王江云, 馮留海, 張　果, 毛　羽, 王　娟

(中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249)

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單入口雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器內(nèi)沖蝕特性

王江云, 馮留海, 張果, 毛羽, 王娟

(中國石油大學(xué) 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249)

摘要：采用雷諾應(yīng)力湍流模型、離散相模型和改進(jìn)的沖蝕模型對一種單入口雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣-固紊流及沖蝕過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到旋風(fēng)分離器內(nèi)壁面沖蝕速率詳細(xì)分布規(guī)律。結(jié)果表明,固體顆粒對旋風(fēng)分離器內(nèi)壁的沖蝕主要發(fā)生在蝸殼上頂板、蝸殼與筒體連接段及排塵口處;在旋風(fēng)分離器分離空間內(nèi),由上至下旋流穩(wěn)定性逐漸減弱,導(dǎo)致壁面沖蝕速率逐漸增大。與普通單入口旋風(fēng)分離器相比,在相同處理量時,單入口雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器內(nèi)形成的軸對稱穩(wěn)定旋流可以有效減弱顆粒與壁面的碰撞和磨削,從而明顯降低壁面摩擦阻力損失和沖蝕速率,有利于旋風(fēng)分離器的壓降降低和長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器; 入口; 雙進(jìn)氣道; 沖蝕; 數(shù)值模擬

旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備緊湊、造價低、維修方便等優(yōu)點(diǎn),適用于高溫、高壓和腐蝕性環(huán)境,在催化裂化裝置內(nèi)作為油氣和催化劑分離的關(guān)鍵設(shè)備,具有非常重要的地位。然而,在實(shí)際運(yùn)行中,廣泛存在于石油、化工、機(jī)械等領(lǐng)域的固體顆粒的沖蝕破壞所造成的壁面磨損問題,直接制約了旋風(fēng)分離器的長周期運(yùn)行[1-2]。

對于由固體顆粒碰撞造成的旋風(fēng)分離器壁面磨損這一復(fù)雜的沖蝕問題,眾多學(xué)者從分離器實(shí)際運(yùn)行工況[3-4]、實(shí)驗(yàn)及理論分析[5-7]、磨損機(jī)制及預(yù)防措施[8-9]等方面進(jìn)行了深入研究,全面分析了旋風(fēng)分離器壁面沖蝕的過程、形成機(jī)理及影響因素,且提出了一些防磨措施。而從經(jīng)濟(jì)性和時效性角度來說,基于數(shù)值模擬方法的旋風(fēng)分離器磨損的研究[10-11]相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法,結(jié)果更加全面和直觀,可以為沖蝕機(jī)理分析提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此,筆者針對旋風(fēng)分離器內(nèi)非軸對稱強(qiáng)旋流動和壁面顆粒沖蝕問題,采用數(shù)值模擬方法研究普通單入口和單入口雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器內(nèi)氣、固多相流動及沖蝕過程,詳細(xì)對比分析不同入口結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器內(nèi)流場分布特點(diǎn)和沖蝕現(xiàn)象,考察非軸對稱程度對旋風(fēng)分離器壁面沖蝕程度的影響,以期從流動角度提出壁面防磨措施,為旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1旋風(fēng)分離器的幾何模型和網(wǎng)格劃分

本研究中的傳統(tǒng)單入口旋風(fēng)分離器和單入口雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋風(fēng)分離器筒體直徑為400 mm,旋風(fēng)筒插入灰斗內(nèi)部260 mm,灰斗直徑和長度分別為800和1250 mm。計(jì)算時以旋風(fēng)分離器中心軸線與上頂板的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。單入口雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器[12]與傳統(tǒng)單入口旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)的不同之處在于,在其切向入口內(nèi)設(shè)有分流板,使切向進(jìn)入的含塵氣流分別從兩個通道進(jìn)入旋風(fēng)分離器,可以實(shí)現(xiàn)入口氣流的對稱分配,增強(qiáng)旋風(fēng)分離器內(nèi)、外旋流的穩(wěn)定性,減小阻力,提高分離效率。采用Gambit建模軟件對直徑400 mm的旋風(fēng)分離器進(jìn)行了完全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,節(jié)點(diǎn)數(shù)為109294個,并使用Fluent計(jì)算軟件對其內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,具體的網(wǎng)格劃分也示于圖1。

2旋風(fēng)分離器內(nèi)流動及沖蝕模型

2.1湍流模型

基于旋風(fēng)分離器內(nèi)恒溫和不可壓縮流動的假設(shè),三維瞬時流動的基本方程可以表示為式(1)所示的通用形式。

(1)

