郭 穎, 王建軍, 林雅軍, 夏明川, 楊子晗

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266580;2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院, 山東 青島 266580;3. 中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司, 山東 青島 266500)

1 前 言

再生器是催化裂化工藝中的重要設(shè)備[1-3]，主要作用是燒除催化劑上的結(jié)炭從而恢復(fù)催化劑的活性。再生器內(nèi)部通常采用兩級(jí)串聯(lián)多組并聯(lián)的旋風(fēng)分離器。旋風(fēng)分離器的正常工作是保證催化裂化裝置長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵[4]。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但內(nèi)部流場(chǎng)卻非常復(fù)雜[5-7]。旋流中心以一定的頻率和振幅旋轉(zhuǎn)，即旋進(jìn)渦核(processing vortex core，PVC)現(xiàn)象[8]。多家石化公司多次出現(xiàn)旋風(fēng)分離系統(tǒng)開(kāi)裂[9-11]，1、2 級(jí)旋風(fēng)分離器連接部位以及旋風(fēng)分離器與筒體的連接部位開(kāi)裂[12]、料腿多處穿孔[13]等現(xiàn)象。

吳小林等[8]利用雷諾應(yīng)力橫型(Reynolds stress model，RSM)模擬單級(jí)旋風(fēng)分離器內(nèi)三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，介紹了旋進(jìn)渦核現(xiàn)象以及旋進(jìn)渦核中心運(yùn)動(dòng)規(guī)律。Yazdabadi 等[14]建立了用于描述旋進(jìn)渦核的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)驗(yàn)清楚地表明PVC 現(xiàn)象是渦核中心的瞬時(shí)位置偏移幾何中心引起的。Gao 等[15]采用相位多普勒粒子分析儀(phase Doppler particle analyzer，PDPA)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器內(nèi)部渦核運(yùn)動(dòng)伴隨著能量的損失，隨著高度的減小，渦能量損失減小。Brar 等[16]研究了旋進(jìn)渦核與進(jìn)口氣速的關(guān)系，從數(shù)據(jù)分析可以看出：隨著入口氣速的增加，軸向速度和切向速度脈動(dòng)頻率都隨之增加，兩者之間存在近似線性關(guān)系。Hoekstra 等[17]利用激光多普勒測(cè)速儀(laser Doppler velocimetry，LDV)技術(shù)測(cè)得旋流器中的軸向速度和切向速度分布，并對(duì)比了3 種不同湍流模型模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)RSM 模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。以上學(xué)者對(duì)單級(jí)旋風(fēng)器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了詳盡的研究。但是，工業(yè)生產(chǎn)中常常采用兩級(jí)乃至多級(jí)串聯(lián)的旋風(fēng)分離器。本文研究了再生器內(nèi)兩級(jí)串聯(lián)旋風(fēng)分離器的旋進(jìn)渦核現(xiàn)象，為旋風(fēng)分離器的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

2 計(jì)算模型和數(shù)值方法

2.1 幾何模型

圖1 二級(jí)旋風(fēng)分離器幾何模型Fig.1 Geometric diagram of a two-stage cyclone separator

以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)再生器內(nèi)兩級(jí)串聯(lián)旋風(fēng)分離器的真實(shí)尺寸建立模型。如圖1 所示，第1 級(jí)旋風(fēng)分離器中心軸與Z=0 mm 平面交點(diǎn)為幾何原點(diǎn)，第1、2 級(jí)旋風(fēng)分離器均采用蝸殼式入口，兩級(jí)分離器筒體直徑一致，延長(zhǎng)第2 級(jí)旋風(fēng)分離器的排氣管長(zhǎng)度至其半徑8 倍，以保證出口界面的流動(dòng)參數(shù)擴(kuò)散通量為零。具體幾何尺寸如表1。

2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用Gambit 軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型從上到下采用cooper 格式獲得六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元扭曲度在0.5 以下。對(duì)水平面中心處進(jìn)行加密，以便更好地捕捉旋進(jìn)渦核現(xiàn)象。

