旋风分离效果研究

旋风分离效果研究
蔡天舒;王军;汪威;王计强
【摘要】通过试验研究气体流量和加砂速度对旋风分离效果的影响规律和机理.试验结果表明,气体流量对压降和粒径分布有显著影响,加沙速度对分离效果有显著影响.试验采用的旋风分离器对粒径大于50 μm的砂粒分离效果明显,加砂速度的增大有利于小颗粒砂粒的分离,气体流量的变化对大颗粒砂粒的分离影响较大.%The influence law and mechanism of gas flow and sand-filling rate on the effect of cyclone separation was studied by experiments. The results showed that the gas flow had a significant effect on the pressure drop and the particle size distribution,and the sand-filling rate had a significant effect on the separation effect. The cyclone separator used in the experiment had a distinct effect on the separation of sand particles with a particle size greater than 50 μm.The increase of sand-filling rate is helpful to the separation of small size sand particles,and the change of gas flow have a great effect on the large size sand particles.
【期刊名称】《化工装备技术》
【年(卷),期】2018(039)001
【总页数】4页(P7-10)
【关键词】气体流量;加砂速度;压降;粒径分布;旋风分离器
【作者】蔡天舒;王军;汪威;王计强
【作者单位】武汉第二船舶设计研究所;武汉工程大学
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.8
0 引言
旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动，使固体颗粒在离心力的作用下从气流中分离出来的设备 [1]。

由于其结构简单、设备紧凑、无相对运动部件、价格低廉、操作维修方便，且可以满足不同生产的特殊要求，所以被广泛应用于化工、能源、矿山、炼油、食品、环保等众多行业，成为最常用的一种分离、除尘设备[2-5]。

旋风分离器内部流场为三维湍流强旋流场，颗粒在其内部的流动极其复杂。

近年来，随着计算流体动力学（CFD）的发展，越来越多的研究者借助数值模拟方法研究旋风分离器内的流场 [6]。

肖云鹏等 [7]对低入口浓度的微旋风分离器进行
了试验研究，万古军等 [8]对高温条件下旋风分离器内气相流场进行了数值模拟，钱付平等 [9]就温度对旋风分离器分离性能的影响进行了数值研究，李敏等 [10]对旋风分离器内部气-固两相流场进行了研究。

但很少有学者通过试验对旋风分离器
的分离效果进行研究，本文通过试验对工业级旋风分离器进行研究。

1 试验条件
1.1 试验介绍
试验的主要设备包括：风机、涡街流量计、阀门、变频器、电机、加砂器、压差变送器、压力变送器、旋风分离器、灰斗、激光粒度仪。

气体和砂粒入口处按一定比例混合，通过分离器分离，在排尘口用灰斗收集分离后的砂粒，少部分颗粒从排气口逃逸。

试验流程和平台如图1和图2所示。

图1 旋风分离试验流程1—风机 2—涡街流量计 3—阀门 4—电机 5—加沙器6—压力表 7—压差变送器 8—旋风分离器 9—灰斗10—布袋除尘器
图2 旋风分离试验平台
1.2 气砂两相流场运动微分方程
将气砂两相流场中的气体看作连续介质，砂粒看作离散介质。

因砂粒粒径较小、浓度较低，所以仅考虑砂粒所受黏滞力和重力，在数量级上更小的浮力、压力梯度力、质量力、Basset力、Magnus升力则忽略不计。

在三维柱坐标系中，砂粒运动的
微分方程为 [11-12]：
式中：up，vp，ωp分别为砂粒沿切向、径向和轴向的速度；ρa，ρp分别为气体、砂粒的密度；t为砂粒与气流的运动时间；dp为砂粒粒径；g为重力加速度；r为砂粒所在位置的径向坐标；CD为砂粒阻力系数。

1.3 旋风分离参数
1.3.1 结构和工艺参数
旋风分离器主要由入口段、圆筒段、锥段、排气口、排尘口组成，本次试验采用的旋风分离器的主要几何参数如表1所示，其结构如图3所示。

表1 旋风分离器几何参数?
图3 旋风分离器结构简图
加砂器主要由漏斗、电机和螺纹杆组成，其结构如图4所示。

加砂器通过电机带
动螺纹杆转动加砂，加砂速度可以分别调节为：3.24×10-4，6.48×10-4，
12.96×10-4，16.20×10-4m3/h。

图4 加砂器结构简图1—法兰端盖 2—储砂腔 3—电机 4—螺纹加砂杆 5—出口1.3.2 试验中砂粒样本分布
试验样气体为空气，利用风机实现空气的输送。

试验颗粒采用工业级砂粒，颗粒粒径d主要集中在20～300 μm，用激光粒度仪测得样品粒径分布，各部分粒径含
量n如图5所示，试验介质工艺参数如表2所示。

图5 入口处粒径分布
表2 介质工艺参数?
2 结果分析
2.1 流量对压差影响规律
图6反映了入口-排尘口压差Δpd和入口-排气口压差Δpo随气体流量变化的情况。