在計(jì)算過程中,由于Reynolds應(yīng)力輸運(yùn)模型(RSM)摒棄了紊流各向同性的假設(shè),可以用于計(jì)算回轉(zhuǎn)流和強(qiáng)旋流,符合旋風(fēng)分離器內(nèi)強(qiáng)旋流動的特點(diǎn),因此選擇RSM模型為湍流模型[13-14]。

2.2多相流模型

離散相模型(Discrete phase model, DPM)主要考慮流體曳力、升力、湍流脈動等作用對顆粒軌跡的影響,能夠較為清楚地追蹤到顆粒的運(yùn)動細(xì)節(jié)?？紤]到其易與沖蝕模型相耦合,且本研究中的旋風(fēng)分離器內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)較低,所以選用DPM模型作為多相流模型。

2.3沖蝕模型

Fluent中沖蝕速率E的定義如式(2)所示。

(2)

式(2)中,C(dp)、f(α)和b(Vp)的默認(rèn)值分別為1.8×10-9,1和0。當(dāng)3個函數(shù)均為常量時,無法正確反映壁面沖蝕過程與顆粒大小及顆粒沖擊角之間的關(guān)系,從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際情況。因此,筆者基于各參量對沖蝕速率影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,采用自定義函數(shù)的方式對Fluent固有沖蝕模型進(jìn)行了修正[15],并用于旋風(fēng)分離器沖蝕過程的數(shù)值模擬。

2.4計(jì)算條件

計(jì)算時,氣相選用常溫空氣,風(fēng)量為1936 m3/h;顆粒相中位粒徑為11.7 μm,密度為2730 kg/m3,含塵濃度為2 kg/m3。旋風(fēng)分離器入口設(shè)為速度入口邊界條件,排氣管出口為充分發(fā)展的壓力出口邊界條件。由于使用DPM模型來模擬顆粒運(yùn)動過程,因此灰斗末端料腿出口邊界條件,對于氣相設(shè)為固壁邊界條件,對于顆粒相位設(shè)為顆粒捕集壁面條件。旋風(fēng)分離器外殼和芯管等壁面施加無滑移固壁邊界條件。

3單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1沖蝕模型驗(yàn)證

采用RSM湍流模型、DPM多相流模型和改進(jìn)的沖蝕模型對如圖2所示突擴(kuò)突縮管道內(nèi)的沖蝕過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)[16]進(jìn)行對比驗(yàn)證,結(jié)果示于圖3。從圖3可以看出,改進(jìn)后的沖蝕模型在突擴(kuò)和溝槽處的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,遠(yuǎn)優(yōu)于Fluent固有沖蝕模型。改進(jìn)后的沖蝕模型能夠較好的再現(xiàn)突縮段前部因漩渦導(dǎo)致顆粒對管壁沖蝕的抑制和沿流動方向沖蝕速率逐漸增大并達(dá)到穩(wěn)定的過程,較為準(zhǔn)確地給出了突縮段的沖蝕趨勢。同時,改進(jìn)后的沖蝕模型得到的溝槽段(第2危險點(diǎn))沖蝕速率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較接近,明顯提高了Fluent固有沖蝕模型的預(yù)報精度。因此,結(jié)合可以準(zhǔn)確預(yù)報旋風(fēng)分離器內(nèi)強(qiáng)旋流流場的RSM模型,改進(jìn)后的沖蝕模型可以用于旋風(fēng)分離器內(nèi)沖蝕過程的研究。

3.2單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器內(nèi)沖蝕現(xiàn)象分析

3.2.1旋風(fēng)分離器壁面沖蝕速率特點(diǎn)

圖4為φ400 mm旋風(fēng)分離器蝸殼頂板的沖蝕速率分布。由圖4可以看出,由于頂灰環(huán)的存在,在旋風(fēng)分離器蝸殼頂板內(nèi)壁面上,除入口區(qū)域外,沿徑向方向隨半徑的增大沖蝕量值逐漸增大,且主要沖蝕部位集中在蝸殼邊壁附近;入口氣流受蝸殼切向引導(dǎo)作用,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周運(yùn)動,在周向方向,沖蝕部位主要發(fā)生在90～330°范圍內(nèi),在190°附近沖蝕量值達(dá)到最大。

圖5為φ400 mm旋風(fēng)分離器壁面沖蝕速率分布。由圖5可以看出,在旋風(fēng)分離器頂板、蝸殼和筒體連接處及錐體下部排塵口處,沖蝕量值較大,與實(shí)際運(yùn)行中沖蝕部位相符。在環(huán)形空間內(nèi),氣固兩相流體由入口直線運(yùn)動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周運(yùn)動過程中,固體顆粒在慣性力和離心力的作用下脫離旋轉(zhuǎn)氣流向外運(yùn)動,與旋風(fēng)分離器的內(nèi)壁面碰撞和磨削,出現(xiàn)沖蝕;在蝸殼與筒體連接段,螺旋向下流動的流體受流道面積縮小的影響,在筒體段產(chǎn)生沖蝕;繼續(xù)向下流動的流體在錐體段旋轉(zhuǎn)半徑減小,旋轉(zhuǎn)加速,顆粒與壁面的磨削加劇,在筒體和錐體形成螺旋形沖蝕帶,且在排塵口處達(dá)到極值,形成了明顯的環(huán)形磨損帶。