按上述方法分別繪制了280萬(wàn)、210 萬(wàn)和178 萬(wàn)網(wǎng)格，采用相同計(jì)算方法比較了3 組網(wǎng)格的分離效率(表2)。可以看出網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響小于1%，為了保證計(jì)算的精確性和成本，在網(wǎng)格數(shù)為210 萬(wàn)條件下進(jìn)行計(jì)算。

表1 幾何模型參數(shù)Table 1 Parameters of geometry model

表2 不同網(wǎng)格數(shù)分離效率Table 2 Separation efficiency of different meshes

2.3 數(shù)值方法

采用Fluent 軟件對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，三維黏性流動(dòng)納維-斯托克斯方程為

式中：ρ 為流體密度，u 為速度矢量，p 為壓力，μ 為動(dòng)力黏度，F(xiàn) 為體積力，數(shù)學(xué)符號(hào)?為哈密頓算子。

壓力速度耦合選項(xiàng)采用SIMPLEC 算法，壓力梯度項(xiàng)采用PRESTO！方法，各項(xiàng)流采用QUICK 差分格式。湍流模型采用RSM 湍流模型。

2.4 邊界條件

第1 級(jí)旋風(fēng)分離器的入口設(shè)置為velocity inlet，分別設(shè)置入口速度為17、20、25、30 m·s-1。第2 級(jí)旋風(fēng)分離器出口邊界條件為outflow。壁面采用無(wú)滑移邊界條件，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

圖2 再生器振動(dòng)測(cè)試位置圖Fig.2 Schematic diagram of the test point at the regenerator

2.5 實(shí)驗(yàn)方法

旋風(fēng)分離器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)誘發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，旋風(fēng)分離器處于再生器內(nèi)部，無(wú)法直接測(cè)量工作狀態(tài)下旋風(fēng)分離器壁面的振動(dòng)情況。再生器頂部集氣室焊縫處是測(cè)試旋風(fēng)系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)的最佳位置。測(cè)試設(shè)備采用上海澄科機(jī)電設(shè)備有限公司(CHENGTEO)的T1010L 型和ICP/IEPE 壓電加速度傳感器，測(cè)量位置如圖2 所示。

3 結(jié)果分析

3.1 靜壓力脈動(dòng)特性

Z=-1 000 mm 截面位于直筒段上部，圖3 為入口速度為30 m·s-1時(shí)靜壓力脈動(dòng)頻譜圖?？梢钥闯觯旱? 級(jí)旋風(fēng)分離器的靜壓力脈動(dòng)主頻為31.44 Hz，振動(dòng)幅度為241.01 Pa。第2 級(jí)旋風(fēng)分離器內(nèi)壓力脈動(dòng)主要由31.44、62.89、94.69 Hz 3 個(gè)頻率的信號(hào)疊加，主頻脈動(dòng)幅度最大，為176.22 Pa，二倍頻振幅為113.61 Pa，三倍頻振幅為69.76 Pa。第2 級(jí)分離器振動(dòng)信號(hào)復(fù)雜，不僅與自身非對(duì)稱式蝸殼式入口結(jié)構(gòu)有關(guān)，還受第1 級(jí)分離器出口影響。第2 級(jí)分離器入口包含許多渦流，使得第2 級(jí)分離器內(nèi)流動(dòng)變得復(fù)雜。

圖3 壓力脈動(dòng)頻譜圖Fig.3 Spectra results of pressure pulsation

圖4、5 分別表示第1、2 兩級(jí)分離器內(nèi)氣相脈動(dòng)頻率與幅度的軸向分布?？梢钥闯霎?dāng)入口速度與結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，1、2 級(jí)分離器內(nèi)不同高度的脈動(dòng)主頻一致，均為31.44 Hz 左右。這說(shuō)明流體在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有固定的頻率，該頻率與結(jié)構(gòu)和邊界有關(guān)，與空間位置無(wú)關(guān)。第2 級(jí)旋風(fēng)分離器的脈動(dòng)幅度整體高于第1 級(jí)，1、2 級(jí)旋風(fēng)分離器在排氣管部分的脈動(dòng)幅度波動(dòng)都比較大。造成這種現(xiàn)象一方面是因?yàn)樾L(fēng)分離器都采用90° 蝸殼單側(cè)入口結(jié)構(gòu)，這種非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致內(nèi)部流場(chǎng)不均勻分布的主要原因。另一方面是由于排氣管管徑小，內(nèi)旋流扭曲程度較大，使得排氣管內(nèi)氣流的壓力脈動(dòng)振幅在此處變得敏感。

