旋风分离器顶灰环灰量的实验测量

何兴建，礼晓宇，宋健斐，魏耀东

旋风分离器顶灰环灰量的实验测量

何兴建，礼晓宇，宋健斐，魏耀东

（中国石油大学（北京）化工学院，北京102249）

旋风分离器进行气固分离过程中，在顶板的外侧存在一个浓度比较高的旋转顶灰环。顶灰环的存在一方面增加了颗粒向内测逃逸几率，另一方面造成了旋风分离器器壁的磨损。对于分离FCC催化剂颗粒的旋风分离器，顶灰环的旋转是不稳定的，会发生周期性的脱落，因此存在一个最大顶灰环灰量。根据旋风分离器颗粒藏量的测量方法，测量了最大顶灰环灰量与入口速度和入口浓度的关系。实验结果表明最大顶灰环灰量随入口速度和入口浓度的增加而增大。

旋风分离器；顶灰环；灰量；入口速度；入口浓度

旋风分离器是工业中广泛使用的高效气固分离设备，有关旋风分离器的研究多集中于结构参数的改进和操作参数的优化两个方面[1-3]。实验表明旋风分离器内的气固两相流动是非常复杂的，表现为不仅存在横截面上一次旋转流，还有纵截面上的二次流[4]。二次流的存在导致了旋风分离器环形空间的顶板附近出现颗粒顶灰环的现象[5]。顶灰环的存在一方面造成颗粒的逃逸影响旋风分离器的分离效率，另一方面造成对器壁的冲蚀磨损[6]。目前对此顶灰环的研究尚缺乏有关的文献。为此，本文通过测量旋风分离器内颗粒藏量的方法[7]，实验测量旋风分离器的顶灰环的灰量与入口速度和入口浓度的关系，并进行顶灰环流动的机理分析，为旋风分离器的性能改进提供支持。

1 实验装置和测量方法

1.1 实验装置

实验装置和旋风分离器的结构见图 1-2，筒体直径300 mm，排气管直径为110 mm，入口尺寸为176 mm×84 mm。为保证气体的流动平稳，实验采用负压操作。

加料设备采用自动加料机。试验粉料采用FCC催化剂和325目滑石粉。实验气体介质为常温气体，气体气速由标准毕托管测量。FCC催化剂的中位粒径106.77（μm），振实堆积密度943.4（kg/m3）。325目滑石粉的中位粒径为14.3 (μm)，振实密度961.5（kg/m3）。

1.2 顶灰环灰量的测量方法

实验过程中，随着加料量的稳定加入，在旋风分离器环形空间的顶板外侧出现颗粒顶灰环，这个顶灰环沿旋风分离器筒体壁面旋转，见图3。实验表明采用不同的粉尘，顶灰环的旋转形态会发生很大的变化。

例如，325目滑石粉形成的顶灰环连续稳定地旋转，灰环的尺寸变化也不明显；而采用FCC催化剂，顶灰环的旋转是不稳定的，会发生周期性的脱落，如图4所示。随着加尘时间的增加，顶灰环的浓度逐渐增加，尺寸不断增大，当达到某一个量时，即顶灰环达到最大含尘量，灰环开始螺旋旋转脱落下行，一直延伸到灰斗，此时顶灰环消失。随后很快又有新的顶灰环形成，顶灰环的浓度又开始增长，直到顶灰环开始再一次脱落，如此周期性的变化。由于存在顶灰环的脱落现象，这样实验中通过多次测量旋风分离器内的颗粒藏量，就可以对顶灰环的灰量进行定量的测量。当最大顶灰环灰量时，测量旋风分离器内的藏量也最大；顶灰环消失时，测量旋风分离器内的颗粒藏量最小。假设旋风分离器空间除顶灰环区域外，其他部分的颗粒藏量不变，则两个藏量之差可以认为就是旋风分离器的顶灰环的最大灰量。

旋风分离器的藏量定义为操作中旋风分离器内部空间全部颗粒的质量。旋风分离器内的藏量是通过在旋风分离器灰斗和旋风分离器进口和出口安装碟阀，在旋风分离器在操作时，同时关闭进口，出口和灰斗上的碟阀，收集旋风分离器内部的颗粒称重进行的。实验选定4个入口速度和4个入口浓度，每个实验测量20次，得出每组灰量的最大值与最小值的差值作为顶灰环的灰量值。

