（化工过程机械专业论文）旋风分离器高温分离模型的实验研究.pdf

摘要 旋风分离器的分离理论是关于分离器内气圆分离过程的物理描述和数学表示。至 今，已有许多学者相继提出了多种分离理论，并形成了相应的气露分离模型。但是，以 往的分离理论大多未考虑颗粒间的相互作用，且对高温旋风分离器分离性能的预测偏差 较大。颗粒进入旋风分离器后，由于流体对颗粒的作用、颗粒间的相互作用以及外加力 场的作用，相邻颗粒间可能会发生碰撞团聚，进而对气固分离过程产生影响。 本文通过循环加料实验，不仅验证了旋风分离器内颗粒碰撞与团聚现象，而且研究 了入瑟浓度、入暖气速、温度等对颗粒碰撞与团聚效应以及分离性能的影嚷规律，并发 现：颗粒碰撞团聚有利于细颗粒的分离，尤其在嵩入瑟浓度下，颗粒碰撞臻聚对分离过 程的影响是不可忽视的；任何一个颗粒的分离都是由离心力和颗粒碰撞团聚机制控制 的。 通过对旋风分离器内颗粒运动的分析，指出：颗粒碰撞与团聚现象主要存在于入口 环形空间内，且以惯性碰撞团聚与拦截碰撞团聚为主。在此基础上，建立了入口环形空 闻内颗粒碰撞与团聚模型。 基于对旋风分离器痰颗粒碰撞与团聚的实验研究和理论分析，结合d i e t z 三区分离 模型，建立了包含颗粒碰撞团聚效应在内的新的气固分离模型。新模型认为，旋风分离 器内气固分离主要由离心力和碰撞团聚等作用控制，粗颗粒的分离主要考虑离心力作 用，细颗粒的分离主要考虑碰撞团聚作用，对于粗、细颗粒之间的中等粒度的颗粒，则 需综合考虑各种作用对分离效率的影响。 关键词：旋风分离器，分离模型，高温，颗粒碰撞，团聚 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ns e p a r a t i o nm o d e l o fh i g h t e m p e r a t u r ec y c l o n es e p a r a t o r s h o uo u a n 黔j n ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) a b s t r a c t t h es e p a r a t i o nt h e o r yi st h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no ft h eg a s - s o l i d s e p a r a t i o np r o c e s si nc y c l o n es e p a r a t o r s 。u n t i ln o w , m a n ys e p a r a t i o nt h e o r i e sh a v eb e e n p r o p o s e d ，a n dl o t so fs e p a r a t i o nm o d e l sb a s e do nt h es e p a r a t i o nt h e o r i e sh a v ea l s ob e e n e s t a b l i s h e d b u ti nm a n ys e p a r a t i o nt h e o r i e st h ee f f e c to fi n t e r a c t i o n sb e t w e e np a r t i c l e sh a s n o tb e e nc o n s i d e r e da n dt h ep r e d i c t i o no ft h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fh i 曲t e m p e r a t u r e c y c l o n es e p a r a t o r si sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h ea c t u a lv a l u e h o w e v e r , a d j a c e n tp a r t i c l e sm a y c o l l i d ea n dh e n c ea g g l o m e r a t ea f t e re n t e r i n gac y c l o n es e p a r a t o r , w h i c hh a sa l li n f l u e n c eo n t h ep a r t i c l es e p a r a t i o np r o c e s s 。 