旋风分离器压降及分离效率计算模型
2022-05-04
来源:华拓网
2014年第21卷第3期 化工生产与技术 Chemical Production and Technology ・5 1・ 旋风分离器压降及分离效率计算模型 于洲 马春元 (山东大学,燃煤污染物减排国家工程实验室,济南250061) 摘要介绍了旋风分离器的基本工作原理和主要用途.以及旋风分离器的主要改进与发 展方向,叙述了旋风分离器压降和分离效率的理论计算模型,并对不同模型进行了相应的 分析及比较。对未来旋风分离器的应用和性能进行了展望。认为未来旋风分离器的改良将 向着在标准旋风分离器上添加额外部件的方向发展.改进型旋风分离器将打破旋风分离 器技术不能有效分离5 m以下粒径颗粒的传统限制。 关键词 旋风分离器;计算模型:压降;分离效率 中图分类号TQ032.41 文献标识码A DOI 10.39696.issn.1006—6829.2014.03.013 旋风分离器由于其较低的制造和维护成本.稳 定可靠的分离性能从面世以来就在诸如火力发电 厂、焚烧厂、矿石冶炼厂、砂厂、水泥厂和粉体加工厂 等领域发挥着举足轻重的作用。从1886年0 Morse 获得第1个旋风分离器专利以来,旋风分离器技术 已经经历了100多年的发展,Eugan FeifeI、C J Stairmand、Water Barth和Edgar Muschelknautz等人 的重要贡献使人们对分离过程有了逐渐深入的理 解。随着相关领域日益苛刻的分离要求.旋风分离器 经历着不断的发展提高.但对于旋风分离器来说,装 置的压降和分离效率仍是最重要的2个技术指标。 本文总结了旋风分离器主要的改进方向以及具有代 表性的装置压降和分离效率的理论计算方法,展望 了未来旋风分离器的应用与性能。 1 基本结构和分离原理 图1 旋风分离器结构 Fig 1 Structure of cyclone separator 对于标准的逆流旋风分离器,通过入口结构的 设计迫使气流切向进入旋风分离器内产生旋转运 动。入口一般为如图1所示的矩形截面。 2 发展方向 气流在作旋转运动的同时沿分离器的外侧空间 近几十年来,工业发展的相关要求,传统旋风分 向下运动。通常将分离器的流型划分为“双旋涡”,即 离器已逐渐难以满足相关领域日益苛刻的要求,大 轴向向下运动的外旋涡和向上运动的内旋涡。净化 批学者积极从事旋风分离器性能改进方面的基础研 气体经过升气管排出.升气管为分离器顶板中心向 究.这些工作基本上可以分成2部分,一方面改进旋 下延伸部分。除了将排气管称作升气管外,还有其他 风分离器的配置和几何尺寸,如Stairmand进行了高 一些叫法,有时还常称为芯管。人口气体中的含尘颗 效旋风分离器的尺寸改进设计,时铭显等人进行了 粒在分离器内离心力场作用下向边壁运动,同时由 一系列基本结构尺寸原始优化工作,Hsiao等人也在 边壁附近向下运动的气体将其带到分离器排尘口。 前人的基础上优化了升气管长度和简体几何尺寸, 收稿日期:2014—04—12 .52. 于 洲等 旋风分离器压降及分离效率计算模型 综述 Su等人对筒体进行了改造,研究了方形旋风分离器 的流场及分离特性。Arkadiusz kepa进行了大尺寸工 业级旋风分离器的尺寸优化研究[1-41。 然而大量的研究表明,仅仅对装置的结构尺寸 进行优化.难以满足对微细颗粒物13益严苛的分离 要求。因此,另外一批学者开始进行在旋风分离器中 加入额外部件的相关研究,如Chmielniak和 Bryczkowski设计了一种加入动态转子的轴流顺流 式旋风分离器,并进行了试验和理论研究,得出了相 应的分离效率及装置压降[5-61。Ray等人在排气管的 上部设置了一个后旋风分离装置,能够收集从排气 管逃逸的部分颗粒[71。Jiao等人也对动态旋风分离装 置进行了一系列的研究.得出了几何系数与分离效 率的关系,并模拟了流场分布[8-91。Brouwers等人在普 通旋风分离器上添加了密排毛细管、同心圆管、密排 抛物线管等结构.设计了一种旋转颗粒分离装置,并 研究了理论和实验分离效率以及旋转与固定部件之 间的密封情况 21。国内学者陈海焱将旋风分离器 的排气管改为旋转涡轮,用电机带动涡轮旋转,做成 一种最简单的动态旋风分离器口31。