3.2.2單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器壁面沖蝕對比

圖6為φ400 mm單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器環(huán)形空間不同軸向位置(z)上沖蝕速率沿圓周方向的分布。由圖6(a)可以看出,單進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器分離空間壁面的沖蝕主要發(fā)生在90～330°范圍,而雙進(jìn)氣道主要發(fā)生在180～330°。兩種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大沖蝕速率的位置基本一致,但由于特殊雙進(jìn)道結(jié)構(gòu)造成內(nèi)外兩通道流體在蝸殼180°后匯聚,導(dǎo)致雙進(jìn)道沖蝕速率峰值大于單進(jìn)道峰值。在環(huán)形空間z=-150 mm周向沖蝕速率的分布趨勢與前者類似,如圖6(b)所示。由于流體旋轉(zhuǎn)向下流動的影響,沖蝕速率峰值位置相比環(huán)形空間上層有所滯后,且最大沖蝕速率量值明顯降低。

圖7為φ400 mm單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器分離空間不同軸向位置(z)上沖蝕速率沿圓周方向的分布。由圖7(a)可以看出,單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器在蝸殼和筒體連接區(qū)域的沖蝕速率分布趨勢基本一致,在0～240°先緩慢下降,然后在240～360°快速增大,量值上雙進(jìn)道略高于單進(jìn)道。形成這種分布特點(diǎn)的主要原因是,單蝸入口的旋風(fēng)分離器在蝸殼和筒體連接區(qū)域相當(dāng)于流體流經(jīng)突縮空間,使得突縮壁面受到顆粒的較強(qiáng)碰撞和磨削。因此,沖蝕速率分布特點(diǎn)與蝸殼與筒體連接的方位角相對應(yīng)。在分離空間筒體下部z=-250 mm處,單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器壁面沖蝕速率量級明顯降低,在180°處出現(xiàn)峰值,如圖7(b)所示。由于雙進(jìn)道旋風(fēng)分離器內(nèi)形成的穩(wěn)定雙層旋流[17]減弱了顆粒對壁面的碰撞和磨削,沖蝕速率量值較小,且沿圓周方向量值較為平均,無明顯峰值。充分說明雙進(jìn)道形成的軸對稱雙層流場明顯減弱了流體對壁面碰撞和磨削,降低了旋風(fēng)分離器在分離空間的流動摩擦阻力。

圖8為φ400 mm單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器錐體空間不同軸向位置(z)上沖蝕速率沿圓周方向的分布。由圖8可以看出,單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器在錐體空間內(nèi),沿軸向豎直向下,流道縮小促使流體旋轉(zhuǎn)半徑減小,旋轉(zhuǎn)效應(yīng)增強(qiáng),顆粒與壁面的碰撞和磨削逐漸增強(qiáng),總體沖蝕速率周向分布較為平均無明顯峰值;存在小幅波動,量值由上到下逐漸增大,排塵口處呈現(xiàn)的內(nèi)外旋流的復(fù)雜流動,外層排氣、內(nèi)層吸氣的顆粒返混狀態(tài),促使排塵口處沖蝕速率量值最大。同時,特殊設(shè)計(jì)的雙進(jìn)道削弱了整體旋風(fēng)分離器內(nèi)非軸對稱旋轉(zhuǎn)流動,使得錐體下部排塵口附近內(nèi)旋流轉(zhuǎn)折向上的尾跡擺動幅度大幅降低,沖蝕速率明顯低于單進(jìn)道旋風(fēng)分離器,且在錐體區(qū)域由上到下,單、雙進(jìn)氣道沖蝕速率差值逐漸增大。相對于單進(jìn)道,雙進(jìn)道旋風(fēng)分離器筒體和錐體區(qū)域的穩(wěn)定旋流減弱了壁面的摩擦阻力損失,為壓降降低做出了貢獻(xiàn)。

