出口结构对轴流式旋风分离器性能影响的数值模拟

为探究出口结构对轴流式旋风分离器性能的影响,通过大涡模拟与离散相模型耦合的数值方法,对4种不同出口结构轴流式旋风分离器进行数值模拟研究,同时,引入Omega准则识别内部空间涡结构。结果显示,在轴流式旋风分离器内部,叶片吸力面与导流锥底部形成了叶间通道涡与导流锥尾迹涡,且涡旋速度梯度大,并会将颗粒卷吸到涡核中心,使分离效率降低;楔形与弧形出口结构加剧了涡结构在出口管内破碎的现象,且较直筒型出口的压力损失更低。在弧形出口前设计直线段可减缓型面扩张,即混合型出口可进一步改善弧形出口的流阻与分离性能。总体来看,楔形出口和混合型出口的性能较好,可为轴流式旋风分离器的结构改进提供一定参考。

旋风分离器气固流动特性数值模拟研究

为探究旋风分离器流场特性与分离特征,在气固两相流理论基础上,建立旋风分离器结构模型,通过CFD数值模拟软件对分离器的流场进行仿真计算,研究了气相速度场和压力场分布情况,考察各项参数对分离性能的影响。进行方案优选,在圆柱段长度430 mm、下锥段长度790 mm、溢流管插入深度140 mm、溢流口直径80 mm时分离器分离效率达到最优值。通过线性回归与多元逐步回归法推导得出分离效率与参数间的关系表达式,对分离器结构改进具有重要的参考价值。

旋风分离器内置导流叶片结构参数优化研究

为研究旋风分离器内置导流叶片各个结构参数之间的相互作用,基于CFD数值模拟方法和BBD试验设计,采用二阶多项式基函数建立了Stairmand旋风分离器的叶片轴向位置、叶片长度及叶片偏转角度与分离效率及压降间的数学模型。拟合结果表明:响应目标的决定系数均在0.99以上,表明相关性和回归模型效果较好。使用Design Expert软件处理数据后选择了最佳推荐点,对分离器结构进行了优化。优化后的模型与原结构对比结果如下:优化模型的压降略有上升;颗粒直径在1~20μm范围内时,优化前后分离器的分离效率变化明显,尤其在1~15μm范围内时,优化前分离效率为6.8%~31.0%,优化后则达到了17.0%~54.0%,提升约20个百分点;而当粒径在15~40μm区间时,优化前后的分离效率变化不明显,尤其是在粒径20~40μm时,优化前的分离效率为71.0%~98.0%,而优化后的分离效率只有77%~99%,提升约10个百分点;优化后的模型性能符合“高效低阻”的设计目标。所得结论可为旋风分离器内置叶片的改进提供设计指导。

考虑材料形变的旋风铣削螺纹工件表面粗糙度建模

表面粗糙度对工件的耐磨性、疲劳强度和接触刚度有重要影响,在金属切削过程中,表面粗糙度受到工件材料形变的影响.根据赫兹弹性接触理论,建立工件材料形变的弹性回复高度模型.基于摩擦磨损计算原理,提出工件材料形变的塑性变形高度模型.分析刀具-工件接触运动,建立工件表面的残留高度模型.结合工件材料形变和残留高度的影响,建立滚珠丝杠旋风铣削表面粗糙度理论模型.通过旋风铣削试验验证表面粗糙度模型,结果表明理论模型值与试验值吻合良好.分析切削参数(切削速度、最大切削深度和刀具个数)对表面粗糙度的影响,揭示工件材料形变与表面粗糙度的关系.

