入口位置对旋风分离器性能的影响.pdf

采用数值模拟的分析方法，运用雷诺应力模型模拟分析了旋风分离器入口位置变化的速度云图、压降云图和分离效率。结果表明，入口位置的变化会对流场的稳定性产生影响，当入口位置低于排气管插入深度时，内涡核的切向速度在径向位置上的速度梯度达到最大，造成流场的不稳定性；入口位置的降低，部分气流会沿壁面向上运动，偏心环流增加，对分离效率产生一定的影响；入口位置的降低会使压降和分离效率随着降低，结构比 结构总压压降下降了 ，静压压降减少了 ，总分离效率也下降了 。总体而言，分离器入口位于筒体轴向位置最上方的设计最优。关键词：旋风分离器；入口位置；流场；数值模拟中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，：；旋风分离器是目前应用最广泛的分离器之一，在氢氧化铝焙烧过程中有至关重要的作用，对其进行研究分析，对氢氧化铝焙烧系统的设计优化及改造升级具有重要意义 ，在分离器的流场中，靠近内壁流场的气流向下运动，同时把分离器内的颗粒或液体从壁面带到分离器底部，气流在分离器底部形成反向向上运动，最后排出 。旋风分离器内的流动现象复杂、旋流程度高，目前对旋风分离器的研究多种多样，旋风分离器的入口结构对流场和分离效率的影响一直备受关注，国内外许多研究人员对分离器的入口结构、位置进行了实验和数值模拟。魏培等 探究了入口结构对旋风分离器分离效率的影响，对三种不同入口结构的旋风分离器进行数值模拟研究。年董思捷等 建立四种不同入口位置的旋风分离器模型，并采用数值模拟方法研究了其对流场和分离性能的影响。彭丽等 采用 方法，结合响应曲面模型对旋风分离器结构参数进行优化。张翔禹 研究了升气管插入深度对于内部气相流场的影响规律。王江云、赵洋等 研究入口结构、位置对流场和分离效率的影响。等 设计并制造了两个单入口旋流器和一个双入口旋流器，以评估和比较它们的收集效率。等 通过实验和 模拟研究了入口尺寸对最大效率分离器高度的影响。等 利用 模型研究了入口截面形状对分离器流型、压降、和截断面积的影响。年 等 建立三种入口高度的分离器模型，并利用 软件进行了数值模拟。总而言之，目前国内外许多学者对分离入口结构和位置有了一定的研究，但对分离器入口在筒体轴向位置有关的 梁延玺 等：入口位置对旋风分离器性能的影响 年第 期研究还较少。本研究在简化的 型旋风分离器上设置了不同的入口位置，并采用数值模拟方法确定相应的切向速度、轴向速度、径向速度等流场特性和旋风分离器压降、分离效率的变化，得到不同的入口位置对分离器分离效率的影响，为旋风分离器的优化与研究提供一定的参考。计算模型和数值计算 机构尺寸本研究采用标准 型旋风分离器的简化模型为研究对象。其筒体直径 ，其余尺寸均以 为单位标注，见图 （）。以该旋风分离器为标准，设计了 种不同入口位置的旋风分离器，入口的大小相同，轴向位置的偏移用 表示，其中 ，。具体结构尺寸如图（）所示。表 旋风分离器尺寸参数项目数值（）筒体直径 进口高度 进口宽度 排气管直径 排气管插入深度 排气管内置宽度 分离器总高度 筒体高度 料腿段长度 集尘口直径 Hh1T0T4T5d 0 8D=.dD=1BDD1D2hksbd 0 2D=.d 0 4D=.d 0D=.6T1T2T3xyza-?b-?c-?图 旋风分离器的几何图、入口位置和网格 数值模拟方法雷诺应力模型消除了各向同性湍流的假设，适用于旋风分离器内部气相流场的模拟，因此本文采用雷诺应力模型模拟气相流场的湍流。所有的网格均为 绘制的正六面体网格，网格数量 万左右，如图 （）。求解器采用商业计算软件 ，气相流体为空气，密度为 ，黏度为 。入口速度 ，出口为压力出口，壁面为无滑移壁面。压力速度耦合采用 算法，压力插补格式选用 ！，对于离散格式均采用二阶迎风格式。颗粒相采用 模型追踪颗粒的运动注射颗粒从垂直入口平面射入，密度为 ，颗粒入口质量浓度 ，速度为 。且颗粒在分离过程中无燃烧、破碎及凝结现象，颗粒运动求解过程中引用随机轨道模型。入口及出口设置为逃逸，壁面设置为反弹，集尘口设置为捕获，分别射入粒子直径大小为 、和 的颗粒。年第 期轻金属 模型验证为了验证模拟结果的可靠性，将上述的数值模拟结果与 的实验数据进行对比，结果如图 所示。由图 可以看出局部区域存在一定的偏差，但模拟数值与实验结果的趋势基本相似。总体而言，该模型可以较好的反应旋风分离器的性能，结果可信。-.1 0-.0 50 0.0 5.1 0.-2-1012?/?/?图 数值模拟与实验结果对比 结果与分析流速可以分解为三个分量，分别为切向、径向和轴向。