（化工过程机械专业论文）催化裂化三旋用旋风管减阻实验研究.pdf

催化裂化三旋用旋风管减阻实验研究 论文作者：蒋峰( 化工过程机械) 指导教师：金有海( 教授) 王建军( 副教授) 摘要 通过全面分析催化裂化三旋用旋风管内压力损失机理，针对旋风管 内能量耗散十分严重且对分离基本无贡献的内旋流区，共实验了四种减 阻结构，即直片减阻片、弧形减阻片、斜切式减阻片以及在导流锥下口 上行流区及排气管内分别加装的圆杆减阻框。减阻结构阻力特性实验结 果表明：旋风管减阻幅度与减阻片的迎风截面高度及长度成正比；与导 流锥下口圆杆减阻框外径、长度以及杆数成正比，并与杆件绕流截面形 状有关；在导流锥及排气管内加装圆杆减阻框，减阻效果不明显。分离 效率对比实验表明：加装直片减阻片后，旋风管捕集效率下降1 4 ，粒 级效率大幅下降，综合性能不理想；导流锥下口加装圆杆减阻框后，压 降降低2 3 5 ，捕集效率下降0 3 9 ，粒级效率略有下降，综合效率因子 提高2 2 6 6 。加装减阻结构前后旋风管主要分离空间内流场测定结果表 明：减阻结构改变了原来流场的三维速度和静压分布规律。减阻的原因 在于减阻结构使流场中切向速度分布趋于平缓、压力梯度、轴向速度梯 度、径向静压梯度减小。在上述实验基础上，本文对导叶式旋风管的减 阻机理进行了初步探讨。 关键词：旋风管，减阻结构，压降，分离性能，流场 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o np r e s s u r ed r o pr e d u c t i o no f c y c l o n et u b e u s e di nt h et h i r ds t a g es e p a r a t o ro ff c c u n i t j i a n gf e n g ( c h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e d b y p r o f e s s o r j i n y o u - h a ia n d a s s o c i a t e p r o f e s s o r w a n g j i a n - j u n a b s t r a c t t h r o u g hc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z i n gt h ep r e s s u r ed r o pm e c h a n i s mo f c y c l o n et u b eu s e di nt h e t 1 1 i r ds t a g es e p a r a t o ro f f c c u n i t , f o u r k i n d so f d r a g r e d u c t i o ns t r u c t u r e s ，i n c l u d i n gt h es t r a i g h td r a gr e d u c t i o ns l i c e ，a r cd r a g r e d u c t i o ns l i c e ，b e v e l i n gd r a gr e d u c t i o ns l i c e ，a n da n n u l a rd r a gr e d u c t i o n f r a m e ，w e r et e s t e dt or e d u c et h ep r e s s u r ed r o pi nt h ec y c l o n et u b e ，e s p e c i a l l y i nt h ei n n e rs w i r l i n gf l o wa r e aw h e r et h ec y c l o n et u b e se n e r g yd i s s i p a t i o ni s e x t r e m e l ys e r i o u sa n dh a s r i oc o n t r i b u t i o nt op a r t i c l e s s e p a r a t i o n t h er e s u l t s o f d r a gc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h ed r a gr e d u c t i o no f t h e c y c l o n et u b e w a sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ef o l l o w i n gf a c t o r s ：( 1 ) l e n g t ha n d h e i g h to f d r a gr e d u c t i o ns l i c e s ；( 2 ) e x t e r n a ld i a m e t e r , l e n g t ha n dn u m b e ro f r o d so f t h ea n n u l a rd r a gr e d u c t i o nf r a m ei