随着气体流量的增加，Δpd，Δpo均逐渐增大，但增幅逐渐减小。

当流量较小（q ＜15 m3/h）时，Δpd＞Δpo，当流量逐渐增大（q＞15 m3/h）时，Δpd＜Δpo，并且Δpd与Δpo差值随流量的增加而逐渐增大。

图6 压差随气体流量的变化情况
2.2 砂粒粒径分布
图7为入口和排尘口砂粒的粒径分布对比分布情况。

由图7可见，当d＞75 μm 时，排尘口粒径的含量比入口高。

说明旋风分离可有效分离颗粒，且对大颗粒砂粒的分离效率更高。

图7 入口与排尘口粒径分布情况
2.3 气体流量和加砂速度对分离效率的影响
图8表明在气体流量q=45 m3/h时，加砂速度分别为3.24×10-4，6.48×10-4，12.96×10-4，16.2×10-4 m3/h时对应分离后排尘口砂粒的粒径分布。

通过图8
可知，颗粒粒径d＜100 μm时，相同粒径的颗粒体积含量随加砂速度的增加而增加。

其中d=50 μm粒径在v=16.2×10-4m3/h时的体积含量n4分别为
v=12.96×10-4m3/h 时的体积含量 n3，和v=3.24×10-4 m3/h时的体积含量
n1的138%和150%。

因此，加砂速度的增加有利于小颗粒的分离，有助于提高
旋风分离器的分离精度。

图8 不同加砂速度排尘口粒径分布
图9给出了不同加砂速度下中位粒径和气体流量的关系。

随着加砂速度的增加，
中位粒径呈现逐渐减小的趋势，进气量的变化对大颗粒砂粒的影响较大。

当气体流量小于30 m3/h时，随着气体流量的增大各部分粒径逐渐减小，当气体流量达到30 m3/h之后各部分粒径达到稳定。

随着砂粒浓度的增大，测得样品中位粒径逐
渐减小，并且气体流量的变化对低浓度砂粒的中位粒径影响较大。

图10反映了排尘口累计粒径随气体流量的变化关系。

其中加砂速度为3.24×10-
4m3/h时，随着气体流量的增加各部分粒径逐渐减小最终趋于平稳，气体流量的
变化对较大粒径的砂粒影响较大。

研究分析可知：当进气量较小时，进气速度不高，颗粒在旋流场中受到的离心力较小，只有粒径较大的颗粒受空气的扰动影响小，重力沉降在分离过程中也起了一定的作用，因此旋流器分离颗粒的粒径较大。

随着进气量的增加，进气速度的提高，颗粒在旋流离心分离时，所受的离心力增加，小颗粒在较大的离心力的作用下更加有利于逃脱空气曳力的作用，其径向运动更易于到达分离器内壁，实现分离。

当流量进一步增加时，虽然颗粒受到的离心力也进一步增加了，但是旋风分离器中流场扰动加强，颗粒更易于被空气吸附并从溢流口处逃逸，不利于小颗粒的分离，因此，颗粒的有效分离粒径波动较为平稳。

图9 不同加砂速度时中位粒径随气体流量的变化情况
图10 累积粒径随气体流量的变化情况
3 结论
从试验可以看出，旋风分离器的分离效率非常高，但是旋风分离流场情况很复杂，存在砂粒碰撞吸附现象，通过试验可以得出以下结论：
（1）随着处理量的增加，排尘口和排气口的压差逐渐增大，最后趋于稳定。

（2）加砂速度的增加有利颗粒的分离，有助于提高旋流器的分离精度。

（3）分离后的中位粒径随着处理量的增大而减小，最后趋于稳定，气体流量变化对大颗粒和低浓度时砂粒分离效果影响较大。

（4）随着处理量的增大，分离效率先增大而后平稳波动。

参考文献
【相关文献】
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[2]吕智.基于数值模拟的旋风分离器适用性与结构优化方法研究[D].厦门：厦门大学，2015.
[3]吴彩金.旋风分离器的数值模拟及其软件设计[D].南京：南京工业大学，2010.
[4]周韬.旋风分离器的气固两相特性研究与数值模拟[D].上海：上海交通大学，2007.
[5]张海红.旋风分离器流场与分离性能的数值模拟研究[D].郑州：郑州大学，2004.
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