旋流板式氣液分離器的放大規(guī)律

1、第3卷 第5期 過(guò) 程 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.3 No.5 2003年10 月 The Chinese Journal of Process Engineering Oct. 2003收稿日期:20030312, 修回日期:20030506基金項(xiàng)目:中國(guó)石油化工股份有限公司科技開(kāi)發(fā)資助項(xiàng)目(編號(hào): 300023作者簡(jiǎn)介:魏偉勝(1962, 男, 廣東省五華縣人, 碩士, 高級(jí)工程師, 主要研究催化反應(yīng)工程, E-mail: weiws.旋流板式氣液分離器的放大規(guī)律魏偉勝,樊建華,鮑曉軍, 石岡石油大學(xué)(北京中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102200摘 要:對(duì)旋流板式氣液分離器

2、在3種規(guī)模、18種旋流板結(jié)構(gòu)下進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)研究,考察了旋流板結(jié)構(gòu)參數(shù)(徑向角、仰角和葉片數(shù)量對(duì)分離效率和壓降的影響,并建立了預(yù)測(cè)分離器壓降的關(guān)聯(lián)式,為旋流板結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定提供了依據(jù). 工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)定結(jié)果表明分離器壓降預(yù)測(cè)式是準(zhǔn)確的,它可用于工業(yè)氣液分離器的放大設(shè)計(jì). 關(guān)鍵詞:氣液分離;旋流板;分離效率;壓降中圖分類號(hào):TQ028.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009606X(2003050390061前言旋流板式氣液分離器是一種典型的基于離心分離原理的氣液分離器1,2. 分離器的主體為一圓柱形筒體,上部和下部均有一段錐體,見(jiàn)圖1. 在筒體中部放置的錐形旋流板是除霧的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)如圖2所

3、示(詳細(xì)結(jié)構(gòu)可參考文獻(xiàn)3. 旋流板由許多按一定仰角傾斜的葉片放置一圈,當(dāng)氣流穿過(guò)葉片間隙時(shí)就成為旋轉(zhuǎn)氣流,氣流中夾帶的液滴在慣性的作用下以一定的仰角射出而被甩向外側(cè),匯集流到溢流槽內(nèi),從而達(dá)到氣液分離的目的. 葉片在豎直方向的傾斜程度用仰角表示,在徑向的排列方式用徑向角表示. 葉片數(shù)量、仰角和徑向角是旋流板的3個(gè)重要參數(shù).圖1 氣液分離器結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 旋流板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mist swirl separator Fig.2 The structure of the swirl vane目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的各類旋流板式氣液分離器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)大多為一些公司的專有或?qū)＠夹g(shù),有關(guān)其結(jié)

4、構(gòu)和設(shè)計(jì)放大方法的報(bào)道很少4,5. 為深入了解旋流板式氣液分離器的分離機(jī)InletSwirl vaneExit tube Gas outletCylinderLiquidoutleth5期 魏偉勝等:旋流板式氣液分離器的放大規(guī)律391理,優(yōu)化旋流板式氣液分離器的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù),本文以丙烯腈裝置用的旋流板式氣液分離器為對(duì)象,進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,以期為旋流板式分離器的開(kāi)發(fā)和工業(yè)應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ).2模型實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示. 旋流板的葉片數(shù)量若無(wú)特別說(shuō)明,則均為36片. 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣稀鹽水體系. 霧滴由空氣輔助雙流體霧化噴嘴產(chǎn)生. 液流:鹽水, 用一小水泵增壓注入,注入的鹽水量先通過(guò)

5、轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行初步的調(diào)節(jié)控制,然后再用臺(tái)秤進(jìn)行更準(zhǔn)確的計(jì)量;氣流:霧化所需壓縮空氣,由V3/10型空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生,壓縮空氣量用LZB 型轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量. 實(shí)驗(yàn)所需的風(fēng)量較大,在實(shí)驗(yàn)中空氣壓頭不需要很大,因此實(shí)驗(yàn)采用羅茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)即可,風(fēng)量用QDF6型數(shù)字式熱線風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量. 進(jìn)水和接水的兩個(gè)水箱都用臺(tái)秤監(jiān)測(cè)水的進(jìn)出量.分離效率是單位時(shí)間內(nèi)捕集的霧滴質(zhì)量與進(jìn)入分離器的霧滴質(zhì)量之比. 由于在造粒時(shí)肯定會(huì)有部分水以蒸汽形式存在,因此進(jìn)入噴嘴的液體質(zhì)量需去除蒸發(fā)量后才是霧滴的真實(shí)質(zhì)量. 在空氣鹽水系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中,可通過(guò)測(cè)量進(jìn)出分離器的鹽水濃度來(lái)準(zhǔn)確測(cè)定液體的蒸發(fā)量. 氣流出口直接進(jìn)大氣,壓力降由分離器氣

