叶片参数对导叶式旋风分离管性能的影响

为研究叶片结构参数对导叶式旋风分离管流场分布及分离效率的影响,基于纳维-斯托克斯方程,考虑颗粒与壁面碰撞,采用雷诺应力模型与有限体积法,对旋风分离管流场进行了数值模拟。研究了叶片高度、包弧长与出口角度对旋风分离管流场分布、压降及分离性能的影响规律。结果表明,导叶式旋风分离管外旋流压值较高,内旋流压值较低,呈＂V＂型分布,速度沿径向方向对称,呈驼峰型分布;叶片包弧长和出口角度对旋风分离管流场压力、速度、压降及分离效率影响较大,而叶片高度的影响则相对较小。综合考虑,叶片包弧长应在32-40 mm,叶片出口角度在20°-30°,叶片高度在43.5-47 mm范围内选取。

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。

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。

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。

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%。

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。

300 MW CFB锅炉旋风分离器改造数值模拟研究

旋风分离器分离性能会显著影响循环流化床锅炉的运行。为解决某300 MW循环流化床锅炉旋风分离器分离器性能差的问题,基于欧拉-拉格朗日框架,使用UGNX12.0软件对该300 MW循环流化床锅炉的炉膛、旋风分离器、返料阀按照实际尺寸1∶1建立全回路几何模型,根据实际参数设置边界条件,并通过Barracuda软件进行数值模拟,分析旋风分离器烟道入口各参数(入口烟道高度、入口烟道宽度、入口下倾角大小及中心筒插入深度)对旋风分离器效率及压降的影响;综合考虑分离器的分离效率、压降以及磨损量,提出了2个改造方案。仿真结果表明:炉膛内压力模拟值与实际值的偏差均在5%以内,模拟结果较为精确;2个方案在各负荷下均能提升旋风分离器分离性能,方案1满负荷下效率相较于较改造前提升了0.260%,压降降低了13.1 Pa,方案2满负荷下效率相较于改造前提升了0.240%,压降降低了53.7 Pa;随着负荷降低,旋风分离器效率提升逐渐不明显,在300、260和160 MW负荷下,方案1分别提升0.263%、0.178%和0.023%,方案2分别提升0.243%、0.174%和0.020%。

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。

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。

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。

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。

旋风分离器管屏智能焊接设备的开发与应用

针对目前旋风分离器管屏角焊缝采用机械龙门焊或手工焊接,存在焊缝质量差、焊接飞溅多和焊工作业环境差等问题,设计开发了一种旋风分离器管屏机器人智能焊接设备,可实现对管屏角焊缝的自动定位、自动起弧、自动调整焊枪姿态、自动焊接的全过程智能化控制。对其硬件系统、软件系统和辅助装置进行了介绍,并设计了管屏焊接工艺流程。焊接工艺试验和应用结果表明,设备运行稳定,激光寻位准确,焊缝成形良好,焊接飞溅少,烟尘处理效果好,焊角尺寸满足标准要求,焊接速度可达800 mm/min以上,焊接综合效率提高40%以上。旋风分离器管屏智能焊接设备实现了管屏角焊缝的自动化焊接,提高了焊接效率,降低了劳动强度,改善了作业环境。

旋风分离器内置导流叶片的流场分析

旋风分离器是油气开采领域除砂的核心设备,为研究结构对分离效率的影响,新设计了一种内置的导流叶片,基于CFD采用fluent软件对新型旋风分离器进行流场分析。结果表明:内置导流叶片的旋风分离器切向速度最大值比传统Stairmand分离器有显著提升,径向速度小幅降低,轴向速度减小并延长颗粒停滞时间。入口风速为15m/s时压降提高了15%,随着入口风速的提高压降升高的幅度越来越小,在25m/s时,压降升高11%。针对粒径2.5μm以下颗粒的分离效率平均提高了11%~19%,该研究为旋风分离器后续设计提供一定的指导意义。

粉磨系统用旋风分离器对比分析

旋风分离器的提效降阻对粉磨系统的节能降耗具有重要意义。以5个主要厂家直径Φ6 800mm的旋风分离器为研究对象,采用计算流体动力学的方法对几家旋风分离器进行模拟仿真,并针对旋风分离器的内部流场特征、阻力和收集效率参数进行对比分析。研究表明:不同厂家的旋风分离器各具特点,使用时需结合现场实际和工艺要求选择较为合适的类型。