陳建義, 李真發(fā), 劉　豐, 嚴(yán)超宇

(1.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室,北京 102249;2.中國石油大學(xué)過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室,北京 102249)

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非球形顆粒旋風(fēng)分離特性試驗研究

陳建義1,2, 李真發(fā)1,2, 劉豐1,2, 嚴(yán)超宇1,2

(1.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室,北京 102249;2.中國石油大學(xué)過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室,北京 102249)

為了考察非球形顆粒的分離特征,采用對比試驗的方法,以非球形的硅微粉和球形的粉煤灰為介質(zhì),測量其分離特性。結(jié)果表明:對于這兩種顆粒,分離效率均隨入口氣速增加先升高后下降,壓降隨入口氣速的增加持續(xù)上升,且分離效率和壓降均隨溫度升高而降低;盡管硅微粉的密度更大、顆粒偏粗,但在相同條件下,其分離效率卻比更輕、更細(xì)的粉煤灰的低,且壓降也更低，原因在于硅微粉所形成的灰層在器壁上“滑動”困難,器壁摩擦損失較大,會削弱旋流強度,導(dǎo)致離心分離能力下降,加上非球形顆粒在離心沉降過程中的繞流阻力更大,故分離效率變得更低。對于壓降,雖然器壁摩擦損失增大會導(dǎo)致壓降升高,但旋流強度的減弱又使旋轉(zhuǎn)動能耗散減少,壓降降低,綜合結(jié)果是分離硅微粉時壓降比分離粉煤灰時的低。

非球形顆粒; 旋風(fēng)分離器; 分離效率; 壓降

引用格式:陳建義,李真發(fā),劉豐,等.非球形顆粒旋風(fēng)分離特性試驗研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,40(3):143-148.

CHEN Jianyi, LI Zhenfa, LIU Feng, et al. Experimental investigation on separation performance of cyclone separators for non-spherical particles[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(3):143-148.

旋風(fēng)分離器是利用離心力實現(xiàn)氣固分離的設(shè)備，它結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便,耐高溫高壓,故應(yīng)用非常廣泛。雖然人們對旋風(fēng)分離器進(jìn)行了大量研究,且提出了多種分離理論和設(shè)計方法,如由Barth等[1]提出、后經(jīng)Muschelknautz等[2]以及Bohnet等[3]發(fā)展的平衡軌道理論,Dietz[4]、Mothes等[5]的分區(qū)理論等,但它們都假設(shè)顆粒是球形的。實際應(yīng)用中很多顆粒并非球形。對于非球形顆粒,其沉降規(guī)律及顆粒繞流特性與球形顆粒有很大區(qū)別[6-7]。對于以離心沉降分離為主的旋風(fēng)分離器,它在分離球形和非球形顆粒時,若保持其他條件相同而顆粒形狀不同,則其表現(xiàn)出的分離效率和壓降應(yīng)當(dāng)是不同的。對這一問題,還鮮有相關(guān)的研究報道。劉豐等[8]曾發(fā)現(xiàn),片狀的頁巖粉的旋風(fēng)分離性能有其獨特性,但還缺乏更深入的機制分析。筆者采用對比試驗的方法,以密度和粒度相近、但形狀不同的硅微粉(非球形)和粉煤灰(球形)為介質(zhì),揭示在不同入口氣速和溫度下兩者分離性能的差別,并分析其主要機制。

1　試驗粉料

選用兩種常見的粉料,一種是粉煤灰,另一種是硅微粉(即二氧化硅)。粉煤灰顆粒密度為2 300 kg/m3,中位粒徑約13.35 μm,其顆粒是圓球形的。而硅微粉的顆粒密度為2 600 kg/m3,中位粒徑約13.90 μm,但顆粒形狀卻不規(guī)則,總體呈方柱形。粉煤灰和硅微粉顆粒形貌的電鏡照片見圖1。

圖1　粉煤灰和硅微粉的電鏡圖片F(xiàn)ig.1　SEM photos of particles of coal fines and silica powder