i nt h i s p a p e rt h ep h e n o m e n o no fp a r t m ec o l l i s i o n a n da g g l o m e r a t i o n i nc y c l o n e s e p a r a t o r si sc o n f i r m e db yac y c l i ct e s t t h ee f f e c t so fd u s tc o n c e n t r a t i o n , i n l e tv e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r eo np a r t i c l ec o l l i s i o na n d 删o m e m f i o na n dc y c l o n es e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea r e e x p e r i m e n t a l l yr e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tp a r t i c l ea g g l o m e r a t i o nc a ni n c r e a s et h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ff i n ep a r t i c l e t h ep a r t i c l e c o l l i s i o na n da g g l o m e r a t i o nh a v ea n i n f l u e n c eo nt h ep a r t i c l es e p a r a t i o np r o c e s s ，w h i c hc a l ln o tb es i m p l yi g n o r e d ，e s p e c i a l l ya t 越g hd u s tc o n c e n t r a t i o n 。t h es e p a r a t i o nm e c h a n i s mi nc y c l o n es e p a r a t o r si sm a i n l yc o n t r o l l e d b yt h ec e n t r i f u g a lf o r c ea n dt h ep a r t i c l ec o l l i s i o na n da g g l o m e r a t i o n t h ea n a l y s i sa b o u tt h em o v e m e n to fp a r t i c l e si nc y c l o n es e p a r a t o ms h o w st h a tt h e p a r t i c l ec o l l i s i o na n da g g l o m e r a t i o nm a i n l ye x i s ti nt h ea n n u l a rs p a c eo fc y c l o n e p a r t i c l e a g g l o m e m f i o nd u et oi n e r t i a lc o l l i s i o na n dp a r t i c l ei n t e r c e p t i o ni sd o m i n a n ti nt h ec y c l o n e a m o d e ld e s c f i b i n gt h ei n f l u e n c eo fp a r t i c l ea g g l o m e r a t i o no nt h es e p a r a t i o np r o c e s si s t h r o u g ha ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a l l ya n a l y s i so np a r t i c l ec o l l i s i o na n d a g g l o m e r a t i o ni nc y c l o n es e p a r a t o r s , an e wg a s s o l i ds e p a r a t i o nm o d e lw h i c ht a k e si n t o a c c o u n tt h ei n f l u e n c eo fp a r t i c l ec o l l i s i o na n da g g l o m e r a t i o ni se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so f d i e t z st h r e e - r e g i o nm o d e l 。