排列形式對并聯分離器內部流場和竄流返混的數值模擬研究

張愛琴

(西安航空職業技術學院,陜西 西安 710089)

大直徑旋分式三旋是我國催化裂化三旋裝置一個發展方向，目前對這種新型三旋的研究只停留在現場試驗中，缺乏對其內部的流動狀態與分離過程機理的系統研究，因而在工程設計和操作應用過程中有很大的盲目性。文章基于前期研究成果，提出將分離器旋向交替排列可以削弱相鄰分離器間氣流的相互作用，從而改善公共灰斗內的竄流返混現象的構想[1]，采用數值模擬的方法探索排列形式對并聯旋風分離器流場和公共灰斗內竄流現象的影響規律，提出了排列形式優化方案。

1 計算模型

為了研究旋向對旋分式并聯方案分離性能的影響，本文采用典型PV型旋風分離器，考察了全左旋中心對稱布置(簡稱L)和左右旋向交替軸對稱布置(簡稱LR)兩種分離器排列形式的并聯旋風分離器內部流場及公共灰斗內的竄流返混現象。采用Gambit軟件進行網格劃分，網格為分塊結構化網格。

圖 1為V1、V2、V3并聯結構中兩種分離排列形式示意圖，左右旋向交替軸對稱布置形式中，令AC分離器的旋向為左旋，BD分離器的旋向為右旋。圖2為并聯旋風分離器的主體結構。

圖1 旋風分離器并聯結構示意圖(mm)

圖2 左旋中心對稱布置和左右旋向交替軸對稱布置形式(mm)

FLUENTS數值模擬計算方法：壓力與速度耦合方程選用SIMPLE算法，壓力插值選用PRESTO！，對流項的插值格式選用QUICK格式。先進行穩態計算，再進行非穩態計算，非穩態計算中盡量減小步長。結合課題組經驗，步長選用0.000 2 s。

2 排列形式對并聯旋風分離器氣相流場的影響

根據變量控制法則，在模擬某一參數對流動狀態的影響時，應保持其他參數不變，考慮到進氣形式和料腿長度對并聯旋風分離器流場的影響，本節采用D型進氣方式，令分離器料腿長度lc=800 mm，研究了排列形式對并聯旋風分離器流場的影響。

1)分離器內流場的分布

圖3為全左旋中心對稱布置和左右旋向交替軸對稱布置時分離器入口橫截面上的速度矢量圖，由圖3可知，在V1-LR型并聯形式中，分離器入口截面上的速度指向分離器外壁，而在蝸殼入口處，靠近蝸殼邊壁處的速度略高，這說明，左右旋排列形式中，氣流攜帶顆粒貼近分離器外壁進入分離器內，有利于顆粒的分離。

圖3 V1結構中L和LR兩種排列形式分離器入口橫截面速度矢量圖(z=-100 mm)

圖 4為兩種排列形式分離器入口截面的速度分布，由圖4可知，在相同的處理量下，L型并聯旋風分離器中，分離入口截面最高速度可達38 m/s，而LR型并聯旋風分離器中，分離器入口截面最高速度高達42 m/s。

圖4 V1結構中L和LR兩種排列形式分離器入口截面速度云圖

圖5為V1-L、V1-LR中分離器內部速度分布曲線，由圖5可知，左右旋向交替軸對稱布置的分離器分離空間的旋轉速度略大于全左旋中心對稱排列的分離器分離空間的速度，軸向速度的分布則未見明顯變化。

圖5 V1結構中兩種排列形式分離器分離空間內速度曲線

2)壓降分析

圖 6為全左旋中心對稱布置(L)和左右旋向交替軸對稱布置(LR)時并聯旋風分離器的總壓降及分離器平均壓降。由圖6可知，左右旋向交替軸對稱布置的并聯旋風分離器的總壓降和分離器平均壓降較高，增大的幅度約為6%。

圖6 三種并聯結構L和LR排列方式的壓降分布圖

3)集氣室內流場

圖7為V1-L、V1-LR并聯旋風分離器集氣室內速度矢量圖。取集氣室內z=1 250 mm截面上的速度進行分析。

由圖7可知,V1-L結構中，升氣管內的旋轉射流在集氣室內相互疊加，形成了繞集氣室中心旋轉的氣流。而V1-LR結構中，集氣室內氣流運動比較混亂，旋向不同的氣流相互削弱。

