入口顆粒濃度對旋風分離器壓力降影響的實驗分析

李曉曼, 宋健斐, 魏志剛, 孫國剛, 魏耀東

(中國石油大學 重質油國家重點實驗室, 北京 102249)

入口顆粒濃度對旋風分離器壓力降影響的實驗分析

李曉曼, 宋健斐, 魏志剛, 孫國剛, 魏耀東

(中國石油大學 重質油國家重點實驗室, 北京 102249)

旋風分離器的入口氣流顆粒濃度對旋風分離器的壓力降有重要影響。在入口氣流顆粒質量濃度5～550 g/m3范圍內,對蝸殼式旋風分離器的壓力降進行了實驗分析。結果表明,隨著入口顆粒濃度的增加,旋風分離器的壓力降逐漸降低,尤其是開始階段,降幅明顯。除旋風分離器的入口部分壓力損失外,旋風分離器的壓力降主要由氣、固兩相流與器壁之間的摩擦損失和氣、固兩相流的旋轉損失兩部分構成,前者與入口氣流速度有關,后者與旋轉速度有關。隨著入口顆粒濃度的增加,摩擦損失部分增加,但旋風分離器內的氣、固兩相流的旋轉速度降低,旋轉損失部分降低,綜合結果是旋風分離器的總壓力降降低。旋風分離器的壓力降變化也使管路系統壓力分布發生變化,導致入口流量發生變化,加入顆粒后通過旋風分離器的流量相對純氣相時的流量明顯增加。最后,給出了入口氣流顆粒濃度對旋風分離器壓力降影響的計算方法。計算中考慮了加入顆粒后對切向速度的衰減作用,適用于高入口顆粒濃度的工況。

旋風分離器; 入口氣流顆粒濃度; 壓力降; 入口氣流速度; 計算

旋風分離器入口氣流顆粒濃度的范圍因不同的工業用途變化很大,從每立方米幾克到十幾千克不等,如催化裂化裝置內旋風分離器的入口氣流顆粒濃度可高達每立方米幾千克。入口氣流顆粒濃度的變化不僅使旋風分離器的分離效率發生變化,也使壓力降發生變化[1-3]。這種壓力降變化不僅影響旋風分離器的能量消耗,而且也直接影響整個旋風分離器的管路系統壓力平衡,使管路系統的流量發生改變[4-5],隨之重新調整建立新的壓力平衡。雖然人們已經認識到這個問題,但受實驗條件的限制,尤其是高濃度操作條件的限制,還缺乏系統的實驗研究。在旋風分離器的純氣相壓力降計算方面,Trefz等[5]、熊至宜等[6]和Chen等[7]認為壓力降由三部分組成。一是入口損失,這是氣體膨脹產生的損失;二是旋流損失,這是旋轉氣流因氣流黏性和摩擦而產生的動能損失;三是升氣管內旋轉動能的耗散損失?？倝毫凳歉鞑糠謮毫抵?。Chen等[7]以此提出了通用的壓力降計算模型。而對于氣流中含有顆粒的旋風分離器壓力降,由于顆粒的加入使得旋風分離器內部流場發生了變化,一方面是氣流旋轉切向速度減小[8-10],另一方面是器壁表面的摩擦損失增大,難以從理論上建立模型進行計算。目前,基本上采用經過修正的純氣相壓力降公式來計算含顆粒氣流的壓力降[2,11-12]。這種簡單的修正由于忽略了顆粒存在對旋轉流場的影響,有時會產生較大的誤差。因此需要從氣、固兩相流動對旋轉切向速度的作用上考慮對壓力降的影響。為此,筆者采用直徑500mm的蝸殼式旋風分離器為模型,在入口顆粒質量濃度為5～550g/m3范圍內,考察入口氣流顆粒質量濃度變化對旋風分離器壓力降和流量的影響。在實驗測量的基礎上,采用改進的Trefz等[5]壓力降計算模型分析入口顆粒質量濃度改變時的旋風分離器壓力降。該計算模型考慮了顆粒對流場的影響,尤其是加入顆粒對切向速度的衰減作用。