圖9為φ400 mm單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器分離空間0°和180°壁面上沖蝕速率沿軸向位置(z)的分布。從圖9可以看出,單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器在分離空間內(nèi),從上到下沖蝕速率整體趨勢逐漸增大,這是由于旋風(fēng)分離器內(nèi)的雙層旋流場,越往下部旋流穩(wěn)定性越弱,受旋流下部尾跡的影響,分離空間下部沖蝕速率最大。雙進(jìn)道旋風(fēng)分離器內(nèi)形成的軸對稱的旋流更為穩(wěn)定,沖蝕速率沿軸向分布量值明顯低于單進(jìn)道。

綜上所述,特殊的單入口雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器內(nèi)形成軸對稱穩(wěn)定雙層旋流場,可以消除不對稱流場在升氣管外壁形成的逆壓梯度、流體脫體和漩渦,同時顯著減弱了流體在旋風(fēng)分離器中下部的渦核擺動現(xiàn)象;此外,雙進(jìn)道的設(shè)計(jì)使得氣、固兩相流被分成兩股進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)部,增強(qiáng)了氣流的分散作用,減少了單一入口進(jìn)氣的沖擊能量損失。兩方面的因素共同減弱了單入口雙進(jìn)道旋風(fēng)分離器內(nèi)部流體之間的相互擠壓及顆粒在壁面的碰撞和磨削,促使壁面各處的最大沖蝕速率較單入口旋風(fēng)分離器明顯降低。此外,流動穩(wěn)定性的增強(qiáng)和磨損率的降低,有效降低了旋風(fēng)分離器的旋轉(zhuǎn)動能損失,促使整體旋風(fēng)分離器壓降的減小和長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

4結(jié)論

(1) 采用RSM模型、DPM模型和改進(jìn)的沖蝕模型,可以較為準(zhǔn)確的模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)氣、固沖蝕過程,并精確地預(yù)報主要沖蝕位置,與實(shí)際趨勢吻合較好。

(2) 單、雙進(jìn)氣道旋風(fēng)分離器壁面的最大沖蝕速率主要發(fā)生在蝸殼上頂板、蝸殼及筒體連接段和下部排塵口附近,且分離空間內(nèi),由上至下,沖蝕速率量值逐漸增大,排塵口處最大。

(3) 雙進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)可以顯著降低旋風(fēng)分離器內(nèi)渦核擺動現(xiàn)象,有助于提高分離器旋流穩(wěn)定性,減弱流體與壁面的碰撞和磨削效應(yīng),降低摩擦阻力損失,沖蝕速率量值明顯低于單進(jìn)道旋風(fēng)分離器,有利于旋風(fēng)分離器的長周期運(yùn)行。

符號說明：

Aface——顆粒沖蝕面積,m2;

Azimuth——方位角,°;

b(Vp)——顆粒速度的函數(shù);

C(dp)——顆粒粒徑的函數(shù);

dp——顆粒粒徑,mm;

E——沖蝕速率,kg/(m2·s);

f(α)——顆粒沖擊角的函數(shù);

xj——通用坐標(biāo),mm;

uj——速度,m/s;

Vp——顆粒速度,m/s;

t——時間,s;

z——軸向坐標(biāo),mm;

μ——黏性系數(shù),Pa·s;

ρ——流體密度,kg/m3;

φ——通用因變量;

Γφ——因變量φ的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;

Sφ——源項(xiàng);

φ——旋風(fēng)分離器的直徑,mm;

α——顆粒沖擊角,°;

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Erosion Characteristic in a Single Inlet Cyclone Separator With Double Passage

WANG Jiangyun, FENG Liuhai, ZHANG Guo, MAO Yu, WANG Juan

(StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Key words：cyclone separator; inlet; double passage; erosion; numerical simulation

Abstract：The gas-solid multiphase turbulence flow and wall erosion in a single inlet cyclone separator with double passage were studied by using Reynolds stress model, discrete phase model and the advanced erosion model to obtain the detail wall erosion rate distribution. The results showed that the eroded region appeared in the volute roof, the transition section between the volute and the cylinder and the dust outlet in the cyclone separator. In the separation space of the cyclone separator, the vortex stability was weak gradually along the downward direction, leading to the increase of wall erosion rate. Compared with the common single inlet cyclone at the same process load, the axisymmetrical stable swirl of the cyclone with double passage contributed to weaken the particle collision and cutting of inner wall, by which the frictional resistance and the erosion rate dramatically decreased. Therefore, with this flow and erosion characteristic the pressure drop can be decreased to ensure the long period operation of the cyclone separator.

收稿日期：2014-01-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(21106181)和中國石油大學(xué)(北京)基本科研基金(KYJJ2012-03-15)資助

文章編號：1001-8719(2016)02-0289-08

中圖分類號：TE624

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.02.009

通訊聯(lián)系人： 王江云，男，助理研究員，博士，從事多相流動與分離、腐蝕及燃燒過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究；Tel：010-89733293；E-mail：wangjy@cup.edu.cn