（化工过程机械专业论文）高温高浓度旋风分离器性能试验研究.pdf

摘要 为了预测高温下浓度对分离器性能的影响，本文选用一个直径3 0 0 m m 的切流返转 式旋风分离器，在常温到6 7 3 k 的温度范围内进行了性能试验研究。试验用粉料为二氧 化硅与滑石粉，其中位粒径分别为1 6 1 t i n 和1 6 5 1 m a ；入口浓度的变化范围2 9 m 3 - 6 0 9 m 3 。 试验测定了不同粉料入口气速、温度、浓度下旋风分离器的分离效率与压降。结果表明： 使用二氧化硅作为分离粉料时，分离效率随浓度的增加而降低；使用滑石粉作为分 离粉料时，分离效率随浓度的增加而增加；相同粉料时，旋风分离器的粒级效率随 着浓度的变化趋势与分离效率一致；随着浓度的增加，旋风分离器的压降成下降趋 势，但是用滑石粉做的试验相对降低的趋势不如二氧化硅试验的明显：使用二氧化 硅作为试验粉料时，随着温度的升高，旋风分离器的分离效率下降。但是使用滑石粉作 为试验粉料时，旋风分离器的分离效率随着温度的升高而升高；随着温度的增加， 旋风分离器的压降成下降趋势，在其他条件保持不变的情况下，粉料自身的性质对旋风 分离器的能耗影响不是很大。 通过对已有试验结果的分析，表明：旋风分离器的粒级效率是斯托克斯数、雷诺数、 弗劳德数以及一系列无因次尺寸参数的函数。结合以前的研究工作，本文还得出了分离 性能与有关无量纲参数间的关系，而且温度和浓度对分离效率和压降影响的理论计算值 与试验结果较吻合。 关键词：旋风分离器，分离效率，压降，高温度，浓度 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h0 1 1c y c l o n ep e r f o r m a n c e a th i g ht e m p e r a t u r ea n d d u s tc o n c e n t r a t i o n d o n gd o n g d o n g ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f c h e nj i 锄) ，i a b s t r a c t i no r d e rt op r e d i c tt h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e sa n dc o n c e n t r a t i o no nc y c l o n e p e r f o r m a n c e , a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nw a sc o n d u c t e do np a r t i c l es e p a r a t i o ni nar e v e r s e f l o w , t a n g e n t i a lv o l u t e i n l e tc y c l o n es e p a r a t o r , w h i c hh a dad i a m e t e ro f3 0 0m i l l i m e t e r s ，w i t h a i rh e a t e du pt o6 7 3 k t h et e s tp o w d e rs i l i c ah a dam a s sm e d i a nd i a m e t e ro fc a 16m i c r o n s a n dt h et e s tp o w d e rt a l c u mh a dam a s sm e d i a nd i a m e t e ro fc a 16m i c r o n s t h ei i d e t c o n c e n t r a t i o nr a n g e df r o m2 9 m 3 - 6 0 9 m 3 b o t ht h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d p r e s s u r ed r o po f t h ec y c l o n ew e r em e a s u r e da saf u n c t i o no ft h ei n l e tv e l o c i t ya n do p e r a t i n gt e m p e r a t u r e f i r s t l y , f o rs i l i c ap o w d e r , t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e d 、析mt h ei n c r e a s eo f c o n c e n t r a t i o n ；b u tf o rt a l cp o w d e r , t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e