圖4 脈動(dòng)主頻軸向分布圖Fig.4 Axial distribution of pulsation main frequency

圖5 脈動(dòng)幅值軸向分布圖Fig.5 Axial distribution of pulsation amplitude

3.2 渦核中心軌跡追蹤

旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣相流場(chǎng)符合Rankin 渦結(jié)構(gòu)[18]，是由外部的準(zhǔn)自由渦和內(nèi)部剛性自由渦構(gòu)成。以水平截面壓力最低點(diǎn)坐標(biāo)表示渦核中心位置。定義Rx，Ry為旋進(jìn)渦核在X 方向和Y 方向的最大位移，計(jì)算式如式(2)、(3)，以0.002 s 為時(shí)間間隔，繪制0.05 s 內(nèi)渦核中心的軌跡圖。

式中：xmax為X 坐標(biāo)方向渦核中心偏離分離器幾何中心的最大值，mm；xmin為X 坐標(biāo)方向渦核中心偏離分離器幾何中心的最小值，mm；ymax：Y 坐標(biāo)方向渦核中心偏離分離器幾何中心的最大值，mm；ymin：Y坐標(biāo)方向渦核中心偏離分離器幾何中心的最小值，mm；

圖6 第1 級(jí)分離器內(nèi)渦核軌跡追蹤示意圖Fig.6 Trajectory tracking of vortex core in the first stage separator

圖7 第2 級(jí)分離器內(nèi)渦核軌跡追蹤示意圖Fig.7 Trajectory tracking of vortex core in the second stage separator

圖6、7 分別為第1、2 級(jí)旋風(fēng)分離器內(nèi)渦核軌跡追蹤示意圖。第1 級(jí)分離器渦核圍繞幾何中心做近似圓周運(yùn)動(dòng)，且隨著軸向高度的降低，渦核的擺動(dòng)幅度逐漸減小。對(duì)比第1 級(jí)分離器，可以發(fā)現(xiàn)第2 級(jí)分離器內(nèi)渦核的擺動(dòng)幅度明顯減小，且不再近似圓周運(yùn)動(dòng)，隨機(jī)性更強(qiáng)，這主要是因?yàn)榈? 級(jí)分離器內(nèi)流場(chǎng)更為復(fù)雜，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致旋進(jìn)渦核運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)發(fā)散。

以X 方向和Y 方向最大位移的平均值作為渦核中心擺動(dòng)半徑，圖8 為1、2 級(jí)旋風(fēng)分離器渦核擺動(dòng)半徑軸向分布?？梢钥闯?，第1 級(jí)旋風(fēng)分離器內(nèi)擺動(dòng)半徑大于第2 級(jí)旋風(fēng)分離器。第1 級(jí)旋風(fēng)分離器從直筒段上部隨著高度的上升擺動(dòng)半徑迅速增大，在Z=-100 mm處達(dá)到最高值142 mm。在Z= -4 000 mm(灰斗段)截面以下觀察不到渦核擺動(dòng)。第2 級(jí)旋風(fēng)分離器渦核擺動(dòng)最大處為直筒段中部，偏移距離為9 mm，在Z= -4 800 mm(灰斗段)開(kāi)始檢測(cè)不到渦核擺動(dòng)。這是由于灰斗處氣量小、空間大以及底部返混現(xiàn)象使得在灰斗區(qū)內(nèi)無(wú)法觀測(cè)到渦核擺動(dòng)。

圖8 渦核擺動(dòng)半徑的軸向分布圖Fig.8 Axial distribution of vortex core motion radius

3.3 入口速度影響

圖9 入口氣速對(duì)脈動(dòng)主頻的影響Fig.9 Effects of inlet velocity on the dominant frequency