旋风滤布除尘器的除尘性能研究

为了解决传统旋风除尘器对颗粒捕集效率差、袋式除尘器使用寿命短等问题,将传统旋风除尘与滤布除尘有效结合,形成一种优势互补的一体式旋风滤布除尘装置。采用数值模拟和试验相结合的方法,探究在不同出口压力的条件下,旋风滤布除尘器的除尘效率及压力损失情况。利用Fluent软件对旋风滤布除尘器的除尘性能进行模拟,模拟采用雷诺应力模型(Reynolds Stress Model, RSM)和多相流模型(Discrete Phase Model, DPM)。通过搭建试验平台,测试除尘装置的除尘性能,验证数值模拟的可靠性与正确性。结果表明:旋风滤布除尘器的除尘效率相对于旋风除尘有明显的提高,旋风滤布除尘器的除尘效率与出口负压呈正相关,旋风滤布除尘总效率随出口负压的增加而逐渐增加,且旋风滤布除尘器除尘效率的最小值都高于旋风除尘部分除尘效率的最大值;旋风滤布除尘器的压力损失随出口负压的增加而线性增大,压力损失增大使得除尘器损耗的功率也增多,且压力损失的上升速度快于除尘效率的提升速度;在旋风滤布除尘器中,负压增大后,旋风除尘捕获大粒径颗粒,逃逸到滤布部分的颗粒粒径都较小,降低了滤布被大颗粒划破的风险,提高了滤袋的使用寿命。

矿用对旋风机旋转失速信号特征识别与提取

针对旋风机旋转失速信号特征的识别与提取,提出了一种参数优化的变分模态分解(VMD)方法。首先,为了消除人为选择VMD参数的影响,提出一种以平均包络熵为目标函数的蛙跳优化算法,对VMD算法的模态个数K和惩罚因子α进行优化选取,实现了参数K和α的合理自动选取;然后,通过模拟信号验证了参数优化后的VMD方法的有效性;最后,利用参数优化的VMD方法对风机失速信号进行处理和分析,研究风机失速的频谱特性,并与经验模态分解(EMD)结果进行对比分析。研究结果表明:与EMD方法相比,参数优化的VMD方法在处理模态混叠方面更具有优势,其处理效果明显优于EMD,分解得到的IMF分量个数也少于EMD,易区分特征频率;另外,以优化获取的参数组合处理风机的失速信号时,能够很好地揭示失速特征频率在失速发展过程中的变化规律,对应于频率分量的波动,从大尺度的频率波动转变为小尺度的频率波动。

旋风分离器流固耦合分析与裂纹产生机理探究

高压旋风分离器是压气站天然气出站前的重要净化分离设备,其入口压力高,波动大,内部动力学响应复杂。目前,国内运行中的分离器壳体入口区域多出现微裂纹。为探究旋风分离器内部流场分布情况,研究分离器壳体的动态响应,准确认识分离器入口区域裂纹产生机理,基于有限元法分别计算了稳定和非稳定压力入口边界条件下分离器内部流场分布规律,将流场压力结果通过流固耦合面传递至分离器壳体作为固体域的载荷边界条件,计算分离器壳体的应力和变形。再制作标准试件,以分离器入口区域的应力值作为载荷条件,进行了拉伸和疲劳试验,探寻其入口区域微裂纹产生机理。该研究可为旋风分离器的裂纹预防和工程维护提供理论指导。

旋风分离器环形空间顶灰环的流动特性

旋风分离器环形空间内由于二次涡的作用在上部存在一个旋转的顶灰环,不仅会降低分离效率,而且会造成冲蚀磨损。采用有机玻璃制造的PV型旋风分离器(筒体直径D=160 mm)以及丙烯腈待生催化剂和铁矿粉,在入口气速(v_(in))为12~20 m/s、入口气流颗粒质量浓度(C_(in))为10~100 g/m^(3)条件下进行实验,利用高速摄像机考察顶灰环的流动特性。实验结果表明:顶灰环存在周期性脱落现象;脱落周期与入口气速和入口气流颗粒质量浓度有关,且随入口气速增大而增大,随入口气流颗粒质量浓度增大而减小。为进一步分析顶灰环的形成机理,利用Fluent模拟了环形空间的气相流场。结果表明,二次涡对颗粒群的夹带形成了顶灰环,顶灰环颗粒的积累导致顶灰环发生周期性脱落。在模拟分析基础上建立了基于准数关联的顶灰环脱落周期的预测模型。