dw i t l lt h er i s eo f c o n c e n t r a t i o n s e c o n d l y , t h ef r a c t i o n a le f f i c i e n c ye x h i b i t e dt h es a m et r e n da st h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yw h e nt h ed u s tc o n c e n t r a t i o nc h a n g e d t h i r d l y , f o rb o t l lt e s tp o w d e r s ，a ni n c r e a s eo f d u s tc o n c e n t r a t i o na l lr e s u l t e di nal o w e rp r e s s u r ed r o pt h o u g hn o tt ot h es a m ee x t e n t f o r t h l y , a st h et e m p e r a t u r er i s e o , t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yb e c a m eh i g h e rf o rt a l cp o w d e rb u tl o w e r f o rs i l i c ap o w d e r f i n a l l y , w i mt h ei n c r e a s ei nt e m p e r a t u r e ，t h ep r e s s u r ed r o po fac y c l o n e t e n d e dt of a l lw i t ho t h e rc o n d i t i o n sr e m a i n e du n c h a n g e d i ts e e m e dt h a tt h ep h y s i c a lp r o p e r t y o ft h et e s tp o w d e rh a dl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ec y c l o n ep r e s s u r ed r o p a n a n a l y s i so fo u ro w n d a t aa n dp u b l i s h e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef r a c t i o n a le f f i c i e n c y o fac y c l o n ew a sad e f i n i t ef u n c t i o no fs u c hd i m e n s i o n l e s sn u m b e r sa ss t o k e sn u m b e r , r e y n o l d sn u m b e r , f r o u d en u m b e ra n dd i m e n s i o n l e s sc y c l o n ei n l e ta r e aa n dd i m e n s i o n l e s s o u t l e td i a m e t e r an o n - d i m e n s i o n a le x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o no ft h ec y c l o n ep e r f o r m a n c e ， i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e , w a so b t a i n e do nt h eb a s i so fp r e v i o u sw o r k t h e p r e d i c t i o no ft h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c i e sa n dp r e s s u r ed r o p sw a s i nf a i r l yg o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：c y c l o n e ，s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y , p r e s s u r ed r o p ，h i g ht e m p e r a t u r e ，d u s t 主要符号表 旋风分离器入口高度，m 