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，14FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023旋流器的分离性能出现改善趋势，但在流量为4.0m3/h，优化前、后旋流器的分离效率相同，综合分析弯管结构在该浓度条件下对于较小底流率条件下的改善效果更为明显。（a）5%底流率 （b）15%底流率图 5 5.0g/L 条件下旋流器分离效率和压降对比曲线Fig.5 Comparisoncurvesofseparationefficiencyandpressuredropofcycloneat5.0g/L优化前、后旋流器的压降随入口流量的变化趋势相同，但优化后的旋流器相比于优化前旋流器具有更小的压降，且随入口流量的进一步增大，优化后旋流器能进一步降低旋流器的能耗损失。焦粉浓度为7.0g/L，底流率为5%和15%条件下，直切旋流器与设置弯管预分布结构后旋流器的分离效率及压降随流量的变化曲线如图 6 所示。在该浓度条件下，弯管对于进口物料颗粒位置的预分布作用当流量超过2.5m3/h时效果明显，入口流量为 3.5m3/h、底流率为 5%时，优化后的结构对于效率的提升作用作最为显著，分离效率从 69.7%提高至 77.4%。根据图 6 示出的压降与流量的关系曲线，随着入口物料浓度的不断增大，优化后旋流器在降低旋流器压降的作用愈加明显，在 5%底流率条件下，在保证高入口流量条件下压降降低 0.04MPa。（a）5%底流率 （b）15%底流率图 6 7.0g/L 条件下旋流器分离效率和压降对比曲线Fig.6 Comparisoncurvesofseparationefficiencyandpressuredropofcycloneat7.0g/L通过对设置弯管预分布结构前、后旋流器对比试验可知，当入口流量达到一定数值时，进料颗粒足够大的离心力向弯管外壁面运动，实现了预期的进口物料预分布作用，使得旋流器的分离效率在一定范围得到提高，同时在较小底流率条件下的改善作用更为明显。在实际生产应用中，能够保证较小的底流含液量的同时提高旋流器的分离效率，因此旋流器与弯管预分布结构配套使用具备一定的可行性。同时设置弯管结构使得旋流器的压降，降低了旋流器的能耗损失。3 旋流器数值模拟研究3.1 模型描述通过试验验证了弯管结构在较高入口流量条件下能够提高旋流器的分离效率，为进一步验证弯管结构的可行性，本文利用 FLUENT 软件对 2种结构旋流器的内部流场及分离效率进行分析，15进一步验证弯管结构的可行性。旋流器的内部流动建模分为两步，通过雷诺应力模型与流体体积（VOF）模型进行内部流场分析同时为后续分离效率的计算过程提供初始流场，在初始流场的条件下应用DPM模型进行固液两相流的模拟，进行旋流器分离效率的分析。采用 CoulterLS320 激光粒度仪对焦粉颗粒进行粒度测试，测试得到的不同直径颗粒的分布曲线与 rosin-rammler 模型的不同直径颗粒分布曲线如图 7 所示，通过对比分析 rosin-rammler 模型的颗粒粒度分布与实际颗粒粒度分布拟合程度较高，故选择rosin-rammler模型。图 7 颗粒分布对比曲线Fig.7 Particledistributioncomparisoncurves旋流器入口流量分别为3.0，4.0，5.0，6.0m3/h，进料浓度为2.5，5.0，7.0g/L，颗粒的密度为1920kg/m3，最小颗粒粒径为 0.375m，最大颗粒粒径为120m，颗粒的平均粒径为 30m。3.2 模型验证模型验证首先通过水和空气多相流进行验证。1988 年，Hsieh 利用 LDV 对 DN75 旋流器的内部流场参数进行了测定，所测定的流场数据被广泛应用于物理模型的验证。采用与 Hsieh 完全相同的旋流器进行数据验证，数值模拟的结果与试验结果对比如图 8 所示，通过分析可知，试验数据与模拟数据的吻合性良好，采用 VOF 模型对流场参数进行预测具有一定的可靠性。图 9示出模拟分离效率与试验效率对比，通过分析可知，采用DPM模型得到的分离效率随流量变化曲线与试验得到的曲线基本走势相同，且随着流量的不断增大，模拟得到的结果与试验值之间的差距减小，本文在入口流量为3.0，4.0，5.0，6.0m3/h条件下进行数值模拟能够实现相对较高的计算精度。