喷雾耦合降温强化旋风分离器脱除细颗粒物的研究

通过在冷凝换热器前耦合喷雾的方式,将雾化团聚和水汽相变团聚结合以提高旋风分离器对细颗粒物的脱除效果,用于湿式除尘器后近饱和高湿烟气的深度处理。通过开展实验室试验和某金属冶炼厂烟气旁路试验,考察了该技术对颗粒物的脱除特性。实验室研究结果表明,典型工况下喷雾耦合降温能够显著增强旋风分离器对颗粒物的脱除,比单独喷雾或降温具有更好的增强效果。提高喷雾量和换热器温降,细颗粒物脱除效率先升高后趋于稳定,在温降6℃、喷雾量0.046 L/m^(3)时达到最优脱除效果。烟气温度越高,湿度越接近饱和,细颗粒物脱除效率越高。工业烟气旁路试验表明,该系统适用于湿式除尘后的近饱和高湿烟气,且对波动工况的适应性强,当入口颗粒物浓度不超过2000 mg/m^(3)时,出口颗粒物浓度可保持在20 mg/m^(3)以内,平均脱除效率超过99.2%。

微纳米磷酸铁锂的旋风分离及其储能性能

为了应对环境污染和气候变化、达成碳中和的目标,新能源汽车是低碳技术发展的主要方向。磷酸铁锂(LiFePO_(4))具有化学稳定性高、循环寿命长、理论比容量高(170 mAh·g^(-1))、环境友好和成本相对较低等优点,被认为是一种理想的锂离子电池正极材料。然而,纯相的LiFePO_(4)材料具有离子扩散缓慢和电子电导率低的缺点,减小粒径和包覆碳涂层是改善其缺点的有效方式。本研究通过喷雾干燥法和旋风分离方法制备了粒径分布可控且碳包覆均匀的微纳米球形磷酸铁锂材料。研究自行设计和制作了多级旋风分离装置,筛选出磷酸铁锂材料(LFP@C-X3)表现出优秀的电化学性能,在0.1C倍率下初次放电比容量为151.3 mAh·g^(-1),在0.5C倍率下100次循环后的放电比容量为132.6 mAh·g^(-1),容量保持率为97.9%。这归因于微纳米球形磷酸铁锂颗粒缩短了电子/离子的传输路径,增强了材料的导电性,有效提高了材料的电化学性能。研究结果表明,旋风分离方法可以有效控制磷酸铁锂颗粒的粒径大小和粒径分布,以此增强磷酸铁锂材料的电化学性能,具备一定的应用价值。

炼钢转炉低质煤气在旋风分离器中的高效燃烧特性

转炉低质煤气CO浓度低且含有少量O_(2),存在爆炸危险,无法回收利用,目前通过卷吸空气使转炉低质煤气在气化冷却烟道内无组织地燃烧,现有技术难以实现气化冷却装置内煤气的高效燃烧利用。旋风分离器内部流场拥有强旋流、强混合的特点,实现转炉煤气除尘的同时有利于转炉低质煤气的混合燃烧。为解决转炉低质煤气难以高效燃烧利用的难题,基于转炉煤气全干法回收新工艺,采用数值模拟的方法研究了转炉低质煤气在旋风分离器内部的流动和燃烧情况。结果表明:气化冷却烟道中心附近过量空气系数均低于0.4,而旋风分离器内过量空气系数均大于1,转炉低质煤气与空气在旋风分离器内得到了充分混合;较高的湍流动能、局部旋涡提升了转炉低质煤气与空气在旋风分离器内的混合效果;气化冷却烟道内燃烧区域狭小,流动截面内OH平均体积分数为305×10^(-6),燃烧强度低;旋风分离器内燃烧区域分布广泛,流动截面内OH平均体积分数达到650×10^(-6),燃烧强度高;转炉低质煤气流经旋风分离器后,在前烧阶段燃烧效率从74.64%上升到98.86%,在后烧阶段燃烧效率从44.08%上升到95.05%;在旋风分离器内部实现了转炉低质煤气的高效燃烧。

