旋风分离器粒级效率计算方法.doc

U 2旋风分离器粒级效率计算方法
原作者:罗晓兰　副教授 建义　时铭显   出处:

【论文摘要】在相似与模化理论指导下，将影响旋风分离性能的各个参数用无因次准数或量纲为1的数表示，形成一种新的旋风分离器粒级效率计算方法。此方法与现有粒级效率计算公式相比，具有包含参数全和计算精度高等特点。

　　分类号　TQ 051.802
The partical efficiency calculation of cyclone separators
Lecturer　Luo Xiaolan　　Associate　Professor　Chen Jianyi　　Professor　Shi Mingxian
(The University of Petroleum, China, Dongying 257062)
　　Abstract　Based on the principle of similitude and moulding, the performance of cyclone separators was analyzed and resulted in a series of dimensionless criteria. The calculating expressions of particale efficiencies of cyclone separators were obtained. These expressions are higher in accuracy and wider in application than the others.
　　Key words:cyclone separator,partical efficiency,dimensionless criteria
　　现有旋风分离器粒级效率计算方法，由于对分离器内气固两相运动所做的简化假设各有缺陷，且包含的参数不齐全，因此，它们的计算结果有较大的差别，难以适应众多类型旋风分离器的设计计算，尤其不适用于石油大学新开发的高效PV型旋风分离器的设计和计算。
　　笔者运用相似与模化理论，在变化入口含尘浓度及结构参数对分离性能影响试验研究的基础上［1～3］，综合考虑对旋风分离器性能产生影响的各类参数，克服以往理论模型的缺点，提出了一套包含入口含尘浓度、主要结构参数及各类不同粉尘在内的较为完善的粒级效率计算公式，以满足工业应用的需要。
1　相似分析
　　分离器内的运动是复杂气固两相三维湍流运动，但其平均运动规律仍可用以下的微分方程来描述。笔者只研究稳态情况，且不考虑气固微团的能量传递，因而有：
　　气相方程

(1)
　　固相方程

(2)
　　通过对式(1)和式(2)运用相似理论的因次分析，可得下列几个无因次准数：stk=
　　stk数是表示颗粒运动的主要准数，对颗粒分离有主要影响，因而其中的特征要用对气固分离过程有较大影响的参数。可以取u=vi，ut=D，则stk=ρpδ2vi/(18μD)。式中ρp为颗粒密度；vi为入口气速；D为分离器直径。
　　Fr数为表达从排尘口返混上来的颗粒在分离空间内的二次分离的影响因素。所以可以取：　l=Hs，　v=KAvi,=Hs/D,则Fr=其中KA为分离器入口截面比，KA＝(π/4)D2/(ab)；Hs为分离空间高度。
　　分离器内的流场是强旋湍流场，细小颗粒的分离过程受湍流度的影响很大。从以往流场的测定及分析知道［4］：湍流粘度、器内湍流度及其分布都是Re准数的函数。因此，Re准数应包含在准则关系式中。可取v=ve=vi／(KA2)，l=dr。=dr/D，则Re=ρgviD/(μKA)。其中dr为分离器芯管下口直径，ρg为气体密度。Eu数只与压降有关，所以不必在准则关系中体现出来。
　　由相似理论可知，为保证气固两相流动相似，还必须保证以下各单值性条件相似：①几何条件　旋风分离器以直径D为基准，各部分尺寸可以表示为量纲为1的数，如KA=πD2/(4ab)，=dr/D。②物理条件　由于采用同种气体和粉尘，所以物性参数ρg、ρp及μ不必单列出来予以考虑。至于颗粒粒度分布对分离性能的影响，用Dd=δ/δm、DT=δm/D来表示。入口含尘浓度Ci反映着固气比的大小，对分离性能有很大影响，为了用无因次准数表示，引入CI＝Ci/Cio这一无因次量。③边界条件　只要进口管道有一定的长度，使颗粒在进入分离器前得到充分加速，则进口处颗粒占气体速度比值不变的条件自然满足。④初始条件　在试验室条件下，颗粒进入旋风分离器时已完全跟随气流运动，因而在保证边界条件相似前提下，颗粒运动方程中的初始条件也是相似的。
　　通过以上分析，可归纳出7个相似准数，即：stk、 Re、 Fr、 Dd、 　DT、 CI和。
2　粒级效率相似准数关联计算法
2.1　基本思想
　　由相似分析可知，旋风分离器性能可表示成7个相似准数的函数。根据相似理论，要使试验模型与工业原型的分离性能相同，必须使上述相似准数一一相等。但是，这在实际上是不能做到的，至多只能做到几个主要准数相等。例如：要使Re数相等，Fr数就无法相等；要使stk数相等，就要对不同颗粒采用不同的入口气速，对颗粒群而言，这也是无法办到的。可见，对于复杂的气固两相分离过程，要使相似条件完全获得满足十分困难，且意义不大。因此，笔者主要通过大量试验数据回归得出这些准数与分离效率的关系，从而给出分离器的性能计算公式。
2.2　回归分析
　　由相似理论，粒级效率可表示为：
ηi(δ)=1-　　　　　　　
exp(－Astkb1Reb2Frb3Ddb4DTb5b6CIb7)
　　通过改变分离器的结构、操作参数、粉尘物性以及入口浓度，得到了近百组实测的粒级效率和无因次准数的数据，将这些数据进行回归分析后，找到了一种准数群的组合形式Ψ［2］：
Ψ=stkb1Reb2Frb3Ddb4DTb5b6
式中，b1～b6均为常数；Ψ的大小基本可决定分离器分离能力的大小，Ψ＞0.9，可视为粗颗粒。颗粒的分离主要受气流平均速度场影响；Ψ＜0.6，可视为细小颗粒，颗粒的分离主要受湍流场影响。于是，颗粒群的粒径分布特性将不会对其产生影响，δm的影响可忽略，这样原先的Dd和DT两个参数合并成一个δ/D。同时，细颗粒的效率可用另一准数群的组合形式Φ=stka1Rea2Fra3(δ/D)a4a5来表示。其中a1～a5为常数。0.6≤Ψ≤0.9，可视为中颗粒。颗粒的分离受到平均速度场及湍流场的双重影响。依照这一观点，并通过多元回归，笔者得到了以下粒级效率计算公式：
当Ψ＞0.9时，
ηi(δ)=1-exp(-4.212 6Ψ1.26CIb)
当0.6≤Ψ≤0.9时，
ηi(δ)=1-exp(-3.95Ψ1.04CIb)
当Ψ＜0.6时，
ηi(δ)=1-exp(-11.855ΦCIb)
其中，当Ci≤50 g/m3时，b=0.06;当Ci＞50 g/m3时，b=0.10。
3　比较讨论
　　笔者利用Barth、Leith-Licht及Dietz的粒级效率计算公式［4～6］，计算了4种不同结构在不同入口气速下的粒级效率。其计算结果、实测值及用文中粒级效率相似准数关联计算法所得的计算结果，见图1a～图1d。