旋风分离器入口宽度，m 旋风分离器入口浓度，g m 3 临界粒径，m 切割粒径，m 无因次排气管直径， d e d 被捕集颗粒的粒径，m 旋风分离器简体直径，m 捕集颗粒的粒径，m 旋风分离器排气管直径，m 重力加速度，m s 2 旋风分离器入口截面比 测点静压，p a 旋风分离器入口流量，m 3 s 旋风分离器排气管的下口半径，m 旋风分离器内外旋流分界点半径，m 气体温度， 旋风分离器入口处温度， 旋风分离器出口处温度， 旋风分离器切向速度，m s 旋风分离器轴向速度，m s 旋风分离器径向速度，m s 加料时间，s 阻力系数 总分离效率 由离心力作用引起的分离效率 口 6 q 4 砟d 珥 皿g 巧 b q 匕 ， o k 叱 咋f f 移 仉 由颗粒间碰撞与团聚作用引起的分离效率 由于惯性碰撞导致的团聚效应 由于拦截碰撞导致的团聚效应 粒级效率 颗粒密度，k g m 3 气体密度，k g m 3 旋风分离器内气体平均密度，k g m 3 气体粘度，p a s 注：带波浪线“一刀的物理量为无量纲量，其它符号定义见正文。 p l 巩 协 所 以 玎 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 蒸铱椽 日期：刃目年月2 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：蓬杯觫 指导教师签名： p 芬建业 日期：歹护凸年石月沙日 日期：埘年乡月 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 本课题研究的背景与意义 旋风分离器是将分散的粉尘从气体中进行分离的设备，从问世至今已经有上百年的 历史了。它具有结构简单、操作和维护方便以及成本较低等特点，现己成为气固分离过 程中应用最广泛的一种设备，在石油化工流化反应过程以及煤粉流化燃烧和气化等工业 中都起到了非常重要的作用。 以炼油厂流化催化裂化为例，随着重油催化裂化技术的发展，操作温度与压力都升 高了，流化床带出的催化剂量也加多了。但是，从降低剂耗、回收烟气能量、达到环保 要求、实现装置长周期安稳生产等方面来看，对催化剂的回收及净化高温气体的要求都 越来越高了，这就对气固分离系统提出了更高的要求。 7 0 年代以来，国外又发展了煤粉流化燃烧方面的新技术，其中的整体煤气化联合 循环( i g c c ) 和增压流化床联合循环( p f b c c c ) 是目前公认的能较好解决燃煤发电 中节能和环保两大难题的洁净煤发电技术。p f b c c c 和i c k 2 c 装置中均有燃气轮机， 燃气的净化程度是影响燃气轮机安全运行及其寿命的关键因素，而高温除尘则是确保 i g c c 和p f b c c c 能否过关的一项关键技术，因此研究高温状态下的除尘具有十分重 要的意义。 长期以来国内外对高温除尘进行了较为广泛的研究，开发了多种高温除尘技术，例 如旋风除尘、高温过滤、颗粒层除尘及静电除尘技术等等。其中的旋风除尘技术由于具 有结构简单、耐高温及运行费用低等优点，是高温除尘中值得推荐的预除尘设备。 但是，由于旋风分离器内流场本身的复杂性，再加上高温的因素，截止到目前为止， 人们还未对高温下旋风分离器内气固两相的运动规律有一个清晰的认识。 从已发表的文献看，目前关于高温下旋风分离器性能的研究数据十分有限。特别是 高温度下浓度对分离性能影响规律的研究少之又少，这不仅限制了关于高温度下浓度对 旋风分离器分离性能影响机理的研究，而且阻碍了高温条件下高性能旋风分离器的开 发。因此，弄清高温条件下浓度对旋风分离器性能变化的规律，无论对于揭示分离机理 还是对于高温旋风分离器的设计都是至关重要的。本课题重点就是在高温条件下研究浓 度与分离性能的定量关系，进而建立适用于高温条件下的分离性能计算方法。 第一章前言 1 2 本论文的主要内容 第一部分是对国内外有关旋风分离器高温分离性能研究工作的综述，其中分析了各 国研究者所做的高温下的性能试验情况、试验结果的处理、影响因素的分析、计算方法 的比较，存在的不足与问题。 第二部分讨论高温高浓度试验中所观察到的试验现象，分别从浓度、温度两个方面 对分离性能的影响进行分析。并且选用两种不同粉料进行试验研究，分析相同条件下粉 料对分离器性能的影响。 第三部分将试验获得的粒级效率曲线，用一系列无因次的相似准数经多元回归得出 高温高浓度条件下旋风分离器的性能计算方法，并与实测值进行对比。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章文献综述 由于旋风分离器在石油、化工、能源、冶金、纺织等众多领域的广泛使用，使得研 究者从没有停止过对它的研究。一般对旋风分离器的研究方法主要有两类：以分离模型 为基础的理论计算方法和以试验结果为主要依据的相似设计方法。另外还有以多相流微 分方程为基础的数值计算方法，但是人们对气固两相流动及分离机理没有充分弄清，尚 未建立起比较完整的物理与数学模型，所以这种研究方法还不成熟。 