（安全技术及工程专业论文）内部结构变形对旋风分离器性能影响的数值仿真研究.pdf

内部结构，坠形对旋风分离器性能影响的数值仿真研究 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho fe f f e c t so fi n t e r i o rs t r u c t u r e s d e f o r m a t i o no nc h a r a c t e r i s t i co fc y c l o n e s e p a r a t o r a b s t t a c t a saw i d e l ya p p l i e dp u r i f y i n ge q u i p m e n ti ne n g i n e e r i n g c y c l o n es e p a r a t o rp l a y sav e r y i m p o r t a n tp a r ti nm a n yf i e l d ss u c ha sp e t r o l e u m ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g , m e t a l l u r g ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ne t e w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ei sn e e d e dt oi t sf u r t h e ri n n o v a t i o n ，d e s i g na n di n s t a l l a t i o n ， f o re x a m p l e ，h o wt oc o n f i r me f f e c t so fi n t e r i o rs t r u c t u r e sd e f o r m a t i o no nc h a r a c t e r i s t i co f c y c l o n es e p a r a t o rw h i c hi sw o r k i n gi san e wp r o j e c t t h i st h e s i si sa b o u td i f f e r e n tf o r m so f d e f o r m a t i o ni nt h ei n t e r i o rs t r u c t u r eo fa w o r k i n gc y c l o n es e p a r a t o r t h em a i nw o r k sa n dt h eo b t a i n e dc o n c l u s i o n sa r ef u l l o w e d ： 1 w i t ht h eh e l po ff l u e n ts o f t w a r e ，o nt h eb a s i so fr s m ，f l o wf i e l di nc y c l o n e s e p a r a t o rw a ss t u d i e d w i t ht h er e p e a t e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e f f e c t so fm e s hd e n s i t yo n r e s u l t sa r es t u d i e da n dt h er e a s o n a b l em e s hi sc o n f i r m e d c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，m o d e lu s e di nt h i st h e s i si st e s t i f i e df u rs i m u l a t i n gf l o wf i e l da n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c y o fc y c l o n es e p a r a t o r 2 t h es i m u l a t i o no ft h ei n c l i n eo fg a se x i tt u b ew a sd o n e t h ef o l l o w i n gs i m u l a t i o nh a v e b e e nd o n e ：f o u rd i f f e r e n ti n c l i n eo r i e n t a t i o no fg a se x i tt u b e ，t h er e s p e c t i v ee f f e c to ft h r e e d i f f e r e n ti n c l i n ea n g l e sw a ss i m u l a t e