a c c o r d i n gt ot h i sn e wm o d e l , t h es e p a r a t i o nm e c h a n i s mi n c y c l o n es e p a r a t o r si sm a i n l yc o n t r o l l e db yt h ec e n t r i f u g a lf o r c e ( f o rc o a r s ep a r t i c l e s ) a n db y t h ep a r t i c l ec o l l i s i o na n da g g l o m e r a t i o n ( f o rf i n ep a r t i c l e s ) k e yw o r d s ：c y c l o n es e p a r a t o r s ，s e p a r a t i o nm o d e l ，h i g ht e m p e r a t u r e ，p a r t i c l ec o l l i s i o n , a g g l o m e r a t i o n 主要符号表 旋风分离器入口高度，m 旋风分离器入口宽度，i l l 旋风分离器入翻浓度，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 旋风分离器筒体直径，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 初始加料量，蚝 第歹次循环加料捕集下来的粉尘质量，姆 最终捕集粉尘质量，堍 溯点静噩，p a 旋风分离器入墨流量，m 3 s 旋风分离器排气管的下墨半径，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 口 6 q西露d b 眈g 巧 鸩 弓q 乙 f 乇 k k 如料时闯，s 阻力系数 总分离效率 第，次循环加料的分离效率 离心力作用引起的分离效率 颗粒间碰撞与团聚作用引起的分离效率 惯性碰撞导致的团聚效应 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 惯性碰撞系数 捕集粉尘质量差值，埏 循环加料实验效率增加值 注：带波浪线“一 的物理量为无量纲量，其它符号定义见正文 、，i i i 爹 爹穆 珑 巩 玑 仇胁 所 以 纵 矿 撕 卸 咿 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所里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骧。 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：垒譬主锰 圈期：2 。肄月乙医 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，按规定向困家有关部门( 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阕上。 学位论文作者签名：垒终主簋 指导教师签名l醢建盘 ，、， 嚣糍：d 哆y 年6 舅0 日 翻期：硼粤年参月 嚣 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究的背景与意义 第一章前言 旋风分离器是裂震含尘气体旋转时浙产生薛离心力将粉尘从气流孛分离逡的一种 千式气固分离靛置。旋风分离器用于工业生产已有百余年历史。与其他气固分离设备相 比，由于其结构简单、造价低廉、便于操作与维护等优点，现已在石油化工、食晶、医 药、霾j 嚼化工以及冶金等行业孛褥裂广泛应用。 常温旋风分离器的分离理论、分离模型以及性能的研究已经较为成熟，相应的设计 方法也较为完善，荠已广泛应尾于工业气固分离过程。但是，近几年来，整体煤气化联 合循嚣i g - c c ( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ) 秘增压流化床联合循环p f b c - c c ( p r e s s u r i z e df l u i d i z e db e dc o m b u s t i o nc o m b i n e dc y c l e ) 等先进燃煤联合循环发电系统 的发展对除尘技术提出了新靛挑战。为了减少固体颗粒对系统中燃气轮枫叶片的商速冲 蚀与高速熔蚀，要求对进入燃气轮祝的高温气体除尘。燃气翡净化程度是影晌燃气轮机 安全运行及其寿命的关键因索，而高温除尘则是确保i c r c c 和p f b c - c c 能否过关的一 颈关键技术。 长蓑以来，置蠢外对高温除尘进行了较秀广泛鹃研究，并发了多种高温除垒技术， 例如旋风除尘、高温过滤、颗粒层除尘及静电除尘技术等。其中，旋风除尘技术由于具 有结构简单、耐高温及运行赞惩低等优点，是高温除尘中值得推荐的预除尘设备。但是， 豳予旋风分离器蠹流场本身的复杂性，褥翱主高温的因素，截止到露前，入稍还未对高 温条件下旋风分离器内气固两相流动和分离规律有一个比较清晰的认识，尚没有适用于 高温条件下的分离模型，王般瘟震中高溢条件下旋风分离器的设计仍仅停蟹盔常温的理 论和经验上，因此高温嫠风分离器分离模型的研究具有十分重要的意义。本课题就是在 这一背景下提出的，它依托圈家重点基础研究计划项目“适用于双气头多联产系统的煤 犬翘模气化的王程基础研究，匿的是深入探究高温离浓度旋风分离器憋分离视；理。 旋风分离器内是复杂的三维渍流脉动场，颗粒进入旋风分离器盾由于布朗扩散、湍 流扩散以及重力、离心力的存在，加上浓度、压力和温度梯度等因索的影响，相邻颗粒 可麓会发生碰撞、糙附甚至团聚，从而影响蓟旋风分离器的分离性携。