2 1 旋风分离器研究发展概况 旋风分离器自从1 8 8 5 年申请专利投入工业运用，至今已有一百多年的历史，回顾 旋风分离器的研究发展历程，大致可分为三个阶段： 第一阶段是从1 9 世纪8 0 年代到2 0 世纪3 0 年代左右。在这个阶段中既没有深入研 究旋风分离器内气流的运动规律，也不了解颗粒从气流中被捕集分离的机理，因而处于 盲目的使用阶段。 第二阶段是从2 0 世纪3 0 年代到6 0 年代初，这个时期是对旋风分离器进行广泛科 学实验和理论概括的阶段。1 9 3 0 年p r o c k a t 1 】就首先测定了旋风分离器的压降，同时 l i s s m a n e 2 】等人根据测定的结果提出了一个计算旋风分离器压降的理论方法。1 9 3 9 年 l a p p l e 【3 】首先对分离器内气流的运动提出双涡模型，其次提出用进口速度头表示压降的 方法，测定了压降与分离器进出口尺寸的关系，并从理论上作了分析推导。1 9 4 9 年 l i n d e n t 4 j 对旋风分离器内流场作了系统的测定。1 9 5 6 年b a r t h 5 】根据旋风分离器内部流场 的测定分析，提出了在分离空间内，外旋流为准自由涡，内旋流为强制涡的过渡区，对 不同粒径的粒子起到筛分作用的理论模型，并依此对切流返转式旋风分离器的捕集过程 进行了分析计算，从而使粒子从气溶胶中分离的机理，由最初类比平流沉降理论发展起 来的“转圈理论 ，飞跃成为计算旋风分离器性能的“筛分理论。在这一阶段，旋风分 离器所能分离的粒子的临界粒径已经达到1 0 1 x m 左右。 第三阶段是从2 0 世纪6 0 年代至今，其特点是向捕集分离超微粒子的方向发展。在 这个阶段，流体力学的不断发展和电子计算机的广泛应用给旋风分离器的研究提供了理 论基础和高速计算的工具。1 9 7 2 年l e i t h 和l i c h t 6 j 根据旋风分离器内湍流运动的特点， 提出了“边界层分离理论 ，并经过严格的数学推导，推出了包括许多结构参数在内的 分离效率计算公式。随后，1 9 8 2 年b o y s o n g 】对旋风分离器内的脉动速度场进行了测定 3 第二章文献综述 和分析，他认为小于5 1 a n 的微粒受湍流的作用影响很大，径向脉动速度的影响也不可 忽视。苏绍礼【2 】从两相流体力学的角度，分析了旋风分离器内速度场和浓度场，提出了 被捕集分离的粒子在器壁上形成滑动层的概念。为了改善分离器内流场涡汇区中径向速 度的不利影响，国外从7 0 年代开始研制了一种具有旋流的旋风分离器，国内称之为龙 卷风式分离器，如英国的c o l l e c t r o n ，日本的j e t c l o n e 以及r o t c l o n e 等等。为了适应分 离超微粒子的需要，美国从8 0 年代开始研制了一种卧置式多管旋风分离器e u r i p o s 型。1 9 8 1 年d i e t z 7 1 根据器内浓度场的特点，提出了三区分离模型，1 9 8 4 年m o 血e s 【8 】在 d i e t z 的基础上又考虑了内外旋流交界处径向速度的影响，提出了四区分离模型。1 9 8 5 年b f i r k h o l z 【2 】根据对1 4 种不同尺寸的旋风分离器的性能测定和分析，提出用几个无因 次准数群表示分离性能的方法，为旋风分离器的性能研究开辟了一条新路。 从旋风分离器的发展过程看，旋风分离器的研究和发展与现代科学和现代工业的发 展密不可分，但到目前为止旋风分离机理还很不成熟。根据大量的研究资料和实测结果 发现，理论估算的分离效率值与实测值还有一定的差距，这说明旋风分离器的研究还有 很大的潜力。 2 2 旋风分离器分离机理的研究 旋风分离器中分离机理的研究随着旋风分离器在化工和能源中应用的不断增加也 在不断的发展，旋风分离器内颗粒捕获机理及效率计算方法也得到了较快的发展，目前 主要有以下几类。 2 2 1 转圈理论 图m 转圈理论示意图 f i 9 2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h er o t a t i n gt h e o r y 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 转圈理论也叫离心沉降分离理论，是把颗粒在分离器的离心力场中的运动和具有一 定水平速度的颗粒在重力场中沉降的情况相类比而发展起来的。在分离器中，存在着颗 粒径向向外的径向离心沉降运动和切向随气流的旋转。从颗粒进入分离器开始，如果某 颗粒能在分离器的离心力场中停留足够时间，或者说某颗粒能旋转足够的圈数，该颗粒 就能在就能在径向从分离器的内筒半径运动到外筒边壁而被分离，这就是沉降分离理论 的依据。显然根据沉降分离理论，必然存在着某一临界粒径砬。( 即临界分离粒径) ， 固相中粒径大于吃。的粉尘将在分离器中被全部捕集下来。