dt or e s e a r c hc h a r a c t e r i s t i co fc y c l o n es e p a r a t o ra n d c h a n g e so ff l o wf i e l d ( 1 ) w i t ht h es a m ei n c l i n eo r i e n t a t i o n ，t h ee n t i r et e n d e n c yo fs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y d e c l i n e dw i t ht h ei n c r e a s e o fi n c l i n ea n g l e w h i l et h eg a se x i tt u b ei n c l i n ei n8 0 。，t h ed e g r e eo fd e c l i n eo fs e p a r a t i o n e f f i c i e n c yi st h el o w e s t ，b u tw h e na o 。，t h ed e c l i n eo fs e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi st h eg r e a t e s t ； ( 3 ) g a si sb l o c k e db yi n c l i n e dg a se x i tt u b e i tc a u s e st h ed e c l i n eo ft a n g e n t i a lv e l o c i t yo f g a su n d e rg a se x i tt u b ea n dt h i si st h em a i nr e a s o nf u rt h ed e c l i n eo f s e p a r a t o re f f i c i e n c y ( 4 ) w i t ht h es a m ei n c l i n eo r i e n t a t i o na n da n g l e ，t h es m a l l e rt h ed i a m e t e ro fp o w d e r ，t h e l o w e ro fs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ； 3 t h es i m u l a t i o no fg a sl e a kf r o mt h eb o t t o mo fc y c l o n es e p a r a t o rw a sd o n e t h e f o l l o w i n gs i m u l a t i o nh a v eb e e nd o n e ：f o u rd i f f e r e n ta m o u n to fg a sl e a kw a ss i m u l a t e dt o r e s e a r c hp r o p e r t i e so fc y c l o n es e p a r a t o ra n dc h a n g e so f f l o wf i e l d n 丝里! 叁兰堕! ：生堡兰 ( 1 ) u n d e rc o m m o nr a t eo fg a sl e a k ，c o m p a r i n gw i t hu s u a ls i t u a t i o n ，t h es m a l l e ro ft h e d i a m e t e ro fs o l i dp o w d e r , t h el o w e rs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ； ( 2 ) w h e ns o l i dp o w d e r sh a v es a m ed i a m e t e r ，t h eg r e a t e rt h eg a sl e a kr a t e ，t h e m o r e o b v i o u st h ed e c l i n eo fs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ； ( 3 ) w h e ng a si sl e a k i n gf r o mt h eb o t t o mo fc y c l o n es e p a r a t o r ，t h eg a su n d e rg a se x i t t u b et a n g e n t i a iv e l o c i t yi sd e c l i n e t h i si st h em o s ti m p o r t a n tr e a s o nf o rt h ed e c l i n eo f s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c y c l o n es e p a r a t o r ；g a s e x i tt u b ei n c l i n e ；g a sl e a k ；n u m e r i c a l i l l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 人连理i 。