圖2為由Rise2000粒度儀分析得出的粒度分布曲線。由圖2可見,兩種粉料的粒度非常接近。仔細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn),硅微粉還略偏粗,它的顆粒密度也略高。雖然粒度和顆粒密度是影響分離效率的重要因素,但因它們在形狀上的差別足夠顯著,故這兩種粉料能滿足對比試驗的要求。

圖2　粉煤灰和硅微粉的粒度分布曲線Fig.2　Particle size distributions of coal fines and silica powder

2　試　驗

試驗裝置如圖3所示。

圖3　旋風(fēng)分離器試驗裝置簡圖Fig.3　Schematic diagram of comparative experimental facility

裝置主要由通風(fēng)、加熱、加料以及冷卻系統(tǒng)、出口顆粒采樣系統(tǒng)和旋風(fēng)分離器等組成。試驗采用負(fù)壓操作;高溫試驗時,用RL-50型柴油燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱⒖諝饧訜嶂了铚囟?。試驗粉料由入口管道上的雙螺桿加料器送入,利用氣流的擾動實現(xiàn)均勻分散。經(jīng)旋風(fēng)分離器凈化后的氣體經(jīng)過一個水冷卻器,溫度降至常溫后,由離心通風(fēng)機排出,分離下來的粉料則落入收料斗中。在旋風(fēng)分離器排出口下游約300 mm處裝有一個直徑為6 mm采樣嘴,利用等動采樣法采集出口氣流中的顆粒。與采樣嘴相連的是一個兩級沖擊瓶,瓶中裝有去離子水,用于捕集氣流中的粉塵顆粒,采樣系統(tǒng)流程也如3所示。試驗用收塵稱重法確定分離效率E;另外用Rise2000粒度儀分析出口和入口粉塵的粒度,再結(jié)合質(zhì)量平衡關(guān)系確定粒級效率η(δ)為

(1)

式中,η(δ)和E分別為粒級效率和分離效率;fin(δ)和fe(δ)分別為入口和出口顆粒粒度分布的概率密度,μm-1;δ為顆粒直徑,μm。

旋風(fēng)分離器的壓降Δp用U型管測量。為便于比較,引入阻力系數(shù)ξ反映其阻力特性,即:

(2)

式中,ξ為阻力系數(shù);Δp為壓降;ρg為氣體密度，kg/m3;vin為入口氣速,m/s。

圖4　旋風(fēng)分離器模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Diagram of experimental cyclone separator model

試驗旨在比較不同溫度和入口氣速下兩種粉料的分離性能,以考察顆粒形狀的影響規(guī)律。試驗氣體為空氣,溫度為303和673 K;入口氣速為12 ～ 36 m/s;加料濃度固定在10 g/m3。

3　試驗結(jié)果及其分析

3.1壓降(阻力系數(shù))

旋風(fēng)分離器壓降指其入口與出口的靜壓之差,它反映能耗特性。Chen等[9]提出的ESD模型認(rèn)為,壓降一般包括:入口摩擦和突然擴(kuò)大損失、器壁摩擦損失、進(jìn)入排氣管時的突然縮小損失、排氣管內(nèi)的摩擦損失和動能耗散等。在各項損失中,器壁摩擦損失和內(nèi)旋流的動能損失最主要。

采用與Bohnet等[3]類似的方法,即用阻力系數(shù)ξ和雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線表示,見圖5。圖中雷諾數(shù)Re的定義與Bohnet給出的不同,此處的Re是基于排氣管平均軸向速度的,這樣可更好地反映旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓降和阻力系數(shù)的影響,故有:

(3)

式中,Re為雷諾數(shù);D為分離器直徑,m;KA為入口截面比;μ為氣體動力黏度,Pa·s;dr為排氣管直徑比。

圖5　旋風(fēng)分離器阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系Fig.5　Relationship between coefficient of pressure drop and Reynolds number of cyclone separator

由圖5可見,當(dāng)溫度不變時,隨入口氣速增大,Re數(shù)增大,阻力系數(shù)ξ也增大,即壓降與入口氣速將不只是平方關(guān)系。當(dāng)入口氣速不變時,隨溫度升高,氣體黏度增大,Re數(shù)下降,阻力系數(shù)ξ減小,加上氣體密度也變小,故壓降將隨溫度迅速下降。換言之,溫度越高,允許的壓降可以降低,或允許的入口氣速可以提高。這也意味著高溫時分離器的處理氣量可適當(dāng)提高。

