旋風分離器旋渦尾端位置實驗測量及影響因素研究

高飛 劉杰 孫紹華

摘要：為了能夠對旋風分離器的漩渦尾端位置進行準確測量，利用筒錐式旋風分離器，通過紅墨水式示蹤可視化地實施分離器內流型，對軸向和徑向不同位置的壓力信號實施具體測量分析，并探討了旋風分離器旋渦尾端位置的因素。

關鍵詞：旋風分離器;旋渦尾端;位置實驗;測量;影響因素

中圖分類號：TQ051.8??? 文獻標識碼：A??? 文章編號：2096-6903（2021）07-0000-00

0 引言

旋風分離器為屬于在生產中廣泛應用的氣固分離設備，旋風分離器在氣化及石油流化催化裂化等過程中都能夠加以應用，其在實際應用方面可以會出現有塵氣體跟隨切向進入到旋風分離器中的現象，在分離器中也會產生內部和外部旋流流動的情況，在外旋流旋轉下行使得向內旋流轉變且內旋流旋轉上行，隨后氣體從分離器頂部中心升氣管排出。外旋可以改變內旋流的位置，旋風分離器旋渦尾端的部位升氣管下口到旋渦尾端的距離在具體設置的時候，通常情況下可以使得其能夠保持旋渦長度或自然旋風長。旋渦尾端的位置及運動特性對具體分離的效率存在著較大影響，也容易造成錐體排塵口附近磨損等問題，并且也要在準確測定旋渦尾端計算準確的自然旋風長度。在工業旋風分離器錐體或料腿上部也存在著環形的壁面沉積物或拋光環及磨蝕的環形溝槽等情況。人們主要是以可視灰環或環狀磨損位置對旋渦尾端的位置確定有效的自然旋風長計算公式，但是其得到的旋渦長度變化趨勢和exander式之間為相反的關系。隨后主要是利用加熱石蠟煙氣示蹤和粉塵示蹤及閃頻觀測儀照相觀測等方式探究旋渦尾端的運動特性，且充分調整頻閃頻率的，最終實現渦尾“凍結”，觀察得出附著在分離器內壁上的旋渦，減少旋渦尾端位置隨處理氣量容量，在粉塵濃度增加及升氣管直徑增大而明顯升高的情況下，渦核彎向器壁并利用分離器內氣體旋轉的頻率附著在器壁旋轉轉變為封閉的環。結合旋轉頻率及入口氣量變化的實際情況，更準確認識漩渦尾端所具有的細致結構和運動行為當前還并不清晰，在多點壓力傳感器對旋風分離器軸和徑向不同位置的壓力在時間變化的信號實施測量后，明確為自然旋風長，得到具體位置。

1 旋風分離器旋渦尾端位置實驗測量

旋風分離器旋渦尾端位置實驗測量方面，是基于筒錐型旋風分離器實施的測量，所采取的的分離器顯示為的筒徑為300 mm，選取的分離器的筒體段長顯示為420 mm，錐體長為660 mm，錐體下口的直徑為120 mm，下部銜接主要是1500 mm的料腿，料腿末端進行封閉，之后利用有機玻璃實施制造，而試驗裝置及結構尺寸以料腿上端截面為基準面（z=0）[1]?，z軸向上主要為正向，而分離器各測點的壓力在多點動態壓力信號采集系統測量的基礎上選擇的壓力傳感器利用CYG505型固態壓阻式壓力傳感器，其分辨率明顯更高，由此檢測得出10～20 Pa的微壓。氣壓信號在測量過程中利用引壓管引至多點動態壓力信號采集系統傳感器的接口，如圖1所示。

試驗介質多數情況下為常溫空氣，在吸風負壓狀態下有效實施，且分離器入口氣速主要是根據標準畢托管測量計算得出的，在示蹤試驗顯示的旋渦尾端試驗方面應用紅墨水作為示蹤液體對旋渦尾端觀測中介。

2 旋風分離器液體示蹤實驗結果

旋風分離器示蹤液體在旋風分離器壁面的運動軌跡是在較大氣速（vin=30 m/s）[2]?的背景下，液體進入旋風分離器會主要是沿著壁面螺旋產生下行的趨勢，在筒體與錐體部分，液體在壁面容易形成更為清晰穩定的螺旋狀液帶。在料腿上部位其螺旋的液帶形成略微傾斜的封閉液環沿壁面快速旋轉。液環以較快速率旋轉且存在著上下擺動的情況，其平衡位置處于z=670 mm附近。液環位置下的液體無法進行旋轉，沿著筒壁斜明顯出現向下滑落的趨勢。這也就說明液環位置中，旋轉強度也會明顯呈現為更大程度上減弱的現象，由此可以得出液環位置處于旋渦尾端位置。在入口壓力減小的情況下，示蹤液體的旋轉螺距也會不斷增大，但液環位置也會基本保持不變，在氣速繼續減小到一定值的時候，液體在進入旋風分離器之后沒有能夠形成旋轉而是直接沿壁面出現滑落的現象。這也就能夠得出在氣速較小的情況下，旋風分離器內氣流無法得以有效旋轉。

