双进气道旋风分离器内不同粒径颗粒流动特性

旋风分离器广泛应用于石油化工气固多相分离系统中，尤其在流化催化裂化装置内作为油气和催化剂分离的关键设备，其运行状态的稳定与否直接关系到整个反再系统的正常运行，具有非常重要的地位。催化裂化作为重要的原油二次加工技术，截止2016年，占我国炼油一次加工能力的1/3，装置总数达190套，已成为全球催化裂化发展的主要增长点[1]。但催化裂化沉降器内结焦问题一直影响着催化裂化装置长周期稳定运行，尤其原料的重质化和劣化导致分离系统内更容易产生结焦现象，其中旋风分离器升气管外壁的焦块脱落堵塞分离器料腿-翼阀排料系统，将造成催化剂的大量跑损，引起频繁的非计划停工[2,3]。

前人研究表明[4～7]，旋风分离器升气管外壁的油气和催化剂流动状况与颗粒粘壁结焦密切相关，众多影响因素中，旋风分离器内的非稳定强旋流动影响最为明显。由于入口结构不对称导致旋风分离器内流场非轴对称分布，在排气管外侧产生较强的逆压梯度，造成流体的脱体现象，形成涡旋，增加了油气、焦粒与排气管外壁的撞击和停留时间，从而造成排气管外侧结焦，尤其是在顶旋排气管外侧[8]。但是，前人针对旋风分离器内的气固多相流动过程往往仅采用平均粒径代表不同粒径颗粒群在旋风分离器内的流动过程，无法真实反映不同粒径颗粒的流动过程和对分离性能的影响规律。因此，笔者针对旋风分离器内非轴对称强旋流动，采用改进的RNG k-ε湍流模型和欧拉多相流模型分别对传统PV型单进气道和新型双进气道旋风分离器内气固多相流动进行数值模拟[9,10]，通过3种不同粒径的颗粒相来模拟实际分离过程中不同粒径颗粒群在旋风分离器内的流动特点，同时考察不同入口结构形成非轴对称程度对不同粒径颗粒的速度、浓度等场量分布影响规律，以期改善升气管外壁的结焦现象。

1 旋风分离器的几何模型和网格划分

笔者研究的直径400mm旋风分离器结构如图1所示。计算时以旋风分离器中心轴线与上顶板的交点为坐标原点。图1a、b分别为传统PV型单进道和新型双进气道旋风分离器的结构示意图。新型双进气道旋风分离器[11]在其切向入口内设有分流板，使切向进入的含尘气流分别从两个通道进入旋风分离器，可以实现入口气流的对称分配，增强旋风分离器内外旋流的稳定性，减小阻力，提高分离效率。完全结构化网格划分如图1c所示，共有节点数118 100个。

图1 单入口单、双进气道旋风分离器结构及其网格划分

2 旋风分离器流动状况的控制方程组与模型选择

基于旋风分离器内恒温和不可压缩流动的假设，三维瞬时流动的基本方程可以表示为：

(1)

式中 Sφ——源项；

t——时间，s；

uj——流体速度，m/s；

xj——通用坐标，m；

ρ——流体密度，kg/m3；

φ——通用变量；

Γφ——扩散系数，m2/s。

在计算过程中，采用基于RNG k-ε湍流模型并通过湍流粘性修正得到改进的RNG k-ε湍流模型[12]。在不同粒径颗粒多相流计算中，选用欧拉-欧拉多相流模型，且选用了Gidaspow曳力模型模拟气相与不同粒径大小的颗粒相间的曳力作用；不同粒径大小的颗粒相间的作用力采用Syamlal-O′Brien曳力模型进行计算。

3 计算条件

计算时，气相选用常温空气，旋风分离器蜗向入口设为速度入口边界条件，施加风量为1 936m3/h，根据平均粒径为12μm滑石粉粒径分布规律把颗粒分为3种粒径(5、12、20μm)的颗粒组成，密度为2 730kg/m3，含尘浓度为2kg/m3。各颗粒相速度与气相速度一致，并根据滑石粉颗粒3种粒径颗粒的质量百分比16.3%、66.0%、17.7%分别在入口施加各颗粒相浓度。排气管出口设为充分发展压力出口边界，旋风分离器内部各壁面施加无滑移固壁边界条件。

