弯管颗粒预分布结构对旋流器性能的影响_王舜.pdf

流 体 机 械第 51 卷第 2 期2023 年 2 月 11 收稿日期：2021-11-12 修稿日期：2022-09-27基金项目：国家自然科学基金项目（51806248）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.002弯管颗粒预分布结构对旋流器性能的影响王 舜1，王蛟洋1，韩 霄2，都 帅1，朱丽云1，王振波1（1.中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580；2.青岛市特种设备检验检测研究院，山东青岛 266101）摘 要：旋流器在进行延迟焦化废水焦粉脱除领域具有多重优越性，为保证旋流器结构不改变条件下提高旋流器脱除焦粉的能力，提出了在旋流器入口处设置弯管预分布结构以实现进口颗粒的预分布，即实现颗粒沿旋流器柱段的外壁面进入旋流器，提高旋流器的分离效率。通过试验验证了优化后旋流器在高进口流量条件下能有效提高旋流器分离效率，同时降低旋流器的压降；利用 FLUENT 软件对不同入口流量下旋流器内部流场进行分析，设置预分布结构后，旋流器内部切向速度增大且改善了切向速度的对称性，同时改善了轴向速度分布状态，降低了入口横截面的湍动能，分离效率最高提升至 96%，结合多项流场参数分析结果显示，优化后旋流器具有更高的动态效率。关键词：旋流器；弯管预分布结构；流场分析；分离效率；动态效率中图分类号：TH138.8 文献标志码：A Influence of particle pre-distribution structure in elbow on performance of cycloneWANGShun1，WANGJiaoyang1，HANXiao2，DUShuai1，ZHULiyun1，WANGZhenbo1（1.SchoolofNewEnergy，ChinaUniversityofPetroleum（EastChina），Qingdao 266580，China；2.QingdaoSpecialEquipmentInspectionandTestingInstitute，Qingdao 266101，China）Abstract：Thecyclonehasmultipleadvantagesinthefieldofcokepowderremovalfromdelayedcokingwastewater.Inordertoensurethatthestructureofthecyclonedoesnotchangeandimprovetheabilityofthecyclonetoremovecokepowder，thispaperproposestosetanelbowpre-distributionstructureattheinletofthecyclonetorealizethepre-distributionofinletparticles，thatis，theparticlesenterthecyclonealongtheouterwallofthecolumnsectionofthecyclone，Improvetheseparationefficiencyofcyclone.Itisverifiedbyexperimentsthattheoptimizedcyclonecaneffectivelyimprovetheseparationefficiencyofthecycloneandreducethepressuredropofthecycloneundertheconditionofhighinletflowrate.FlUENTsoftwareisusedtoanalyzetheinternalflowfieldofthecycloneunderdifferentinletflowrates.Afterthepre-distributionstructure，thetangentialvelocityinsidethecycloneincreasesandthesymmetryofthetangentialvelocityisimproved，theaxialvelocitydistributionisimproved，theturbulentkineticenergyoftheinletcross-sectionisreduced.Enhancementimprovestheseparationefficiencyofthecyclone，andtheefficiencyisupto96%.Combinedwiththeanalysisresultsofmultipleflowfieldparameters，itshowsthattheoptimizedcyclonehashigherdynamicefficiency.Key words：cyclone；elbowpre-distributionstructure；flowfieldanalysis；separationefficiency；dynamicefficiency0 引言延迟焦化工艺是重油、渣油以及沥青油的脱碳生产中应用最为广泛的一种工艺流程1-2，然而，延迟焦化工艺过程中产生含有较多微细焦粉颗粒的含硫废水3。含硫废水中的焦粉颗粒一方面易附着在下游汽提塔浮阀塔盘表面从而堵塞阀孔，另一方面焦粉颗粒易造成氨精制系统中泵机、管道的堵塞，导致气氨的分离效率及液氨产品质量的下降4-5，因此需要对焦化废水中的焦粉颗粒进行脱除。目前应用于延迟焦化废水焦粉脱除的方法主要有优化操作条件、自动反冲洗过滤法、陶瓷膜过滤法、絮凝法及旋流分离法6-14。对比优化操作12FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023条件、自动反冲洗过滤法、陶瓷膜过滤法、絮凝法存在焦粉脱除能力有限、抗干扰能力差、装置初始及维修成本高、使用周期有限等缺点，旋流分离法是利用旋流器离心力场实现具有密度差的两相的分离方法，具有设备体积小、能耗小、结构简单、易于操作维护和流量调节范围广的优点，采用旋流法脱除焦粉具有良好的应用前景。