基于PV型旋風分離器的結構優化實驗

姜淑鳳陳淑鑫陳建義

(1. 齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006； 2. 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京102249)

旋風分離器是一種常用的干式氣固分離設備，在石油化工、煤化工、電力環保等各行業得到廣泛的應用。在節能減排的大背景下，開發出能夠大幅度減小分離器壓降的新型旋風分離器有著非常重要的意義。然而，截止目前所研究和開發的旋風分離器都是從旋風分離器高度、排氣管結構、入口結構、灰斗結構等單方面入手[1-2]，導致改進的分離器效率和壓降總是同時增大或減小，難以做到維持高效的同時減小壓降[3]。鑒于此，設計了一種新型旋風分離器，綜合了旋風分離器入口、排氣管、筒錐及灰斗等結構改進的方法，使之在保持高效率的同時能夠大幅度降低能耗，為開發新型旋風分離器及推廣其工業應用提供新的思路。

1 新型旋風分離器的結構設計方案

旋風分離器的設計首先必須要解決選型的問題。由于在現有的絕大部分煉油廠流化催化裂化裝置上采用的是高效PV型旋風分離器[4]，并且其設計和應用較為成熟，性能的計算方法也較為完善，因此選則其作為新型分離器設計和對比試驗的基準。

對于入口結構，根據時銘顯等[5]提出的PV型旋風分離器的設計方法，設計為矩形截面；為了增加顆粒在分離器內的停留時間，設計為270 °蝸殼形式。并根據祝立萍[6]設計的進口弧形導向板，能夠減小分離器的阻力損失；Lim等[7]在切流入口增加了一塊擋板，內側引入潔凈氣流，提高分離器效率；沈恒根等[8]設計了對稱180 °蝸殼雙進口的分離器，能夠增加旋流的對稱性和穩定性，提高分離器效率。綜上研究得出入口結構改進的思路：在蝸殼式旋風分離器入口中間增加一塊隔板，把入口氣流分割成2個部分，并且保證隔板按照一定的包角與分離器筒體相切，以增加進氣的對稱性和旋流的穩定性。

根據陳建義等[10]發明的PV-E型旋風分離器得出思路，新設計了一種加長型的分流型排氣管。此種排氣管整體包含了漸擴段、直筒段、二次漸擴段和出口直筒段。在排氣管的筒體及錐體部分，沿圓周方向開有若干條狹縫，開縫角度為60 °，這些狹縫實際上起氣流通道作用，極大地增大了氣流的出口面積，因而可大幅度減小壓降。這種開縫的方向和排氣管外壁的切向呈一定角度，并與排氣管內外氣流的旋轉方向相反，所以氣流是經過急劇變向后才進入狹縫的，這樣氣流中夾帶的顆粒因慣性能夠再次得到分離；并且由于內旋流也具有較大的旋轉動能，因此能夠把夾帶進入排氣管的塵粒從縫中二次離心分離出去，從而確保整體壓降大幅度減小的同時而分離效率不致下降。

對于分離器筒體及錐體高度，時銘顯[11]發現適當地增加分離空間高度，能夠延長顆粒在分離器內部的停留時間，使被卷吸到內旋流的顆粒再次分離，提升整體的分離效率，因此，本文中的設計為加長型的筒錐結構。并且，由于排氣管設計部分設計了加長型的分流型排氣管，也必須設計加長型的筒錐結構與之匹配。

對于灰斗結構，徐俊等[12]將灰斗的水平頂蓋改為錐形過渡段，能夠消除灰斗中的頂部灰環，提高效率。王成等[13]發現灰斗也存在最佳直徑和最佳高度，其對分離效率有一定的影響，因此，設計了含特定尺寸的帶錐形過渡段的灰斗結構。

新型分離器的各個主要結構的形式與基準PV型的對比如表1所示。

表1 新型分離器主要結構的形式與基準PV型的對比

確定新型旋風分離器的結構形式以后，在基準PV型旋風分離器的基礎上，將表1中的結構進行組合，就構成了新型分離器。表2列出了基準PV型與新型分離器的結構尺寸。

表2 兩種分離器的結構尺寸

根據表2中的具體數值，設計出新型旋風分離器，其結構尺寸如圖1所示。

圖1 新型分離器的結構尺寸Fig.1 Structure dimension of new type of separator

實驗中需要實時測量空氣濕度與溫度，保證實驗在一個合適的環境中進行。本文中采用干濕球溫度計來測定濕度與溫度，測量時需注意保證濕球浸泡在水中。

旋風分離器的壓降與入口氣速用U形管壓差計測量。在旋風分離器的入口、出口以及料腿位置都設有測壓點，所有測壓點的靜壓采用U形管壓差計測定(見圖2)，壓降為入口點靜壓與出口點靜壓之差。