设颗粒在分离器内共转 圈，气体停留时间0 = z , , ，o n v , ，排气管外壁乞，见图2 1 。 该理论的缺点是只考虑离心力对颗粒的作用，忽略了向心径向气速对颗粒的曳带作 用。此外，沉降分离理论还认为颗粒的分离只是在圆筒段进行，而实际气流的旋转将一 直延伸到锥体底部，根据沉降分离理论将得出临界粒径仅与筒体高度有关，而与锥体高 度无关的结论。事实上，锥体的高度对分离效率是有影响的。值也不容易确定。而且 该理论没有考虑三维速度场中径向分速度及轴向分速度的作用。鉴于此，其理论计算结 果与实验结果的差距较大。对气体切向速度形和停留时间，的假设不同，得出不同的计 算公式，见表2 1 。 表2 - 1 不同学者提出的切割粒径、临界粒径表达式 t a b l e 2 - 1d i f f e r e n te x p r e s s i o n so fc u t - s i z ed i a m e t e ro rc r i t i c a lp a r t i c l ed i a m e t e r 学者 假设条件 或5 0 或d c l 的表达式 形就是入口气速k ( 撑= 0 ) ，不 r o s i n 嗍等 j 一气 “( r 0 2 一r e 2 ) 随位置变化，分离器是半径屹的直圆 c 1 1 ：r c n r o p p v i 筒，服从s t o k e s 定律铲= 1 ) ，n = 4 切割粒径吐5 0 初始位置在平均半 l a p p l e 3 径( 屹+ 匕) 2 处，设巧= 杉( ，) “2 即以s 。2 互蒜 刀= 0 5 ；b = r o 一名，n = 5 d a v 形：巧( ，) ，产l ，：2 驯矾5 巍矽p ，巧p 、刀 5 第二章文献综述 2 2 2 筛分理论( 即平衡轨道理论) 筛分理论认为，颗粒在分离器中将同时受到方向相反的两种作用：由旋转气流产生 的离心力使颗粒受到径向向外的推动作用和气流向心流动对颗粒的阻碍作用。在气体的 流动状况一定时，颗粒所受的离心力与其直径大小有关，粒径越大，所受离心力也越大， 因而存在一个临界粒径，具有该粒径的颗粒所受的两种作用恰好相互抵消，即认为此粒 径的颗粒被捕集分离的概率为5 0 ，而有5 0 的概率随气流逃逸，其分离效率就是5 0 。 典型的筛分理论分析是假想在排气管下端开始有一与排气管直径相同的圆柱面，分析该 假想面上颗粒的受力情况，设某一粒径为d 。颗粒在旋风分离器分离空间中受到向外离 心力e 及向内气流曳力r 的作用，当两力平衡时，此颗粒就只在一定半径的圆形轨道 上作回转，此半径即为该颗粒的平衡轨道半径。定义位于内外旋流交界处，即吃= 时， 颗粒的捕集效率为5 0 ，其粒径便称为切割粒径以，。，；以及，；处的切向与径向气速、 吃不同的假设及计算方法，有不同的吃计算公式，一般学者认为= q 2 彤胁，服 从s t o k e s 定律( 厂= 1 ) 。参见图2 2 和表2 2 。 图2 - 2 平衡轨道理论示意图 f i 9 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee q u i l i b r i u mo r b i tt h e o r y 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 2 不同学者提出的切割粒径表达式 t a b l e 2 - 2d i f f e r e n te x p r e s s i o n so fc u t - s i z ed m m e t e r 学者假设条件d c 5 0 或d c l 的表达式 ，一一 2 言：罗卜屣龇是准目田祸。1 气 加2 a ：，i 【1 1 1 二 彳 一二二= s 啪跏一 。圹i 1k a p v v ，h , v t r ”= c b a r t h 1 2 1 d 一一1 5 胪2 。信睛俞 m u s c h e l k n a u t z 1 3 1 = ：外旋流是准自由涡 一一 ”咀陬刀 井骼纲叫1 4 1 1 ，肺= 盎5 吐一向一臣霉 外旋流是准自由涡： ，开= 筛分理论考虑了径向气速的影响，并反应出排气管尺寸对临界粒径的正比影响，所 以比转圈理论更符合实际。但是它孤立的看待单个颗粒的运动，没有考虑颗粒群相互作 用对分离的影响；在计算中视径向速度沿轴向均布，而实际流场沿轴向是变化的，因而 颗粒受到的曳力也是变化的，因此假想的平衡轨道面只是理想化的模型。 2 2 3 边界层分离理论 图边界层分离理论示意图 前两种理论没有考虑湍流扩散因素的影响。与l e i 也嘲于年建立了横向混 7 第二章文献综述 合模型，他们认为在分离器空间内湍流扩散的影响是很强烈的，在分离器的每一横截面 上任意瞬时的颗粒浓度分布是均匀的，但在近壁处的边界层内是层流运动，只要颗粒在 离心效应下克服气流阻力而到达此边界层内，就可以被捕集下来。