旋风分离器内颗 粒阉的穗互柞爝对分离过摆起着不可忽略的作矮，但是以往的分离模型，鲡沉降分离理 论、平衡轨道分离理论以及边界层分离理论等，都是建立在低入口浓度的前提下，均未 第一章前言 将颗粒问的横互作用考虑在内。 基于以丘分析，本文从颗粒闻的碰撞与团聚现象着手，通过对旋风分离器气固两相 流中颗粒碰撞与团聚现象的实验研究，尤其是在考虑温度因素的影响下，分析颗粒碰撞 与团聚对旋风分离器分离性能的影响规律，同时结合理论分析，提搬包含颗粒碰撞团聚 效应在内的新的旋风分离器分离模型，为高温旋风分离器的设计和应用提供指导。 1 2 课题研究的主要内容 本文通过理论分析和实验研究，重点探讨旋风分离器内颗粒碰撞与团聚现象，在此 基础上，结合经典的分离模型，建立包含颗粒碰撞团聚效应在内的新的分离模型。本文 的主要内容如下： ( 1 ) 研究旋流场内颗粒协同效应对分离性能的影响，分析颗粒群间的关联作用， 包括颗粒的碰撞、颗粒的团聚、粗颗粒对细颗粒的捕集等作用机制，为旋风分离器精确 分离模型的建立提供依据。 ( 2 ) 对旋风分离器内颗粒的主要碰撞团聚形式进行分析，建立旋风分离器内颗粒 碰撞与团聚模型，用以计算颗粒碰撞团聚对旋风分离器分离性能的贡献。 ( 3 ) 对旋风分离器现有分离模型进行比较研究，结合对旋风分离器内颗粒的碰撞 与团聚的实验研究和理论分析，建立适用于高温条件下的包含颗粒碰撞团聚效应在内的 旋风分离器分离模型。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学使论文 2 1 旋风分离器研究概况 第二章文献综述 旋风分离器自1 8 8 5 年申请专利投入工业运用以来，至今已有一百多年的历史。与 其他气固分离设备相比，它具有结构简单、造价低廉、便于操作与维护等优点，现己在 石油化工、食品、医药、日用化工以及冶金等行业中得到广泛应用。旋风分离器的典型 结构型式如图2 1 所示，它由切向入墨、霉筒及圆锥体组成的分离空间、净化气排出管 及捕集颗粒排出口等几个部分组成f l 】。 圈2 - 1 旋风分离器结构简圈 r i 9 2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fac y d o n es e p a r a t o r 旋风分离器是利用旋转气流的离心力将气固两相流中的固体颗粒甩到器壁，达到气 固分离的一种分离装置。以切向进气旋风分离器为例，其分离过程为：含尘气流以较高 速度经迸气管沿切向进入分离器后，气流在圆筒体与排气管闻的圆环内作旋转运动，在 到达锥体底部后旋转向上，最后经排气管排出；较大的尘粒随气流进入分离器后由于离 心力的作用脱离气流轨道撞向外筒壁，在器壁上尘粒由于自身重力及气流的携带作用沿 器壁向下滑动，最后被收集，而较小的尘粒由于其受到的离心力较小，将随气流一起运 动并经排气管排出。 有关旋风分离器的广泛科学实验和理论研究始于2 0 世纪3 0 年代。1 9 3 0 年p r o c k a t 囝 首先溯定了旋风分离器的压降。1 9 3 9 年l a p p l e 圈首先对分离器内气流的运动提磁双涡模 型。1 9 4 9 年t e rl i n d e n t 4 1 l 最早对旋风分离器内流场作了系统的测定。此后，基于旋风分 3 第二章文献综述 离器内部流场的测定分析，并借助不断发震的流体力学提供的基础理论和电子计算机的 高速计算能力，不同学者相继提出了各种旋风分离器分离机理，如沉降分离理论、平衡 轨道理论、边界层分离理论以及分区理论等。但到目前为止，旋风分离器的分离机理还 很不成熟，尤其在高温条件下，用现有的分离理论估算出的分离效率值与实测值还有一 定的差距，至今未形成适用于高温条件下的旋风分离器分离理论，这也制约了高温条件 下旋风分离器的设计与应用。因此，研究高温条件下旋风分离器内流场的特点，分析旋 风分离器内颗粒的运动规律以及相互佟用机理具有重要的意义。 2 2 旋风分离器内流场的研究 旋风分离器内进行的是两相流，固体颗粒的运动在很大程度上取决于气流的运动， 所以登须从阐明气流运动入手来研究旋风分离器分离机理。但是，旋风分离器内流场是 复杂的三维湍流旋流场，理论和实验研究都十分困难，迄今尚无法完全从流体力学基本 方程出发求褥解析解。基蓠，旋风分离器的流场研究主要集中在全流场的测试 4 s l 6 - 1 7 l 和数值模拟 8 1 1 9 1 上，对旋风分离器内流场分布的主要形态和特征已得出了许多重要的结 论，现归纳如下。 2 2 1 旋风分离器内流场的特征 旋风分离器内流场是三维非轴对称湍流旋流场。如图2 一l 所示，在旋风分离器内气 流切向进入分离器的蜗壳环形空间，沿简体与锥体外侧旋转向下形成下行流；同时在筒 体( 主要是在锥体中心区域) 反转向上形成上行流，并经排气管向外排出；另有少量的 气体要旋入灰斗之后再反转向上与上行气流汇合。这是典型的有转折的双涡旋流结构， 内外旋流的旋转方向是相燕的，另外在主流上还伴有许多局部二次涡。豫l 涵& 毅网最早 通过实验对旋风分离器内气体的三维速度，即切向、径向和轴向速度、及全压和静压分 布( 图2 2 ) 提出了一种比较有代表性的理论。 ( 1 ) 切向速度1 ，本 在旋风分离器内，切向速度占主导地位，由它带动颗粒作高速回转运动，在离心效 应下被甩向器壁处而被分离出来，所以切向速度增大，分离效率会提高。它的典型分布 特点见图2 2 所示，切向速度分布的轴对称性较好，沿轴向衰减也很小，这是强旋流的 特点。在任意横截面上的分布分成内外两层旋流，外旋流是准自由涡，内旋流是准强制 涡1 国珏l 。内外旋流的分界处有最大的切向速度，分界点半径主要取决于排气管的下翻 4 中国石油大学( 华东) 硕士学饺论文 半径艺，与轴向位置盼关系不大，一般为：r t = ( 6 5 o 3 ) 气。 雕2 - 2 旋风分离器疼流场兰维速度分布 f i 9 2 - 2 t h r e e - d i m e n s i o n a lv e l o c i t yd i s t r i b u f i o ni nac y c l o n es e p a r a t o r ( 2 ) 轴向速度y ， 旋风分离器内的轴彝速度不仅沿径向上的分布较复杂，而且沿轴向上的变化也很 大，轴对称性不如切向速度，见图2 - 2 所示。在分离空间内，一般可将气流分为内侧上 行流和外侧下行流两个区域。上、下行流分界点的界面形状与旋风分离器的形状有关。 在圆筒体部分，此分赛蘧大致呈圆柱状，面在锥体部位，此分界面大致成霹锥状。外侧 下行流的气体流量沿轴向向下逐渐变小，最后约有15 4 0 会进入灰斗，把捕集的颗粒 沉降于灰斗内后再从中心返回到旋风分离器内。这部分返回的气流总会夹带一部分细颗 粒进入中心良上气流中，对分离很是不剩。另外，外侧下行流内的向下轴向气速一般总 是远大于颗粒的终端沉降速度，所以旋风分离器即使不是垂直放置也可顺利排灰。 ( 3 ) 径向速度1 ， 旋风分离器内的径趣速度一般要院切向速度小一个数量级，且大部分是向心的，只 在中心涡核处才有小部分的向外的径向流。径向速度的分布十分复杂，很难测准，在径 向上呈非轴对称性，在轴向上变化很大。 4 ) 局部二次流 除上述主流外，还有几处局部二次流，主要有( 如图2 3 所示) ： 环形空间的纵向环流。在旋风分离器顶板下面有一个流动缓慢的边界层，它的静 医随半径的变化眈强旋流巾的变纯为乎缓，予是促使外德静压较高的流体氲上瀛入此边 界层内，并沿边界层向内侧流动，遇到排气管外壁而转折向下，沿排气管外壁下行，从 5 龉南出生 m 黹 ， 第最一 、- 黼，l度叫j速，_向上切 第二章文献综述 其下日处进入排气管，形成所谓的纵隧环流。这种环流会把一部分已浓集在器壁处的颗 粒向上带到顶板处而形成一层“上灰环”，并不时被带入排气管内而降低分离效率。 排气管下口附近的短路流。排气管下口附近，往往有较大的向心径向速度，存在 短路流。短路流范围不大，但由于该处尚心径氲速度高达每秒几米，会夹带大量颗粒进 入排气管，对分离效率很不利。 圈2 - 3 旋风分离器内蜀都= 次瀛示意匿 v 瑰2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es e c o n d a r yf l o wi nac y c l o n es e p a r a t o r ( 1 上部纵向环流2 短路流3 偏心环流) 锥体下部鹄 尘墨附近酶偏流。进入灰斗的一部分气体在跌中心部位返回旋风分离 器锥体下端时，与该处高速旋转的内旋流混合，产生强烈的动量交换和湍流能量耗散， 使内旋流不稳定，其下端产生“摆尾”现象，形成若千个偏心的纵向环流，容易把已浓集 在器璧处的颗粒重新卷扬起来丽进入恕上的内旋流中，这种返混会大大降低分离效率。 2 2 2 操作条件对旋风分离器内流场的影响 ( 1 ) 入口气速 姬忠礼等翻逶过实验对不同入口气速下旋风分离器内速度分布进行了研究，发现： 切向速度随入口气速增大而增大，不同入口气速下的切向速度在外旋流区的分布曲线基 本平行，最大切向速度点位置不变；轴向速度的上、下行流的分界点位置不变时，分布 越线形态不变；径向速度分布形态也不变。若分离器流场进入自模区，流场魄分布形态 及规律不受入口气速的影响。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学假论文 ( 2 ) 气体温度 气体的温度首先是影响气体的粘度，气体粘度随着温度的升高而增大，5 0 0 c 时的 粘度为2 0 ( 2 时的2 倍。砧c x a n d 一1 刁发现旋风分离器旋流指数随温度的增加而降低，也 就是说，如果入1 2 1 气速保持不变，切良速度将会随温度增加丽减小；p a t t e r s o n 和m u n z n 】 也认为切向速度随着温度的升高而减小。随着温度增加，气体粘度的增加和旋风分离器 切向速度的减小，都不利予尘粒的分离。 2 3 旋风分离器分离机理的研究 由于旋风分离器内的气流及颗粒运动十分复杂，为简化起见，一些研究者对颗粒的 分离捺集机理作遗了一些假设，并形成了各种不固的分离理论。鞠前，典型的有转圈理 论、平衡轨道理论、边界层分离理论、分区理论等。 2 3 1 转圈理论 转圈理论是由类比平流重力沉降原理发展超来的。