3 旋風分離器的靜壓分布

示蹤實驗相對更為直觀便利，適合實驗室透明的分離器配合更加便利且利用范圍更為廣泛的旋渦尾端判定方法，對分離器內壓力特性加以測量。不同人口氣速基礎上旋風分離器不同高度（z）橫截面的靜壓分布不同，也可以得出分離器筒體及錐體空間內，各橫截面的靜壓沿徑向變化也更為明顯，且其在中心處壓力值始比較小的，其變化也呈現為呈典型v型，而分布形態所出現的軸向的變化不夠顯著，在液環位置下部空間（z=670mm以下[3]?），壓力滑徑向分布得以呈現為平坦的發展趨勢，徑向壓力梯度與切向速度的梯度關系更為密切，壓力梯度相對更小，其主要顯示為切向速度梯度比較小及氣流旋轉的強度會出現明顯降低，因此能夠有效得出料腿上部（z=670 mm[4]?），氣流旋轉強度出現更快衰減的發展期，這一特點驗證出液體示蹤的結果，且壓力梯度急劇衰減的位置與液環位置確保一致，其也能夠作為旋渦尾端的主要標志。在不同氣速支持下，壓力梯度變緩的位置需要進一步保持一致，使得氣速對尾端位置影響明顯更小。

4 旋風分離器不同橫截面的壓力信號分析

由相關觀測能夠顯示出，旋渦尾端主要傾向于器壁并快速旋轉，其顯著的動態特點比較突出，因此，在入口氣速顯示為20m/s的情況下，對不同高度的橫截面測點壓力確定方面，得出具體的時間序列信號，深入考察旋渦尾端的動態特點^[1]。

4.1 壓力時域信號

旋風分離器不同高度橫截面壓力所呈現出的時域信號不同，分離器上部部位（2-160mm）[5]?，壁面壓力信號波動幅度明顯更小，其中心區域波動幅度也比較大，且這一波動具有周期性特點，變化也比較快，且在料腿上部位置（z=670mm）[6]?，壓力信號劇烈波動的徑向位置逐漸向壁面方向變化，壁面壓力會在-500～-3500[7]? Pa范圍內發生劇烈波動的現象，中心壓力的波動不明顯，在料腿上部（z=820mm）[8]?位置，其中心及壁面壓力信號的波動幅度逐漸減弱，這一情況下壁面壓力信號劇烈波動的位置也對應徑向壓力梯度急劇降低的區間，這是旋渦尾端碰壁的另外的標志。在圖中能夠看出，在分離器中旋流相對比外旋流更為強烈的波動，在達到旋渦尾端位置之后，旋渦尾端碰向壁面，而傳感器會受到中心渦核區快速波動的影響，其壓力數值出現上升，波動的幅度會更大程度上增大，而壁面也會出現更為劇烈波動的壓力信號輸出。

4.2 壓力信號的頻譜分析

任何連續測量的時序信號可以顯示為不同頻率的正弦波信號的無限增加現象，傅里葉變換算法可以最終顯示為原始時域信號轉換的情況，其也會更容易得到應用到分析的頻域信號（信號的頻譜），在累加的情況下得出信號中所存在著的不同正弦波信號的頻率和幅值。對圖中的壓力信號實施相關數據實時快速傅里葉分析，結果顯示，基于快速傅里葉變換處理方式，筒體段及錐體段及壁面壓力信號也沒有更為明顯的主頻，中心壓力信號包含有1個150 Hz的主峰頻率，在料腿上部渦尾區域（z=670 mm）[9]?和中心及壁面壓力信號峰值頻率為150 H，而壁面處幅值要比中心測點幅值明顯更大，在其劇烈波動的時候，其所具有的信號也會出現倍頻，渦尾區之下（z=820 mm）[10]?，壓力信號有1個峰，其頻率主要為150 Hz，但幅值相對更低，因此得出，尾端處壓力特征顯著，其自身適用性特點比較突出。