4 单、双进气道旋风分离器数值模拟结果与分析

4.1 模型验证

采用改进的RNG k-ε湍流模型对直径150mm的单蜗进口旋风分离器进行气相流场的数值模拟计算，并与PIV实验测量数据进行对比[13]。图2所示为单蜗进口旋风分离器内不同轴向高度位置上气相切向速度的径向分布。由图2可知，在旋风分离器内轴向高度-160(筒体段)、-340mm(锥体段)位置上，改进的RNG k-ε模型计算得的切向速度分布规律与实测数据吻合较好，准确再现了外准自由涡和内部刚性涡的双层旋流基本流场结构。因此，同时考虑高、低雷诺数流动和强旋流动特点修正得到的改进的RNG k-ε湍流模型可以较为精确地预报强旋流动，结合欧拉-欧拉多相流模型可以准确描述旋风分离器内颗粒浓度分布规律，可用于旋风分离器内气固多相流动过程的相关研究。

图2 旋风分离器不同轴向高度上切向速度的径向分布

4.2 单、双进气道旋风分离器内流场分析

4.2.1 速度分布

图3为加入颗粒前后φ400mm单、双进气道旋风分离器内z=-250mm轴向位置上气相的轴向速度和切向速度分布。由图3a可以看出，单相流计算得到旋风分离器排气管下口附近处的轴向速度为双峰结构，在外侧是下行流，中间上行流区由于排气管中心附件气体强烈的旋转，在该处产生了相对较大的负压，分离器轴线附近压力很低(甚至低于排气管出口压力)，从而形成逆压梯度，在中心部位产生滞留和回流现象。单、双进气道旋风分离器均有此现象，如图3a中加入颗粒前的速度分布曲线所示。但当加入3种不同粒径颗粒相后，流体的混合密度增大，降低了旋转动能，中间上行流区轴向速度变为单峰分布，如图3a中加入颗粒后的速度分布曲线所示。由图3b切向速度分布可以看出，加入颗粒前轴向速度均为外部准自由涡、内部准强制涡的双层旋流结构；加入颗粒后，双层旋流结构的分界点切向速度的峰值有所缩小，这是由于混合流体的密度增大，旋转强度降低促使切向速度峰值减小。此外，综合图3a、b还可以看出，单、双进气道旋风分离器轴向和切向速度分布趋势在加入颗粒相前后基本一致，但双进气道速度分布轴对称性明显优于单进气道。

图3 加入颗粒前后旋风分离器内轴向位置上气相速度分布

图4为φ400mm单、双进气道旋风分离器内不同轴向位置上不同粒径颗粒的轴向速度和切向速度分布，图中曲线分别为单进气道和双进气道旋风分离器的5、12、20μm粒径颗粒相的计算结果。由图4a、b可以看出，单、双进气道旋风分离器内5μm小粒径颗粒相轴向速度分布呈现出单峰结构与图3所示气相速度分布类似，且随着轴向位置下移，轴向速度峰值略有减小；随着颗粒相粒径的增大，轴向速度的单峰分布结构中心上行流峰值区域变得越来越平缓，且外侧下行流区峰值位置越向旋风分离器边壁靠近。这是由于不同粒径颗粒相所受到的旋流流场离心力大小不同，产生相间滑移速度造成的；20μm大粒径颗粒受到离心力最大，下行流区最接近于壁面，中心上行流速度接近于0，最易被分离；12μm中间粒径的颗粒轴向速度外侧下行流区域与5μm下行流区基本一致，但中心上行流区域较为平坦无明显峰值，由于单进气道旋风分离器非轴对称性更强，导致中心上行流呈现出波浪状，也从流场角度说明单进气道旋风分离器中心的这种波动更易于造成颗粒进入内旋流随排气管排出而使分离效率有所下降。

图4 不同轴向位置上不同粒径颗粒速度分布

由图4c、d可以看出，单、双进气道旋风分离器内不同粒径颗粒的切向速度分布均为外部准自由涡、内部准刚性涡的双层旋流结构；随轴向位置降低，双层旋流分界点切向速度峰值有所降低，且随粒径逐渐增大，受相间滑移速度的影响外旋流区向边壁靠近，中心旋流区中心位置切向速度越平坦；双进气道旋风分离器整体流场轴对称性较好，旋流稳定性更强，5μm颗粒切向速度峰值明显大于单进气道旋风分离器，且12、20μm颗粒相切向速度峰值区双进气道更靠近于壁面。这样的颗粒切向速度分布也说明了双进气道形成的轴对称旋流结构更为稳定，增强了不同粒径颗粒的离心力，促使旋风分离器内固体颗粒更易于向边壁运动，提高整体旋风分离器的分离效率。