大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 触艇 让 人迓理1 人宁硕十学仿论文 引言 旋风分离器是使含有固体颗粒的气体旋转、并依靠离心力使得气固两相分离的装 置。旋风分离器结构简单紧凑、操作维护方便。由于旋风分离器具有很多优点，所以在 石油化工、冶金、采矿、轻工等领域得到广泛应用。随着工业发展的需要，为使旋风 分离器达到高效低阻的目的，自1 8 8 6 年m o r s e 的第一台圆锥形旋风分离器问世以来百余 年里，国内外众多学者对分离器的结构、尺寸、流场特性等进行了大量的研究，出现了 许多不同用途的旋风分离器。 在生产运行过程中，由于各种因素的影响，旋风分离器的内部结构会发生变化，这 些变化对旋风分离器的分离效率和内部流场产生影响，直接影响装置的运行。例如，催 化裂化再生器的旋风分离器底部出现漏气，会导致催化剂大量跑损，造成周围环境污染。 所以，研究旋风分离器内部结构变化对分离性能的影响是很必要的，能够对旋风分离器 的检修和维护起到指导性作用。 对于旋风分离器的内部结构变形的情况前人已经做了一些研究工作，梁朝林i 、赵 兵涛 2 1 、张海红【3 】、苏虎1 4 1 和时铭, 显t s l 等对旋风分离器的改进和生产过程中的内部变形做 了一些工作，但是这些工作大部分都是对旋风分离器的内部结构进行改进，仅有少数是 对生产过程中的内部变形的研究。本文通过对大连石化公司催化旋风分离器的多次现场 调研，发现旋风分离器的升气管倾斜和底部漏气在生产过程中是经常出现的，目前对旋 风分离器的升气管倾斜的情况的研究还未见报道，对旋风分离器底部漏气的研究也很少 报道。 由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究旋风分离器的性能不仅周期长而且费用 高。目前，人们对旋风分离器的研究重点己从整体特性的研究转向流动细节的研究，并 借助于计算机模拟技术来解决这一问题。周力行1 6 1 、魏志军 7 1 、林玮等 8 ，9 1 、b o y s a n 1 0 1 、 l m ai n 】、h e n r y f m e i e r 1 甜、l m a 霜f l d b 1 n g h a m 1 挪、彭维明【1 4 i 、杨卫宏、萧泽强【1 卦、 刘云龙等【1 6 】、钱付平和章名耀等都对旋风分离器的数值计算方法进行了研究，从文献 来看，对旋风分离器的数值计算方法已经趋于成熟，以流场湍流数值模拟为主研究旋风 分离器内流体的流动规律，考察旋风分离器的三维两相流场，可以大大缩短研发周期， 具有重要的工程应用价值。 鉴于前人在对旋风分离器内部结构变化研究的不足，本文对升气管倾斜和底部漏气 的情况采用数值模拟的方法进行了研究，得到了分离效率的变化规律，并结合流场的变 化分析出原因，能够对实际的生产检修进行指导，也为以后这方面进一步研究打下基础。 人近理f 人学硕 学何沦史 第1 章文献综述 旋风分离器作为一种气固两相分离设备，在石油、化工、冶会、环保等许多领域中 起着重要的作用。本章对旋风分离器的发展概况，以及相关研究现状作了介绍，并将前 人对旋风分离器内部变形情况和计算方法的研究做了归纳。确定了本文的研究目的和主 要任务。 1 1 旋风分离技术的发展概况 旋风分离器从申请专利投入生产运转至今己有一百多年的历史i l ”。 自十九世纪八十年代旋风分离器【l 蛇1 l 投入生产运转一直到上个世纪三十年代，属于 自发使用阶段。在这一阶段中，粗略地认为旋风器的机理只是简单地利用了离心力把粉 尘甩向圆筒壁而己，未能深入研究气流运动规律，对旋风分离器内的流场分布缺乏理性 认识，不十分清楚粉尘颗粒从含尘气流中分离的机理。在这一阶段中，旋风分离器能分 离的i 临界粒径一直徘徊在4 0 6 0 a n 之间。其间，最杰出的研究成果要数1 9 1 0 年现代流 体力学创始人普兰特( p r a n d t l ) 以m a n 公司名义对排气管出1 3 加上导流叶片，从而使流体 阻力损失有所降低。 从二十世纪二十年代未到六十年代初是旋风分技术发展的第二阶段。人们广泛地对 旋风分离器进行科学试验与理论概括。1 9 2 8 年波罗克( e r o c k a c t ) 首次对旋风分离器进行了 流场测定研究，结束了对旋风器的盲目使用。四十年代初，s h e p 捌及k p p l e 就通过试验 研究给出了旋风分离器的压降及分离的极限粒径计算式，其压降计算式首次考虑了分离 器的形状及尺寸的影响，而在极限粒径计算式的推导中提出了著名的转圈理论1 2 2 1 。