2 结果与讨论

2.1 顶灰环存在的条件和脱落分析

当颗粒进入旋风分离器环形空间后，大部分颗粒跟随气流做旋转运动，在离心力的作用下向器壁运动，再沿器壁向下流动，然后流经筒体空间和锥体空间到达灰斗，最后被分离下来。但在环形空间，其中一部分颗粒在二次流的作用下，旋转向上流动。这部分颗粒在旋转过程中，在径向方向受到向心的曳力和离心的离心力，在竖直方向受到向下的颗粒重力和二次流向上的轴向速度产生的向上曳力，当达到力的平衡时，颗粒就会悬浮在环形空间的外侧，形成旋转的顶灰环，见图5。

顶灰环在旋转过程中，其灰量是一个动平衡过程，小粒径颗粒由于向心曳力大于离心力，在向心曳力的作用下向升气管移动，最终从升气管下端口逃逸；大粒径颗粒由于重力大于轴向向上的曳力，脱离顶灰环沿器壁向下移动，进入分离空间被分离。与此同时不断有新颗粒补充到灰环中。对于FCC颗粒，颗粒的粒径比较大，补充的灰量大于逃逸的灰量，顶灰环的颗粒量不断增大，与边壁的摩擦力也不断增大，导致旋转速度下降，离心力减小，二次流作用减弱，旋转气体提供的能量减小，颗粒的力平衡被打破，向上的轴向曳力不足以悬浮托举顶灰环，使得顶灰环脱落下降。顶灰环脱落后，旋转速度开始增大，离心力增加，二次流作用增大，颗粒又开始聚集在环形空间，形成新的顶灰环。因此，FCC颗粒形成的顶灰环具有一定的周期性脱落特点。

2.2 旋风分离器的藏量测量

设入口浓度为Ci，旋风分离器的内部空间体积为V，则旋风分离器的基本藏量为Mm=Ci×V。在实际操作中，颗粒在离心力的作用下聚集在旋风分离器的器壁上，形成了颗粒堆积层和顶灰环，旋风分离器的藏量M远大于基本藏量Mm，约为基本藏量的20倍[7]。图6是在不同的入口浓度和入口速度下，测量的旋风分离器藏量。

图 6表明颗粒藏量值随着入口速度增大而增加，当入口速度增加到15m/s后，颗粒藏量增加的幅度更大，呈非线性趋势增加。

旋风分离器的入口速度增大后，旋风分离器内的流场的各个速度分量均增大，尤其是切向速度的增加使得颗粒受到的离心力更大，两者是2次方关系。这样器壁表面的颗粒层受到的离心力也增大，导致颗粒层的聚集更多的颗粒，但向下的轴向速度增加的幅度是线性的，所以颗粒层下行排料速度基本是呈线性增大的，由此造成了旋风分离器分离空间内部存在有更多的颗粒。

2.3 入口速度对顶灰环灰量的影响

图7是入口速度与顶灰环灰量的关系曲线。实验结果表明入口速度增加后，顶灰环的灰量值也增加，且呈非线性趋势增加。当入口速度增加到15m/s后，顶灰环的灰量值增加的幅度更大。

通常旋风分离器的入口速度增大后，环形空间二次流的强度增大。这样二次流上行气体对颗粒的曳力将会增加，托起的灰环量值也将会增加，导致了顶灰环灰量随入口速度增加而上升。在入口速度上升15m/s以上时，旋风分离器内环形空间的二次流将急剧加强，轴向气流对颗粒的托起力急剧上升，进而出现顶灰环灰量值急剧上升的现象。反之，当入口速度低到一定程度时，二次流的作用比较小，上行的轴向气流速度也比较小，不足以托举颗粒，没有出现顶灰环的现象。

2.4 入口浓度对顶灰环灰量的影响

图8是入口浓度与顶灰环灰量的关系曲线。

从图8中可以看出，顶灰环灰量在低风速和高风速情况下都随入口颗粒浓度的上升而增加，近似于线性关系变化。但在试验范围内（5～20 g/m3），顶灰环值随入口浓度增加而上升的幅度非常小。在固定的入口速度下，环形空间的二次流的强度是稳定的，因此对颗粒的托起力将不变。当入口颗粒浓度增加后，在环形空间积累的颗粒越大，进而出现随颗粒浓度上升而缓慢上升的现象。这说明顶灰环灰量主要受二次流强度的影响，而与入口浓度的关系不密切。