参见图2 3 ，l e i 也与 l i e h t 引入了气流在分离器内的平均驻留时间，从而推出粒级效率的公式： 纠一e 舛却庙 协1 ) 式中2 k a k v ；k a = 筹；巧= 警； 巧在分离器入口高度一半以下的环形空间的体积，m 3 ； 圪分离器排气管下口以下的分离空间体积减去内旋流的体积m 3 ； ( 1 + 刀) s t ； ，r 旋流指数，由实验定，常为0 5 - - 0 7 。 由上式可见，粒级效率与参数c 、妒有关，c 包含了分离器所有的结构参数；多则 包含了与气固相物理性质、操作条件相关的参数2 ，p p 等，主要体现在& 数上，此 值越大，效率越高。由于l i c h t 与l e i t h t l 习几乎考虑了旋风分离器中所有重要结构尺寸对 性能的影响，并且考虑了径向返混，因而公式的计算结果与实测值较接近，这一分离模 型的提出很有实用价值。但是该理论认为颗粒横向完全返混，不符合实测浓度场；另外， 虽然考虑了气体停留时间，但采用的是平均停留时间，比实际时间短，停留时间越短颗 粒越来不及分离下来，计算出的分离效率较低。 2 2 4 分区理论 旋风分离器整个空间内的颗粒浓度分布很复杂，而不是简单的颗粒横向完全返混， 所以应该分成几个区域作不同的处理。不同的学者考虑的因素不同，对区域的划分也不 同。 2 2 4 1 三区模型 1 9 8 1 年d i e t z i t 将旋风分离器内分成环形区、外旋流区及内旋流区，旋风分离器结 构简化为图2 _ 4 所示。 不同的区域浓度互不相同，各区域仍采用横混假设，区与区间有颗粒质量交换，由 各区的颗粒质量守恒方程推出粒级效率计算公式： 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 现= 1 一【一( 砰+ 毛) 1 ，2 】e x p 【二掣s t k ( 2 2 ) 其中：墨= 娩。) 2 矗；k o = 0 5 1 + 局( 1 + 荔耐a b】；k 1 = 0 5 【1 一局( 1 + 芴面a b ) 】。 图2 - 4 三区模型不意图 f i 9 2 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h r e e - r e g i o nm o d e l 三区理论忽略了区与区之间的浓度扩散效应，以及排尘口处的返混夹带的影响。 2 2 4 2 四区模型 1 9 8 4 年m o t h e s i s 和l 0 m e r r l 6 】【1 刀在三区理论的基础上改进，考虑了浓度扩散和排尘 区返混，引入区间的颗粒扩散及灰斗返混量，在排尘口附近又划分出一个灰斗返混区。 锄 - lr 爿皇 一一卜_1 一。 i i ，i - | l iii墨 2il e l 一3 1 。广一l i 图2 - 5 四区模型示意图 f i 9 2 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo ff o u r - r e g i o nm o d e l 如图2 5 ，旋风分离器简化为一个当量半径为r 的圆桶，同样由各区的颗粒质量守 恒方程推出了粒级效率计算公式： 9 第二章文献综述 铲l 一( 华唧卜巧巫挚s t ( 2 - 3 ) m o t h e s 的研究更进一步完善了该理论，但是浓度扩散系数和返混量无法从理论上 确定。 2 2 4 3 多区模型 三区和四区模型比较适用于流量较小、尺寸较小的旋风分离器，当分离器的尺寸和 处理气量较大时，得出的计算结果误差也较大。1 9 8 9 年石油大学陈建义根据旋风分 离器内部流场、浓度场的分布，考虑了短路流、固相颗粒的碰撞弹跳、细粉返混等因素 后，将分离器分为八个区域，如图2 - 6 ，1 、2 为环行分离区，3 、4 为短路流区，5 为内 旋流区，6 、7 为稳行流区，8 为返混区。建立各区颗粒质量守恒方程，在1 7 区得到七 个微分方程，8 区作为方程组边界条件，近似认为8 区颗粒浓度为排气管出口浓度的3 5 倍。方程组无法求出解析解，故用迭代法求解，求出粒级效率： 纭=1-n,n(2-4) 多区模型建立在三区模型的基础上，对尺寸和流量较大的分离器计算结果好；因为 考虑因素较多，所以分区较多，方程的求解因而复杂，数值解会有误差。 图2 - 6 八区模型示意图 f i 9 2 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ee i g h t - r e g i o nm o d e l 2 2 5 压降计算方法的进展 评价旋风分离器性能的主要指标除了分离效率外还有分离器的压降。由于旋风分离 器的结构不同，旋风分离器内流动状况复杂，影响阻力系数f 的因素较多，很难给出f 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的通用计算式。确定f 的方法一般有分析计算法和经验归纳法两类。 分析计算法以b a r t h 提出的公式为代表。认为旋风分离器的压降表达为两部分之和： 入口到内外旋流交界面的压降，内外旋流交界面到排气管出口的压降。 