有些 是关于流场的测定，其中以荷兰人特林登f i e fl i n d e n ) 1 9 4 9 年所做的工作最为突出，他 通过球形毕托管对旋风分离器内气体运动时的三维速度：即切向、径向和轴向速度，以 及全压和静压分布作了较为出色的试验研究，提出了比较有代表性的理论。有些学者研 究了旋风分离器的除尘效率与压力损失、结构形式、结构尺寸之间的关系。通过大量的 试验研究，认识到了一些影响压力损失和分离效率的因素，如气流进口速度、温度、粉 尘颗粒的密度、分散度、气流的粘度，分离器结构形式及尺寸的比例。对旋风分离器大 量的实验研究，推动了对其理性认识的飞跃。对于旋风分离器的流场从只见旋涡流动， 发展到既见旋涡又见到汇流的流动，粉尘从气溶胶中分离的机理由最先类比平流沉降发 展起来的“转圈理论”飞跃而成为“筛分理论”【勰2 4 j 。其后的十几年罩，随着试验的深入， 科学家不断提出新的计算式及理论。a l e x a n d e r 将旋风除尘器的分离室( 即出1 3 管与圆周 譬面之问的空间) 的旋转下降气流所产牛的能量损失，与旋风分离器中旋转1 - 升气流所 消托能钴之期作为旋风分离器的压力摄失，微引旋风分凼器摊自l b 涡区的压降和旋转7 t 流通过排汽管的压降，推导了几降的纤验公式，衍提f j ：，旋流速度指数n 的关系式。f i r s t 内部结构楚形对旋风分离器陛能影响的数值仿真研究 在s h e p a r d 与l a p p l e 的式基础上考虑了旋风分离器圆筒部分和圆锥部分的长度影响，提 出了一个新的压降的经验式。s t a i r m a n d 根掘分离器壁面摩擦引起的气流角动量变化，提 出了压降的理论公式。f 1 本的井伊谷钢一、小川明、上淹具贞等人也从不同的角度提出 了自己的理论压降公式。 从上世纪六十年代初到现在是旋风分离技术发展的又一个新阶段。这个阶段把旋风 分离器捕集分离能力推向超微颗粒。通过相似理论和量纲分析，把旋风分离器的各结构 尺寸表示为定形尺寸( 外筒直径d ) 为基准的无量纲量数群。并进一步把旋风分离器的技 术经济性能参数也组成无量纲准数进行评价。通过优选法综合技术经济指标，设计出最 佳化的旋风分离器。由于旋风分离器内部流场的复杂性，气一固两相流体本身所具有研 究难度，及研究条件和研究手段的限制，六十年代对旋风分离器的研究发展较慢。但是， 随着流化床技术的出现和发展，以及旋风分离器在高温高压气体净化中所显示的诸名优 点，使其研究又再次受到重视。美国的h i c h t 与l e i t h 等人在1 9 7 2 年首次提出了以湍流横混 模型为基础的边界层分离理论【矧。而1 9 7 5 年，b l o o r i n g h a m 运用普朗特提出的混合长度 理论确定湍流表观粘度，并对水力旋流器流场进行了分析，建立了适合于工程应用的初 级湍流模型，1 9 7 5 年德国一些科研单位把这些无量纲量编成电子计算机计算程序进行研 究。鉴于旋风分离器内的流场是湍流流场，而在近壁处有一层流底层，1 9 7 9 年奈特( l e i t h ) 与李斯特( l i c h t ) 类比电力除尘器的分离机理，提出了湍流混渗边界层分离理论，并给出 相应的分级效率计算公式。1 9 7 7 年以后，边界层分离理论进一步得到发展。另一方面， 旋风分离器内的流场是由两种性质不同的旋涡( 准自由涡与强制涡) 及流向相反的源流或 汇流叠加起来的流场，两种旋涡大致以内升气管的延长面的圆筒面为分界面。在分界面 以外为准自由涡流动与汇流( 类汇流) 的叠加，而分界面以内式旋( 强制涡简称旋) 与源流 f 类源流) 的叠加。而旋风分离器的除尘作用是在涡汇叠加的流场内进行的，这对捕集分 离不很理想。1 9 6 3 年德国西门子公司的科研机构，分析了这一情况，发现如果把旋风分 离器捕集分离的空间移到旋源叠加的流场内，则除尘器的捕集分离能力将会大为增加， 因而研制成功一种称为d s e 的旋风分离器。这种旋风分离器可捕集分离到0 4 i n n 的颗粒， 向超微颗粒进军迈出了第一步。1 9 8 1 年d i e t z 又作了发展，提出了分区横混模型。1 9 8 2 年m o t h e s 等人又引入了区日j 的浓度扩散及灰斗返气夹带细尘两个因素。随着计算流体力 学的发展，英国b o v s a n 等人利用r o d i 推得的关于雷诺应力的近似代数关系式，得到了高 级湍流模型。用这些模型计算得到的切向速度数值解。并用有限差分法计算了三维湍流 场内的颗粒运动轨迹，从而推算其粒级效率，与试验测定结果较吻合。以试验为基础的 相似准则关联法也有了广泛的应用。随着对旋风分离器研究的不断加深。各国科学家和 工程技术人员在这些理论的引导下，不断推出新型的旋风分离器。如同本r 立制作所与 矿产公司共同研制的分离单管切向进气，在排灰底板上有中心孔或偏心孑l ，摊从孔的 总面积为单管面积的0 3 0 4 ，有效地防l e 了被分离出的粉7 全颗粒返混，提高了分离效 4 人违理1 人中硕i 一中仿论文 率，7 1 0 0 地分离3 5 m n 的粉尘颗粒。荚因p o l u t m l 公司研制的“e u f i p o s ”多管旋风分离 器，其特点是切向入口处有一特殊档板，分离单管水平放置，结构十分紧凑，可1 0 0 分离3 4 a n 的粉尘颗粒。