圖7 V1結構中兩種排列形式集氣室內速度矢量圖

3 排列形式對公共灰斗內流動形式的影響

依據分離器旋向交錯排列的形式會使從相鄰分離器排塵口排出的氣流相互削弱的現象，進而實現改善公共灰斗內的竄流返混現象的設想[2]。本文分別計算了排列形式對料腿長度為200、800 mm的V1結構、V2結構中公共灰斗內的流場的影響。

1)V1結構

當分離器料腿長度較長時,V1結構的公共灰斗內無明顯的竄流返混現象，因此本節研究了料腿長度分別為200、800 mm的分離器并聯后，排列形式對并聯旋風分離器公共灰斗內竄氣現象的影響。

圖 8為lc=800 mm的分離器并聯后公共灰斗內分離器排塵口所在截面上的速度矢量圖，取公共灰斗內z=-2 480 mm截面，由圖8可知，兩種排列形式的并聯旋風分離器排塵口處旋轉強度差異不大，均不會在公共灰斗內形成旋轉流動。因而公共灰斗內沒有明顯的竄氣現象。

圖8 V1結構中兩種排列形式公共灰斗內排塵口截面速度矢量圖(lc=800 mm)

圖9、圖 10為lc=200 mm的分離器并聯后公共灰斗內分離器排塵口所在截面及相鄰分離器連接面的速度矢量圖，取公共灰斗內z=-1 880 mm截面，相鄰分離器取AB分離器連接面。

圖9 V1結構中兩種排列形式公共灰斗內排塵口截面速度矢量圖(lc=200 mm)

圖10 V1結構中兩種排列形式相鄰分離器連接面速度矢量圖(lc=200 mm)

由圖9～圖10可知，左右旋向交替排列的并聯形式，從相鄰排塵口出來的氣流旋轉方向相反且相互削弱，公共灰斗內不會形成大的旋轉流動，能在一定程度上抑制公共灰斗內的竄氣現象。

2)差異分離器并聯(以V2為例)

圖 11、圖 12為分離器料腿長度為800 mm時，V2-L、V2-LR結構中公共灰斗內分離器排塵口所在截面及相鄰分離器連接面上的速度矢量圖，取公共灰斗內z=-2 480 mm截面，相鄰分離器取AB分離器連接面。

圖11 V2結構中兩種排列形式公共灰斗內排塵口截面處的速度矢量圖(lc=800 mm)

圖12 V2結構中兩種排列形式相鄰分離器連接面速度矢量圖(lc=800 mm)

由圖11～圖12可知，兩種排列方式的公共灰斗內旋轉氣流方向正好相反，在V2-L結構中旋轉氣流的方向與分離器內氣流旋轉方向相同，在V2-LR結構中，旋轉氣流的方向則與提供竄氣氣流的右旋分離器內部旋轉方向相同。并且V2-LR中公共灰斗內旋轉氣流的速度略小于V2-L內的速度。

圖 13為兩種并聯結構公共灰斗內氣流旋轉速度曲線，取分離器排塵口截面上45°～225°方向上切向速度。由圖13可知，左右旋交替排列的形式的并聯旋風分離器，公共灰斗內氣流旋轉速度較小，因而可以抑制公共灰斗內的竄流返混現象。

圖13 分離器排列形式對公共灰斗內氣流旋轉速度的影響

綜上分析可知，左右旋向交替排列的布置方式，公共灰斗內相鄰分離器排塵口排出的氣流旋轉方向相反，相鄰分離器交界處旋轉流動的速度方向趨于一致，沒有速度梯度，氣流之間相互作用不強，因而不會產生大的渦旋，能夠在一定程度上改善公共灰斗內的竄流返混現象。

4 小 結

文章分析了分離器排列形式對并聯結構流場及公共灰斗內竄流返混現象的影響，結果表明：①左右旋交替排列形式會引起并聯結構中分離器內三維速度及壓降的增大。②左右旋交替排列形式可以抑制氣流在公共灰斗內形成旋轉流動，改善灰斗內的竄流返混現象。因而，能夠提高并聯旋風分離器分離空間內的分離能力，改善分離器公共灰斗的流場對稱性，應用前景較為廣闊。