（a）切向速度 （b）轴向速度图 8 速度场试验值与模拟值对比Fig.8 Comparisonbetweentestvalueandsimulationvalueofvelocityfield图 9 分离效率对比曲线Fig.9 Comparisoncurvesofseparationefficiency3.3 结果与讨论3.3.1 切向速度切向速度决定了旋流器内离心加速度以及离心力的大小，切向速度越大旋流器的分离性能越好，旋流器的实际分离空间大致分为 2 个部分，溢流管与旋流器壁之间和分离空间与溢流管以下得主分离空间22。图10示出设置弯管预分布结构前、后旋流器在柱锥交界面的切向速度对比。在不同的入口流量条件下，切向速度以旋流器中心对称分布，优化后的旋流器在柱段与锥段交界面的切向速度明显高于优化前旋流器在此处的切向速度，该结果表明在结构改进后旋流器的内部，颗粒受到更大的离心力向旋流器边壁移动，在一定程度上能够反映优化后旋流器在分离区域能够实现较好的分离王舜，等：弯管颗粒预分布结构对旋流器性能的影响16FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023效果。与此同时，优化后旋流器的切线速度关于旋流器中心的对称性增强即流场的稳定性增强。图 10 切向速度分布Fig.10 Tangentialvelocitydistribution3.3.2 轴向速度图 11 示出不同条件下旋流器纵向截面的轴向速度分布云图，轴向速度能够反映颗粒在旋流器内的停留时间23-24，与弯管预分布结构配套使用前后旋流器内部轴向速度分布均符合轴对称分布规律。（a）入口流量3.0m3/h （b）入口流量4.0m3/h （c）入口流量5.0m3/h （d）入口流量6.0m3/h图 11 轴向速度分布云图Fig.11 Axialvelocitydistributionnephogram从图可见，在溢流管底部，与弯管预分布器配套使用后此处的轴向速度有一定程度降低，有利于延长短路流中颗粒在旋流器内的分离，避免其不经分离直接排出，降低溢流跑粗。在内旋流中，使用弯管预分布器后轴向速度显著降低，很大程度上增加了颗粒在旋流器内部的停留时间，进行充分分离，降低了颗粒进入溢流的概率。3.3.3 湍动能图12示出优化前、后旋流器在不同入口流量条件下入口中心水平截面上的湍动能分布云图，旋流器柱段与溢流管外壁面之间环形区域的湍动能越小说明入口结构对于物料具有良好的引导和加速作用25-26，通过对比由于弯管预分布结构的存在一定程度上降低了旋流器柱段与溢流管外壁面之间环形区域的湍动能，解释了优化后的旋流器在进口处能够有效引导和加速物料的流动，压力可以更好地转化为动能，从而产生更高的离心效应。同时，在旋流器中较小的湍动能说明旋流器内部的混乱程度相对较低，即颗粒之间的碰撞减少27，从该角度分析，优化后旋流器入口附近发生颗粒碰撞的概率小于优化前旋流器，弯管颗粒预分布结构能够实现颗粒的预分布作用。（a）入口流量 4.0m3/h（b）入口流量 5.0m3/h（c）入口流量 6.0m3/h图 12 入口横截面湍动能分布云图Fig.12 Clouddiagramofturbulentkineticenergydistributionatinletcrosssection173.3.4 分离效率图13示出不同浓度条件下改进前、后旋流器分离效率随入口流量的变化曲线，从图可看出，在2.5g/L条件下，入口流量为3.0，4.0m3/h时弯管旋流对分离效率的改善作用不明显，仅提高了0.2%和 0.03%，当入口流量增加至 5.0，6.0m3/h时，分离效率分别提高了2.7%和3.0%。在5.0g/L条件下，弯管预分布结构的优化作用显著，在入口流量为 5.0m3/h 时，将分离效率提高了 4.0%，此时的分离效率为 96%。在 7.0g/L 条件下，优化后旋流器在 4.0m3/h 入口流量时仅将效率提升了 0.04%，除此条件外均能实现较为明显的分离性能改善，改善作用最明显的入口流量条件为5.0m3/h，在该条件下，效率提升了2.7%。综合分析不同进料浓度下优化前、后旋流器的分离性能，随着入口流量的不断增大，与弯管预分布结构配套的旋流器具有更高的分离效率，具备一定的可行性。