西德西门子公司研制的旋流式分离器，利用二次加速气流来增 大粉粒离心力的方法，可1 0 0 地分离6 m n 的粉尘颗粒。 1 2 旋风分离器流场数值模拟的发展 1 2 1 旋风分离器流场数值模拟的发展概况 自6 0 年代出现数值模拟以来，发展到现在已经历了4 0 多年，大概经历了3 个阶段： 第一阶段的数值模拟，b e y d o n 的工作比较有代表性1 2 6 1 。他对旋风分离器中数量级最 大的切向速度进行了近似计算。首先他将流场分为外部自由涡区和内部强制涡区，并作 了几条假设：方程不依赖于时间，即达到稳定状态；忽略体积力；各物理量随角度变化 为零，即为轴对称流动；根据实验结果，假设切向速度，轴向速度和径向速度的轴向梯 度远小于它们的径向梯度；密度和湍流总粘度为常数。b e y d o n 在上砥几条假设的基础上 对n s 方程做了大量的简化处理，得到了一个极为近似的计算切向速度的关系式，并通 过他们以前做的大量实验数据对这一关系式作了修正，从而得到了一个强烈地依赖于实 验的半经验公式。 第二阶段有代表性的是英国学者f b o y s a n 2 7 - 2 9 】所做的工作。在旋风分离器优化设计 上，他不仅在气体流场的数值计算方面，而且在气固两相流的数值计算上都做了大量的 工作。他认为气体流场的三维效应仅限制在气体的切向入口附近，而旋风分离器中的主 体流场应非常接近于轴对称。根据这一思想，他把控制方程中与角度b 有关的项去掉， 从而使方程得到了简化。在湍流模型的选择方面，作者考虑到标准k 一双方程模型在 计算强旋流流场方面的缺陷，转而用了能反映湍流各向异性的代数应力模型。他将整个 装置中常用的灰斗略去，并将旋风分离器简化为二维形式，这样所计算出来的流场并不 是真正旋风分离器中的三维流场，而仅仅是一个二维流场，这主要是受当时计算机条件 的限制。但即使是这样，计算得到的速度场也能反映出分离器内部切向速度的刚体涡与 自由涡的组合结构。在计算方法上，用s l m p l e 算法1 3 0 】用有限差分法离散控制方程，得 到的轴向和切向速度的计算结果与实测结果相比较还是基本吻合的。 由于旋风分离器中的气体流场是一个三维流场，所以要对气体流场进行数值计算， 就应舍弃轴对称流的假设，从此进入了三维数值计算的第三阶段。r 本h i r o s h i m a 大学的 学者h i d e t oy o s h i d a ”j 做了这方面的工作。这位学者计算的是带直切入i = i 并在锥体下部 带有灰斗的旋风分离器。在生成网格方向，他分别用了贴体坐标网格和阶梯形网格进行 计算，并认为采用贴体坐标网格i l 算出柬的结果更能得到合理的解释。作者所用的湍流 模型是未加修下的标准的女一双方利模型。从i f 并结果来看，作者确实得到了跟角度 有关的i 维流场，但于竹存采川的湍流儆j 【o 是枷：准的k 一双，j 柑模掣，而这种模刑 内部结构变形对锭风分离器性能影响的数值仿真研究 在计算强旋流流场的分布时存在着一些缺陷，如使得中心流区域减短或不能预测。计算 得出的中心轴附近的轴向速度似乎过大。对旋风分离器中最重要的切向速度分布，作者 却并没有给出，而且给出的其它速度分白也没与实测数据进行定量的对比。另外，作者 在施加入口边界条件时，把入口均匀的速度分布直接加在了简体与切向入口交接的圆周 上，这可能也会引起一些不必要的误差，因为旋风分离器的旋转气体在向下运动时，势 必会对这一交接处的速度产生影响，从而使得它们的速度并不等于切向入口的速度。 1 2 2 前人对旋风分离器模拟方法的研究： ( 1 ) 前人对k 一模型及其改进模型应用于旋风分离器计算的研究： 周力行采用k f 模型1 6 j ，将旋风分离器简化为- - 维情况，同时不考虑入口的三 维效应，模拟计算了分离器内的轴向和切向速度分布。由于k 一本身的缺陷，使得计 算和实验有较大的差异； 魏志军采用c h e n k i m 模型1 7 1 ，计算了旋风分离器的内部流场。这种模型通过引 入个时问尺度来改善耗散方程的动态响应，并通过实验调整了标准k e 模型的若干 系数，使其在包括旋转流动的几种情况下可能获得满意的结果。与前人的研究相比，计 算结果有所改进，但这种改进仍然是有局限的，并且不能给出湍能的各向异性分布； 林玮等【8 j 采用考虑旋转流动的k 一模型，计算了切向入口旋风分离内部流场， 得到的切向速度和轴向速度计算结果与实验接近； g r i f f i t h s 和b o y s a n 1 0 】，l m a 【1 1 】等采用r n g k 一模型模拟了分离器内三维流场 结构。r n gk 一最初由y a k h o t 和o r s z a g 提出，以后经过y a k h o t ，s m i t h y a k h o t 等不 断完善。这种模型将湍流视为受随机力驱动的输运过程，通过频谱分析的方法消去其中 的小尺度涡并将其影响归并到涡粘性中，以得到所需尺度上的输运过程。在高雷诺数时， 这种模型与标准模型具有相同的形式，只是在方程中出现一个附加生成项，这一项随流 动的畸变程度而变化，从而在一定程度上弥补了标准k 一模型的某些不足。 