2 實驗驗證

2.1 實驗裝置

為了研究不同結構旋風分離器的分離效果，采用新型結構與基準PV型對比試驗的方法。并且，為了排除各種操作參數和粉料物性參數的影響，本實驗安排在操作條件完全相同時，用同一種粉料在同一時間完成2種分離器的對比實驗。實驗系統如圖2所示，主要由通風系統、加料系統、旋風分離器模型和測試儀器儀表組成。

圖2 實驗系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental facility

2.2 實驗參數測量方法

為了研究新型結構旋風分離器分離性能，采用滑石粉為實驗粉料，采用常溫負壓操作，測量并比較滑石粉在入口質量濃度為10 g/m3，入口氣速分別為14.4、 17.6、 19.6、 21.4、 26.1 m/s時的分離效率和壓降值。

滑石粉顆粒的形狀是不規則非球形，用比重瓶測其顆粒密度為2 780 kg/m3。用Eyetech激光粒形粒度儀測定其球形度為0.76，中位徑為12.5 μm，粒徑分布如圖3所示。

采用標準畢托管測量入口氣速Vin，如圖4所示，需要經過以下換算得到最終的入口氣速。

畢托管測量點的氣體流速

(1)

式中：Δh為畢托管動壓，Pa；ρg為氣體密度，kg/m3。

圖3 滑石粉的粒度分布Fig.3 Particle size distribution of talcum

圖4 畢托管測速方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of velocity measurement method of pitot tube

設管道內氣體處于湍流狀態，管道內平均氣速與最大氣速Vg的比值一般為0.84～0.86，取平均值0.85，則通過管道的流量

(2)

式中d為入口管道直徑，m。

根據理想氣體狀態方程有

(3)

式中：Ts為絕對溫度，℃；ts為大氣溫度，℃。

實驗采用負壓操作，故Ps=Pa-ps，大氣壓力Pa=0.101 3 MPa，在常溫條件下，空氣的氣體常數R≈286 J/(kg·K)，則

(4)

式中：ps為畢托管靜壓，Pa。

通過Vin與Qin的關系可得入口氣速為

(5)

分離效率E由稱重法確定，

(6)

式中Gc、Gi分別為收料量和入口加料量，kg。

入口加料與最終收料質量采用TSCALE電子秤，其量程為0～30 kg，精度為0.1 g。

2.3 實驗步驟

1)實驗前做好實驗準備，檢查實驗裝置系統是否正常，用電子秤準確稱量設定質量的粉料，并采用實驗粉料對其進行跑合。

2)記錄實驗環境的溫度、濕度，檢查測量系統是否正常運行。

3)打開離心風機，通過畢托管測試觀察調節閥門開度，使得入口氣速達到實驗值，通過U形管差壓計，讀取入口靜壓、 進出口壓降及料腿壓降。

4)通過加料器將粉料連續、均勻地加入入口水平管道，開始進行旋風分離實驗。實驗中要保證在規定的時間內將所有的實驗粉料連續、均勻地加入到旋風分離器，待粉料全部加入到旋風分離器內后關閉風機。

5)待旋風分離器內氣流完全消失，顆粒完全沉降下來后，打開收料斗收料，使用電子秤稱量粉料質量。

3 結果與分析

3.1 新型分離器優化結果

新型與基準PV分離器的實驗結果對比如圖5所示。對于壓降，新型分離器的壓降較基準PV型分離器下降幅度明顯，并且隨著入口氣速的增加，這種下降的幅度也越來越大。在入口氣速為14.4 m/s時，壓降數值減小了550 Pa，降幅為31.25%；在實驗入口氣速最大為26.1 m/s時，此時壓降數值減小最多，為1 720 Pa，降幅為29.60%；而在這2個速度之間壓降的平均降幅為32.36%。

圖5 新型與基準PV分離器實驗結果對比Fig.5 Experimental results of new separator and reference separator

新型分離器的效率開始略微低于基準PV型分離器的效率，但是隨著入口氣速的增加，效率的差值也越來越小；待入口氣速大于18.2 m/s時，新型分離器的效率全部高于相同氣速下基準PV型分離器的效率，并且隨著入口氣速的增加，效率的差值越來越大。在入口氣速為19.6 m/s時，新型分離器效率較基準提高了約1.6%，效果非常明顯。

按照設計要求，分離器最重要的指標是其最高效率點。由圖5可以看出，新型分離器的最高效率點對應的入口氣速為19.4 m/s，對比基準PV型分離器為17.6 m/s，所以在入口面積相同時，新型分離器的處理量明顯大于基準PV型分離器。對于最高效率的具體數值，新型分離器的效率為95.5%，較基準型降低了約0.1%，降低的數值非常小，因此可以認為2種分離器效率相當；同時在此入口氣速，新型分離器的壓降較基準型降低了約1 390 Pa，降幅達到了34.33%。