n s t a l l e du n d e rt h es l o t t e dv o r t e x f i n d e r ；( 3 ) t h ec r o s ss e c t i o n ss h a p eo f t h er o do f t h ef r a m e t h ed r a g r e d u c t i o ne f f e c tw a sn o ts i g n i f i c a n tw h e nt h ea n n u l a rd r a gr e d u c t i o nf r a m e w a si n s t a l l e di n s i d et h ev o r t e xf i n d e ra n ds l o t t e dv o r t e xf i n d e r n e s e p a r a t i o np e r f o r m a n c e t e s ts h o w e dt h a t ：t h ec y c l o n et u b e ss e p a r a t i o n e f f i c i e n c yw a sr e d u c e db y1 4 w h e n t h es t r a i g h td r a gr e d u c t i o ns l i c ew a s i i i i n s t a l l e d ，s oi t sc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ew a sn o ti d e a l ；w h e nt h e a n n u l a r d r a gr e d u c t i o nf r a m ew a sm s t a l l e du n d e rs l o t t e dv o r t e xf i n d e r , t h ec y c l o n e t u b e sp r e s s u r ed r o pw a sr e d u c e db y2 3 5 a n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw a s o n l yr e d u c e db yo 4 a n di t sc o m p r e h e n s i v ee f f i c i e n c yf a c t o rr o s e2 2 6 6 b yc o m p a r i n gt h ef l o wf i e l do f p s c 一2 5 0t y p ec y c l o n et u b ew i t ha n dw i t h o u t t h ed r a gr e d u c t i o ns t r u c t u r e ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ed i s t r i b u t i o no f t h r e e - d i m e n s i o n a lv e l o c i t ya n ds t a t i cp r e s s u r eo f 嘶苗n a lf l o wf i e l dh a sb e e n c h a n g e dw h e nt h ed r a gr e d u c t i o ns t r u c t u r ew a si n s t a l l e d t h er e a s o no f p r e s s u r ed r o pr e d u c t i o nl i e si nt h a tt h et a n g e n t i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n b e c o m e sf l a t t e ra n dt h ep r e s s u r eg r a d i e n t , a x i a lv e l o c i t yg r a d i e n ta n dr a d i a l s t a t i cp r e s s u r eg r a d i e n td e c r e 鹊ew h e nh a v i n gi n s t a l l e dt h e s ed r a gr e d u c t i o n s t r u c t u r e s o nt h eb a s i so f a b o v em e n t i o n e de x p e r i m e n tr e s u l t sa n da n a l y s i s , t h i sp a p e rt r i e st od i s c u s st h ed r a gr e d u c t i o nm e c h a n i s mo f c y c l o n et u b eu s e d i n t h e t h i r ds t a g es e p a r a t o r o f f c c u n i t k e y w o r d s ：c y c l o n et u b e ，d r a gr e d u c t i o ns l r n c t u r e ，p r e s s u r ed r o p ，s e p a r a t i o n p e r f o r m a n c e ，f l o wf i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：j 玺些叁2 佃6 年。