排列形式对并联分离器内部流场和窜流返混的数值模拟研究

张爱琴

(西安航空职业技术学院,陕西 西安 710089)

大直径旋分式三旋是我国催化裂化三旋装置一个发展方向，目前对这种新型三旋的研究只停留在现场试验中，缺乏对其内部的流动状态与分离过程机理的系统研究，因而在工程设计和操作应用过程中有很大的盲目性。文章基于前期研究成果，提出将分离器旋向交替排列可以削弱相邻分离器间气流的相互作用，从而改善公共灰斗内的窜流返混现象的构想[1]，采用数值模拟的方法探索排列形式对并联旋风分离器流场和公共灰斗内窜流现象的影响规律，提出了排列形式优化方案。

1 计算模型

为了研究旋向对旋分式并联方案分离性能的影响，本文采用典型PV型旋风分离器，考察了全左旋中心对称布置(简称L)和左右旋向交替轴对称布置(简称LR)两种分离器排列形式的并联旋风分离器内部流场及公共灰斗内的窜流返混现象。采用Gambit软件进行网格划分，网格为分块结构化网格。

图 1为V1、V2、V3并联结构中两种分离排列形式示意图，左右旋向交替轴对称布置形式中，令AC分离器的旋向为左旋，BD分离器的旋向为右旋。图2为并联旋风分离器的主体结构。

图1 旋风分离器并联结构示意图(mm)

图2 左旋中心对称布置和左右旋向交替轴对称布置形式(mm)

FLUENTS数值模拟计算方法：压力与速度耦合方程选用SIMPLE算法，压力插值选用PRESTO！，对流项的插值格式选用QUICK格式。先进行稳态计算，再进行非稳态计算，非稳态计算中尽量减小步长。结合课题组经验，步长选用0.000 2 s。

2 排列形式对并联旋风分离器气相流场的影响

根据变量控制法则，在模拟某一参数对流动状态的影响时，应保持其他参数不变，考虑到进气形式和料腿长度对并联旋风分离器流场的影响，本节采用D型进气方式，令分离器料腿长度lc=800 mm，研究了排列形式对并联旋风分离器流场的影响。

1)分离器内流场的分布

图3为全左旋中心对称布置和左右旋向交替轴对称布置时分离器入口横截面上的速度矢量图，由图3可知，在V1-LR型并联形式中，分离器入口截面上的速度指向分离器外壁，而在蜗壳入口处，靠近蜗壳边壁处的速度略高，这说明，左右旋排列形式中，气流携带颗粒贴近分离器外壁进入分离器内，有利于颗粒的分离。

图3 V1结构中L和LR两种排列形式分离器入口横截面速度矢量图(z=-100 mm)

图 4为两种排列形式分离器入口截面的速度分布，由图4可知，在相同的处理量下，L型并联旋风分离器中，分离入口截面最高速度可达38 m/s，而LR型并联旋风分离器中，分离器入口截面最高速度高达42 m/s。

图4 V1结构中L和LR两种排列形式分离器入口截面速度云图

图5为V1-L、V1-LR中分离器内部速度分布曲线，由图5可知，左右旋向交替轴对称布置的分离器分离空间的旋转速度略大于全左旋中心对称排列的分离器分离空间的速度，轴向速度的分布则未见明显变化。

图5 V1结构中两种排列形式分离器分离空间内速度曲线

2)压降分析

图 6为全左旋中心对称布置(L)和左右旋向交替轴对称布置(LR)时并联旋风分离器的总压降及分离器平均压降。由图6可知，左右旋向交替轴对称布置的并联旋风分离器的总压降和分离器平均压降较高，增大的幅度约为6%。

图6 三种并联结构L和LR排列方式的压降分布图

3)集气室内流场

图7为V1-L、V1-LR并联旋风分离器集气室内速度矢量图。取集气室内z=1 250 mm截面上的速度进行分析。

由图7可知,V1-L结构中，升气管内的旋转射流在集气室内相互叠加，形成了绕集气室中心旋转的气流。而V1-LR结构中，集气室内气流运动比较混乱，旋向不同的气流相互削弱。