圖5還表明,純氣流的阻力系數(shù)要大于含塵氣流時的阻力系數(shù)。主要原因在于,純氣流時,旋轉(zhuǎn)氣流直接與器壁接觸,由于鋼制器壁比較光滑,氣流與器壁的摩擦系數(shù)較小,器壁對氣流旋轉(zhuǎn)的阻滯作用較弱,因此氣流仍能以較快的速度旋轉(zhuǎn)。但正如Chen等[9]所指出的,氣流的這部分旋轉(zhuǎn)動能是由靜壓能轉(zhuǎn)變而來,而當(dāng)其離開分離器時,這部分旋轉(zhuǎn)動能并不能重新轉(zhuǎn)換為靜壓能,而是在流動中損耗掉,并且它在總壓降中占比超過60%。所以,純氣流時雖然氣體與器壁的摩擦損失減小,壓降看似應(yīng)當(dāng)減小,但實際上是增加的。這也給出一個啟示,即旋風(fēng)分離器的減阻應(yīng)重點關(guān)注其旋轉(zhuǎn)動能的回收。

顯然,當(dāng)有顆粒加入時,顆粒在離心作用下遷移并聚集到器壁,沿器壁滾動或滑動形成“灰?guī)А被?“灰層”,這相當(dāng)于在原器壁上附加了一個粗糙度。這樣的器壁可稱為有效器壁(圖6,為便于觀察,其中的旋風(fēng)分離器用有機玻璃制作),相應(yīng)的粗糙度稱為有效粗糙度。顆粒形狀不同、含塵濃度不同,有效粗糙度也不相同。

圖6　旋風(fēng)分離器的有效器壁Fig.6　Effective wall of cyclone separator

如前所述,器壁越粗糙,它對氣流的摩擦阻滯越強,氣流的摩擦損失也越大;但另一方面,氣流因旋轉(zhuǎn)運動受阻,旋轉(zhuǎn)強度減弱,切向速度減慢,則氣流靜壓能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動能的數(shù)值減少,旋轉(zhuǎn)動能耗散也減少。由于旋轉(zhuǎn)動能耗散在總壓降中占有較大比重,其結(jié)果反而可能使壓降減小,如本試驗結(jié)果所示。與純氣流相比,含塵氣流壓降增大或減小還要取決于含塵濃度和顆粒形狀。當(dāng)含塵濃度較低時,有效粗糙度較小,摩擦損失增加不多,旋轉(zhuǎn)動能削弱不多,壓降較大;隨含塵量增加,雖然摩擦損失增加較多,但切向速度或動能耗散減少得更多,壓降將會減小。若含塵量足夠大,以致增加的摩擦損失超過減少的旋轉(zhuǎn)動能耗散,則壓降將增大。Yuu[10]、Trefz[11]、Fassani[12]等的研究結(jié)果可作為例證。需要指出,旋風(fēng)分離器壓降的這一變化規(guī)律與圓管流動是完全不同的。對于圓管湍流,壁面越粗糙,壓降越大,因為其主要機制是摩擦損耗;而旋風(fēng)分離器壓降除摩擦損耗外,還有靜壓能與動能的轉(zhuǎn)化,且后者是主要的,所以其變化更為復(fù)雜。

含粉煤灰氣流的阻力系數(shù)要大于含硅微粉的阻力系數(shù)。由于兩種粉料的密度和粒度都相差無幾,所以它們在器壁上形成的“灰層”的寬度和厚薄也相差無幾,似乎其摩擦阻滯作用也應(yīng)相近。但是,粉煤灰是球形顆粒,而硅微粉是非球形的晶狀顆粒。顯然,球形顆粒在器壁上滾動和滑動都更容易,粉煤灰“灰層”與器壁的摩擦較小,灰層對氣流阻滯作用較弱,而相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)動能耗散就較大,因此阻力系數(shù)較大;反之,硅微粉形狀不規(guī)則,它所形成的灰層在器壁上“滑動”困難,摩擦損失較大,氣流旋轉(zhuǎn)強度削弱較多,相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)動能耗散較小,因而壓降較低或阻力系數(shù)較小。