皇月弓1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印，缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：j 呈盘 - z w , 年 。多月弓f e t 导师签名：年 月 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 大型炼油厂流化催化裂化装置再生烟气压力一般在0 2 - 9 ，3 m e a ( 表 压) 之间，而温度则可高达6 5 0 c 以上，通常用烟气轮机回收其能量。为 降低烟机入口浓度和粒度，在高温烟气能量回收系统之前都需要加一级 高效的催化裂化第三级旋风分离器，以保证烟机长期安全正常运转，也 就是说高效三旋是保证整个能量回收系统效益的关键设备【”。 虽然目前催化裂化第三级旋风分离器的指标基本能够保证烟机系 统长周期运行，但是其压降相对较高，一般在1 0 k p a 以上。如果能将三 旋压降降低3 0 。那么将提高烟机入口压力3 k p a 左右，烟机可多回收 功率约1 1 0 k w ，每年按运行8 0 0 0 h 计算，可节电9 0 x1 0 4 k w r h ，折合 人民币约4 0 万元1 2 】。对于大型催化裂化装置，经济效益更加明显。另 外，如果保持三旋单管压降不变，可提高单管流量，减小单位处理量单 管造价，减少三旋旋风管排管数以及减小三旋外径，便于三旋的卷4 造安 装和运输，更重要的是增强受外压的三旋下隔板抗失稳能力，从而保证 髓量回收系统长周期安全稳定运行。因此，在能源日益紧张的今天，采 取有效措施降低三旋单管压降，最大限度回收能量，具有重要的意义。 针对旋风分离器压降较高的缺点，国内外许多研究者分析了旋风分 离器内的压力损失，普遍认为气固两相流通过旋风分离器的阻力损失主 要由两部分组成：入口到内外旋流交界面的压力损失；内外旋流交 界面到排气管出口的压力损失。这两部分能量损失对旋风分离器的捕集 分离并不是都起积极作用。旋风分离器内固体颗粒的有效分离空间为下 行流区，前者是对分离过程起积极作用的，主要为了给有效的离心力场 提供能量，也包括了入口局部损失及壁面摩擦损失等，气体压降仅占旋 风分离器压降的很少部分( 约占1 0 ) 。后者包括简体内旋涡流场中的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 压力损失和排气芯管内及其向外延伸的旋转流动压力损失，主要是克服 排气的各种损失所需的能量，基本上对分离过程不起积极作用，是旋风 分离器压降的主要组成部分【3 】。一些研究者在更细致分析的基础上，除 进行旋风分离器的尺寸优化外开发了许多减阻结构，如加装翅片减阻芯 【4 】、固体中置物【5 】、螺旋减阻装置【3 1 、减阻杆1 6 l 、减阻框架刀等。目前国 内外关于旋风分离器减阻结构研究的重点区域主要集中在压力损失严 重且对分离基本无贡献的内旋流及排气管内，还有切流式旋风分离器入 口处的压缩流。对于各种减阻结构，研究者所得出的结论是能够大幅降 低旋风分离器压降，但同对对分离效率也有不同程度影响。 因此，根据前人的研究并结合p s c 型旋风管的特点，本课题将研 究重点放在旋风管能量耗散十分严重且对分离基本无贡献的内旋流区 和排气管内。通过全面分析旋风管压力损失机理，积极探索适合催化裂 化三旋用旋风管的减阻结构，在保证高分离效率的同时，有效降低三旋 压降，以提高烟机入口静压，增加烟机能量回收率或者是提高单管处理 量，从而提高整个装置的经济效益。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 第2 章旋风分离器减阻研究概述 分离效率和压降是衡量旋风分离器工作性能的两个重要指标，长期 以来，人们对旋风分离器的研究都是围绕这两个指标进行的，而两者又 是旋风分离器的一对主要矛盾。提高分离效率往往伴随着阻力的增加， 浪费能量；降低分离器阻力又会降低分离效率。有时为避免阻力过高、 能耗过大，不得不放弃对旋风分离器分离效率潜力的挖掘。因此，研究 高效低阻的旋风分离器一直是能源、环保、化工等领域的重要课题，尤 其是在大力提倡建设节约型社会的今天，这一课题更加具有现实意义。 2 1 国内外旋风分离器减阻研究进展 很多学者，如国内的时铭显嘲、岑可法 g j 、姬忠礼【1 0 1 、罗晓兰【1 、 刘爱林1 2 】以及国外的t e r l i i l d e n 【1 3 】、a c h o f f m a n n 和l e s t e 0 1 4 】等人 对旋风分离器各部分尺寸对其工作性能的影响进行了研究，并通过优化 旋风分离器基本结构来提高其工作性能；但这些措施的主要目的是为了 提高旋风分离器的分离效率，而其压降并没有得到大幅度的降低。