旋流器入口作为其主要结构之一，众多研究显示通过对其优化设计能够改善旋流器的分离性能。李峰等15以旋流器矩形进料体的高宽比为变量进行研究，研究表明矩形进料体的高宽比为3.04.0 范围内，75mm 旋流器的分离性能最佳。旋流器的非圆形进料管的欧拉数（Eu）很小，石英岩水悬浮液分离试验中方形进料管的切割粒径较圆形进料管降低了 32%16。TiO2与 SiO2的分离纯化试验中，渐开线入口旋流器明显改善旋流器性能，TiO2的纯度可以达到 95.53%17。电弧型入口旋流器同样能够实现旋流器入口颗粒的预分类作用，该结构旋流器 5m 颗粒的分离精度从 0.833 提高至 0.93818。采用螺旋形进口的旋流器同样能够实现分离性能的优化，且分离效率比直切旋流器提高了近 10%19。涡状线进料体有效降低了待分离颗粒的错位数量，减小了短路流与涡流的发生概率，实现了切割粒径从 12.5 降低至 8.17m20。上述研究均建立在改变旋流器结构的基础上，对旋流器入口截面进行分组编码，对入口不同位置进行数值模拟验证了入口物料预分布处理能有效提高水力旋流器的分离性能21。本文基于不改变旋流器结构的条件，在旋流器入口处设置弯管预分布结构，实现颗粒的预分布作用。对旋流器分离效率及压降开展对比分析，利用FLUENT 软件对设置弯管预分布结构前、后旋流器内部流场进行数值模拟，对比分析切向速度、湍动能等流场参数以及分离效率及动态效率因子验证弯管预分布结构的可行性。1 试验装置及方法1.1 试验装置及流程试验装置如图 1 所示，由旋流器、料浆桶、泵及测试系统等组成，其中旋流器采用 DN50 型切流式，如图 2 所示，其结构尺寸见表 1。对旋流器进行结构改进设计的半径为100mm的弯管结构，弯管与旋流器的装配方式如图 3 所示。图 1 试验装置流程示意Fig.1 Flowdiagramofexperimentaldevice图 2 切流式旋流器示意Fig.2 Schematicdiagramoftangentialflowcyclone表 1 切流旋流器结构尺寸Tab.1 Structuraldimensionoftangentialcyclone mm名称数值柱段高度 H/D1.78溢流口内径 Do/D0.3底流口内径 Du/D0.28溢流管插入深度 h/D1.2锥段角度/（）3图 3 弯管装配示意Fig.3 Elbowassemblydiagram试验时，料罐中料浆在搅拌器充分搅拌均匀后，由螺杆泵吸入，经流量计和管路系统进入旋流器，分离后，轻相经溢流口流回料罐，重相经底流口返回料罐。其中，流量由电磁流量计计量控制，压力用精密压力表测量；在旋流器进、出口处13王舜，等：弯管颗粒预分布结构对旋流器性能的影响采样采用过滤烘干方法分析固相浓度，分离效率根据溢流口和入口颗粒浓度计算得到，计算公式如下：ECCCCCioioi=-=-1（1）式中，E为分离效率；Ci为入口进料质量浓度，g/L；Co为溢流口物料质量浓度，g/L。压降为入口与溢流口之间的压差，计算公式如下：P PPio=-（2）式中，Pi为入口压力，MPa；Po为溢流口压力，MPa。1.2 试验介质采用平均粒径为30m、密度为1920kg/m3的焦粉作为固体颗粒，以水作为流体介质进行试验研究。1.3 试验操作条件影响旋流器分离性能的操作参数主要有入口流量、底流率（底流流量/入口流量）和原料液含固量等。在试验过程中入口流量取 2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0m3/h；为保证工业生产的高效性，故底流率选择5%和15%；将清水和焦粉配成不同浓度的原料液，焦粉浓度分别为 2.5，5.0，7.0g/L。2 试验结果分析与讨论图 4 示出焦粉浓度为 2.5g/L，底流率分别为5%和 15%条件下，优化前旋流器与设置弯管预分布结构后旋流器的分离效率和压降随流量的变化曲线。由图可知，在其他条件不变时，入口流量低于 3.0m3/h 时，优化前旋流器的分离效率高于改进后旋流器的分离效率，流量高于3.5m3/h时，优化后的旋流器分离效率高于优化前旋流器的分离效率。在入口流量较低时，由于焦粉颗粒在弯管处受到的离心力较小不足以使焦粉颗粒的运动轨迹趋向于弯管外壁面，随入口流量的增大，焦粉颗粒所受离心力逐渐增大，更多的焦粉颗粒向弯管外壁面聚集，沿旋流器边柱段边壁进入旋流器内。入口流量增大的同时旋流器的切向速度同步增大，在弯管的预分布作用与旋流器内部切向速度逐步增大的共同作用下，优化后旋流器的分离效率明显提高。（a）5%底流率 （b）15%底流率图 4 2.5g/L 条件下旋流器分离效率和压降对比曲线Fig.4 Comparisoncurvesofseparationefficiencyandpressuredropofcycloneat2.5g/L在 2 种底流率条件下，随着入口流量的增大旋流器切向速度梯度、流体与壁面的摩擦等均增大，故 2 种旋流器压降随流量的增大逐渐增大。对比分析优化前后旋流器的压降，优化后旋流器的压降在一定程度上低于优化前旋流器的压降，随着入口流量的增大，优化后旋流器在保证一定分离效率的同时具有比优化前旋流器更低的压降，该结构在较高流量条件下即保证旋流器较高处理量的同时具有一定的可行性。图 5 示出焦粉浓度为 5.0g/L 时优化前、后性能参数对比。底流率为 5%时，入口流量低于2.5m3/h，由于入口物料的流速较低，弯管结构未能实现对入口物料的预分布作用，流量超过2.5m3/h，入口物料的流速使焦粉颗粒具有足够大的离心力使其向弯管的外壁面迁移，焦粉颗粒沿旋流器柱段的外壁面进入，一方面避免了短路流造成的溢流焦粉携带问题；另一方面使更多的焦粉颗粒旋流器的外壁面向底流口运动避免了内旋流携带焦粉从溢流口排出造成的旋流器的现象。在底流率为15%的条件下，流量超过2.5m3/h时，