基于CPFD方法的生物质燃气旋风分离陶瓷膜一体化除尘器仿真

为缩短高温燃气除尘工艺,提高除尘效率,提出了一种耦合复合陶瓷膜组的一体化旋风除尘器。在温度为573 K的条件下对陶瓷膜的流动阻力进行了实验研究,考察了流量和压力对单个陶瓷膜过膜压降的影响,得到过膜压降与流速之间的关系式,基于计算颗粒流体力学(CPFD)方法模拟了除尘器内部的气固两相流动特性,探讨了生物质燃气除尘过程中内部颗粒的分布规律、速度和停留时间,探究了复合陶瓷膜组对除尘器压降和效率的影响。结果表明:在入口温度为573 K、压力为111325 Pa、进口气体积流量为7909 m^(3)/h的条件下,较之无陶瓷膜组的除尘器,一体化除尘器内部粉尘颗粒的停留时间更长,其对粉尘颗粒捕集效率更高,颗粒聚集性能更好,除尘效率从91.2%提升至99.7%,然而总体压降增大了78 Pa。

基于CFD-DPM模拟的冷氢化工艺旋风分离器内气固两相流动及冲蚀磨损特性研究

针对冷氢化工艺混合气体-硅颗粒分离问题,以旋风分离器为研究对象,采用CFD-DPM模拟的方法,对旋风分离器内气固两相流动及硅颗粒的冲蚀磨损特性开展研究。结果表明,旋风分离器内静压与速度的分布呈现出内、外旋涡明显的差异性,在分离段靠近壁面附近,流体受器壁约束,形成向下运动的外旋涡,静压值较大;在轴线附近,静压值降至最小,流速沿径向先增大后减小,呈双峰分布,且速度分量以切向分量占优。旋风分离器内颗粒运动受粒径影响显著,粒径为75μm的较大硅颗粒在分离段沿壁面以螺旋带状运动为主,在入口环形孔间和灰斗顶部集中出现灰环,而粒径为20μm的较小硅颗粒的运动则呈现较强的随机性;受颗粒运动特性的影响,冲蚀作用在入口环形孔间顶板、灰斗顶部以及灰斗收缩段入口处相对更加严重;在分离锥段沿收缩方向均逐渐增大,螺旋灰带的出现使较大颗粒的冲蚀率分布更加集中,在螺旋灰带出现部位,粒径为75μm硅颗粒的冲蚀率约为20μm硅颗粒冲蚀率的5~7倍;在入口环形空间及灰斗内部,随机运动的较小颗粒造成的冲蚀作用更严重。研究结果可为旋风分离器的减磨设计和结构优化提供一定的理论指导。

对旋风机新形叶片流致振动特性

为了优化对旋风机的流致振动特性,以某对旋风机叶片为研究对象,通过修改翼型的方式来提出一种性能良好且具有减振功能的新形叶片。比较了两种对旋风机流场性能,采用模态分析法进行了两种叶片的共振预测,以叶片表面非定常压力脉动作为叶片所受流体激振力,采用模态叠加法计算了两种叶片监控点强迫振动响应特性。结果表明:新形叶片具有良好的气动性能,正风性能与原始风机相差不大,反风性能优于原始风机;额定转速下,一级新形叶片相较原始叶片频率余量提高了8.9%,运行更安全;新形叶片监控点振动加速度响应最大峰值均低于原始叶片,新形叶片具有良好的减振效果;相较于一级叶片监控点,二级叶片监控点处两种叶片总振动加速度级差值最大,新形叶片减振效果更明显,且最大差值约为10.83 dB。

基于FA-ISSA-PPR模型的旋风分离器分离效率预测

旋风分离器是气田开发中常用的气固分离设备,准确预测旋风分离器的分离效率对于指导其结构设计和方法优化具有重要意义。在对数据集进行相关性分析的基础上,采用因子分析(factor analysis, FA)简化变量,降低预测模型的复杂程度,利用改进的樽海鞘群算法(improved salp swarm algorithm, ISSA)对投影寻踪(projection pursuit regression, PPR)的模型参数进行优化,形成FA-ISSA-PPR组合模型。结果表明,利用FA模型,原数据集的10个变量可以简化合并为4个公因子,分别代表尺寸参数、颗粒沉降特性、粒子运行轨迹和等效分割粒径对分离效率的影响;与半经验模型和其余机器学习模型相比,组合模型在预测精度和训练时间上具有一定的优越性,在测试样本上的平均绝对误差(MAE)为0.005 91,R^(2)可达0.995,证明了其在小样本、非线性数据分析上的准确性、鲁棒性和泛化性。