为了 能在保证旋风分离器分离效率基本不变甚至略有提高的前提下，大幅度 的降低旋风分离器的压降，诸多研究者从深入研究旋风分离器内的气体 流动规律出发，除进行旋风分离器的尺寸优化外提出了许多减阻方法与 措施。 根据对旋风分离器内流场的测定，按切向速度的属性，流场明显地 以内外旋流分界点位置，即“强制旋流”的半径，珈为界分为两个区域， 半径大于的区域为准自由涡区，半径小于，舸的区域为准强制涡区f ”l 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 在准自由涡区，固体粒子借助于切向速度产生的离心力，被甩向器壁， 切向速度对分离起决定性作用，而在此区域自器壁至，舫处，全压降很 小。而在，堋以内的准强制涡区域，随半径的减小，由于气体的牿性作 用，切向速度不是继续增大，而是逐渐减小至零，此区域切向速度对分 离几乎不起作用，但全压却迅速降低，即旋风分离器的压降主要发生在 这一区域。其次，准强制涡区的旋转气流经排气管排出时带走的旋转动 能，如果未能得到回收，最终由于粘性摩擦而化为热量耗散掉。 国内外诸多研究者一般认为旋风分离器内压力损失有以下几部分 组成l 1 州： 1 气流进入旋风分离器时的突然膨胀产生的压力损失； 2 旋风分离器内气流与壁面的摩擦造成的压力损失； 3 气流从旋风分离器内进入排气管的局部阻力造成的压力损失； 4 旋风分离器内气流旋转动能损失； 5 经内筒进入排气管的气流旋转动能不能恢复为压力能的损失。 其中4 、5 两项是旋风分离器压力损失的主要部分。在定性分析的 基础上，1 9 7 0 年m u s c h e l k n a t z 1 6 j 对旋风分离器内压力损失进行了实际 测定并进行了定量分析。如图2 1 所示，( a ) 为切流反转式旋风分离器， 从进口断面j _ j 开始到内筒延长圆柱n - d 为粉尘捕集分离空间，从n - n 到排气管的进口处断面s s 为涡核区，从$ - s 到排气管出口断面m m 为 排尘后的排气段。图( b ) 中为不同断面的压力大小，包括全压和静压。 从j j 开始，经d o n 到s s 及r l - m 各压力的连线就可以代表阻力系数掌值 的变化。很显然，从断面j - j 到n - n 断面外旋流的阻力损失系数手，较小， 表明对粉尘的捕集分离的消耗的能量占很小的比例，而从n n 到m - m 的内旋流阻力损失系数占较大的比例，即纯消耗性的能量损失占大部 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 分，大约占5 0 - - 6 0 ，有的高达8 7 。这说明在节能降耗方面，旋风分 离器仍有很大潜力可挖，特别是旋风分离器的内旋流区域存在很大的减 阻空间。 一 h j5_ 上sl 。溢 u 门- t 咖l ； 一 罗- 铂 。| l | 1 一， 一一 与。测眄”。 ，、。 l i t ， 图2 - 1 旋风分离器内压力损失分析图 据此，旋风分离器减阻的思路可以为：确保外旋流区有足够的旋转 强度，抑制内旋流区旋转强度，并回收带到排气管内的气流旋转动能， 使其转变为压力能。 2 1 1 进气口处加装导流板 在切向入口的旋风分离器中，旋转气流通常会被入口气流卷吸到近 壁区，增加了流动阻力。许多研究者不约而同的选择了在进气口处加装 导流板的措施来减小旋风分离器的阻力损失。c o m a s 提出了一种实际上 就是入口管内侧壁的延伸的导流板【9 】。根据他的实验结果，压降减少了 约2 0 0 0 , , 3 0 ，而分离效率也相应减少了6 - 0 5 。他还发现对于粒径较 大( 约为2 5 0 岬) 的颗粒其分离效率基本未减少。刘寿锦提出的结构与 c o m a s 相似【1 7 】，只是在进气口主气流与导流板间有一个夹角，他发 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 现这种导流板可使阻力下降4 0 5 0 ，而分离效率能增大约1 。 f u j i s a w a 等人提出了一种高度大于进气口管高度的导流板【嘲。他们 进行了一系列实验以确定这种分离器的阻力和分离效率特性并根据试 验获得了一些最优参数。根据这些参数设计的分离器的阻力减少了 4 0 - 5 0 ，而分离效率则提高了约l 。 李利等人开发了一种在入口加装导流板的基础上改进的称之为新 型等进螺线型导向板旋风分离器 1 9 1 。这种螺线型导向板不仅彻底消除了 入口压缩等现象，而且通过螺线导向板平均直径不断减小的特点使气体 中所含的颗粒的离心力不断增加而迅速靠向筒壁，提高了旋风分离器的 除尘效率，从而可使旋风分离器在不降低分离效率的同时，气体流速和 旋转圈数大大降低，降低阻力2 0 0 0 , 4 0 。 2 1 2 回收排气管内能量 2 1 2 1 几种新型排气管结构 由于内旋流进入排气管时仍然处于旋转状态，而在此区域包含有超 过正常流动所需要的能量，同时，由于离心力作用还会继续从气流中分 离颗粒。为此，研究者提出各种方案以回收排气管中的压力和能量。图 2 - 2 所示为回收能量的几种排气管形式【1 4 1 。 图2 - 2 中( a ) 、( b ) 、( c ) 中所示为缩口式排气管，其特征是在排气管 的入口处安装一段圆锥或者圆锥加圆筒，其目的是通过减小排气管的有 效直径来改善工作性能。