与径向速度分量相比，轴向和切向速度分量是主要的速度分量。和 认为，在气相旋风分离器中，切向速度是主要的气相速度，这导致了颗粒分离的离心力。轴向组件负责两个流向（向下和向上）。下面就对各个速度分量及分离效率进行分析。切向速度分析在旋风分离器中切向速度是主要的气相速度，它可以导致颗粒分离的离心力。不同入口位置的旋风分离器切向速度分布如图 所示，由图 （）我们可以看出从中心区域到气旋壁面，切向速度沿半径增大到最大值，然后减小。图 （）中旋风分离器的切向速度呈“兰金组合涡”分布，几何分布沿中心轴近似呈对称分布，分离器的外涡呈自由涡，内涡核呈强制涡，两个顶峰可看作是内涡和外涡的分界线。由图 （）可知结构 到 的切向速度变化区间不大，但 的轴对称性更好，随着入口位置的向下偏移，速度摆动增大。发生这种不稳定的原因是内涡核的切向速度在径向位置上的速度梯度达到最大。涡核的摆动会造成内湍流动能的增加，使不同流层之间的能量交换，会导致颗粒局部分布不均匀；较平稳的流层分布，对分离效率更加有利。210?/?/(/)m s-.1 0-.0 6-.0 20 0.0 2.0 6.1 0.T5T4T3T2T1T0?/?a-?b-X=0,Y=-1.0D?m s/4 92e 01.+4e 01.+433 93.+e 013 44.+e 012 95.+e 012 46.+e 011 97.+e 011 48.+e 019 84e 00.+4 92e 00.+0 00.+e 00T0T1T2T3T4T5图 旋风分离器内切向速度的分布 轴向速度分析不同入口位置的旋风分离器轴向速度分布如图所示，轴向速度同样是影响分离器内颗粒运动的一个方式。由图 （）可知，分离器的轴向速度沿着以轴心为中界线的两侧近似对称。不同的入口位置同样会对轴向速度分布的轴向对称性产生影响，随着 的增大，内流场抖动幅度增大。与自然界和工业中的大多数旋流一样，随着旋流程度的增加，旋风分离器中的轴向和切向速度分量之间会发生强烈的耦合，当沿轴向的逆压梯度无法被沿轴向流动的流体动能进一步克服时，在内涡中形成一个再循环流区。这样的一种机制是 首先观测到的，被认为是造成涡旋偏心的主要原因，即内部涡旋的中 梁延玺 等：入口位置对旋风分离器性能的影响 年第 期心与气旋的几何中心不重合 。图 （）轴向速度在流层外侧为负值，说明流层外侧为下流层，轴向速度在靠近轴心处为正值，说明内流层存在上流层，轴心还存在向下的回流层。、在轴向速度外侧还产生一定的上流层，这是因为观测点位于入口位置上端，气体进入分离器内会有一部分气体向上运动。?m s/3 8.+2e 013 30.+e 012 78.+e 012 26.+e 011 74e 01.+1 22e 01.+7 050.+e 01 850.+e 0-.+3 35e 00-.+8 55e 00-.+1 38e 01T0T1T2T3T4T51 0.0 5.0 0.-.0 5?/?/(/)m s-.1 0-.0 6-.0 20 0.0 2.0 6.1 0.?/?T5T4T3T2T1T0a-?b-X=0,Y=-1.0D?图 旋风分离器内轴向速度的分布 颗粒运动轨迹分析?60 000.45 000.30 000.15 000.0 000.-ms?1T0T1T2T3T4T5图 不同旋风分离器内颗粒运动轨迹图 为不同结构分离器内颗粒运动轨迹，如图可知，结构内部颗粒旋转圈数分布均匀，结构内部颗粒分布较为混乱。入口位置的降低会使部分颗粒在分离器内的旋转圈数减少，这部分颗粒会较早被排尘口收集；还有部分颗粒旋转圈数增加停留时间变长，这部分颗粒会随着气体被带到上壁面聚集，从而影响颗粒的收集，长时间使用会造成上壁面积灰现象。入口位置对分离性能的影响220021002000190018001700T0T1T2T3T4T5T0T1T2T3T4T5?/Papascal?2 26e 03.+1 94e 03.+1 62e 03.+1 30e 03.+9 84e 02.+6 66e 02.+3 48e 02.+3 05e 01.+-.+2 87e 02-.+6 05e 02-.+9 23e 02?a-?b-?图 降压云图与压降 年第 期轻金属 T0T1T2T3T4T5100806040200?/?/%603540455055012345?/m?T1T0T2T3T4T5?a-?b-?图 旋风分离器各颗粒分离效率和总分离效率旋风分离器的压降主要由进口扩大损失、出口收缩损失、分离器内旋流损失和排气管内气流动能耗散组成，其中分离器内旋流损失占比最大 ，。