4.2.2 颗粒浓度分布

图5分别为φ400mm单、双进气道旋风分离器内过中心轴线纵截面上的不同粒径(5、12、20μm)颗粒浓度分布。由图可知，随着颗粒粒径的增大，颗粒越向壁面处浓集，5μm粒径的颗粒在旋风分离空间内浓度较高，且在灰斗内浓度分布较均匀；而20μm粒径的颗粒浓度较高的位置出现在旋风分离器分离空间上部壁面和排尘口下方扩散区及灰斗下部壁面处。此外，对比图5a、b可知不同粒径颗粒浓度分布在单、双进气道旋风分离器内部的轴对称性也不同，双进气道的浓度分布轴对称性明显优于单进气道旋风分离器。由于轴对称流场导致旋流稳定性更好，促使旋风分离器内旋流强度增强，进而使得旋风分离器对不同粒径颗粒的分离能力增加，正如图中相同粒径颗粒浓度分布所示，双进气道相对于单进气道分离空间内同一位置颗粒浓度更高，主要表现在5μm粒径颗粒在旋风分离器筒体段和锥体段交界处和12、20μm粒径颗粒的旋风分离器的环形空间。

图5 旋风分离器内过中心轴线纵截面上的不同粒径颗粒浓度分布

图6为φ400mm单、双进气道旋风分离器内z=-500mm截面上不同粒径(5、12、20μm)颗粒浓度分布。由图6a、b可以看出，单、双进气道旋风分离器内均有随着颗粒粒径的增大，颗粒越向壁面浓集的规律，从5、12、20μm颗粒粒径的增大，中心处颗粒浓度逐渐降低，环状壁面颗粒高浓度区域厚度逐渐减薄；并且相同位置处双进气道旋风分离器5μm颗粒浓度明显高于单进气道旋风分离器；此外双进气道不同粒径颗粒浓度分布的轴对称性也明显优于单进气道旋风分离器。

图6 旋风分离器内z=-500mm截面上不同粒径颗粒浓度分布

图7a、b分别为φ400mm单、双进气道旋风分离器内筒体段和锥体段不同轴向位置上5μm颗粒浓度分布，图中曲线分别为单、双进气道旋风分离器内z为-250、-500、-750、-1 000mm位置上颗粒浓度沿径向的分布。由图7可以看出，在各轴向位置上，单、双进气道旋风分离器内5μm颗粒浓度径向分布规律基本一致，呈现出中间低两边高的趋势。在筒体段内，双进气道旋风分离器内颗粒浓度分布相对于单进气道旋风分离器轴对称性更好，且颗粒有更向壁面浓集的趋势，分布形态更宽，中心区域浓度分布更为平缓。在锥体段内，也呈现出双进气道的颗粒浓度分布轴对称性更好，且两个不同轴向位置处中心旋流区，双进气道颗粒浓度低于单进气道；此外，颗粒浓度分布越接近于排尘口，受内外旋流的共同影响浓度分布越平缓。小粒径颗粒的分离能力是决定旋风分离器分离效率的重要因素，5μm颗粒浓度分布规律明显说明了双进气道的轴对称性稳定旋转流场，提高了旋流强度，促使小粒径颗粒呈现出较好的轴对称性浓度分布，不易被径向向心流动带入上行内旋流从排气管中跑损，而是更容易随外旋流被分离。

图7 旋风分离器内不同轴向位置上颗粒浓度分布

综上所述，新型双进气道旋风分离器内可以有效抑制传统单进气道旋风分离器内非稳定强旋流动，增强双层旋流场稳定性，促使不同粒径颗粒相的速度分布更加对称，且各颗粒相旋流强度也有所增加，促使不同大小粒径颗粒更容易被分离，尤其是增强了决定旋风分离器分离性能的小粒径颗粒的捕集能力；对于沉降器内的顶旋，优异的小粒径颗粒捕集能力和轴对称颗粒浓度分布也为旋风分离器内因非轴对称流场导致局部逆压梯度、流体脱体和漩涡引起的颗粒和油气混合物滞留形成结焦现象减少了颗粒源的供应，有助于减缓旋风分离器内的结焦现象，保证催化裂化的长周期稳定运行。

5 结论

5.1 单、双进气道旋风分离器加入颗粒相后，整体流体的混合密度增大，降低了旋转动能，轴向速度和切向速度的内外旋流区的峰值均有所降低。

5.2 对比不同粒径颗粒相速度分布，发现粒径愈大的颗粒相轴向速度分布越平缓，切向速度外准自由涡区也向外侧靠近，中心旋流区切向速度峰值越平坦；且双进气道各粒径颗粒相速度分布轴对称性更好，切向速度峰值外移更明显，小粒径颗粒相切向速度峰值明显大于单进气道，小粒径颗粒更易分离。

5.3 双进气道旋风分离器内小粒径颗粒浓度分布相对于单进气道旋风分离器轴对称性更好，筒体段颗粒有更向壁面浓集的趋势，锥体段不同轴向位置处中心旋流区双进气道颗粒浓度低于单进气道，小粒径颗粒捕集能力增强，有助于提高分离器分离效率和稳定操作。