1 實驗部分

考察入口氣流顆粒濃度對旋風分離器壓力降影響的實驗裝置如圖1所示。為保證氣體流動的平穩,系統采用負壓操作。實驗用蝸殼式旋風分離器的結構與尺寸示于圖2。筒體直徑500 mm,升氣管結構分為小直筒型(A型),錐口型(B型)和大直筒型(C型)3種。A型和B型的升氣管入口直徑相同均為160 mm,C型的升氣管直徑為270 mm。旋風分離器的入口尺寸a×b=284 mm×126 mm。實驗粉塵為325目滑石粉,顆粒密度2700 kg/m3,中位粒徑12 μm。實驗采用的入口質量濃度范圍5～500 g/m3,入口氣流速度范圍15～31 m/s(對應的入口氣量范圍2000～4000 m3/h)。

圖1 考察入口氣流顆粒濃度對旋風分離器壓力降影響的實驗裝置

圖2 實驗用旋風分離器尺寸

實驗過程中,低入口顆粒質量濃度用氣力輸送方式加入,高入口顆粒質量濃度用星型加料器加入。采用U型管壓差計測量壓力和壓力降。為消除氣流旋轉對壓力測量的影響,在旋風分離器出口設置集氣室,壓力降入口測量點是大氣環境,出口測量點設置在集氣室上。

2 結果和討論

2.1 入口氣流顆粒質量濃度對旋風分離器壓力降的影響

圖3為A型升氣管旋風分離器壓力降隨入口氣流顆粒質量濃度Ci和入口氣流速度vi變化的實驗結果。從圖3可見,旋風分離器壓力降隨入口氣流顆粒質量濃度的增大而降低;但在不同的入口氣流顆粒質量濃度范圍內,降低的幅度不同。在低濃度范圍內(Ci<15 g/m3),壓力降降低的幅度較大,在中等濃度的范圍之內(Ci為15～150 g/m3)次之,在高濃度范圍內(Ci>150 g/m3)壓力降降低趨于平緩。

圖3 A型升氣管旋風分離器壓力降(Δp)隨入口氣流顆粒質量濃度(Ci)和入口氣流速度(vi)的變化

在旋風分離器內,不同入口氣流速度下均存在壓力降隨入口氣流顆粒質量濃度的增大而降低的現象,但這種壓力降變化在入口氣流速度較低時更加明顯。如入口氣流速度為20 m/s時,入口氣流顆粒質量濃度Ci增加到550 g/m3,壓力降由純氣流時的7500 Pa下降到4000 Pa,減少近46%;而入口氣流速度為28 m/s時,入口氣流顆粒質量濃度Ci增加到540 g/m3,壓力降由純氣流時的12000 Pa下降到9000 Pa,減少約25%。Yang等[4]的實驗結果也表明了這種變化。

圖4為B型和C型升氣管旋風分離器壓力降隨入口氣流顆粒質量濃度和入口氣流速度變化的實驗結果。與A型的實驗結果相比,B型和C型的壓力降隨入口氣流顆粒質量濃度的增加而降低的變化趨勢一致。B型升氣管直徑與A型升氣管直徑相同,兩者壓力降減小的變化基本一致。C型升氣管出口直徑較大,其壓力降明顯低于B型的壓力降,且受入口氣流顆粒質量濃度的影響略大一些,低濃度范圍(Ci<15 g/m3)內下降的相對多一些。這說明升氣管直徑對旋風分離器壓力降的影響較大。

圖4 B型和C型升氣管旋風分離器壓力降(Δp)隨入口氣流顆粒質量濃度(Ci)和入口氣流速度(vi)的變化

2.2 加塵過程中旋風分離器入口流量的變化

實驗過程中,首先在純氣流狀態下設定入口氣流速度參數,待純氣流狀態運行平穩后,再按照設定的入口氣流顆粒質量濃度Ci進行加顆粒操作。此過程相當于入口氣流顆粒質量濃度從0變化到Ci。由純氣流狀態到含顆粒運行狀態的操作,不僅旋風分離器的壓力降發生了變化(見圖3和圖4),而且旋風分離器的入口氣流速度也發生了變化,進而使入口流量發生變化。圖5為A型升氣管旋風分離器入口氣流顆粒質量濃度與加塵后流量Qs和加塵前流量Qg比值的關系。圖5表明,隨著入口氣流顆粒質量濃度的增加,Qs/Qg也逐漸增大,當入口氣流顆粒質量濃度大于400g/m3時,入口流量比純氣流時操作的入口流量高出20%以上。這種變化趨勢與Trefz等[5]在實驗中由開始加入顆粒連續測量壓力降的變化結果一致。