3.2分離效率

圖7給出了溫度為303和673 K時,兩種粉料的分離效率與入口氣速關(guān)系曲線。由圖7可知,無論對粉煤灰或硅微粉,也無論氣體溫度高低,分離效率隨入口氣速的變化趨勢相同,即:隨入口氣速增大,分離效率先升高后降低,存在一個最佳入口氣速;另外,當(dāng)入口氣速一定時,分離效率隨溫度的升高而降低。李文琦等[13]指出:溫度升高,氣體黏度增大,一方面旋流強度減弱,另一方面顆粒向器壁作離心沉降時的繞流曳力增大,因而分離更加困難。

圖7　粉煤灰和硅微粉分離效率與入口氣速關(guān)系Fig.7　Relationship between separation efficiency and inlet velocity of coal fines and silica powder

圖8　硅微粉和粉煤灰的粒級效率曲線Fig.8　Curves of grade efficiency of coal fines and silica powder

值得注意的是,粉煤灰的中位粒徑為13.35 μm,密度為2 300 kg/m3,而硅微粉的中位粒徑為13.90 μm,密度為2 600 kg/m3。按傳統(tǒng)理論,由于硅微粉顆粒密度大且更粗一些,所以硅微粉的分離效率應(yīng)該更高,但圖7卻給出了完全相反的結(jié)果,即在相同溫度和入口氣速下,硅微粉的分離效率反而比粉煤灰的要低。圖8為入口氣速為20 m/s、溫度為303 K時兩者的粒級效率對比圖。同樣地,在溫度、入口氣速和含塵濃度均相同的條件下,硅微粉的粒級效率也是低于粉煤灰的,尤其是對1.5～3.5 μm的顆粒差別較顯著;硅微粉的切割粒徑(與η=50%對應(yīng)的粒徑)也比粉煤灰的更大。

產(chǎn)生這一反常現(xiàn)象的主要原因也應(yīng)歸結(jié)為顆粒形狀的不同。如前所述,一方面,球形的粉煤灰形成的“灰層”對旋流的阻滯作用較弱,所以氣流的旋流強度較大,顆粒受到的離心力也更大,分離效率就更高;反之,硅微粉的“灰層”更為粗糙,對旋流的阻滯作用較強,旋流強度削弱較多,顆粒受到的離心力更小,分離效率低。另一方面,顆粒在向器壁的沉降、遷移過程中,還要克服繞流阻力,而它的大小也與顆粒形狀密切相關(guān)。顆粒越接近球形,相同繞流雷諾數(shù)下繞流阻力系數(shù)越小,即繞流阻力越小,因而分離越容易。

根據(jù)平衡軌道理論[1-3]推導(dǎo)的切割粒徑公式,也可以直觀解釋這一現(xiàn)象。對于任意形狀的顆粒,顆粒受到的離心力FC為

(4)

式中,ρp為顆粒密度,kg/m3;Ωp為體積,m3;ut為顆粒在半徑re處的切向速度,m/s。

顆粒受到的氣流曳力FD為

(5)

式中,Ap為顆粒徑向遷移時迎流截面積,m2;ur為顆粒徑向遷移速度,m/s;vr為氣流的徑向速度,m/s。

根據(jù)平衡軌道理論,對處于平衡狀態(tài)的顆粒,其離心力與阻力相等,且ur=0,從而有

(6)

其中

vt=ωvin,

ut可用該處氣流的切向速度vt近似,除 fw外其余的都只與旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),當(dāng)分離器型式和尺寸確定后,ω或者(vt/vin)主要與壁面粗糙度有關(guān)。

式(6)左端的Ωp/Ap具有長度量綱,可視作顆粒的某種粒徑比如切割粒徑dc50。對結(jié)構(gòu)尺寸一定的分離器,摩擦系數(shù) fw和顆粒的繞流阻力系數(shù)CD越小,Ωp/Ap也越小,即切割粒徑dc50越小,粒級效率也越高。fw和CD都隨顆粒形狀而變,并非一個常數(shù)。