圖9 為入口氣速對(duì)壓力脈動(dòng)主頻的影響。從圖中可以看出，隨著入口氣速的增加，脈動(dòng)頻率呈線性增加。主要是因?yàn)槿肟谒俣鹊脑黾犹岣吡巳肟诘牧髁?，氣體在分離器內(nèi)停留時(shí)間更短，切向速度也隨之增加，從而提高了渦核的旋進(jìn)頻率。圖10 為Z= -2 000 mm 處1、2 級(jí)旋風(fēng)分離器直筒段截面幾何中心處脈動(dòng)幅度。可以看出：1、2 級(jí)分離器脈動(dòng)幅度也呈一定比例增加。入口速度增加的同時(shí)加劇了內(nèi)旋流的扭曲，使得壓力脈動(dòng)幅度發(fā)生改變。

圖10 入口速度對(duì)脈動(dòng)幅值的影響Fig.10 Effects of inlet velocity on amplitude

3.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11 為再生器與集氣室焊縫處振動(dòng)信號(hào)與第2 級(jí)旋風(fēng)排氣管處氣流切向速度脈動(dòng)模擬結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出模擬數(shù)據(jù)得到的頻譜圖與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)吻合較好，脈動(dòng)頻率主要分布在21.28、41.39 和68.24 Hz，振幅的分布趨勢(shì)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)信號(hào)較為吻合，數(shù)值模擬頻率與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相比高5%左右。主要原因有2 個(gè)方面：1) 忽略了催化劑對(duì)氣相振動(dòng)頻率的抑制作用，后續(xù)通過(guò)模擬氣固兩相流對(duì)流場(chǎng)脈動(dòng)的影響發(fā)現(xiàn)，固相的加入會(huì)使流動(dòng)脈動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)減小。2) 氣體的脈動(dòng)傳遞給壁面時(shí)，流固耦合作用會(huì)使壁面的振動(dòng)頻率略低于氣相的脈動(dòng)頻率。

圖11 數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)的對(duì)比Fig.11 Comparison of numerical results with on-site vibration signals/

4 結(jié) 論

采用RSM 對(duì)兩級(jí)串聯(lián)旋風(fēng)分離器內(nèi)部三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論：

(1) 兩級(jí)串聯(lián)旋風(fēng)分離器空間內(nèi)都存在旋進(jìn)渦核現(xiàn)象，且存在周期性振蕩規(guī)律。1、2 級(jí)分離器內(nèi)脈動(dòng)主頻均為31.44 Hz。第2 級(jí)分離器內(nèi)存在較強(qiáng)的二倍頻、三倍頻分量，其幅值不斷減小。

(2) 第1 級(jí)分離器渦核中心圍繞幾何中心做近似圓周運(yùn)動(dòng)，第2 級(jí)分離器由于內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜，渦核中心軌跡無(wú)明顯規(guī)律，旋進(jìn)渦核的擺動(dòng)幅度隨著軸向高度的降低而逐漸減小。

(3) 隨著入口氣速的增加，入口流量提高，1、2 級(jí)分離器內(nèi)壓力脈動(dòng)主頻呈直線增加，脈動(dòng)幅度也顯著增加。

(4) 通過(guò)模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試頻域圖的對(duì)比可見(jiàn)，在主頻的分布以及幅值上吻合良好，證明了本文計(jì)算結(jié)果的可靠性。

符號(hào)說(shuō)明：

A — 振幅，Pa

B — 切向速度幅值，m·s-1

f — 頻率，Hz

R — 擺動(dòng)半徑，mm

V — 速度，m·s-1

X — 橫坐標(biāo)，mm

xmax— x 方向渦核中心偏離分離器幾何中心的最大值，mm

xmin— x 方向渦核中心偏離分離器幾何中心的最小值，mm

ymax— y 方向渦核中心偏離分離器幾何中心的最大值，mm

ymin— y 方向渦核中心偏離分離器幾何中心的最小值，mm

Y — 縱坐標(biāo)，mm

Z — 軸坐標(biāo)，mm

下標(biāo)

x, y — 方向