（a）2.5g/L （b）5.0g/L （c）7.0g/L图 13 分离效率对比分析Fig.13 Comparativeanalysisdiagramofseparationefficiency3.3.5 动态效率因子水力旋流器是一种将压力能转化为动能并伴随压力损失的装置，为了综合对比旋流器的能耗，本文采用动态效率因子28-29，表示总压降与动态压力的比值，其计算式如下：=/22()putmax（3）式中，p为压降，Pa；为流体介质的密度，kg/m3；utmax为旋流器最大切向速度，m/s。图 14 动态效率因子对比曲线Fig.14 Dynamicefficiencyfactorcomparisoncurves根据方程可知，较小的意味着较高的动态效率，理论上，最高的动态效率对应入口的总压力完全转化为动态压力而没有其他部分的损失，在旋流器实际工作状态下由于流体与旋流器壁面损失等是无法达到最高的动态效率。根据图 14 的数据可知，在不同的入口流量条件下，与弯管预分布结构配套的旋流器的动态效率因子值均低于优化前旋流器的数值。因此，旋流器与弯管预分布结构的组合使用具有更高的动态效率。4 结论（1）试验结果表明，当旋流器的入口流量超过 3.0m3/h，颗粒在弯管预分布结构处在离心力的作用下沿旋流器外壁面进入旋流器内，实现了颗粒的预分布作用，提高了旋流器的分离性能。同时，弯管预分布结构可以有效降低旋流器的压降。（2）弯管预分布结构提高了旋流器主分离空间内的切向速度，增强了切向速度的对称性，降低了内旋流区的轴向速度，延长了内旋流携带颗粒在旋流器内的停留时间，有利于颗粒的充分分离。王舜，等：弯管颗粒预分布结构对旋流器性能的影响18FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023（3）弯管预分布结构显著降低了旋流器入口横截面湍动能数值，可有效加速和引导物料的流动，加速压力向动能的转换，从而产生更高的离心效应，实现了预期的颗粒预分布作用。（4）数值模拟结果显示，流量从3.0m3/h增加至 6.0m3/h 的过程中，弯管预分布结构有效改善旋流器分离性能，在浓度为 5.0g/L、入口流量为5.0m3/h 时优化后旋流器分离效率为 96%。（5）应用 Misiulia 提出的动态效率因子进行综合分析，弯管颗粒预分布结构降低了旋流器的动态效率因子，即与弯管预分布结构配套使用的旋流器具有更高的动态效率。参考文献：1 张美琼，张霞玲，王凯明，等.焦化馏分油中焦粉脱除现状及研究进展 J.炼油技术与工程，2015，45（3）：1-4.ZHANGMQ，ZHANGXL，WANGKM，etal.CurrenttechnologyofcokepowderremovalfromcokeroilsandresearchprogressJ.PetroleumRefineryEngineering，2015，45（3）：1-4.2 袁惠新，李双双，付双成，等.三相分离旋流器内流场及分离性能的研究 J.流体机械，2015，43（1）：28-32.YUANHX，LISS，FUSC，etal.Studyontheflowfieldandseparationperformanceofathree-phasehydrocyclone J.FluidMachinery，2015，43（1）：28-32.3 邢素青，王增长.焦化废水处理技术的研究进展J.科技情报开发与经济，2005（23）：141-143.XINGSQ，WANGZZ.Asurveyonthetreatmentofthecokingwastewater J.Sci/techInformationDevelopment&Economy，2005（23）：141-143.4 程凤珍，侯天明，汪华林.焦化含硫污水旋流除油除焦粉技术研究 J.石油化工环境保护，2003（2）：33-37.CHENGFZ，HOUTM，WANGHL.Studyonhydrocyclonetechnologyforoil&cokeremovalfromsulfur-containingwastewaterinthecoker J.EnvironmentProtectionInPetrochemicalIndustry，2003（2）：33-37.5 蒋林时，张洪林，王祝敏，等.延迟焦化废水预处理技术研究 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