矧2 学2 c 乞嘲 式中：占。= 石d rt 面雨瓦瓦1 顽丽一1 ) 岛= 而扣“岛2 丽+ 1 丝：显望丝二盟! k2 a b a t + ( 日一) ( d 一6 ) 刀况 口兰1 1 2 b d ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 利用试验来归纳经验公式，主要是找出f 的计算公式。一般压降的通用表达式为： a e - ( , o , v , 2 2 ，f 是阻力系数，表2 3 是不同的学者归纳出的；表达式。 表2 - 3 不同学者的6 - 计算方法 t a b l e 2 - 3d i f f e r e n te x p r e s s i o n so fr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t 第二章文献综述 2 2 6 相似准数关联法的应用 一些研究者把相似理论和模化方法应用到旋风分离器的研究中，即用方程分析或因 次分析导出相似准则，在相似理论建立的模型上通过试验求出相似准则之间的函数关 系，并再将其用于原型。这种方法的优点是可以通过试验得到较为全面的参数关系，用 无量纲数代替有量纲数，数学处理简单，不需解太多繁琐方程，易于应用、推广。如金 有海等人应用相似理论 2 4 1 1 2 5 1 2 6 1 2 7 2 8 1 对旋风器内气固相运动进行分析，通过大量试验数 据的回归，得到了用一系列相似准数关联的能准确反映各种影响因素的性能计算方法。 这一系列无量纲准数包括三类： 固相准数：& = 铬，仍= 嘭似， d t = 如d ，0 = p p l p g ， c = c , l p , ，； 铺撼= 糍，乃= 量皆； 结构参数：= 芸：z = 告。 p v 型旋风分离器的粒级效率计算公式为： 缈 o 9 ( 粗颗糊 0 6 y o 9 ( 中颗粒) 少 少： 0 - - - 一2 9 3k i ，l o _ 。口4 7 3k 令 ，o 6 一6 7 3 k 一一一8 7 3 k t 翻 - o ：9 7 3i ! ( ，牵 。缓彩! o 么复落 流量q i 图2 - 7 温度与压降的关系 f i 9 2 - 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed r o p b o h n e t 和l o r e n z l 4 2 1 研究了一台直径1 5 0 m m 的旋风分离器在温度t = 2 9 3 一, 1 1 7 3 k 1 5 第二章文献综述 范围内分离效率和压降的变化规律，旋风分离器压降和温度的关系如图2 7 所示。他们 认为，旋风分离器的压降可以用m e i s s n e r 提出的公式估算。 b o h n e t 和l o r e n z 还试图通过修正m o t h e s 和l 5 f i l e r 的四区模型来预测粒级效率随 温度的变化情况，但未成功。他们试图在三方面进行修正：( 1 ) 壁面摩擦系数见，；( 2 ) 分 离器顶部到排气管进口区域的边界层流动( 或称二次流) ；( 3 ) 颗粒返混模型。由于后两 项的修正难以量化，故b o h n e t 和l o r e n z 只进行了五，的修正，而其修正结果仍与实测值 存有较大差距，该方法也尚需迸一步加以研究。 许士森等人h 3 1 研究了温度和压力对s t a i r m a n d 型高效旋风分离器性能的影响规律， 发现：虽然随温度升高，分离效率均呈下降趋势，但对不同的颗粒其下降程度是不一样 的。对于小于2 0 l i r a 的细颗粒，这种下降趋势尤其明显。另外，许士森还将分离效率与 温度的关系归结为： 电鲁) = c | h 协 l ，7 21 一，7 2 l 互j 许士森湖还专门研究了高温团聚对旋风分离器分离性能的影响，指出：由于细微颗 粒的热团聚和粘附作用，使得万 c c 时，压降却随c f 的增大而增大。他们认为粒相浓度对 压降的影响有两方面：一方面是入口局部损失因气固两相混合物的密度增大而增大；另 1 9 第二章文献综述 一方面气流内粒相增大使气相边界层减小，降低了气流沿程摩擦损失。压降与含尘浓度 的关系见图2 1 0 。 舡a 5 a i i s 喜枷 奇3 - 5 夏o 厶嚣 0 - 0 1 0 蠹2 0 0l o o o z 钆删仉s 誊0 0 0 ( 抛m1 图2 1 0 浓度与压降关系 f i 9 2 - 1 0r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c e n t r a t i o na n dp r e s s u r ed r o p 总之，关于入口含尘浓度对压降的影响问题，由于情况复杂，国内外尚无成熟的理 论或公式用于设计计算，所以，这一问题的研究还有待进一步深入。 2 5 小结 从对旋风分离器性能研究进展情况来看，研究者们或是研究了高温下旋风分离器的 性