差異旋風分離器并聯的分離性能的實驗研究

張愛琴，王興東

(1.西安航空職業技術學院， 陜西 西安 710089； 2.中國石油天然氣管道局， 河北 廊坊 065000)

催化裂化旋分式三旋摒棄了多管式三旋內部復雜的支撐結構，采用簡單高效的PV型旋風分離器，大大地降低了制造安裝的難度和投資成本。從流場研究的結果來看，通過結構優化組合和匹配，新型旋分式三旋能有效地克服旋風分離器并聯使用后的進氣不均勻性、公共灰斗內竄流返混等共性的問題。其內部特殊的結構形式，使得并聯旋風分離器分離空間內的分離能力有所提高，改善了灰斗及料腿內的流場對稱性，大大地提高的并聯結構的整體分離效率，應用前景較為廣闊。然而在實際生產中，由于旋風分離器存在著制造誤差及磨損、堵塞等問題，并聯結構中單臺旋風分離器性能存在著差異，導致并聯旋風分離器處于不等壓降狀態工作，嚴重地影響了其整體效率。針對此問題，文章采用不同芯管直徑的旋風分離器并聯來模擬實際工況中不等壓降的旋風分離器并聯，研究了差異旋風分離器并聯的分離性能。

1 實驗裝置及方法

實驗裝置如圖1所示，主要包括4臺并聯的PV型旋風分離器、公共集氣室、公共灰斗、加料器、風機、進氣管以及測量儀器設備。工作時為負壓操作。

實驗入口濃度采用5 g/m3，并聯分離器加料量為20 kg，加料時間為40～60 min。采用兩臺風機同時送風，氣速由高到低進行實驗。充分考慮環境因素對實驗結果的影響，盡可能地保障實驗數據的可對比性。實驗主要考察不同芯管直徑差異的差異旋風分離器、不同旋向的旋風分離器并聯的分離效率、壓降、粒級效率等性能指標。

2 芯管直徑對并聯旋風分離器性能影響

研究過程采用不同芯管直徑的差異旋風分離器并聯，模擬實際并聯結構中旋風分離器不等壓降運行的工況，選取r1和r2兩種并聯結構進行比較。r1為4臺芯管直徑de為96 mm的旋風分離器并聯，r2為兩臺芯管直徑de為96 mm的旋風分離器、一臺芯管直徑de為90 mm的旋風分離器、一臺芯管直徑de為104的旋風分離器并聯，兩種排布均為全左旋，如圖2所示。

不等壓降工況運行的旋風分離器并聯后，公共灰斗內會發生竄流現象[2]。竄流作用是雙向的，對于接受氣流的旋風分離器，由于灰斗內的氣流進入料腿，一方面引起返混，另一方面會使渦核的擺動增強，均會降低其分離效率。對于給予氣流的旋風分離器，由于氣流從料腿內流入灰斗，相當于增加了底部抽氣，有利于其分離效率的提高。差異分離器并聯時以上兩種效應均存在，然而由于并聯結構中的單個旋風分離器很難達到最佳工況點，所以，一般認為差異旋風分離器并聯的整體效率較低。

芯管直徑差異分離器并聯實驗結果如圖3所示，相同旋風分離器并聯時分離效率E高于差異分離器并聯時的分離效率，且阻力系數ζ較小；切割粒徑結果及粒級效率如圖4所示，相同旋風分離器并聯時，切割粒徑dc50較小，粒級效率η較高，分離性能較好。分析主要是由于差異旋風分離器并聯時，一是由于單個分離元件很難同時達到最佳工作點，也就是最高效率點，使得整體的并聯效率較低。二是由于差異分離并聯時公共灰斗內竄流效應較大，造成公共灰斗以及分離器料腿流動較為復雜，很容易將已經分離下來的顆粒返混至中心向上氣流區，導致并聯結構的總體效率降低。

圖3 分離效率E與阻力系數ξ

圖4 切割粒徑dc50和粒級效率η

3 旋向對并聯旋風分離器分離性能的影響

本節主要針對旋向不同的并聯分離器進行分析。如圖5所示，兩種排布均為4個芯管直徑de為96 mm的分離器并聯，不同之處在于旋風分離器的旋向不同。全左旋排布記為r1-L，左右旋交替排布記為r3-LR。

圖5 旋向差異并聯分離器

旋向不同的并聯旋風分離器分離性能的實驗結果如圖6所示，全左旋排布的并聯分離器效率E優于左右旋排布，阻力系數ζ較大。說明全左旋排布的并聯旋風分離器內部旋流較強，對分離比較有利。采樣結果如圖7所示，左右旋的切割粒徑dc50大于全左旋，且粒級效率η較小，表明全左旋排布分離效率高于左右旋排布，且全左旋排布時對細粉的分離能力更強。但左右旋排布時在高氣速工況下能夠顯著降低并聯分離器壓降。

圖6 并聯分離器效率E及阻力系數ζ

圖7 切割粒徑dc50和粒級效率η

前期對公用灰斗內流場的數值模擬結果如圖8所示。全左旋分離器并聯時，在公共灰斗內四個旋渦組成一個旋流較強的大旋渦，流動的穩定性提高，降低了公共灰斗內的竄流返混，使得分離效率提高。而左右旋并聯分離器中，四個旋渦相互制約性不強，分離元件渦核的穩定性較低。由于全左旋并聯分離器灰斗中大旋渦的存在，被分離的顆粒沿料腿進入灰斗后會跟隨氣體的流動，在離心力作用下，進一步向灰斗邊壁移動，減少被分離顆粒再次進入料腿的概率，有利于分離。

圖8 并聯分離器公共灰斗內排塵口截面速度矢量圖

4 小 結

(1)全左旋排布時并聯旋風分離器的整體效率高于左右旋排布，阻力系數也較大；

(2)芯管直徑差異旋風分離器并聯效率低于相同旋風分離器并聯性能，但阻力系數大于相同旋風分離器并聯。因此在實際生產過程中應該最大程度地弱化避單個旋風分離器的差異。