在需要增大处理气体流量的场合，可以去掉圆 锥段或者用口径更大的圆筒来代替圆锥段。 压力恢复式排气管与安置在旋风分离器顶板上的压力恢复扩压管 一起，用来把净化气流的一部分旋转能量转化为静压力。基于 m u s c h e l k n a u t z - b r u r m e r ( 1 9 6 7 ) 提供的数据【1 3 1 ，适量的压力恢复( 内旋 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器碱阻研究概述 涡压力损失减少1 5 。r 2 0 ) ，可以通过简单的锥形排气管实现，如图 2 - 2 中( d ) 所示。通过放置一个设计得很好的内圆锥，如图2 2 中( e ) 中所 示，则更加有效地实现压力恢复( 损失减少3 5 - - 2 0 ) 。这种排气管常常 直接连接在旋风分离器项板上面的一个宽体出口扩压管或者出口蜗壳 上。 图2 2 ( o 、国中所示是两个长度延伸的排气管，其底部是封闭的， 但侧面有垂直缝或者气孔，气体必须通过这些侧面的垂直缝或者气孔才 能排出旋风分离器。由于这种底部封闭结构能防止料斗中已分离的颗粒 被卷吸入排气管中，这种边上开槽( 或开孔) 的出口管不仅能有效降低 压降还能提高分离效率。 图2 - 2 几种回收能量的排气管形式 2 1 2 2 采用导流叶片 采用导流叶片也是院较常见的一种能量回收方式。导流叶片的前入 1 ：3 边应与气体进入叶片的攻角一致，将旋转流逐渐变为直流，即转换为 7 价傅存一一b ，ll叫， 1d“jj 一 一 商一守 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 理想的纯轴向流动；由于安装导流叶片会影响到旋风分离器内流型，所 以对分离效率会有一定的影响。研究表明：导流叶片离排气管下口越近 或伸出排气管越远，压降降幅越大，对分离效率影响越大。 1 9 1 0 年，p r a n d t l t l 6 1 提出在排气管入口处安装导流叶片，校直排气 管内的旋转气流，将气流的动能转化为压力能，以达到降低阻力损失的 目的。1 9 3 9 年，s h c p c r d 和l a p p l e i t 6 j 尝试了在排气管的进气口安装校直 气流的叶片，他们发现将叶片安装在排气管内或延伸至其下方，阻力损 失有明显的降低，大约为5 0 。其后，f o r s t c r t l 6 】经过细致的分析，确定 了排气管的速度剖面，从而确定了与速度方向相匹配的叶片角度。根据 这一叶片角度，他设计的叶片降低了压降近一半，并且维持了分离效率。 1 9 7 8 年，j m b r o w n e 和w s t r a u s s 2 0 也设计了类似的更完善的导流叶片， 安装在排气管下游五倍的排气管直径处，旋风分离器的压降下降了 2 2 。他引用了别人的实验结果，认为该消旋器对分离效率没有影响。 2 1 2 3 排气管处放置中心体 在排气管入口处放置中心体可以使最大切向速度出现在更靠近分 离器壁面的位置，进而降低近轴区域的切向和轴向速度，提高排气管内 的静压值。 1 9 8 3 年，许宏庆研究表明【2 ”，旋风分离器内旋流强制涡中心区域 存在负压，流动很不稳定，湍流强度增加而切向速度降低，湍流耗散增 加了分离器的压力损失并对粉尘的分离没有任何好处。他用一个固体芯 子安装在旋风室中心来代替强制涡心区，结果在开环情况下压力损失下 降了3 3 。这种方法可以使最大切向速度出现在更靠近分离器壁面的位 置，进而降低中心区域的切向速度和轴向速度，提高出口管的静压值。 周力行对旋风分离器内的流场进行了数值模拟【l 研，测定了压力分布 与湍流脉动场，得出了和许宏庆类似的结论：较高的旋转速度梯度在旋 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 流场的中心涡核区和上行流区造成了很高的湍流度，存在很大的流动能 量损失。因此，他也在内旋流中心安装了中心体，不过他的中心体是多 片片状渐缩形的。根据他的l d v 流场实验测试与数值计算的结果，中 心体使得最大切向速度稍向边壁移动，同时减小了上行流近轴区的切向 速度和轴向速度，并增加了该区域的静压和总压，因此阻力损失减少约 1 3 ，分离效率还略有提高。 南通职业大学的刘金红发明了一种在旋风分离器轴心及出口区域 放置固体中置物减阻的方法 5 1 。他设计的中置物主体形状为圆柱体，中 置物的头形与尾部都顺应轴心附近的流线，设计成可能减少涡流的流线 状。他将这种减阻方法应用于带扩散锥的旋风分离器中阎，压降降低了 2 7 3 ，分离效率降低了o 9 。为进一步提高减阻能力，他又采用了中 置物与叶片配合的方法，使用这种组合式减阻器，压降降低了2 7 9 ， 分离效率降低了1 2 。 南京化工学院的白崇功等人提出了一种抑制内旋涡流动并回收出 口气流旋转动能的螺旋减阻装置【3 1 ，加装在排气管下端和内部。实验表 明，这种螺旋减阻装置可以大幅度降低压降约4 0 ，且排气管直径越小， 减阻效果越明显，而对分离效率的影响 1 。 d n o r i l e r m 等人设计了一种用于改善旋风分离器内气流压降的新 机械设备，该设备由两个处于同位的螺旋形气体进口管组成，将涡流分 成两股相反的涡流，由此在流线中产生震动，增大了系统的静压力。 