灰斗捕焦器对催化裂化装置旋风分离器性能及流场的影响

沉降器顶部旋风分离器(顶旋)升气管外壁焦块脱落堵塞料腿是威胁催化裂化装置长周期稳定运行的重要隐患之一。针对这一问题,提出在顶旋的灰斗内设置网状捕焦器,以拦截脱落的大焦块,避免料腿堵塞的新防治方案,并采用冷模试验与数值模拟的方法对比研究了具有不同结构灰斗旋风分离器的分离效率、压降与流场变化。结果表明:在灰斗中增设捕焦网并拦截焦块后,旋风分离器的压降下降不明显,但分离效率下降0.21~0.91百分点;分离器内分离空间和灰斗中的流体最大切向速度分别下降0.4%和41.2%,同时轴向内旋流上行区增大,导致颗粒夹带增多、颗粒返混逃逸率增大、分离效率降低;增加灰斗高度可以减小颗粒返混逃逸率和内旋流夹带量,恢复甚至提高分离效率,从而实现防治焦块堵塞料腿隐患的目的。

旋风洗涤除尘器压降及流体动力学特性

旋风洗涤除尘器结构相对简单且除尘效率高,是对煤炭地下气化产出的粗煤气进行净化处理的可靠设备。通过室内实验和CFD数值模拟相结合的方法,研究旋风洗涤除尘器压降规律和相应的流体动力学特性。实验测量单气相和气液两相流动条件下旋风洗涤除尘器的压降,考察气体流量、液气比(体积比)和喷淋位置对设备压降的影响规律,并基于验证的数值模型确定旋风洗涤除尘器内的流体动力学特性。结果表明:旋风洗涤除尘器压降随气流量增加而显著增加,且在当前的液气比以及改变喷淋位置对设备压降的影响较小。当前确定的设备结构可以有效实现旋风除尘和喷淋除尘,但除雾滴用起旋板上方的流场可以进一步优化,以便实现气流夹带液滴的有效去除。

蒸发装置中汽液旋风分离器的设计

在蒸发和结晶单元操作中,汽液分离器用于气液相的连续分离,是保证蒸发过程稳定运行的关键设备之一。其既要保证蒸发的二次蒸汽完全从液相中分离,又要保证分离出的二次蒸汽携带极少量的物料。介绍了汽液分离器的工作原理、影响分离效率的因素以及设计方法,为工业级蒸发分离器的设计提供思路。

新型双筒体旋风分离器的分离性能和流场

为降低普通逆流式旋风分离器的阻力,设计了一种双筒体旋风分离器(简称双筒体分离器),即在筒体内部增加一个同心内筒、进口移至筒体下端、升气管插入内筒一段长度。通过冷模对比实验和数值模拟研究了该双筒体分离器的分离性能和流场。结果表明:双筒体分离器的效率在低入口气速区低于PV型高效旋风分离器(简称PV型分离器),但当入口气速高于28 m/s时则高于PV型分离器;双筒体分离器的效率总是高于环流式除尘器;压降与环流式除尘器相近但比PV型分离器低约50%。双筒体分离器耦合了常规逆流和直流旋风分离器中的2种旋涡流动,克服了逆流式分离器气体流路长和顶灰环的缺陷,同时还增加了部分细颗粒循环再分离的机会,效率高于直流式旋风分离器,是一种具有较低阻力和较高分离效率的新型旋风分离器,对于入口颗粒稍粗的分离应用具有显著的节能优势。

旋风分离器及管道振动超标原因分析及改造

针对某石化公司聚酯厂循环系统的旋风分离器及连接管路在运行期间出现振动过大问题,结合设备运行原理、现场调研结果及振动测试数据,对旋风分离器开展流场仿真模拟与结构应力分析,提出切实可行的改造措施。经过改造,最大应力值相对于改进前大幅降低,同时保证最大应力发生点避开应力集中区域;在额定的工况,振源的振动数据降低了98%,彻底解决旋风分离器的振动过大问题,使装置顺利开工,为企业争取了时间,创造了效益。