3 结 论

旋风分离器环形空间的内二次流导致了颗粒在环形空间的悬浮聚集，形成了一个旋转的顶灰环现象。对于分离FCC催化剂颗粒的旋风分离器，顶灰环的旋转是不稳定的，会发生周期性的脱落，因此存在一个最大顶灰环灰量。入口速度的增加可使二次流的作用增强，最大顶灰环的灰量增大，尤其是入口速度超过15 m/s后增加明显；而入口浓度的增加对二次流的作用不明显，最大顶灰环的灰量在试验范围内与入口浓度呈线性关系。

［1］岑可法，倪明江，严建华 等著.气固分离理论及技术[M].杭州：浙江大学出版社，1999-03：339-358.

［2］Alex C.Hoffmann, Louis E. Stein. Gas Cyclones and Swirl Tubes: principles, design and operation [M]. Berlin：Springer, 2002：56-58.

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［5］薛晓虎，魏耀东，孙国刚，时铭显.旋风分离器上部空间各种二次涡的数值模拟[J]. 工程热物理学报，2005，26(2): 243-245.

［6］魏耀东，刘仁桓，燕辉，时铭显.蜗壳式旋风分离器的磨损实验和分析[J].化工机械，2001, 28(2): 71-75.

［7］礼晓宇，何兴建，宋健斐，魏耀东.旋风分离器内颗粒藏量的实验测量[J].中国粉体技术，2014，20（3）：6-10.

2.3 集输子系统热效率和㶲效率影响因素

集输子系统中加热炉进风温度对集输子系统的热效率和㶲效率影响都非常小，可以忽略不计。

3 结 论

（1）在注气锅炉子系统方面，该部分的热效率和㶲效率随着给水流量、进风温度的升高而提高；随着给水压力、蒸汽压力、蒸汽干度、过量空气系数的增加而降低。随着给水温度的增加，该部分的㶲效率升高，热效率下降。给水流量是主要影响因素，蒸汽压力次之。给水流量每增加0.2t，热效率和㶲效率分别提高0.70%和0.30%左右；蒸汽压力每增加0.5MPa，热效率和㶲效率分别下降0.62%和0.28%左右。

（2）在注采子系统方面，该部分的热效率和㶲效率随着注气压力的升高而提高，随蒸汽干度的升高而降低。注入蒸汽干度是主要影响因素，蒸汽干度从55%提高到60%,热效率和㶲效率分别下降0.80%和0.20%，蒸汽干度从95%提高到100%，热效率和㶲效率分别下降0.65%和0.16%，随着蒸汽干度的增加，蒸汽干度对热效率和㶲效率的影响减小。

（3）在集输子系统方面，该部分的热效率和㶲效率随着加热炉进风温度的提高而增大。但加热炉进风温度对系统热效率和㶲效率的影响很小，可以忽略不计。

参考文献：

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［6 㶲］成庆林．多势场 传递过程的理论研究及其工程应用(博士学位论文)[D]．大庆石油学院，2005.

Experimental Measurement on the Top Particle Ring in the Cyclone Separator

HE Xing-jian, LI Xiao-yu, SONG Jian-fei, WEI Yao-dong
（College of Chemical Engineering, China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

There exists a relatively high concentration rotating top particle ring in the annular space of cyclone during the gas-solid separation process. The top particle ring supplies the chance of particle escaping, furthermore causes the erosion of the cyclone wall. For separating FCC catalyst particles, the top particle ring rotation is unstable and the top particle ring falls off periodically. So there is a maximum mass of the top particle ring. In this paper, the relationship between the mass of top particle ring with the inlet velocity and inlet concentration was measured according to the cyclone separator reserve measurement. The experimental results show that mass of the top particle ring increases with increasing of the inlet velocity and inlet concentration.

Cyclone separator; Top particle ring; Dust mass; Inlet velocity; Inlet concentration

TQ 051.8

： A

： 1671-0460（2015）05-1143-04

国家自然基金项目，项目号：21176250。

2014-12-05

何兴建（1989-），男，四川泸州人，在读研究生，研究方向：从事化工过程机械研究。E-mail：he1191565966@126.com。

宋健斐（1979-），女，副教授，博士，从事石油化工设备的教学与研究工作。E-mail：songjf@cup.edu.cn。