图1　几种粒级效率计算法对比
　　从图1可看出，Barth的计算结果与实测值偏差最大；Leith-Licht的计算结果在δ＜4～5 μm时与实测值较接近，而当δ＞4～5 μm时，则偏差较大；Dietz的计算结果恰好与Leith-Licht相反；笔者所得计算结果在整个范围内，与实测值最为接近。这说明各模型在处理问题时各有所长。Barth模型把分离器内流场简化成层流运动，且运用平衡轨道理论导出了粒级效率计算公式。因此，它只是孤立地看待颗粒的运动，忽略了颗粒间的相互作用，没有考虑返混、弹跳及二次流等影响因素，由于上述因素对分离性能有很大影响，所以Barth模型的计算结果误差较大。
　　Leith-Licht模型认为，粉尘由于气流的涡、汇及湍流扩散等作用，在分离器内形成了每个横截面上粉尘浓度均布的特征。但是，从实测浓度分布中看出［7］，只有细小颗粒在湍流和返混等因素作用下，在横截面上浓度分布较均匀，而粗颗粒的浓度分布存在较大的梯度。因为粗颗粒的分离几乎不受脉动场的影响。所以此模型对粗颗粒的粒级效率计算偏差较大。
　　Dieth模型采用分区方法，依据各区浓度分布不均及区之间存在质量交换的特点导出了计算公式。但是它没能考虑因浓度不等而引起的扩散效应及灰斗处的返混对分离性能的影响，况且，质量交换对细小颗粒的分离影响较小，对粗颗粒分离影响较大，因此，此模型较适合于粗颗粒的效率计算。
　　粒级效率的相似准数关联计算法引入δm及Ci等参数，旨在考虑颗粒群对分离性能的影响，不只是考虑单个颗粒的运动，并且运用相似理论，没有对气固运动或浓度分布作各种简化假设。通过对流场和单值性条件的相似分析，把对分离性能有影响的结构参数、操作条件及入口含尘浓度均列出予以考虑，使粒级效率计算更趋完善，且适用于较多结构旋风分离器粒级效率的计算。另外，该方法本身体现了粗颗粒主要依赖离心力获得分离，而细小颗粒则因碰撞、团聚湍流及二次流等因素而获得分离，其机理是不相同的，故它对粗、细颗粒粒级效率的计算值与实测值均吻合较好。
4　结语
　　在相似与模化理论指引下，通过对旋风分离器气固两相运动及初始条件和边界条件等的相似分析，获得了一系列对旋风分离器性能有影响的无因次准数，从而形成了粒级效率的相似准数关联计算法。此方法全面考虑了结构参数、操作参数及入口含尘浓度等对分离器分离性能的影响。与以往众多的粒级效率计算法相比，此计算法具有更高的计算精度，而且通用性更好。
作者单位：罗晓兰（石油大学(东营 257062)　讲师）
　　　　　陈建义（石油大学(东营 257062)　副教授）
　　　　　时铭显（石油大学(东营 257062)　教授）
参考文献
　[1]　金友海，陈建义，时铭显.PV型旋风分离器捕集效率计算方法的研究.石油加工，1995，11(2)：93～99
　[2]　陈建义.PV型旋风分离器相似分析及分离机理研究：［硕士学位论文］.东营：石油大学，1989
　[3]　罗晓兰.PV型旋风分离器性能计算方法的研究：［硕士学位论文］.东营：石油大学，1991
　[4]　Barth W.Berechung und Auslegung Von Zyklonabscheidern auf Grund neuerer Untersuchungen. Brennstoff-Warme-Kraft,1956,8,Heft 1:1～9
　[5]　Leith D et al. The collection efficiency of cyclone type particle collectors--A new theoretical approach. AICHE Symp. Series, 1972,68(126):196～206
　[6]　Dietz P W. Collection efficiency of cyclone separators. AICHE J. ,1981,27(6):888～892
　[7]　吴小林.蜗壳式旋风分离器的浓度场研究：［硕士学位论文］.北京：石油大学，1988