圖5 A型升氣管旋風分離器入口氣流濃度(Ci)與Qs/Qg的關系

上述結果表明,由于入口顆粒濃度的增加使旋風分離器的壓力降降低,造成旋風分離器管路系統的阻力特性發生變化,導致其與風機工作特性曲線相交的工作點發生變動,因此在旋風分離器工業裝置開工或投料運行時,應注意這種因入口顆粒濃度變化產生的工作參數變動,進行及時和必要的調整。某些催化裂化裝置旋風分離器的壓力降發生波動,也是入口顆粒濃度變化的結果。

2.3 入口氣流顆粒質量濃度對旋風分離器內部流場的影響

流場測量表明旋風分離器內部流場是一個強旋流湍流流場。旋轉流呈現Rankine渦結構,中心區域是剛性渦,外側是準自由渦;切向速度vt是主要分量,軸向速度和徑向速度較小[13-14]。

純氣流狀態下,準自由渦區的切向速度vt可由式(1)計算[3]。式(1)中的vtw和n0則可由式(2)、(3)計算。

(1)

(2)

(3)

在氣流中加入顆粒后,顆粒在離心力的作用下,逐漸向旋風分離器器壁遷移,濃度場呈現內稀外濃的分布[9-10];顆粒在器壁表面形成了螺旋的灰帶或密相顆粒層,如圖6照片所示,顆粒濃度可達到顆粒堆積密度的0.4倍,相對于內部的稀相旋轉氣流是一個不光滑的摩擦表面,對旋轉氣流產生滯留作用,使氣流的旋轉速度降低,切向速度下降[8-10],且入口氣流顆粒濃度越大衰減越明顯,但流場仍維持Rankine渦結構。此時若用純氣流的切向速度代替加入顆粒的氣流的切向速度進行效率和壓力降計算,必將產生較大的誤差,必須采用含顆粒氣流的切向速度值。

圖6 旋風分離器器壁表面的旋轉灰層

在準自由渦區切向速度的衰減變化反映在式(1)中是指數no和器壁切向速度vtw的變化。根據Yuu等[8]的實驗數據,加塵后的指數n與入口氣流顆粒質量濃度Ci的關系如式(4)所示。加塵后的器壁切向速度vtwp與入口氣流顆粒質量濃度Ci的關系如式(5)所示[7]。于是,在入口氣流顆粒質量濃度條件下的準自由渦區的切向速度分布如式(6)所示。

n=no-0.0320 lnCi

(4)

(5)

(6)

按式(6)計算的切向速度與Yuu等[8]的實驗數據的對比示于圖7。圖7顯示, 計算值和實驗值吻合一致。由于切向速度的降低,旋風分離器中心的低壓區域的壓力增加,升氣管的入口壓力增加,使旋風分離器的出口壓力增大,最后導致其壓力降降低。

2.4 入口氣流顆粒質量濃度影響旋風分離器壓力降的計算

旋風分離器的壓力降反映了流體流動的能量損失。在能量消耗方式上,入口氣流顆粒質量濃度對旋風分離器壓力降的影響是多方面的。從氣體流通的流道結構看,旋風分離器入口結構造成了氣體膨脹能量損失(Δpi),升氣管入口造成了氣體收縮能量損失,Chen等[7]認為,收縮損失較小可以不計,而氣體膨脹能量損失與入口氣流速度和入口氣流顆粒質量濃度有關;旋風分離器內部的能量損失是氣、固兩相流與器壁之間的摩擦能量損失(Δpf),主要與旋風分離器的結構尺寸、內表面積和入口氣流速度有關;另外一部分能量損失是氣流旋轉流出升氣管產生的耗散能量損失(Δps),這部分損失與流體的旋流強度狀態有關,取決于內旋流的切向速度和升氣管內的軸向速度。以上3部分的能量損失組成了總的壓力降,如式(7)所示。

圖7 不同入口氣流顆粒質量濃度下C型升氣管旋風分離器內切向速度與入口氣體速度的比值(νtp/vi)隨r/R的衰減

Δp=Δpi+Δpf+Δps

(7)

根據Chen等[7]給出的旋風分離器入口能量損失計算公式,得出式(8)。

(8)

摩擦能量損失Δpf和耗散能量損失Δps與旋風分離器內部的氣、固兩相流的流場有關。旋風分離器加入顆粒后直接影響到切向速度的分布,而根據連續性方程,對徑向速度和軸向速度的分布影響較小。因此根據Trefz等[5]壓力降計算模型,將含顆粒條件下的各項速度代替純氣流條件下的速度,則摩擦能量損失Δpf和耗散能量損失Δps的計算式分別為式(9)、(10)。根據式(6),得到式(11)、(12)。

