變化，該模型計算簡單，當顆粒有較復雜的經歷時，能較好地追蹤顆粒的運動。

2 網格劃分與邊界條件設置

2.1網格劃分

模型采用青島大煉油的290萬t催化裂化裝置中的切流式三旋，幾何模型的尺寸如圖1所示。

圖1 切流式三旋機構尺寸

分離筒體直徑1 236mm。整體采用cooper法生成體網格(圖2)，面網格局部采用Pave法生成。為保證計算精度，對主要計算域進行局部網格加密，氣相的模擬為固相顆粒運動規律的模擬奠定了很好的基礎。

圖2 網格劃分

2.2邊界條件設置

進出入口邊界的條件設置為：采用velocity-inlet速度入口，將頂部排氣管的出口和底部料腿的出口設置為充分發展的流動outflow，底部泄氣率為3%。

壁面邊界條件：壁面采用無滑移邊界條件，氣相湍流采用標準壁面函數。

顆粒相的邊界條件主要有反彈(reflect)、捕集(trap)和逃逸(escape)3種。其中顆粒從邊界上反彈，其動量變化由碰撞恢復系數確定。對于環形分離空間碰撞恢復系數為0.98～1.00；分離筒體空間，顆粒的能量有一定的損失，碰撞恢復系數為0.95～0.98；排塵錐空間碰撞恢復系數為0.80～0.90；灰斗空間，碰撞恢復系數為0.40～0.70，灰錐和料腿壁面為trap。

3 切流式三旋的顆粒相數值模擬

3.1粒級效率

圖3為切流式三旋粒級效率數值模擬的統計結果，分離效率50%對應的粒徑為切割粒徑，約為1.9μm。

圖3 切流式三旋粒級效率

3.2顆粒在單管內的運動軌跡

顆粒切向進入旋風管，由直線運動變為圓周運動，大部分顆粒在離心力的作用下克服氣流的阻力向壁面運動，到達壁面附近后，在邊界層內存在較小的湍流，顆粒會沿著壁面進入灰斗從而實現顆粒相與氣流的分離。對1、3、5μm顆粒的逃逸與捕集進行研究發現，顆粒的排氣管底部短路流導致的逃逸占很大一部分，其次分離筒體內部逃逸問題突出，考慮到相距排氣管底部不同距離的分離筒體的不同位置受到排氣管短路流影響不同，為了進一步分析分離筒體內部不同位置的顆粒逃逸情況，將分離筒體分為上、中、底3部分進行統計研究。對三旋分離性能的研究必然需要對大量各種粒徑顆粒運動軌跡的跟蹤，通過模擬顆粒相在三旋內部的運動軌跡，可直觀地顯示三旋的工作過程，從而揭示分離器內氣、固分離機理[8]。

數值模擬過程中，將顆粒入射方式定義為點入射，由入口幾何中心點射入得到1、5μm顆粒的運動跡線。圖4、5分別為不同顆粒停留時間t時，1、5μm顆粒的在三旋單管內部的運動軌跡，顆粒由入口進入分離單管內部，進入環形空間以后，受到排氣管底部短路流的影響比較嚴重，大部分顆粒在此逃逸，運動情況如圖4a、5a所示。其次顆粒受到內旋流的帶動，部分顆粒在分離筒體與排塵錐內部發生內旋流夾帶逃逸，其余顆粒在進入分離器后在離心力的作用下到達壁面內部，壁面內存在較小的湍流，顆粒最終到達灰斗，實現氣固分離。同時就以上3種顆粒的運動軌跡而言，對于粒徑較小的顆粒，流場脈動對其軌跡的影響較大，從而使其隨機性增加，因此即使顆粒粒徑相同，運動軌跡也可能不同。

圖4 1μm顆粒的運動軌跡

3.3單一顆粒運動規律統計

3.3.11μm顆粒的運動規律統計

圖5 5μm顆粒的運動軌跡

如圖6所示為顆粒粒徑d=1μm時在不同位置逃逸與灰斗捕集的顆粒軌跡隨機模擬統計結果，由圖6可以看出，約有18.5%的顆粒在排氣管底部因短路流而發生逃逸，占總逃逸的38.2%，與分離筒體整體逃逸比重相當，其次，由于在分離筒體上部受到排氣管底部短路流的影響較大，分離筒體上部顆粒逃逸現象突出，在分離筒體中部與底部，顆粒受排氣管短路流影響減弱，此處顆粒的逃逸主要是由內旋流夾帶造成的，小粒徑顆粒在分離筒體內部的逃逸主要集中在分離筒體上部，排塵錐內部顆粒的逃逸現象與分離筒體中部相當。總的來說，大部分粒徑d=1μm的顆粒經過短路流和內旋流夾帶而發生逃逸，其中分離筒體內部逃逸比排氣管短路流造成的逃逸明顯。顆粒的逃逸是構成煙機葉片結垢的細粉來源之一。為減弱因排氣管短路流造成的細粉逃逸，對切流式三旋的結構進行優化，是保護煙機葉片的有效手段之一。