顆粒形狀越接近球形,摩擦系數(shù)和顆粒的繞流阻力系數(shù)越小。特別地,對球形顆粒且繞流雷諾數(shù) Rep位于Stokes區(qū),則有

(7)

將式(7)代入式(6)即可得到切割粒徑dc50計算式[1-3]:

(8)

由于式(8)是在顆粒為球形且繞流處于Stokes區(qū)的假設(shè)下得出的,而非球形顆粒無論是繞流特征還是與器壁的摩擦,以及它們對旋流的阻滯作用均有很大不同,所以經(jīng)典的切割粒徑dc50計算式并不適用于非球形顆粒(如硅微粉等)。

4　結(jié)　論

(1)對于粉煤灰和硅微粉兩種顆粒,其分離效率均隨入口氣速增加先升高后下降,其壓降則一直隨著入口氣速的增加而增大;另外,分離效率和壓降均隨溫度升高而降低。

(2)粉煤灰和硅微粉的分離性能的變化程度存在較大差異。在相同入口氣速、溫度和濃度下,雖然硅微粉密度更大、顆粒也略粗,但其分離效率卻比更輕更細(xì)的粉煤灰的還低,相應(yīng)的壓降(或阻力系數(shù))也更低。

(3)顆粒在器壁上形成的“灰層”的有效壁面摩擦系數(shù)及顆粒繞流阻力不同。粉煤灰的“灰層”對氣流阻滯作用較弱,摩擦損失較小,相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)動能耗散較大,壓降較高;反之,形狀不規(guī)則的硅微粉所形成的灰層在器壁上“滑動”困難,摩擦損失較大,壓降較低。

(4)顆粒旋流分離的主要因素是離心力和繞流阻力。旋流越強,對顆粒的分離能力也更強;同時在顆粒向器壁遷移的過程中,若繞流雷諾數(shù)相同,則球形顆粒的阻力最低,故分離效率可進(jìn)一步提高。對粉煤灰,這兩個有利機制的共同作用顯示出了更有利的效應(yīng),所以它的分離效率反而更高。對硅微粉則恰好相反,它在密度和粒度方面的有利條件不足以抵消其形狀帶來的不利影響,因而分離效率更低。

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(編輯沈玉英)

Experimental investigation on separation performance of cyclone separators for non-spherical particles

CHEN Jianyi1,2, LI Zhenfa1,2, LIU Feng1,2, YAN Chaoyu1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessinginChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.BeijingKeyLaboratoryofProcessFluidFiltrationandSeparationinChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

A comparative experiment was conducted to investigate the cyclone performance for non-spherical particles. The silica powder (non-spherical) and coal fines (spherical) were selected as the test media. The silica powder particles are slightly bigger and heavier than the coal fines. The results show that the separation efficiencies for both particles rise firstly and then drop with the increase of inlet velocity, while their pressure drops increase continuously. Moreover, the efficiencies for both particles decrease with the increase of gas temperature. However, the separation efficiency of silica powder is unexpectedly lower than that of coal fines, and the pressure drop is also less. The reasons lie in the difference of particle drag force and friction between the cyclone wall and the so-called ‘dust layer’ formed by near-wall particles. For the silica powder, the friction between its dust layer and cyclone wall becomes greater because the dust layer moves more difficultly on the cyclone wall. Therefore, the gas rotation is hindered more greatly, the centrifugal force field becomes weaker and the separation efficiency becomes lower. Besides, the drag force on a non-spherical particle is usually larger, which further undermines its separation. As for the pressure drop, although a greater friction on the wall will lead to a higher pressure drop, a weaker swirl flow caused by the greater friction means a much less dissipation loss of gas dynamic energy in the outlet pipe. The overall effect is that the pressure drop for silica powder becomes lower than for coal fines.

non-spherical particle; cyclone separator; separation efficiency; pressure drop

2015-12-01

國家自然科學(xué)基金項目(21176249);國家科技計劃項目(2010CB226902)

陳建義(1965-)，男，教授，博士，研究方向為多相流分離技術(shù)與裝備。E-mail:jychen.cup@163.com。

1673-5005(2016)03-0143-06doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2016.03.019

TQ 051.84

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