6、體入口處的壓力計(jì)(或U 型管測(cè)得.實(shí)驗(yàn)中,霧滴濃度一般控制在19 g/m 3, 霧滴平均粒徑一般在30 µm(它由進(jìn)入雙流道噴嘴的氣體和液體流量來(lái)控制.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1分離器的最佳空速空速是指氣體通過(guò)分離器最大柱體截面時(shí)的表觀速度,它直接關(guān)系到設(shè)備的處理量. 空速對(duì)分離效率和總壓降有明顯的影響,是評(píng)價(jià)分離器操作彈性的主要依據(jù). 圖4為不同空速下的分離圖3 實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental apparatusDual-flownozzleDualflow nozzle392 過(guò) 程 工 程 學(xué) 報(bào) 3卷效率,表明對(duì)于

7、結(jié)構(gòu)一定的氣液分離器有一最佳空速. 表1是筒徑D =340 mm 規(guī)模下分離器的最佳空速,其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)是氣流通過(guò)葉片之間的理論平均速度. 不難發(fā)現(xiàn),對(duì)于一定筒徑的分離器,當(dāng)其它條件不變時(shí),徑向角或仰角增大,將造成葉片間的通氣面積減小,氣流的穿過(guò)速度增大,動(dòng)能因子的增大使得流體的湍流脈動(dòng)更加劇烈,因此徑向角或仰角較大的旋流板對(duì)應(yīng)的最佳氣速較小,但通過(guò)葉片時(shí)的速度卻增加.在3種規(guī)模下所做的實(shí)驗(yàn)表明,隨著筒徑的增加, 最佳空速稍有減少,但通過(guò)葉片之間的氣流速度卻增加. 因此選定空速在59 m/s ,通過(guò)葉片時(shí)的速度在20 m/s 左右時(shí)較為合適.表1 D =340mm 時(shí)設(shè)備各結(jié)構(gòu)最佳空速Tabl

8、e 1 Optimal superficial gas velocity at D =340 mm (m/sElevation Radial angle 20o30o 40o 40o 45o50o9.0(10.79.5(14.4 9.0(15.6 8.5(17.57.5(16.7Note: Values in brackets are calculated velocity through vanes.3.2旋流板結(jié)構(gòu)旋流板是氣液分離器的核心部件,它決定了分離器的分離效率和壓降. (1 旋流板仰角對(duì)分離效率和壓降的影響表2是700 mm 設(shè)備在徑向角為55o 時(shí),平均分離效率和壓降隨仰角變化的

9、關(guān)系. 由表可見(jiàn),隨著仰角的增大,平均分離效率明顯提高,但同時(shí)設(shè)備壓降急劇增大. 綜合考慮仰角在30o 為宜.表2平均分離效率和壓降隨仰角的變化Table 2 Effect of elevation on separation efficiency and pressure drop (U =6.36 m/sElevation 20o 30 o 40 o Separation efficiency (% 93.9 96.0 98.1 Pressure drop (Pa7609901580(2 旋流板徑向角對(duì)分離效率和壓降的影響表3是700 mm 設(shè)備在仰角為30o 時(shí),平均分離效率和壓降隨徑向

10、角變化的關(guān)系. 由表可見(jiàn),隨著徑向角的增大,平均分離效率明顯提高. 考慮到分離器的允許壓降,規(guī)模較小的分離器徑向角應(yīng)小一些,規(guī)模較大的氣液分離器應(yīng)大一些. 因此旋流板徑向角可選范圍為50o 60o .表3平均分離效率和壓降隨徑向角的變化Table 3 Effect of radial angle on separation efficiency and pressure drop (U =6.36 m/sRadial angle 50o 55o 60o Separation efficiency (% 94.6 96.0 99.0 Pressure drop (Pa81099017004567

11、891011121314 (%U (m/s圖4 氣速效率關(guān)系圖Fig.4 Influence of superficial gas velocity onseparation efficiency5期 魏偉勝等:旋流板式氣液分離器的放大規(guī)律393(3 旋流板葉片數(shù)對(duì)分離效率和壓降的影響表4是700 mm 設(shè)備在仰角、徑向角和空速固定時(shí),平均分離效率和壓降隨葉片數(shù)變化的關(guān)系. 由表可見(jiàn),隨著葉片數(shù)的增大,平均分離效率和壓降明顯提高.表4平均分離效率和壓降隨葉片數(shù)的變化Table 4 Effect of vane number on separation efficiency and pressu