2 1 3 旋风室内加入新结构 安装减阻杆或减阻框架是一项简单实用的减阻技术，通过在旋风分 离器内适当位置安装1 根( 有时多于1 根，即构成框架) 刚性杆件来改 善流场特点，使其向有利于降低流动阻力的方向转化，从而在保证分离 效率不变或分离效率降低很少的前提下，大幅度地降低分离器的流动阻 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 力。 2 1 3 1 旋风分离器内加装减阻杆 清华大学王连泽等人的方法 2 42 7 j 是将一根减阻杆上端固定在筒体 上顶板或排气芯管上，下端固定在锥体底部或排灰口处。经过实验，得 到了以下结论：减阻杆的减阻幅度与其在旋风分离器内的安装位置有 关，其减阻幅度与减阻杆的迎风面积、背风面曲率半径成正比；减阻 杆在不降低旋风分离器分离效率的情况下，能减少分离器流动阻力 1 9 4 。 通过分析减阻杆对速度场与压力场的影响，减阻杆减小压力损失的 原因有下述几个方面：由于切向速度峰值减小，使得旋转动能损失降 低；由于切向速度梯度和轴向速度梯度减小，使得湍能产生率降低； 由于切向速度梯度和轴向速度梯度减小，以及径向上静压梯度减小， 使得内摩擦力降低；由于轴向上逆压梯度减小，使得压差阻力降低。 而关于减阻杆在减小压力损失的同时，对分离效率没有影响或影响 很小的原因，通过对流场的分析，他们归结为：减阻杆对下行流区的 切向速度没有影响或者影响很小；减阻杆使下行流区域变宽，这使得 颗粒能有更多的机会进入下行流而得到分离；减阻杆使径向上静压梯 度减小，这使得颗粒向外运动的阻力减小，从而增大了颗粒被分离的可 能性；非全长的减阻杆导致了下降流量的增加，这使得含尘空气在分 离器内的停留时间增长，从面有利于颗粒的分离。 通过分析，他们认为减阻杆减阻的根本原因是由于其尾迹旋涡。安 装减阻杆后，其尾涡进入整个流场。外旋涡中由于本身流动相对平稳， 叠加进减阻杆的尾涡，将增加扰动而使流动阻力增加。但在内涡旋，由 于减阻杆的尾涡与湍流度极高的涡核相互作用。改交了原来的湍流结 构，大大降低了流动阻力。因此，基于上述分析及参考控制机翼失效的 l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 某些做法，王连泽和彦启森提出了有待进一步验证的内部流动的“加涡 减阻”假说，即：通过某种方式，向湍流流动中叠加一定频率、一定强 度和尺度的旋涡，将减少流动阻力。 2 1 3 2 在旋风分离器内安装降阻框架 西安建筑科技大学的亢燕铭等人在减阻杆减阻规律研究的基础上 脚】，将多根减阻杆组合成一固定的笼式结构( 简称“减阻框架”) ，研究 发现：增设减阻框架后旋风器内气流场与原旋风器内流场有明显差 异。除三维速度普遍下降外，内涡旋中“倒流”状态可能消失；径向速 度呈非轴对称分布；径向压力梯度将大幅度降低；切向速度的下降和 内涡旋中“倒流”的消失是导致旋风器阻力下降的主要因素；加设减 阻框架后，粒径小于1 5 p m 的颗粒分级效率下降5 毋，大于2 0 p m 的 颗粒，其分级效率下降2 左右。 青岛建筑工程学院的张吉光等人设计了安装在旋风分离器特定位 置上的降阻框架【2 9 】，阻力系数降低了约4 7 ，而分离效率有明显提高。 张吉光指出降阻框架结构及在旋风分离器内的安装位置应尽量满足下 列条件：尽量不降低下行流区的切向速度；最大幅度地减小筒体内 的内旋涡的压力损失；最大幅度地减小排气芯管内及其向外延伸的旋 转流动压力损失。 经过对流场的分析，他认为，降阻框架能降低旋风分离器阻力的主 要原因是：降阻框架使降阻旋风分离器内整个区域的切向速度分布曲线 比常规旋风分离器内的切向速度分布曲线平缓，速度的最大值与平均值 都有所降低，减少了旋转动能损失，切向速度梯度减小和径向静压梯度 的减小，内摩擦阻力降低，引起降阻旋风分离器阻力的降低。 降阻框架能提高旋风分离器分离效率的主要原因是：降阻旋风分离 器下行流区的切向速度较常规旋风分离器流场的切向速度稍微增大，有 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 利于提高分离效率，降阻旋风分离器下行流区变宽，在下行流区，轴向 速度的绝对值减小，粉尘粒子在降阻旋风分离器的有效分离区域内的停 留时间增加，这对分离效率的提高是有利的。 2 1 4 其它减阻措施 除上述减阻方法外，还有一些其它的减阻措施。 嵇鹰 3 0 7 等人通过实验研究，提出了一种旋风简减阻新方法粗糙旋 风筒内壁。结果表明，对相同规格的旋风筒，采用合适的内壁粗糙度可 使阻力降的约3 0 - 3 5 ，但分离效率也同时下降了。赵旭东等人【3 1 1 直 接将排气管从上方移至下方，形成下排气的直流式旋风分离器。这种结 构的变化，消除了阻力属无效消耗的内旋流，阻力只有常规反转式旋风 分离器的一半。 另外还有一些其它效果比较显著的研究成果，如何伟才【3 2 】等人在排 气管下方径向开孔，使旋风分离器的流场发生了较大的变化，由原来的 旋源、涡汇的复杂流场转变成只有涡汇的流场，阻力损失降低了t ，3 以 上，分离效率变化不大；德国人e s c h m i d t 口3 j 开发的一种开有螺旋缝的 芯管，装在旋风分离器的下端，可以将压降减小一半，将租颗粒带出率 减少3 倍。