圖6 1μm顆粒逃逸與捕集的軌跡模擬統計結果

3.3.25μm顆粒的運動規律統計

圖7是5μm顆粒逃逸與捕集的統計結果，在排氣管底部約17.0%的顆粒因短路流而逃逸，約占總逃逸情況的43.0%。分離筒體底部受排氣管短路流影響較小，因內旋流夾帶導致的5μm顆粒逃逸現象不明顯，5μm顆粒排塵錐內部逃逸與分離筒體底部逃逸情況接近。總的來說，5μm顆粒主要在排氣管底部和分離筒體內部發生逃逸，其中分離筒體內部的逃逸集中于上部，對應逃逸百分比為28.8%，5μm顆粒粒級效率為73.6%。

圖7 5μm顆粒逃逸與捕集的軌跡模擬統計結果

3.4不同粒徑顆粒運動規律對比

圖8為不同粒徑顆粒的逃逸與捕集百分比的統計結果，由圖8可知，對于不同粒徑的顆粒來說，其在排氣管底部的短路流逃逸和分離筒體中的逃逸仍是影響分離效率的關鍵因素，隨粒徑的增大，顆粒總逃逸現象減少，分離效率提高，1、3、5μm顆粒對應的粒級效率分別為51.5%、59.2%、73.6%。

圖8 1、3、5μm粒徑的顆粒逃逸與捕集百分比的分布

圖9為不同粒徑顆粒的逃逸百分比的統計結果，從圖9可見，隨著粒徑的增大，排氣管底部逃逸占總逃逸現象減少，1、3、5μm顆粒在排氣管底部逃逸分別占總逃逸的38.2%、41.6%、42.0%。分離筒體內逃逸占總逃逸現象顯著，1、3、5μm顆粒對應在分離筒體內部總逃逸分別占總逃逸的48.5%、49.0%、47.0%，顆粒在排塵錐內的逃逸占總逃逸約10%。

圖9 1、3、5μm顆粒逃逸百分比(與總逃逸數目的比值)的分布

同時從圖9可見，在排氣管底部與分離筒體上部顆粒逃逸占總逃逸的比重隨粒徑的增加而增加，即排氣管短路流對顆粒的影響增加，而在分離筒體中底部顆粒的逃逸現象占總逃逸比重呈下降趨勢，即在此內旋流夾帶導致的顆粒逃逸現象減弱，排塵錐內部逃逸占總逃逸約10%，隨粒徑變化規律不明顯。

4 結論

4.1數值模擬小于5μm的小粒徑顆粒的運動軌跡，結果表明小顆粒運動軌跡隨機性較大，原因在于小粒徑顆粒對氣流的跟隨性較好，受湍流脈動的影響較大。

4.21μm顆粒運動規律的研究統計結果顯示，大部分顆粒經過短路流和內旋流夾帶而發生逃逸，其中分離筒體整體逃逸約48.5%比排氣管短路流造成的逃逸約38.2%顯著，其中顆粒在分離筒體上部逃逸比重約23%。

4.3對5μm顆粒運動規律的研究表明，5μm顆粒主要在排氣管底部和分離筒體內部發生逃逸，其中分離筒體內部的逃逸集中于上部，對應逃逸百分比為28.8%。

4.4小于等于5μm粒徑顆粒在三旋單管中逃逸的統計結果顯示，隨著粒徑的增加，顆粒的分離效率增加，在排氣管底部和分離筒體上部逃逸比重增加，而在分離筒體中底部顆粒的逃逸比重減少，這表明隨著粒徑的增加顆粒受排氣管底部短路流的影響增加，而在分離筒體中、底部內旋流夾導致顆粒發生逃逸的現象減少。

4.5總結而言，排氣管短路流、分離筒體內旋流夾帶逃逸是影響切流式三旋分離性能的主要原因，排氣管尺寸和分離筒體的結構尺寸是影響三旋性能的內在原因，可以從這些方面進行三旋的結構改進和優化。

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