含尘气流进入旋风分离器后，颗 粒在离心力的作用下沉降到器壁所需要的时间和颗粒在分离器内的停留时间相等，由此 可计算出颗粒完全被分离的最小极限粒径( 临界粒径) 疋，及hk l , 粒径等于或大于如 的颗粒均能l 地被分离下来，以r o s i n ，r a m m l e r 幂 i n t e l m a n 1 3 】以及l a p p l e 瑟1 等为代表。 该理论将进入旋风分离器内气流假定为等速流，即气体严格地按照螺旋途径，始终保持 与进入时相同的速度流动，并假定粒子闻无相互作用力，且粒子随气流以恒定的切向速 度在分离器内运动，在离心力的作用下向舞作径向移动。 设颗粒被分离之前在器内共旋转阍，则颗粒在器内的停留时间： = 2 万气，毪 ( 2 - 1 ) 另设排气管外壁半径为匕，见图2 4 ，则颗粒从屹到达边壁分离层r 所需时间： t , - 鬲1 8 t 去e 争 协。 v o r ”= k ( 常量) ( 2 3 ) 令磊- t , ，得： d c l o o - = 老。上k 2 2 u ne 争 c 2 4 ) 7 第：章文献综述 露2 0 转匿理论示意蘸 残9 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h er o t a t i n gt h e o r y 由于不同学者对气体切向速度和停留时n t 的假设不同，就出现了不同的计算 式，觅表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 5 0 或磷瑚的表达式 r o s i n 1 3 1 等 2 庀l v 牡( r 2 一誓) (193i，篇h，￥ 2t ， 丸2 12 ，斟r p l 9 t ( r 一气) l a p p l e p 】 ，乙v 。v 。l 1 s 0 1 |2 勿v p e v l 珞2 哆， ( 1 9 5 1 ) y d a v i e s n 疑r2 刺 9 p r l 一斛- | (195， 坼2芋气2tl l 罅2 14 x n p l , v i l 震夕i 转圈理论往往和实际情况存在有一定差异，这是康于： ( 1 ) 该理论只考虑离心力对颗粒的作用，而忽略了向心流对颗粒的阻力。 ( 2 ) 认为颗粒的分离只是在圆柱段进行，而实际气体旋转将延伸到近锥顶，圆锥 长度对粉尘分离也有一定的佟月。 ( 3 ) 假设在半自由旋流区为等速流，即速度分布指数为零，但实际上速度分布指 数不为零，且气体在旋风分离器内的旋转圈数也是较难测定的。 3 中国石油大学( 华东) 硕士学能论文 2 3 2 平衡轨道理论 对于直径为叠p 的颗粒，因旋转气流丽产生的离心力疋将会在平衡轨道上与向心气 流对它作用的s t o k e s 阻力尼达到平衡( 图2 5 ) ，而平衡轨道往往可看作是排气管下端 由最大切向速度的各点连接起来的一个假想圆筒。这种处于平衡状态的颗粒，由于种种 原因，平衡将随时都会遭到破坏。有时离心力大于阻力，有时则阻力大于离心力，两者 出现的几率是相等的，因此，在假想圆筒上的颗粒具有5 0 的分离效率，工程应用中， 常把此颗粒直径称为切割粒径珀。 图2 - 5 平衡轨遭理论不慧圈 f i 9 2 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ee q u i l i b r i u mo r b i tt h e o r y 作用在直径d p 颗粒上的离心力丘为： 五= i 据尹3 ( 级一致) 等2 根据层流状态下s t o k e s 定律得阻力厶为： 五= 3 z c j uy 糯d e 当无= 一时，平衡颗粒( 即粒径砟= 以，。) 有5 0 的分离效率，得到： ：2 瓦1 8 i t v 舰两r 2 9 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二章文献综述 对于式中萎，v 蹦，不同学者有不同馁设及计算方法，从而得到不同的5 0 计 算公式，如表2 - 2 所示。 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 i a m e t e r 学者 假设条件 以的表达式 z f f 触戚芦= 二：1 ，1 ，一蔓一! 舡= 出v 。 l冗vl pp h i () 一崩j 一r , h 。“ 一一“ 31951 社d 2 m ，、1 ，l p p h ，k 础嘲 ；= 矗；一； 2 丢鼯 m j l s c h e 】l c i l a l n z 【1 6 】 一 ! 弘d ”1 ”“4 ” 外旋流的气流是准自由流一石、fv ，p p h ，k 。 平衡轨道理论考虑了径向气速的影响，并反映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离均布，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 3 3 边界层理论 平衡轨道理论没有考虑湍流扩散等影响，而这种影响对于细颗粒是不容忽视的。 