(9)

(10)

(11)

(12)

對于氣-固摩擦損失系數λs,類比管流摩擦損失計算[15],得到式(13)。

(13)

A型升氣管旋風分離器壓力降的計算結果和實驗結果對比示于圖8?？梢钥闯?在實驗范圍內兩者吻合較好。在對數坐標中,旋風分離器壓力降隨入口氣流顆粒質量濃度的變化近似為直線關系。

圖8 A型升氣管旋風分離器壓力降計算值與實測量的對比

計算結果表明,旋風分離器的入口損失隨入口氣流顆粒質量濃度的增加而增大,尤其是在較高的入口氣流顆粒質量濃度下這種作用顯著增大。由式(9)和式(10)計算結果表明,在旋風分離器內部,隨著入口氣流顆粒質量濃度的增大,摩擦能量損失Δpf隨入口氣流顆粒質量濃度的增加而增大,但其在總壓力降中所占比例較小;旋轉能量損失Δps由于切向速度vtmp減小,則隨入口氣流顆粒質量濃度的增加而減小,是壓力降的主要部分,約占85%以上,綜合作用是使旋風分離器的壓力降降低。

在式(7)壓力降計算模型中,考慮了顆粒存在對旋轉流場的影響,主要是對切向速度的作用,也反映了結構參數、流體參數的影響,相對于以往的在純氣相壓力降計算公式上的修正方法[2-7,11-12],該計算模型更能反映氣、固兩相流動的真實狀態,可供工程設計參考使用。

3 結 論

(1)在含顆粒氣流操作條件下,旋風分離器的壓力降除旋風分離器的入口部分壓力損失外,主要由摩擦損失和旋轉損失兩部分構成。隨著入口氣流顆粒質量濃度的增加,磨擦損失部分增大,而旋轉損失部分由于切向速度的降低而減小,綜合效果是使旋風分離器的壓力降逐漸降低。

(2)旋風分離器的壓力降變化也使系統壓力分布發生變化,導致入口流量變化,加入顆粒后通過旋風分離器的流量相對純氣相的流量明顯增加。

(3)在Muschelknautz壓力降計算模型基礎上,考慮了顆粒存在對流場的影響,給出了入口氣流顆粒質量濃度變化對旋風分離器壓力降影響的計算方法。該計算模型能反映氣、固兩相流動的真實狀態,可供工程設計參考使用。

符號說明：

a——矩形入口高度,mm;

b——矩形入口寬度,mm;

Ci——入口氣流顆粒質量濃度,g/m3;

D——旋風分離器筒體直徑,mm;

De——升氣管直徑,mm;

no——分離空間內部外旋流旋渦指數;

n——氣、固兩相外旋流旋渦指數;

Qg——加塵前氣體流量,m3/s;

Qs——加塵后氣體流量,m3/s;

r——徑向坐標,mm;

R——旋風分離器筒體半徑,mm;

Re——升氣管半徑,mm;

Sr——旋風分離器內表面積,mm2;

T——熱力學溫度,K;

vi——入口氣體速度,m/s;

vt——氣相切向速度,m/s;

vtmp——升氣管直徑徑向位置(r=Re)處的切向速度,m/s;

vtp——氣、固兩相切向速度,m/s;

vtw——氣相器壁的切向速度,m/s;

vtwp——氣、固兩相器壁的切向速度,m/s;

vze——升氣管內平均軸向速度,m/s;

Δp——壓力降,Pa;

Δpf——摩擦能量損失,Pa;

Δpi——入口氣體膨脹能量損失,Pa;

Δps——耗散能量損失,Pa;

λs——氣-固摩擦損失系數;

ρ——氣體密度,kg/m3。

[1] FASSANI F L, GOLDSTEIN L J. A study of the effect of high inlet solids loading on a cyclone separator pressure drop and collection efficiency[J]. Powder Technology, 2000, 107(1-2): 60-65.

[2] CORTéS C, GIL A. Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2007, 33(5): 409-452.

[3] GIL A, ROMEO L M, CORTéS C. Effect of the solid loading on a pressurized fluidized bed combustors cyclone with pneumatic extraction of solids[J]. Chem Eng Technol, 2002, 25(4): 407-415.

[4] YANG S, YANG H R, ZHANG H, et al. A transient method to study the pressure drop characteristics of the cyclone in a CFB system[J]. Powder Technology, 2009, 192(1): 105 -109.