巴西学者h e n r y f m e i e r l l 2 】对旋风分离器内气相流场的数值模拟计算中分别采用 了两种湍流模型作比较，一种是体现湍流各向同性特征的标准k 一双方程模型，另一 种则是体现湍流各向异性特征的修币的k 一模型( 引入普朗特混合长度理论) 。控制方程 采用有限容积法离散，采用无滑移边界条件，壁面函数法，用交错网格下的s i m p l e c 算法求解。通过计算结果与实验数据的对比发现，具各向异性特征的湍流模型更适合于 模拟旋风分离器内的旋流流动，且能较成功地预测出回流区、强旋涡流、下降流、反转 流和灰斗对气相流场的影响。 英国学者l m a 和d b 1 n g h a m i “对小型旋风分离器实验模型内的气固两相流场所 作的数值模拟中，提出了颗粒的运动不影响流体流动的假设。采用r n g 湍流模型， 舟制 方程在三维贴体坐标系下用非交错的s i m p l e 算法求解。其预报结果与k i m 和l e e ( 1 9 9 0 ) 所作类似实验的数据进行对比，结果比k 一模j 珲想。 人辽理1 人中硕十学何论文 c h r i s t i a n ”j 利c f x 计算流体力学软件，采用标准k s 模型、r n g k 一模型和 雷诺应力模型计算几种典型的分离器内部流场，比较结果表明，三种模型中以雷诺应力 模型的数值预报结果与实验最为接近，r n gk 一能大致给出合理的分布，标准k 一预 报结果与实验偏差很大，说明这种模型不适合旋风分离器内部流场的计算。 北京理工大学的魏志军和张平【1 3 1 在2 0 0 0 年为了考察适合旋风分离器流场模拟的 湍流模型，采用三维贴体网格，应用p h o e n i c s 程序对某旋风分离器气相流场进行了数 值模拟，湍流模型分别采用标准k e 模型和c h e n k i m 模型。通过计算结果和实验数据 的对比发现，与标准k 一模型相比较，c h e n k i m 模型更适合于模拟涡旋流动，可以用 来进行旋风分离器流场模拟。 以上研究者针对几种不同的旋风分离器结构，采用k 一模型和改进的k f 模型计 算了分离器内部的气固两相流动，虽然没用给出具体的切向、轴向和径向速度分布， 也没有给出湍流脉动的分白，但通过颗粒在分离器中的运动和分离效率与实验的比较可 见，这种模型在旋风分离器内部一定的区域，还是能够给出比较合理的数值计算结果。 ( 2 ) 前人对雷诺应力模型及其简化模型应用于旋风分离器计算的研究 上海理工大学的林玮等人【9 i 将雷诺应力模型简化为代数应力模型，对旋风分离器 内部的三维流场进行模拟计算，得到的结果表明旋风分离器内部的流场具有很强的各向 异性的特点，比较准确地给出了切向速度组合涡结构；此后1 1 0 l 又采用修i f 的k 一湍流 模型对旋风分离器内的三维两相流场进行了数值模拟，控制方程在三维贴体坐标系下用 非交错的s i m p l e 算法求解，得到了分离器内的速度场和压力场，计算表明旋风分离器 进气形式的非对称性决定了其流场的三维性，且轴向速度在中心处有滞流、回流现象。 中南工业大学的杨卫宏和萧泽强【”j 在1 9 9 9 年利用计算流体力学c f x 4 2 软件对 经改造后的电厂细粉旋风分离器的气固两相流场进行了三维数值模拟，其气相流场采用 差分雷诺应力模型计算旋转流动，为优化求解采用多块结构适体网格，利用s i m p l e 算 法解离散方程，给出了分离器内不同截面的速度分布。将计算机仿真应用于工厂实际的 改造方案，得到了令人满意的结果。 石油大学的刘云龙等【1 6 1 也在1 9 9 9 年用有限差分法对旋流器内流场进行了数值模 拟，采用修币的各向异性的k 一模型，计算采用s i m p l e 算法对控制方程进行迭代求解。 结果表明各向异性的湍流模型能够j 下确模拟旋流湍流流场。 清华大学的彭维明【1 4 】在2 0 0 1 年用介于a s m 和r s m 之间的一个混合模型对切向 旋风分离器内部流场进行了数值模拟和实验研究，得到的流场分向结果与实验吻合较 好。 钱付平，章名耀1 1 7 l 利用雷诺应力输运模型，考虑了旋风分离器三维湍流的各向异 性，训算得剑的分离忭能和实验数掘星本吻合。 毛羽，庞磊， 孙仆，吴德飞1 3 3j x , f k 一校犁和雷诺廊力模掣进行石j f 究，发现k 一 内部绀构变形对旋风分离器性能影响的数值仿寅研究 模型在计算旋风分离器是时误差较大，不适合计算旋风分离器中的强旋流流动，而雷诺 应力模型可以对旋风分离器的强旋流流动做出较为精确的预测，计算得出的切向速度、 轴向速度以及压力分靠均与实测值吻合较好。 通过上面文献中的研究可知，对于旋风分离器内流的计算，很多研究采用各种修正 的k f 模型，主要是由于这种模型比较简单、计算量小、易收敛。如果对计算结果要 求不十分苛刻，这种模型还是能够接受的。但通过文献来看基于涡粘性假设的双方程 k e 模型及各种修正的k s 模型不能反映湍能的各向异性的特点，而雷诺应力模型可 以做出精准的数值计算结果。雷诺应力模型( r s m ) - 与k 一模型的最大区别主要在于它完 全摒弃了基于各向同性涡粘性的，包含了更多物理过程的影响，考虑了湍流各向异性的 效应，在很多情况下能够给出优于各种模型的结果。