赵萍p 4 】等提出了具有内外双筒结构的旋风分离器，同样可较 大幅度地降低阻力损失。 综上所述，目前国内外关于旋风分离器减阻方法与措施主要集中在 压力损失严重且对分离基本无贡献的内旋流及排气管，还有切流式旋风 分离器的入口处的压缩流。对于各种减阻结构，研究者所得出的结论是 能够大幅降低旋风分离器压降，但分离效率同时也有不同程度的下降。 因此，根据前人的研究并结合p s c 型旋风管的特点，本课题将研究重 点放在旋风管能量耗散十分严重且对分离基本无贡献的内旋流区和排 气管内。通过全面分析旋风管压力损失机理，积极探索适合催化裂化三 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章旋风分离器减阻研究概述 旋用旋风管的减阻结构，在保证高分离效率的同时，有效降低三旋压降， 以提高烟机入口静压，增加烟机能量回收率或者是提高单管处理量，从 而提高整个装置的经济效益。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 第3 章实验装置、方法及内容 本论文的实验装置由三部分组成：第一部分为导叶式旋风管减阻结 构阻力特性实验装置；第二部分为分离性能实验装置；第三部分为流场 测试装置。 本论文首先在旋风管内进行减阻结构的阻力特性实验。减阻结构的 设计思路是在王建军等人 3 5 1 对p s c 旋风管内三维流场一压力分布进行全 面测量分析的基础上，通过全面分析旋风管压力损失机理，确定旋风管 入口渐扩环形空间、导流锥下口上行流区以及导流锥和排气管直段内为 本论文降低流动阻力损失的重点研究区域。 本论文实验安排如下：首先在纯气流状态下对加装各减阻结构前后 旋风管的阻力特性进行实验测量，并求得对应的阻力系数，按式( 3 8 ) 算 得各结构的减阻幅度；改变各减阻构件的结构型式及尺寸，对影响减阻 结构减阻幅度的各因素进行分析；在上述实验的基础上，选出几种减阻 效果明显的典型减阻结构进行捕集效率和粒级效率测量，并与基准旋风 管进行对比研究，从中找出影响减阻结构分离性能的主要因素，从而对 其尺寸进行优化，最终优选出减阻幅度较大而分离性能较好的减阻结构； 对优选出的减阻结构及其它几种典型减阻结构，在旋风管主要分离空间 内，用智能型五孔球探针测试仪进行三维流场一压力场测量，根据流动 参数的变化分析减阻原因；最后对导叶式旋风管减阻机理进行初步探讨 并提出今后的研究方向。 3 1 减阻结构阻力特性实验 3 1 1 实验装置 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 匝稚爆蟋皤喇蜊繇冰掣馨r基器姆圜堪_【c匝 暴医槭口_暴锄”h繇扭圹制葛扯辗瓣、，i古耥坦n_本越赠_l_【敏辗斗。_ 密扭f螳a删扩靠舡旷赣h删圹稍口越古臻蹄n螋塔嘶t扭医摧n姑斟创j“寸_i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 图3 2 旋风管本体结构尺寸简图 本实验采用正压鼓风式操作，实验装置主要由旋风管、鼓风系统、 通风管道系统及测量系统四部分组成，详见图3 - l 。 各系统简要说明如下： 旋风管：本实验采用p s c 2 5 0 型旋风管，各部分结构尺寸与工业实 型完全相同，旋风管结构如图3 - 2 所示； 鼓风系统：采用两台离心式鼓风机串联，正压操作； 通风管道系统：迸气管道主要采用妒3 0 0 m m ( 局部妒2 0 0 m m ) 的管 路，出气管道主要采用b 2 0 0 m m 的管路； 测量系统：主要包括智能型五孔球探针测试仪、u 形管压差计、温 度计和毕托管，其中毕托管在测量管线上的安装位置应满足距上游管件 l 。8 d ，距下游管件l ：2 d ( d 为测量管线直径) 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 3 1 2 参数测量及计算 3 1 2 1 静压和压降 静压和压降由u 型管压差计测得。主要测量入口静压只、出口静压 只、灰斗静压只，并由此计算总压降廿= 只一只、灰斗压降叱= e 一只 及灰斗压降占总压降的比例= 只a p 。 3 1 2 2 旋风管入口流量 先利用安装在出口管上的标准毕托管测出旋风管出口流量q ，然后 再换算成同一状态下的入口流量q 。 ( 1 ) 出口管中心气速圪： 根据毕托管( 双孔测速管) 测速原理： 匕= k p x 2 p , ii p g = k f 4 2 ( p t e , ) l p g 0 - 1 ) 式中，k p 为毕托管校准系数，对于标准毕托管，k p 兰l ； 圪为出口管中心气速，m ，s ； 只为测点动压，p a ： 只为测点静压，p a ； 只为测点总压，p a ； 岛为空气密度，k e d m 3 。 由理想气体状态方程肌n r r 等& = 署寺( 3 - 2 ) 取标准气体常数r = 8 3 1 4 j t 0 0 1 k ，将( 3 - 2 ) 式代a ( 3 1 ) 式，得： 圪= 2 3 9 4 5 x 易r p = 2 3 9 4 5 x x p 4 ( 2 7 3 1 5 + t ) i ( p , + 只)( 3 - 3 ) 式中，为测点温度， ； 只为当地大气压，本实验取鼻= 1 0 1 3 2 5 x 1 0 5 p a 。 ! 垦互塑盔兰! 兰奎! 堡主丝皇簦! 皇壅堕叁里：查鎏墨堕窒 ( 2 ) 旋风管出口流量q ： q o = 三d 2 瓦= 3 6 0 0 署d 2 名圪( 3 - 4 ) 式中，q o 为旋风管出口流量，1 1 1 3 h ； d 为出1 3 管内径，o 2 m ； 瓦为出口管截面平均气速，m s ； 五为流量系数，卫= 瓦t o ，由实验中各档工况出口管截面平均气 速瓦与出口管中心点实测流速圪计算确定，一般取五= o 9 3 9 9 8 4 。 代入( 3 - 3 ) 式得： q o = 2 5 5 3 3 9 3 x p d ( 2 7 3 1 5 + f ) ( 只+ 毋) ( 3 - 5 ) ( 3 ) 旋风管入口流量q ； 由状态方程，可换算出旋风管入口流量q f ： q = 糟。击q o ( 3 - 6 ) 式中，q 为旋风管入口流量，m 3 h ： 只为a t a 静压，p a ： q 为灰斗底部泄气率，；本实验取g = 0 。 3 1 2 3 旋风管减阻幅度计算 实验中在纯气流状态下测出加装减阻结构前后旋风管在各个流量状 态下的总压降a p ，然后求得各个流量状态下的阻力系数： 孝5 嚣( 3 - 7 ) 2 式中，善为阻力系数； a p 为旋风管进出口总压降，p a ； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 圪为旋风管入口截面表观气速，m s ： 岛为空气密度，k g m 3 。 取各流量下阻力系数孝的平均值善作为减阻幅度评价依据，则减阻 结构减阻幅度： = 譬x 1 0 0 ( 3 - 8 ) 式中，为减阻结构减阻幅度，； 善。为加入减阻结构后旋风管阻力系数平均值； 善。为基准旋风管阻力系数平均值。 3 2 旋风管性能实验 3 2 1 旋风管性能实验装置 旋风管性能实验装置同样采用正压鼓风式操作，它由六部分组成， 其中旋风管、鼓风系统、通风管道系统及测量系统都与减阻结构阻力特 性实验装置完全相同，只是在其基础上增加了加尘系统和干法颗粒采样 系统，如图3 3 所示。 加尘系统包括一台7 5 k w 的活塞式空气压缩机( 排气量0 g m 3 m i n ， 额定排气压力0 7 m p a ) 、集气罐、冷凝器、滤油器、自制喷射式加尘器 及输送管线等。 干法颗粒采样系统包括装有滤膜的采样滤盒、累积流量计、转子流 量计、真空压力表、控制阀、真空泵等。采样嘴由二维坐标架控制以保 证每一个采样点的径向与轴向坐标，采样嘴还配有分度转盘，可控制采 样嘴的方向角，以保证采样时对准来流的方向。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 实验中变换旋风管入口流量为四档，分别为2 1 0 0 m 3 h 、2 2 0 0m 3 h 、 2 4 0 0m 3 h 和2 5 5 0 m 3 1 1 。实验用粉尘为s i 0 2 粉，其中位粒径d 。= 6 5 6 4 1 a m ， 入1 2 1 颗粒浓度固定为c v = l g m 3 ，在旋风管入口流量q - 2 2 0 0 m 3 h 时，对 旋风管进出口颗粒进行采样，并用库尔特激光粒度分析仪分析旋风管进 出口颗粒粒度分布。 3 2 2 旋风管捕集效率测量实验方法 实验以鼓风机出口阀调节入口流量，预设每组实验加尘量，根据实 验所需入口浓度算得加尘时间，然后连续均匀加尘。加尘采用气力输送 方式，即由压缩空气通过喷嘴形成负压，粉尘吸入后与入口气流充分混 合，然后进入旋风管内进行分离。加尘结束待粉尘完全分离后再停机收 尘。最后用称重法算得旋风管捕集效率，以捕集到粉尘的质量除以加入 粉尘的质量即得旋风管捕集效率( 质量效率) 。 3 2 3 旋风管出口颗粒粒度采样方法 本次实验根据等动采样原理【3 7 】，用采样嘴在旋风管出口管道内采 样点处抽取一定量的含尘气流，用干法捕集旋风管出口颗粒，然后用 l s 2 3 0 型激光粒度分析仪分析旋风管出口颗粒分布。 皇冒石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 2 1 赠暴 = 医 粒哲 辎“ 蓍霉喋 嚣三餐 笙葵“ 蓉昼鬟 渊 蓁耋蓁蓁 器赛莴善- i 萎蓁| | | - , 盆 扭辗 区母姆 餐重霾 鬈泰皆 薯酱嚣 喜蠢蓍 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 3 2 4 性能实验计算公式 3 2 4 1 加尘时间计算 f ；6 0 0 0 0 x m l q g 式中，t 为加料时间，m i n ； m 为加料量，k g ； q 为入口流量，m 3 h ； c j 为入口浓度，时。 3 2 4 2 捕集效率计算 ”= 鲁- o 。 式中，r l 为捕集效率，； 吖。为收集粉尘质量，k g ： m 为加料量，k g 。 3 2 4 3 粒级效率计算 仇( d ，) ：( 1 一坠掣) 。l o o 。 ! 式中，玩( 以) 为粒径彩颗粒的捕集效率，； r l 为旋风管捕集效率，； 五为出口颗粒体积分布频率； z 为进口颗粒体积分布频率。 ( 3 1 0 ) 0 一i f ) 中国石