[5] TREFZ M, MUSCHELKNAUTZ E. Extended cyclone theory for gas flows with high solids concentrations[J]. Chem Eng Technol, 1993, 16(3):153-160.

[6] 熊至宜, 吳小林, 楊云蘭, 等. 高壓下多管旋風分離器壓力降模型[J]. 化工學報, 2010, 61(9): 2414-2429. (XIONG Zhiyi, WU Xiaolin, YANG Yunlan, et al. Pressure drop model of multicyclone separator at high-pressure[J]. CIESC Journal 2010, 61(9): 2414-2429.)

[7] CHEN J Y, SHI M X. A universal model to calculate cyclone pressure drop[J]. Powder Technology, 2007, 171(3): 184 -191.

[8] YUU S, JOTAKI T, TOMITA Y, et al. The reduction of pressure drop due to loading in a conventional cyclone[J]. Chemical Engineering Science, 1978, 33(1): 1573-1580.

[9] REINHARDT B, CORDONNIER A, FLORENT P. Use of an isokinetic sampling probe. Results in a cyclone[J]. Powder Technology, 1999, 101(1): 81-90.

[10] QIAN F P, HUANG Z J, CHEN G, et al. Numerical study of the separation characteristics in a cyclone of different inlet particle concentrations[J]. Computers and Chemical Engineering, 2007, 31(9): 1111-1122.

[11] HOFFMANN A C, SANTEN A V, ALLEN R W K. Effects of geometry and solid loading on the performance of gas cyclones[J]. Powder Technology, 1992, 70(1): 83-91.

[12] 羅曉蘭, 陳建義, 金有海, 等. 固粒相濃度對旋風分離器性能影響的試驗研究[J]. 工程熱物理學報, 1992, 13(3): 282-285. (LUO Xiaolan, CHEN Jianyi, JIN Youhai, et al. Research on the effect of the particle concentration in gas upon the performance of cyclone separators[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 1992, 13(3): 282-285.)

[13] 吳小林, 姬忠禮, 田彥輝, 等. PV型旋風分離器內流場的試驗研究[J]. 石油學報(石油加工), 1997, 13(3): 93-99.(WU Xiaolin, JI Zhongli, TIAN Yanhui, et al. Experimental study on the flow of PV type cyclone separator[J]. Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 1997, 13(3): 93-99.)

[14] 吳小林, 曹潁, 時銘顯. PV型旋風分離器流場的計算分析[J]. 石油學報(石油加工), 1997, 13(4): 91-97. (WU Xiaolin, CAO Ying, SHI Mingxian. Calculation of the flow field of PV type cyclone separator[J]. Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 1997, 13(4): 91-97.)

An Experimental Study of Feed Concentration Effects on the Pressure Drop of Cyclone

LI Xiaoman, SONG Jianfei, WEI Zhigang, SUN Guogang, WEI Yaodong

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

The feed concentration is the main parameters influencing the performance of cyclone. With the feed mass concentration range of 5-550 g/m3, the experiments were conducted in the cyclone with a volute inlet for measuring pressure drop. The experimental results showed that the pressure drop decreased as feed concentration increasing, especially, at the beginning of experiment. In addition to the expansion loss at the cyclone inlet, the pressure drop is mainly composed of two parts, the friction loss of gas-solid surface in the separation zone depending on tangential velocity, surface area and friction coefficient, and the dynamic dissipation loss in the vortex finder determined by tangential velocities and mean axial velocity in the vortex finder. With the increase of feed concentration, the tangential velocities were reduced due to friction loss, resulting in the pressure going up in the vortex finder, which may be the reason that the pressure drop was reduced. The change of pressure drop in cyclone separator led to the inlet flow rate varying, as a consequence of which, the inlet flow rate increased significantly with an increase of feed concentration. Finally, a formula for calculating pressure drop of cyclone was developed based on the Muschelknautz model, considering the particle effects on the tangential velocity, which is suitable for predicting pressure drop under the condition of high feed concentration.

cyclone; feed concentration; pressure drop; inlet velocity; calculation

2014-04-22

國家自然科學基金項目(21176250)資助

李曉曼，女，博士研究生，從事氣-固流態化研究

宋健斐，女，副教授，從事氣-液分離技術、石油化工裝備技術的開發；Tel: 010-89739050; E-mail:songjf@cup.edu.cn

1001-8719(2015)06-1255-07

TQ021

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.06.001