12、re drop (U =6.36 m/sVane number36 40 45 Separation efficiency (% 89.3 96.8 98.8 Pressure drop (Pa3805606803.3高徑比氣液分離器柱體直徑一定時(shí),高徑比就反映了分離器的高度. 在軸向方向上,最重要的參數(shù)是出氣筒與旋流板的距離h (見(jiàn)圖1. 在D=340 mm 規(guī)模的分離器上考察了出氣筒與旋流板之間距離對(duì)分離效率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示. 霧 滴受旋轉(zhuǎn)氣流的夾帶,在離心力的作用下被甩向器壁,其運(yùn)動(dòng)可分解為向下的軸向運(yùn)動(dòng)和向外的徑向運(yùn)動(dòng). 由臨界粒徑關(guān)聯(lián)式知,只要霧滴在分離器內(nèi)的停留時(shí)間大于移

13、動(dòng)到壁面所需時(shí)間,該霧滴就可以被捕集,因此在其它條件不變的情況下,分離效率將隨出氣筒高度降低而升高,但事實(shí)上并非如此,出氣筒高度過(guò)低時(shí),二次夾帶的負(fù)面作用將占主要地位,造成分離效率的下降,因此出氣筒高度應(yīng)有一最佳值. 從圖5可見(jiàn),在108248 mm(32%73%D 范圍內(nèi),分離效率較高. 4分離器壓降的預(yù)測(cè)從上述實(shí)驗(yàn)可知分離器葉片的仰角和徑向角越大或者葉片越多都有利于提高分離效率,但壓降也隨之增加. 由于工業(yè)上對(duì)分離器壓降有一限制,一般要求小于2 kPa ,因此旋流板的選用原則應(yīng)該是在保證分離器壓降小于2 kPa 的條件下,使分離器具有較高的分離效率.氣液分離器的壓降可表達(dá)為3部分之和:入口

14、、出口的局部阻力損失(P i 和P e 和分離器內(nèi)的阻力損失(P plate . 前兩者主要是克服進(jìn)氣和排氣的各種損失,對(duì)分離過(guò)程基本上不起任何積極作用,應(yīng)盡量克服;后者主要是造成氣體的旋轉(zhuǎn),給離心力提供能量,對(duì)分離過(guò)程起積極作用. 實(shí)驗(yàn)表明,旋流板的結(jié)構(gòu)變化對(duì)壓降的影響最大. 圖6是D=340 mm 氣液分離器在5種旋流板結(jié)構(gòu)下,壓降隨空速變化的關(guān)系. 另一方面,氣液分離器的流場(chǎng)特性與旋風(fēng)分離器類似,參考前人對(duì)旋風(fēng)分離器壓降建立的關(guān)聯(lián)式,因此分離器的總壓降可表示為(2i e plate i e plate1(1.2P P P P u =+=+ (1 實(shí)驗(yàn)所用分離器進(jìn)口和出口截面固定,所以i

15、和e 可視為定值. 由于進(jìn)口是一錐形漸擴(kuò)體,阻力損失可忽略不計(jì),i 近似為0. 出氣筒直徑D e 與分離器筒徑D 符合以下關(guān)系:22e 14.D D = (250100150200250300949596979899 (%h (mm圖5 分離效率隨出氣筒與旋流板間距離的變化Fig.5 Change of separation efficiency with the distance between the swirl vane and the exit tube394 過(guò) 程 工 程 學(xué) 報(bào) 3卷突然縮小的局部阻力系數(shù)為0.375(以小管徑氣速為準(zhǔn)6,若以大管氣速計(jì)則e 為6.0. 數(shù)值計(jì)算表

16、明出口阻力系數(shù)取6.0 是合適的. 當(dāng)改變旋流板的徑向角、仰角和葉片數(shù)量時(shí),葉片通氣面積將相應(yīng)發(fā)生顯著變化. 從圖6可知,徑向角和仰角越大,葉片的總流通面積越小,設(shè)備的總壓降越大;相反葉片的總流通面積越大,設(shè)備的總壓降將越小. 引入一個(gè)板結(jié)構(gòu)參數(shù)B ,它等于分離器柱體截面積與葉片的總流通面積之比,因此阻力系數(shù)plate 與B 成正比例關(guān)系. 再引入一個(gè)與分離器規(guī)模有關(guān)的準(zhǔn)數(shù) Ar =D 32g /µ2,假定:plate (,f B Ar = (3 用3種規(guī)模條件下的實(shí)測(cè)壓降,通過(guò)優(yōu)化,得到旋流板阻力系數(shù):1.0370.052plate 2248.13 6.0,(1PB Ar u =+