1 9 7 2 年，l e i t h 及l i c h t 1 刀推出了横向渗混理论，认为在分离器的任一横截面上，颗粒浓 度的分布是均匀的，但在近壁处的边界层内，是层流流动，只要颗粒在离心效应下浮游 进入此边界层内，就可以被捕集分离下来，这就是边界层分离理论。l e i t h 与l i 出弓l 入了 气流在分离器内的平均停留时间的概念，推出粒级效率的计算公式： r，1 r ；= 董一爿一2 爹) 志l ( 2 8 ) 式中：c ；1 0 2 生亟竺翌! 冬娶t 拶 ( 2 9 ) 妒= ( 1 + 力s t ( 2 1 0 ) 以为旋流指数，由实验测定，通常在0 5 - 0 7 之间。由上式可见，粒级效率与参数 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c 、尹有关。e 包含了分离器所有的结构参数；妒则包含了与气阑穗物理性质、操作条 件相关的参数，p 等，主要体现在& 数上，此值越大，效率越高。由于l e i m 与 l i c h t 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， 因面公式的计算结采与实测值较接近，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 3 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，面不是篱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。 ( 1 ) 兰区模型 1 9 8 1 年d i e t z t l 司将旋风分离器内空间分为三个区域：i 区为环形空间区；1 i 区为下行 流区，即排气管进口以下的环形区；区为上行流区，即排气管下方的柱形区，如图2 6 所示。 d i e t z 假设：颗粒是球形的；在每一区径向断面上未被分离的颗粒因紊流作用而浓 度均布；气流对颗粒的拽力服从s t o k e s 定律；i i 、i i i 区径向和轴向气速均布。对各区写 溅质量平衡方程为： i 区：车【q q ( z ) 】= - 2 n r w ( 2 1 1 ) i i 区；要【g 乞( 瑚= - 2 ，r e r , , 一2 万墨l ( z ) ( 2 - 1 2 ) 区：一导【g 龟( 瑚= 2 x & c ( z ) ( 2 1 3 ) 式中，c l 、c 2 、c 3 分别是i 、i i 、m 区颗粒质量浓度；f 为自然旋风长；若z h s ， 取z = h - s ；姨= q g - z 1 ) ；l 、分嗣是器壁处、珏区和迸区交界面处颗粒的质 量流率。通过一系列运算可得粒级效率仇( c l p ) 为： 艄一半小 x 0 一厮，叶酱岱一扑州) aiy zi 第：常文献综述 其中：峨= 三+ 本辩g + ；勃 ，置= 吾p 一本8 g + 二耐9 1 t q , i r 图2 - 6 兰区模型示意图 残醇石s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i e t z st 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，以及排尘日处的返混夹带的影响。 ( 2 ) 四区模型 1 9 8 4 年m o t h e s 1 9 t 2 0 在王区理论的基础上改进，考虑了浓度扩散和排尘区返混，零l 入 区间的颗粒扩散及灰斗返混量，在排尘飚附近又划分出一个灰斗返混区，见图2 7 。 ，气 尊 l _ | ； 碡嘲l il茧 i 五o 钾 l： 蔓 蠢l 龟瓣：一 最秘、 黼 翩 lt l i _ _ 麓 脚，? 4l i 再谤 ， l 叫iil j i厅| 嘲略啪 陋 1 最国 事l - 4 一工 p i l l i 图2 - 7 四区模型示意图 f i 9 2 - 7 s c h e m a t i cd i a g r a mo fm o t h e s f o u r - r e g i o nm o d e l m o t h e s 将旋风分离器简化为一个当量半径为灭的圆筒。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： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学能论文 葫小学e x p - k y - r r ( 2 釉h 2 a 动一s t ( 2 - 渤 m o t h e s 的研究完善了分区理论，但是浓度扩散系数和返混量无法从理论上确定。 ( 3 ) 多区模型 三区和髑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。陈建义【2 1 】根据旋风分离器内部流场、浓 度场的分布，考虑了短路流、固褶颗粒的碰撞弹跳、细粉返混等因素后，将分离器分为 八个区域，如图2 8 所示。 