因此，为了准确研究旋风分离器内 部各向异性流场和分离效率，本文采用雷诺应力模型进行计算。 1 3 旋风分离器损坏情况介绍 1 3 1 断裂 断裂也是旋风分离器破坏的主要形式。焊接结构脆性断裂主要决定于工作温度、缺 陷尺寸、应力、材料韧性以及焊接的因素( 如焊接残余应力、变形、焊接错边等) 。其 中，高温下s 相的大量析出，引起焊缝韧性下降以及热裂纹是造成焊缝断裂的主要因素。 文献中有大量关于焊缝断裂的实例，如某厂1 3 4 1 1 2 0 万t a 重油催化裂化装置，采用 超稳分子筛催化剂提升管反应，二段再生新工艺，并配有烟气能量回收系统和外取热器。 该装置于1 9 9 6 年9 月2 7 只建成投产不到1 0 个月的时问里，先后被迫停工5 次，而每 次停工都因旋风分离器料腿的断裂所致。第一再生器( 以下简称一再) 内有6 组旋风分离 器，每组包含一、二级旋风分离器各1 个，旋风分离器的1 2 根料腿均在一再的简体内 部。第二再生器( 以下简称二再) 有3 组旋风分离器，每组包含一、二级旋风分离器各1 个，其中二级旋风分离器的料腿由上封头插入二再内部，一再、二再设计参数见表1 ， 操作介质为催化剂和烟气，设计材料均为0 c r l 8 n i 9 t i 。一级旋风分离器料腿用 0 c r l 8 n i 9 t i 钢板卷制而成，材料规格4 2 6 m m x l o m m 。二级旋风分离器料腿是同本进口 无缝钢管s u s 3 2 1 t p ，规格为3 2 5 m m x l o m m 。 表1 1 再生器设参数 t a b 1 1p r o f i l e so f o p e r a t i o no ff i r s tr e g e n e r a t o rc y c l o n es e p a r a t o r 第1 次停工因一再内料腿断裂，下部有局部熔化，断裂l j 位于焊f i 第2 次龟第5 8 人造理1 人学硕十。学付沦文 次均因二冉内料腿断裂，断裂口位于中上部。 1 3 2 升气管与简体直段的同轴度对旋风分离器的影响 前郭炼油厂催化裂化装胃【3 5 l 于1 9 9 0 年投产以柬，由于再生器瞬i 日j 超温现象时有发 生，升气管因顶板变形而倾斜，其轴线与旋风分离器简体轴线交叉。在分离空间内，内 外旋流应有良好的对称性。当升气管倾斜后，下口中心偏离旋风分离器简体轴线，同轴 度偏差达2 7 r a m ，远远超出规定的同轴度误差( 3 r a m ) 。升气管偏移后使升气管下口处 的流场产生偏心，内旋流叠加，造成内旋流涡核不稳，使己分离在外壁上的催化剂粉尘 重新被气流卷入内旋流而从升气管逸出。因此说，升气管与旋风分离器筒体的轴线交叉 是旋风分离器效率下降的主要原因。 1 9 9 8 年设备大检修期间，对3 组一、二级旋风分离器同轴度进行了测量，其结果见 表1 2 ，表1 3 。 表1 2 一级旋风分离器同轴测量结果 t a b 1 2r e s u l to fm e a s u r ef i r s tc y c l o n es e p a r a t o rc o a x i a l i t y 表1 3 一级旋风分离器同轴测量结果 t a b 1 3r e s u l to fm e a s u r es e c o n ds e p a r a t o rc o a x i a l i t y 从以上测量数据中不难看出，同轴度的偏差值严重超标。由于气体出口管与筒体直 段的同轴度偏差太大，进入旋风分离器内的央有粉尘的油气在简体上部形成涡流，不利 于粉尘的分离沉降，而直接从升气管下口短路跑掉，造成催化剂大量消耗。 从以上案例可看出，旋风分离器在生产运行过程中发生的变形，甚至变形导致失效 的情况是非常常见的，因此本文就针对这种旋风分离器运行过程中非人为的结构改变作 为研究对象，以考察这些变形形式对旋风分离器分离件能的影l 忆总结出规律，对涉及 旋风分离器的，1 产检修具有指导意义。 内部结构变形列旋风分离器性能影响的数值仿寅研究 1 4 前人对旋风分离器内部变形和改进的研究 ( 1 ) 梁朝林i lj 将旋风分离器内壁外管增设螺旋翼片扩展型椎体改为悬挂挡板，改进后 的旋风分离器分离效率提高而且压力降增加不多； ( 2 ) 赵兵涛，沈恒根，张吉光【2 】j 奇旋风器常规单进口结构优化，改为带有渐缩回转通 道形式双进口对称结构，对实现旋风器降阻增效、有效提高性能是可行途径。他们还采 用双进口结构，阻力下降3 3 0 6 ，分割粒径下降4 0 3 4 ，流场轴对称性较好，旋风分离 器总体性能优于常规单进口旋风器。 ( 3 ) 张海红【3 魄出了套管排气的旋风分离器新结构，与普通旋风分离器的流场相比， 套管排气管型旋风分离器内的离心力场增强，有利于颗粒的分离。而总压分布整体上也 偏大，同等操作情况下需要较大的能耗：由于它能同时分离出两种净化气体和一种被捕 集的固体颗杠，故可以用于分级处理工序中。 h ) 苏虎1 4 】旋风分离器的中心简长度和入1 2 1 形状进行了研究。