同时中国石油大学 (北京)也进行了管式转子和叶轮式转子的研究 旧。 这一系列的研究工作,大幅度的提高了旋风分 离器对于粒径5 m以下细粉的分离效率l】61。因此, 旋风分离器未来的主要发展方向将集中在对旋风分 离器中加入额外部件的相关研究上。 3理论计算模型 尽管随着科学技术的发展,旋风分离器已不局 限标准逆流这一基本形式,但标准逆流式旋风分离 器仍然占有市场主导地位.且多数改进构型以此形 式为基础,因此对于标准旋风分离器的研究仍有其 现实意义。旋风分离器最主要的技术指标为装置压 降和分离效率,通过理论计算的方法预先得出装置 的压降和分离效率一方面能够更好的指导工农业生 产;另一方面也能推动旋风分离器优化设计,最终达 到提高经济性的目的。下面对现有的.广泛使用的, 压降和分离效率的理论计算模型进行了综述。 3.1 压降理论计算模型 旋风分离器压降主要通过量纲分析的方法来研 究,无量纲的压降系数 习惯上以入El速度为参照 来进行定义,其主要与旋风分离器几何机构、进口弗 劳德数疗 、进口粉料质量浓度P 、进口雷诺数尺e 和固气密度比相关。 ;2△p【/ ∥i2) geometry,Fro,P ,Re ,p 。(1) 在多数情况下,旋风分离器运行时,装置内的气 流为湍流状态,因此装置的 e 基本上接近于某一 个特定值,因此可以忽略雷诺数对于装置压降的影 响 ;而对于Fr。(= i2/(gDo))和JD 来说,对于特定的 旋风分离器在特定的操作工况下运行时,以上2个 参数的变化对于压降的影响也可以忽略不计。因此 对于旋风分离器压降的影响主要剩下2方面:装置 的几何结构和进口粉料含量。因此压降系数可以化 简为公式f2): 《 £。 (2) 为纯气体情况下装置的压降,经验公式如表 l所示;而 可以看作是当粉料含量较高时,对装置 压降的修正系数。 表1式(3)~f7)总结了目前广泛使用纯气体压降 系数公式,其中部分公式为简单的经验公式例如公 式f3)和公式(7),也有诸如Barth方法的较为复杂的 计算方法。Barth模型本质是建立在耗散损失基础上 的模型,他把旋风分离器的压降分为3部分,人口、 旋风分离器本体和升气管,而人口压力损失可以通 过合理设计的方法减小,本体压降是根据摩擦面积 概念进行计算,从表1的 理论计算汇总实际的计 算结果来看,本体部分的压损比升气管的压损小1 个数量级。而Muschelknautz和Kambrock方法则在 一定程度上借鉴了Barth方法。 通过对诸多压降计算方法的对比,笔者发现一 些压降理论方法的推导前提是水利光滑的旋风分离 器在高雷诺数、常温和低粉料含量的情况下运行,而 在此情况下, 成为一个只与几何结构相关的系数。 显然这种推导的前提是存在局限性的,而Alexander 则考虑了温度变化对气体黏度的影响。另外Banh 以及Muschelknautz和Kambrock在旋风分离器压降 的计算中引入壁面粗糙系数,完善了计算。 而当粉料含量较高时,粉料含量会对装置压降 产生一定的影响,因此需要考虑 修正系数。在通 常情况下 ≤1,所以高的粉料含量会降低旋风分 离器的压降,一般来说当粉料的质量分数超过25~ 50 时需要考虑修正,主流的理论公式综述在表 2中,通常把 表示成只与进口粉料质量浓度 相 关的方程。 3-2分离效率理论计算模型 分离效率理论计算公式汇总于表3中。 一般在进行分离效率理论计算过程中首先默认 进行了如下假设[3Ol:11重力场与离心力场相比忽略 不计;2)气体密度与颗粒密度相比忽略不计;3)颗粒 2014年第21卷第3期 化工生产与技术 Chemical Production and Technology ・53・ 表1 旋风分离器压降系数 理论计算汇总 Tab 1 The theoretical calculation summa ̄of pressure drop coefifcient靠of cyclone separator Banh【 =Ag)=( a b (5) 3.41< <4.4 鲁(壶A(H-S))2 /Jt e)2) = 等 ( ) +( ) 《 Muschelknautz和 (6) 切向入口和蜗壳入口 流场根据Barth模型 A=Ag≈0.006 2+3( ) +‘ Ute) Casal等f2 1 =l1.3( )。