17、 (4阻力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)的一致性如圖7所示. 從式(4就可得到分離器壓降的預(yù)測(cè)模型:(1.0370.052216.048.13(1.2P B A r u =+ (5 我們開(kāi)發(fā)的氣液分離器在齊魯丙烯腈廠和安慶石化分公司得到工業(yè)應(yīng)用,工業(yè)應(yīng)用標(biāo)定結(jié)果及由式(5計(jì)算的結(jié)果如表5所示. 對(duì)比結(jié)果表明用式(5預(yù)算的壓降與實(shí)際一致,預(yù)測(cè)壓降關(guān)聯(lián)式可用于放大設(shè)計(jì).表5分離器壓降的工業(yè)標(biāo)定結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比Table 5 Comparison between tested pressure drop and prediction by Eq.(5FactoryD (mm Temp. (o C Mass f

18、low rate (kg/h Test P (Pa Prediction P (Pa (% Qilu Acrylonitrile factory Anqing branch1520 190086 8246543 949311100 20321031 2023>96 >95Note: P =20 kPa, =0.0155.5結(jié)論通過(guò)對(duì)旋流板式氣液分離器的模擬實(shí)驗(yàn)研究,得到了如下的結(jié)論: (1 氣液分離器有一最佳的操作范圍,最佳空速宜選取在59 m/s.100020003000400050006000P (P a U (m/s0.40.60.81.01.210203040506070p

19、 l a t eB1.037Ar-0.052圖6 D=340 mm 分離器壓降隨空速的變化 Fig.6 Change of pressure drop with superficial gasvelocity at D =340 mm圖7 不同結(jié)構(gòu)下的旋流板阻力系數(shù)Fig.7 Drag coefficient at different swirl vanes5期 魏偉勝等：旋流板式氣液分離器的放大規(guī)律395 (2 旋流板與出氣口之間的距離宜選取在 32%73%D. (3 分離器葉片的仰角和徑向角越大或葉片越多都有利于提高分離效率，但壓降也隨之增加. (4 壓降預(yù)測(cè)模型： P = ( 6.0 +

20、 48.13 B 1.037 A r 0.052 1 (1 + u 2 的壓降預(yù)測(cè)結(jié)果與工業(yè)應(yīng)用標(biāo)定 2 結(jié)果一致，它可用于氣液分離器的放大設(shè)計(jì). 符號(hào)表： Ar B g h K u 準(zhǔn)數(shù), Ar=D32g/µ2 分離器柱體截面積與葉片的總流通面積之比 重力加速度 (m/s2 旋流板與出氣口之間的距離 (m 系數(shù) 分離器的操作空速 (m/s 仰角 (o µ 徑向角 (o 氣流中液氣質(zhì)量比 分離效率 (% 氣體粘度 (Pa.s 氣體密度 (kg/m3 阻力系數(shù) 參考文獻(xiàn)： 1 2 3 4 5 6 浙江大學(xué)化工原理組. 旋流板除霧器 J. 化學(xué)工程, 1972, 1(4: 79

21、84. 浙江大學(xué)化工原理組. 旋流板技術(shù)及其應(yīng)用 J. 化學(xué)工程, 1978, 7(2: 2123. 李樟三, 魏偉勝, 邵國(guó)華, 等. 丙烯腈裝置用氣液分離器 P. 中國(guó)專利: 01221773.5, 20020123. 陳建孟, 譚天恩. 旋流板上流場(chǎng)的 LDA 實(shí)驗(yàn)研究 J. 化學(xué)工程, 1996, 24(3: 5964. 陳建孟, 譚天恩, 史小農(nóng). 旋流塔板上局部處的液滴粒徑分布 J. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào), 1995, 9(4: 319325. 時(shí)鈞, 汪家鼎, 余國(guó)琮, 等. 化學(xué)工程手冊(cè), 第二版, 上卷 M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1996. 1932. Scale-up o

22、f Mist Swirl Separators WEI Wei-sheng, FAN Jian-hua, BAO Xiao-jun, SHI Gang (The Key Laboratory of Catalysis, China National Petroleum Co., University of Petroleum, Beijing 102200, China Abstract: Experiments were conducted in three swirl mist separators, with the internal diameters being 340, 480,

23、and 700 mm, respectively. The separators were equipped with 18 sets of swirl vanes. The effects of superficial gas velocity and geometrical parameters, such as the elevation and the radial angle of the swirl vane, vane number, the ratio of separator body height to diameter on mist separation efficiency and pressure drop w tested. Results ere showed that the separation efficiency and pressure drop increased as elevation, radial angle and vane number were increased. An optimal superficial gas velocity exists in the range from 5 to 9 m/s and it decreases slightly with scale-up.