5 旋風分離器旋渦尾端位置影響因素

在分離器筒體及錐體段，靜壓沿徑向主要是呈現為V型分布的形態，且存在著梯度比較大的特點，而具料腿頂部區域則存在著靜壓梯度急劇衰減且逐漸趨于平坦的趨勢，這一特點能夠作為漩渦尾端識別的主要標志，由此識別的旋渦尾端位置與液體示蹤顯示的液環位置幾乎保持一致。在筒體及錐體段，分離器內旋流壓力信號也存在著一定波動頻率，而外旋流則則沒有較為明顯的主頻，在旋渦尾端碰壁位置處，壁面壓力信號也存在著內旋流的波動頻率，并包含著較高的幅值。旋風分離器旋渦尾端位置所受到的入口氣速的影響也比較小，但也會隨著入口面積比的增加而出現上移，隨排氣管直徑的增加而向下方延伸。對于旋渦尾端位置計算方面，多數情況下都注重分析入口面積比和排氣管直徑D，這些數據具有主導作用，為了考察尾端位置的影響因素，在考察人口氣速和人口面積比及排氣管直徑D等方面對尾端位置的影響情況的時候加以實施^[2]。為了能夠進一步排除操作參數存在著的影響，也需要考核人口氣速下尾端位置跟隨入口變化而出現的變化情況，旋渦尾端位置的區別相對更小，在相關實驗具體實踐的時候，利用人口氣速20m/s開展實驗測試，根據不同排氣管直徑及入日面積比下尾端位置與文獻值的對比得出，旋風分離器旋渦尾端位置會跟著人口面積比的增大而存在著明顯上移的發展趨勢，而在排氣管直徑的增加也會向下延伸。將實驗值和自然旋風長計算公式得出的預測值對比，能夠得出計算公式預測值與實驗值均具有一定偏差。其能夠得出液環旋轉速度較快且上下擺動的時候，所呈現出的液環位置隨加液量及加液時間變化還不夠顯著，位置相對更為穩定，在液環的影響下，液體也會沿著沿料腿壁斜向下灑落，其無法形成旋轉，這表明液環之下的轉強度會急劇衰減，液環位置也就是旋渦尾端位置，旋轉氣流在液環處存在著劇烈地翻轉上行的發展趨勢。這一液環位置和前面測得的不同方位壁面壓力出現突變的區域也會明顯保持完全一致，方位壁面壓力最低位置相對比液環位置更高，這也是壁面壓力測點位置固定之后，不會完全捕捉旋渦負壓核心，示蹤液體的密度相對比試驗氣體明顯更大，重力的影響加大了示蹤液體的軸向運動距離等因素所造成的，在實際分析和實驗研究方面明確旋風分離器漩渦尾端位置^[3]。

6 結語

在旋風分離器旋渦尾端位置實驗測量中，根據示蹤實驗可視化分析旋風分離器內流場，可以有效得出液體在旋風分離器壁面具有螺旋狀下行的趨勢，在比較大的氣速影響下，液體會在料腿上部形成封閉的液環，這一液環所在位置也就是旋渦尾端的位置。在氣速的減小基礎上，液體旋轉螺距會隨之變大，但是液環位置一般不變。在壓力測量方面可以有效得出壓力徑向梯度急劇衰減的位置為旋渦尾端的位置，這一位置和示蹤實驗所得旋渦尾端位置基本一致。在分離器簡體及錐體段確定的時候，其中所利用的分離器內旋流壓力信號呈現為一定的波動頻率。而外旋流區壓力信號則設置較為明顯的主頻。在尾端部位分析的時候進一步得出壁面壓力信號所具有的內旋流的波動特性，而在尾端下部空間，壓力波動頻率及幅值也會出現進一步減小。尾端位置隨著入口面積比的增加而發生顯著上移趨勢，隨排氣管直徑的增加而向下延伸。

參考文獻

[1] 高助威，王娟，王江云，等.旋風分離器自然旋風長的影響因素[J].石油學報（石油加工），2019（03）：613-620.

[2] 周發戚.旋風分離器升氣管外壁顆粒沉積及分離器性能的研究[D].北京：中國石油大學（北京），2018.

[3] 王璐.入口結構及氣速對旋風分離器內旋流非穩態特性的影響[D].太原：太原理工大學，2018.

收稿日期：2021-05-19

作者簡介：高飛（1979—），男，河北三河人，本科，實驗師，研究方向：機械設計制造及其自動化。

Experimental Measurement of the Position of the Vortex Tail end of a Cyclone Separator and its Influencing Factors

GAO Fei， LIU Jie， SUN Shaohua

（Langfang Polytechnic Institute， Langfang Hebei 065000）

Abstract：In order to be able to accurately measure the position of the tail end of the vortex of the cyclone separator， utilizing the cone-shaped cyclone separator， visually implement the flow pattern in the separator through red ink tracer， implement specific measurement and analysis of pressure signals at different positions in the axial and radial directions， the factors of the position of the tail end of the vortex of the cyclone separator are also discussed.

Keywords： Cyclone separator; Vortex tail end; Position experiment; Measurement; Influence factor