綜合考慮新型分離器的壓降、效率可以看出，新型結構相對基準PV型分離器有著明顯的優勢，能夠在保證分離器高效率的同時大幅度降低了分離器的壓降，并且能夠提升分離器的處理量，最終達到高效低阻的目的。

3.2 新型分離器優化結果原因分析

通過以上實驗結果可以看出，新型分離器達到了高效低阻的目的，能夠在保證分離器有著高效率的同時大幅度的降低分離器的壓降，具體的原因分析如下：

1)首先設計了一種加長型的分流型排氣管。這種分流型排氣管整體包括了上端直筒段和下端錐體段，并且在排氣管的筒體及錐體部分，沿圓周方向開有若干條縱向狹縫。這些狹縫實際上起到了氣流通道的作用，極大地增大了氣流的出口面積，使氣流的整體出口面積變為僅排氣管底端開口時的6.2倍，使分離器內的軸向速度降低了很多，進而減小了氣流在分離器內部的動能損失，因而可以大幅度減小壓降[14-15]。

排氣管外壁開縫的方向和切向呈60 °，并與分離器內部氣流的旋轉方向相反，如圖6所示，所以氣流在進入狹縫之前必定會急劇變向，這樣氣流中原來夾帶的顆粒就會因慣性再次被分離而難以進入狹縫；并且內旋流由于也具有較大的旋轉動能，因此能夠把夾帶進入排氣管的塵粒從縫中二次離心分離出去[16]，從而確保整體壓降大幅度降低的同時而分離效率不致下降。

圖6 排氣管縫隙示意圖Fig.6 The diagram of gap in diverged vortex finder

2)新型結構設計的入口結構形式采用270 °的蝸殼矩形入口形式，并在分離器入口中間增加了一塊隔板。此設計能夠增大氣流的入口動量矩[17]，并且能減小入口來流與回轉氣流的相互擠壓作用和混摻現象，減弱分離器頂部環形空間的短路流，也縮短了內側塵粒達到器壁的時間。而且更加均勻的進氣方式增強了分離空間流場的對稱性及底部旋流的穩定性，抑制了錐體段的擺尾現象和底部的竄流返混，故此，新的入口結構設計能夠提升分離器的效率。

3)設計了頂部有錐型過渡段的灰斗，削弱了灰斗頂部的上灰環[18]，因此能夠減弱灰斗中氣流的返混夾帶，提升分離效率。

4)設計了加長型的筒體和錐體結構，使之與加長型的分流型排氣管相匹配。筒體和錐體的增長能夠增加分離空間的高度，因此能夠延長顆粒在分離器內部的停留時間，并且分離空間的增長能夠增加自然旋風長度，使被卷吸到內旋流的顆粒再次分離，能夠提升分離器的分離效率[19]。

4 結論

為了減小分離器壓降，同時保證分離效率不降低，設計了一種新型的旋風分離器。新型分離器采用了弧形導流板分隔進氣的入口結構、分流型排氣的出口結構、加長型的筒體和錐體的結構，有錐頂過渡段的灰斗結構。

通過與基準PV型旋風分離器的對比試驗，以及對新型分離器中具體結構部分的分析，可以得出如下結論：

1)對于直徑為的新型分離器，能夠大幅度的地減小分離器的壓降，平均降幅約為32.36%。隨著入口氣速的增加，新型分離器較基準PV型分離器壓降減小的幅度越來越大。

2)相較于基準PV型分離器，新型分離器的分離效率曲線更為平緩，因此有更好的操作彈性。隨著入口氣速的增加，整體效率先增加再減小。入口氣速大于18.2 m/s時，新型分離器的效率高于相同氣速下基準PV型分離器的效率，且隨著入口氣速的增加，效率的差值也越來越大；如在入口氣速為19.6 m/s時，新型分離器效率較基準提高了約1.6%。

3)新型分離器的最高效率點對應的入口氣速為19.4 m/s，對比基準PV型為17.6 m/s，所以在入口面積相同時，新型分離器的處理量明顯大于基準PV型分離器。對于最高效率的具體數值，新型分離器的效率為95.5%，較基準降低了約0.1%，降低數值非常小，因此認為2種分離器效率相當。

綜上所述，在一般的工業運用場合，新型分離器能夠在大幅度降低分離器壓降的同時，保證分離器有95%左右的高效率，且能提升分離器的處理量，具有良好的操作彈性，因此擁有廣泛的應用前景。