图7 V1结构中两种排列形式集气室内速度矢量图

3 排列形式对公共灰斗内流动形式的影响

依据分离器旋向交错排列的形式会使从相邻分离器排尘口排出的气流相互削弱的现象，进而实现改善公共灰斗内的窜流返混现象的设想[2]。本文分别计算了排列形式对料腿长度为200、800 mm的V1结构、V2结构中公共灰斗内的流场的影响。

1)V1结构

当分离器料腿长度较长时,V1结构的公共灰斗内无明显的窜流返混现象，因此本节研究了料腿长度分别为200、800 mm的分离器并联后，排列形式对并联旋风分离器公共灰斗内窜气现象的影响。

图 8为lc=800 mm的分离器并联后公共灰斗内分离器排尘口所在截面上的速度矢量图，取公共灰斗内z=-2 480 mm截面，由图8可知，两种排列形式的并联旋风分离器排尘口处旋转强度差异不大，均不会在公共灰斗内形成旋转流动。因而公共灰斗内没有明显的窜气现象。

图8 V1结构中两种排列形式公共灰斗内排尘口截面速度矢量图(lc=800 mm)

图9、图 10为lc=200 mm的分离器并联后公共灰斗内分离器排尘口所在截面及相邻分离器连接面的速度矢量图，取公共灰斗内z=-1 880 mm截面，相邻分离器取AB分离器连接面。

图9 V1结构中两种排列形式公共灰斗内排尘口截面速度矢量图(lc=200 mm)

图10 V1结构中两种排列形式相邻分离器连接面速度矢量图(lc=200 mm)

由图9～图10可知，左右旋向交替排列的并联形式，从相邻排尘口出来的气流旋转方向相反且相互削弱，公共灰斗内不会形成大的旋转流动，能在一定程度上抑制公共灰斗内的窜气现象。

2)差异分离器并联(以V2为例)

图 11、图 12为分离器料腿长度为800 mm时，V2-L、V2-LR结构中公共灰斗内分离器排尘口所在截面及相邻分离器连接面上的速度矢量图，取公共灰斗内z=-2 480 mm截面，相邻分离器取AB分离器连接面。

图11 V2结构中两种排列形式公共灰斗内排尘口截面处的速度矢量图(lc=800 mm)

图12 V2结构中两种排列形式相邻分离器连接面速度矢量图(lc=800 mm)

由图11～图12可知，两种排列方式的公共灰斗内旋转气流方向正好相反，在V2-L结构中旋转气流的方向与分离器内气流旋转方向相同，在V2-LR结构中，旋转气流的方向则与提供窜气气流的右旋分离器内部旋转方向相同。并且V2-LR中公共灰斗内旋转气流的速度略小于V2-L内的速度。

图 13为两种并联结构公共灰斗内气流旋转速度曲线，取分离器排尘口截面上45°～225°方向上切向速度。由图13可知，左右旋交替排列的形式的并联旋风分离器，公共灰斗内气流旋转速度较小，因而可以抑制公共灰斗内的窜流返混现象。

图13 分离器排列形式对公共灰斗内气流旋转速度的影响

综上分析可知，左右旋向交替排列的布置方式，公共灰斗内相邻分离器排尘口排出的气流旋转方向相反，相邻分离器交界处旋转流动的速度方向趋于一致，没有速度梯度，气流之间相互作用不强，因而不会产生大的涡旋，能够在一定程度上改善公共灰斗内的窜流返混现象。

4 小 结

文章分析了分离器排列形式对并联结构流场及公共灰斗内窜流返混现象的影响，结果表明：①左右旋交替排列形式会引起并联结构中分离器内三维速度及压降的增大。②左右旋交替排列形式可以抑制气流在公共灰斗内形成旋转流动，改善灰斗内的窜流返混现象。因而，能够提高并联旋风分离器分离空间内的分离能力，改善分离器公共灰斗的流场对称性，应用前景较为广阔。