图2 - 8 八区模型示意圈 f i 9 2 - 8s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee i g h t - r e g i o nm o d e l 图2 甚中l 、2 为环行分离区，3 、4 为短路流区，5 为内旋流区，6 、7 为稳定流区，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， 散爝迭代法求解，求出粒级效率。多区模型建立在兰区模型的基础上，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。 2 3 5 旋风分离器内气固分离模型小结 基于上述分离理论，形成了各种对旋风分离器性能进行预测的模型即分离模型，此 羼，c l i 量l 卿、强释w a n g1 2 3 1 、k i m 和k 渊、张麸智嘲、刁永发 2 6 1 等也分别对旋风分离 器内气固分离模型进行了研究。总之，备研究者基于不同理论，运用不同方法，从不同 角度阐述了各囱理论，或者在前人的研究上进行改进，使模型更趋于合理化。尽管各模 1 3 第麓章文献综述 型在描述旋风分离器内气圈分离状况都有一定的准确性，但是与实际分离过程相比，仍 存在一定的局限性，具体表现在 ；乏下几点： ( 1 ) 未考虑旋风分离器内颗粒间的相互作用，包括颗粒的碰撞、团聚、粗颗粒对 细颗粒豹曳带等作用机制，面颗粒问的相互作用对分离过程起着不可忽略的作用。 ( 2 ) 现有的分离模型对高温条件下旋风分离器分离性能的预测和实际有较大的差 异，限制了高温条件下旋风分离器的设计与应用。 因此，研究旋风分离器内颗粒问的相互作用对分离性能的影响具有重要的意义，也 可为建立高温旋风分离器分离模型提供一个切入点。正由于此，本文拟先通过实验测量， 研究旋风分离器内颗粒间的碰撞与团聚对分离过程的影响规律，然后结合理论分析，提 出包含颗粒碰撞团聚效应在内的旋风分离器分离模型。 2 4 颗粒碰撞与团聚的研究 2 4 。l 气固两相流内颗粒的碰撞与团聚现象 在气固两相流中，在流体动力作用下，相邻颗粒的行为常异予单个粒子的行为。若 在某种力的作用下，颗粒可能会相互碰撞而粘结成团，这一现象即称为团聚。引起颗粒 碰撞与团聚的作用力有三类： ( 1 ) 流体给予的力，如分子扩散、湍流扩散、流体曳力等； ( 2 ) 颗粒间相互作用力，如v a n d e r w a a l s 力、库伦力、毛细吸着力等； 。( 3 ) 外加场力，如静电力、磁力、声力、重力、惯性等。 气态介质中的颗粒恒处于运动之中，这是因为有着布朗扩散、系统的湍流、旋涡的 湍流、蒸发、以及重力、电和其它力场的存在，还有浓度、压力和温度梯度或其它的一 些医素，从丽使它们连续地相互接触并与邻近酶系统表面接触。正常的结果是缁粒彼诧 粘住或粘在其它表面上，致使悬浮的粒状物的数目浓度降低从而改变粒度分布。通常， 颗粒的团聚分二步，第一步由于某种力的作用而靠近或碰撞，第二步是相互保持靠近或 接触。广义主颗粒的团聚可以有两种形式，一种是颗粒并不一定直接接触，焉由于流体 动力作用，由于颗粒间的流动、尾涡等的影响，多个颗粒形成类似于颗粒团，从而使相 互间产生作用；另一种是颗粒间真正相互附着从而形成较大的颗粒。 2 4 2 气固两相流内颗粒翟聚形式 颗粒在上述三类力的作用下，可能会发生碰撞与团聚现象，但是对不同粒径的颗粒 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 其影响是不同的。对于粒径大予l i m a 颗粒的碰撞，以湍流扩散、流体曳力及外加场力 为主；对子粒径小于l i m a 的微粒碰撞，则以分子扩散及外加场力为主。团聚现象又可 分为：热团聚、湍流团聚、梯度团聚、动力团聚等。 ( 1 ) 热团聚 颗粒困分子扩散产生碰撞而发生的团聚称为熟团聚网阅，它不需外加场力，是自发 产生的，是最为简单的一种。对于单一性球粒，可用s m o l u c h o w s k i 提出的“吸收球扩 散理论捧估计。设单一性球粒的半径为冬，碰撞时一个静止，一个撞上去，所以可以等 效地设想有一个半径为2 r e 的静止球，其它颗粒以它们的圆心与此静止球表面相撞，而 且一幢就粘住，此静止球就称“吸收球 。利用扩散方程可推导出单位时间内吸收球表 谣静颗粒碰撞量为： 誓= 8 r t r p n d 脚i t + 剖 。沼 式中，n 为颗粒浓度，影c m 3 = 珞为球形颗粒半径，c m ；或为球粒的扩散系数。 在0 哼，时间内吸收球表面的总碰撞量为： 鳓= 警旃鹤砩蛾i + 矧 协搦 由于颗粒8 1 曼d , ，一般有2 r e 万见f 1 ，则单位时间内吸收球表面的碰撞量为 8 7 t r e n d = ，这也就是说，每两次碰撞的对间间隔为董，8 砩蛾。予是每个颗粒在每秒内 将会与1 6 ，r r e n d , 个颗粒相碰撞，而在每立方厘米气溶胶内，每秒发生的互碰次数是 i n 量6 珥嚣跣= 8 ，r r p d n 2 ，所以每次碰撞使颗粒数减少速率为： 粤= 一拧2 ( 2 1 8 ) 衍 积分之，得： 挎= l ( 2 1 9 ) 1 + k , n o f 式中，n o 为颗粒的初始浓度，彭矗：墨为热团聚常数，= 8 万y p d m ，e m 3 t 。 颗粒越细，热团聚倾向越强烈。对于非单一性球粒，两球粒大小相差越大，热团聚 常数也越大，所以细