中心筒缩短的结果表 明：相比原型有一定程度改善：虽压降有一定程度降低，但同时降低了分离效率。筒径 增大后的结果表明：入口速度的降低使旋风分离器内流场分布得到较大改善，入口区域 无涡流现象；气流的旋转中心与分离器几何中心吻合良好；流场的分布较有规律。虽分 离器的压降低于原型，但同时降低了分离效率。入口形状的改变表明：入口速度降低使 旋风分离器内流场分布良好，入口区域无涡流现象：气流的旋转中心与分离器几何中心 符合良好；流场的分布较为均匀，阻力降低；同时旋风分离器的分离效率得到了明显提 高，由原型，表明入口形状的合理设计对于旋风分离器十分关键。 ( 5 ) 时铭显，吴小林【5 】对旋风分离器料腿漏风现象进行了实验研究，结果表明其影响 明显不可忽视。 通过查阅大量文献，发现关于旋风分离器在生产过程中的内部结构变形的研究是很 少的，目前对旋风分离器的升气管倾斜的情况的研究还未见报道，对旋风分离器底部漏 气的研究也很少报道。通过对大连石化公司催化旋风分离器的多次现场调研，发现上述 两种情况在旋风分离器的运行过程中还是非常常见的。 1 5 本文研究的目的和主要任务 1 5 1 本文的研究目的 旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动，使固体颗粒在离，1 5 , 力的作用下从 气流中分离出来的设备。由于它结构简单、设备紧凑、无相对运动部件、价格低廉、操 作维修方便，且可以满足不同生产中的特殊要求，因而成为最常用的一种分离设备，已 被广泛地廊用于气体净化、固体颗札的分离回收、环境保护等方面的工作，尤其在炼油、 化工方面，旋风分离器经常被用丁催化剂的回收。 通过收集的大量文献，发现州内外对旋j x l 分离器结构的变化研究很多，各种改进描 1 0 人近理1 人学硕i r 位论文 旌也很多，但是对于旋_ 1 ) 吨分离器在运行过程中的内部结构变形的研究还是非常少。旋j x l 分离器尤其是石油化工企业使用的高温旋风分离器在使用过程中的内部结构变形是经 常出现的，本文针对这种旋风分离器运行过程中内部结构改变作为研究对象，以考察这 些变形形式对旋风分离器分离性能和流场的变化，总结出规律，对发生内部结构变形的 旋风分离器的生产检修具有指导意义。 1 5 2 本文的主要任务 目前，旋风分离器在生产过程的内部结构变形非常常见。本文对旋风分离器生产 运行中的常见变形形式进行数值模拟，开展的具体工作如下： ( 1 ) 选择适合旋风分离器的数值计算方法，并对网格密度的无关性进行验证； ( 2 ) 考察旋风分离器的气相流场，及分离效率； ( 3 ) 考察旋风分离器在升气管发生倾斜的情况下分离效率以及内部流场的变化； ( 4 ) 考察旋风分离器在底部发生漏气情况下分离效率及内部流场的变化。 人辽理1 人中硕十宁何论文 第2 章计算模型和数值方法 2 1 前言 要对旋风分离器进行数值i 算，首先要建立计算模型和选择计算方法，本章建茳了 计算的基本模型，并选定了计算方法。 2 2 本文的计算模型 2 2 1 计算模型的尺寸 由于实验条件的限制，本文未能进行实验研究，为解决这一问题，本文采用与文献 【3 6 】相同的模型尺寸，以验证本文的计算结果可靠性。 a = 9 5 m m ，b = 3 8 m m ，c = 9 5 m m d = 6 4 m m ，d = 1 9 0 m m ，h = 7 6 0 n l m h = 2 8 5 m m ，s = 7 2 5 m m 图2 1 计算模型尺寸 f i g 2 1s c h e m a t i co f c o m p u t a t i o n a lm o d e l 排尘口直段长5 0 m m ，狄斗圆锥段长5 0 m m ，灰斗圆杜段长l o o m m ，直径1 5 0 m m 。另 外，将升气管外管段定为l o o m m 。为了减小误差，将扶斗包括在计算范围之内，但为了 减小计算量，对灰斗进行了简化。 i = i 部结构变形对旋风分离器性能影响的数值仿寅研究 2 2 2 网格的划分 图2 2 网格划分 f i g 2 2m e s hu s e di nt h e s es i m u l a t i o n s 图2 2 为计算网格的划分。要对进行流场的数值计算，需要将所要计算的空i 日j 或区域 离散化，区域的网格化是把微分方程离散化并奠定数值求解的基础，网格化的方式将直 接影响到方程离散化的难易，影响计算速度和所需的内存，并影响数值解的收敛性和准 确性。由于本文的主要任务是计算升气管倾斜情况和旋风分离器底部有漏气情况，这两 种变化都出现在旋风分离器的轴线附近，因此本文特地将轴线附近的区域进行了网格加 密。考虑边界条件的离散化，希望网格线与物理区域的边界线正交，以利于准确地计算 边界上的物理量，因此本文选用下交性较好的六面体网格进行计算。 本文尝试了十余种分体方法对旋风分离器进行网格划分，选定种较好的网格划分 方式。 1 4 人近理l ：人宁硕十尹仿论文 22 3 本文用到的截面 厂x z r f f z 队 群o 图2 3 倾斜方向及角度示意图 f i g 2 3p i c t u r eo fi n c l i n eo r i e n t a t i