旋风分离器在筒体中心剖面静压云图与压降差如图所示，由图 （）知静压由中心轴线向外流场逐渐增大，关于轴心有较好的对称性，轴心附近位置的静压甚至为负值。各轴向位置的静压分布形式较为相似，只有锥体部分和料腿段部分会因入口位置不同而发生明显的变化。这是因为锥体段和料腿段的内旋流会发生在径向位置上的波动，受到锥体下半部分和料腿段部分流场内旋流摆动和局部二次漩涡的扰动，导致了这两处的静压分布较为紊乱 。由图（）知总压与静压压降都随着入口位置的降低而降低，与 相比总压与静压分别下降了 和 。这说明降低入口的轴向位置会增加 压力损失。分级效率曲线图是用来表示旋风分离器分离性能的一种形式。由图 （）各颗粒分离效率曲线图可以看出，总体分离效率随着粒子直径的增大而增加。粒子粒径在 以下时，种结构的分离效率趋势基本相同，粒径达到 以上时，可以明显看出 、型的分离效率仍然有上升的趋势，而 、型的分离效率基本趋于平稳。由图 （）总分离效率图可知，比 总分离效率提升了 ，总体来看 的分离效率更好。旋风分离器内的速度矢量图如图 所示，由图我们可以看出气体进入分离器内部后，会有一部分气流会沿着轴向位置向上运动，气流碰到上壁面后，会在排气管外壁面形成二次涡流。分离器入口位置越低，上升气流在分离器内停留的时间越长，颗粒同样会随着气流上升，从而影响颗粒的分离。由图 的放大图我们很明显可以看出排气管底部有一个捷径流，这种急流中的气体几乎不进入分离器的本体，而几乎被抽吸进入出气管，在这个过程中，粒子更可能逃脱，而不是被收集，这跟上面所描述的现象一致。入口位置的降低同样会使整个分离器内的流场更加紊乱，气流入口附近及料腿段的二次涡流加剧，不利于颗粒的分离。T0T1T2T3T4T5图 分离器内 截面的速度矢量图 结 论运用 软件 模块，通过离散相模型模拟，采用数值模拟方法研究不同的入口位置对旋风分离器气固两相的影响，结论如下：（）入口位置的变化不会造成分离器流场的总体结构变化，当入口位置低于排气管插入深度时，内涡核的切向速度在径向位置上的速度梯度达到最大，造成流场的不稳定性。（）随着入口位置的降低，部分气流会沿壁面 梁延玺 等：入口位置对旋风分离器性能的影响 年第 期向上运动，旋风分离器锥体下半部分和料腿段的流场不稳定性加剧，产生相应的偏心环流，会对分离效率产生一定的影响。（）旋风分离器不同的入口位置会对分离器的压降和分离效率产生一定的影响，入口位置的降低会使压降与分离效率降低。结构 比结构 总压压降减小了 ，静压压降减少了 ；比 总分离效率相差 。总体而言，分离器入口位于筒体轴向位置最上方的设计最优。参考文献 曹万秋旋风分离器气相流场数值模拟分析 轻金属，（）：，：，：，：田晓庆，何宏舟旋风分离器入口结构影响的研究现状与进展 过滤与分离，（）：，魏培，杨淼，尤燕妮入口结构对旋风分离器性能的影响 安全与环境学报，（）：董思捷，杨柳，张子慧，等入口位置对多入口旋风分离器性能的影响 环境工程学报，（）：彭丽，石战胜，董方基于 的旋风分离器结构优化 发电技术，（）：张翔禹超细粉体气固旋流分级的流场特性与分离行为研究 徐州：中国矿业大学，王江云，毛羽，王娟单入口双进气道旋风分离器内流体的流动特性 石油学报（石油加工），（）：董振洲出入口结构及入口气速对旋风分离器内旋流非稳态特性的影响 太原：太原理工大学，赵洋，陈建义，曹鸣谦，等入口面积可变式旋风分离器的性能 石油学报（石油加工），（）：杜慧娟，王川保，马红和，等入口收缩角度对旋风分离器分离性能的影响 热力发电，（）：，李杰旋风分离器数值模拟与结构优化研究 成都：西南石油大学，刘岗辉，王卫兵，喻俊志，等入口上侧收缩角对旋风分离器流场影响研究 热力发电，（）：，：，：，：，（）：，：，：，：，：陈建义，时铭显旋风分离器压降计算模型 北京：中国颗粒学会 年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集，：（责任编辑葛 辉）书 讯檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾殧殧殧殧 轻金属 创刊 周年优秀论文集出版发行为纪念 轻金属 杂志创刊 周年，轻金属 编辑部从创刊以来所出版的 轻金属 中，筛选出一批反映轻金属工业发展过程的优秀论文，编辑出版了“轻金属 创刊 周年优秀论文集”。全书共收录优秀论文 篇，计 万字，定价 元（含邮费）。有需要者请直接与 轻金属 编辑部联系。电话、传真：地 址：沈阳市和平区和平北大街 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