+2_33 (7) 表2粉料质量浓度压降修正系数 理论计算汇总 Tab 2 The theoretical calculation summa ̄of pressure drop coefifcient of correctiont∈s of powder mass concentration .54. 于 洲等旋风分离器压降及分离效率计算模型 综述 表3分离效率理论计算公式汇总 Tab 3 The summary of theoretical calculation formula 置.以及化学品制造领域,例如塑料、高弹体、聚合物 加工。 the separation efficiency m r/一1-ex D.Clif修正 [l一 嚣c一 一l — 厂£一f]( 14 tres= qv 为球形且颗粒的尺寸和相对速度符合斯托克斯定 律:41相对速度是完全径向的。旋风分离器的分离效 率的理论分析主要可以分为2种思路Barth的平衡 轨道模型和Lapple的停留时间模型,通过2种模型 计算得出的切割粒径代入分级效率曲线函数中: 77F一— —— 。 (15) 1+( 5o/x ) 式中,m的取值,对于设计和制造的比较好的旋 风分离器一般取为6.4,而对于那些大尺寸、内壁有 衬里或是实验室设计和制造的比较粗糙的旋风分离 器一般取为2~41 1 Baah的平衡轨道模型的中心思想就是旋风分 离器中颗粒所受到的向外的离心力和向内的(斯托 克斯)阻力平衡.而在离心力的计算过程中忽略了气 体密度。而Lapple的停留时间模型则是假设颗粒到 达旋风分离器底部所需的时间等于颗粒到达器壁所 需的时间,在计算的过程中引入了 表示颗粒旋转 运动到旋风分离器底部的旋转圈数。之后根据停留 时间模型又发展出了Leith和Licht模型,并经过了 Clif修正,该模型不再仅仅考虑单颗粒移动,而是对 整个颗粒群进行分析,在模型推导过程中认为颗粒 在径向是完全混合而在轴向则不发生混合。 4结语与展望 对旋风分离器压降和分离效率的理论计算模型 进行了全面综述,并指出未来旋风分离器的改良将 向着在标准旋风分离器上添加额外部件的方向发 展.改进型旋风分离器将打破旋风分离器技术不能 有效分离5 m以下粒径颗粒的传统限制。旋风分 离器分离效率的提高,旋风分离技术将更加广泛的 应用在石油和天然气领域,例如流化、催化、裂化装 符号意义 口.进口高度; A ,旋风分离器内部摩擦面积; b,进口宽度; ,旋风分离器本体直径; D。,升气管直径; ,Alexander压降模型参数; n。,进口弗劳德数,Fr= v(gOc); H,旋风分离器总高度; K.Barth压降经验模型系数; p,压力; Re ,旋风分离器雷诺数,Re :D P ; S,升气管高度; t ,空气停留时间; 丁,绝对温度; ,旋风分离器容积; q ,体积流量; i,进口气速; ,人口涡旋切向速度; ,边壁速度; ,升气管轴向气速; 颗粒粒径; 加,颗粒切割粒径。 希腊字母: 孔隙率; 钾,总分离效率; ,粒径 的分级分离效率; A,摩擦因子; ,气体动力黏度; P ,气体密度; P ,固体密度; P 进口粉料质量浓度; 靠,旋风分离器压降因子; ,旋风分离器排气管压损系数。 下标: b,旋风分离器本体; c,旋风分离器; e,升气管; g,气体; i.进口: S,固体; t,切向; W,壁面。 2014年第21卷第3期 化工生产与技术 Chemical Production and Technology ・55・ 参考文献 【1】Shi M,Sun G,Wang Y,et a1.Proceedings of the of Sixth World Filtration Congress]C].Nagoya,Japan,1993:469-473. 【2】Hsiao T C,Chen D,Greenberg P S,et a1.Effect of geometirc configuration on the collection eficiency of faxial lfow cyclones 2O05. 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