高飞 刘杰 孙绍华

摘要：为了能够对旋风分离器的漩涡尾端位置进行准确测量，利用筒锥式旋风分离器，通过红墨水式示踪可视化地实施分离器内流型，对轴向和径向不同位置的压力信号实施具体测量分析，并探讨了旋风分离器旋涡尾端位置的因素。

关键词：旋风分离器;旋涡尾端;位置实验;测量;影响因素

中图分类号：TQ051.8    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2021）07-0000-00

0 引言

旋风分离器为属于在生产中广泛应用的气固分离设备，旋风分离器在气化及石油流化催化裂化等过程中都能够加以应用，其在实际应用方面可以会出现有尘气体跟随切向进入到旋风分离器中的现象，在分离器中也会产生内部和外部旋流流动的情况，在外旋流旋转下行使得向内旋流转变且内旋流旋转上行，随后气体从分离器顶部中心升气管排出。外旋可以改变内旋流的位置，旋风分离器旋涡尾端的部位升气管下口到旋涡尾端的距离在具体设置的时候，通常情况下可以使得其能够保持旋涡长度或自然旋风长。旋涡尾端的位置及运动特性对具体分离的效率存在着较大影响，也容易造成锥体排尘口附近磨损等问题，并且也要在准确测定旋涡尾端计算准确的自然旋风长度。在工业旋风分离器锥体或料腿上部也存在着环形的壁面沉积物或抛光环及磨蚀的环形沟槽等情况。人们主要是以可视灰环或环状磨损位置对旋涡尾端的位置确定有效的自然旋风长计算公式，但是其得到的旋涡长度变化趋势和exander式之间为相反的关系。随后主要是利用加热石蜡烟气示踪和粉尘示踪及闪频观测仪照相观测等方式探究旋涡尾端的运动特性，且充分调整频闪频率的，最终实现涡尾“冻结”，观察得出附着在分离器内壁上的旋涡，减少旋涡尾端位置随处理气量容量，在粉尘浓度增加及升气管直径增大而明显升高的情况下，涡核弯向器壁并利用分离器内气体旋转的频率附着在器壁旋转转变为封闭的环。结合旋转频率及入口气量变化的实际情况，更准确认识漩涡尾端所具有的细致结构和运动行为当前还并不清晰，在多点压力传感器对旋风分离器轴和径向不同位置的压力在时间变化的信号实施测量后，明确为自然旋风长，得到具体位置。

1 旋风分离器旋涡尾端位置实验测量

旋风分离器旋涡尾端位置实验测量方面，是基于筒锥型旋风分离器实施的测量，所采取的的分离器显示为的筒径为300 mm，选取的分离器的筒体段长显示为420 mm，锥体长为660 mm，锥体下口的直径为120 mm，下部衔接主要是1500 mm的料腿，料腿末端进行封闭，之后利用有机玻璃实施制造，而试验装置及结构尺寸以料腿上端截面为基准面（z=0）[1] ，z轴向上主要为正向，而分离器各测点的压力在多点动态压力信号采集系统测量的基础上选择的压力传感器利用CYG505型固态压阻式压力传感器，其分辨率明显更高，由此检测得出10～20 Pa的微压。气压信号在测量过程中利用引压管引至多点动态压力信号采集系统传感器的接口，如图1所示。

试验介质多数情况下为常温空气，在吸风负压状态下有效实施，且分离器入口气速主要是根据标准毕托管测量计算得出的，在示踪试验显示的旋涡尾端试验方面应用红墨水作为示踪液体对旋涡尾端观测中介。

2 旋风分离器液体示踪实验结果

旋风分离器示踪液体在旋风分离器壁面的运动轨迹是在较大气速（vin=30 m/s）[2] 的背景下，液体进入旋风分离器会主要是沿着壁面螺旋产生下行的趋势，在筒体与锥体部分，液体在壁面容易形成更为清晰稳定的螺旋状液带。在料腿上部位其螺旋的液带形成略微倾斜的封闭液环沿壁面快速旋转。液环以较快速率旋转且存在着上下摆动的情况，其平衡位置处于z=670 mm附近。液环位置下的液体无法进行旋转，沿着筒壁斜明显出现向下滑落的趋势。这也就说明液环位置中，旋转强度也会明显呈现为更大程度上减弱的现象，由此可以得出液环位置处于旋涡尾端位置。在入口压力减小的情况下，示踪液体的旋转螺距也会不断增大，但液环位置也会基本保持不变，在气速继续减小到一定值的时候，液体在进入旋风分离器之后没有能够形成旋转而是直接沿壁面出现滑落的现象。这也就能够得出在气速较小的情况下，旋风分离器内气流无法得以有效旋转。

3 旋风分离器的静压分布

示踪实验相对更为直观便利，适合实验室透明的分离器配合更加便利且利用范围更为广泛的旋涡尾端判定方法，对分离器内压力特性加以测量。不同人口气速基础上旋风分离器不同高度（z）横截面的静压分布不同，也可以得出分离器筒体及锥体空间内，各横截面的静压沿径向变化也更为明显，且其在中心处压力值始比较小的，其变化也呈现为呈典型v型，而分布形态所出现的轴向的变化不够显著，在液环位置下部空间（z=670mm以下[3] ），压力滑径向分布得以呈现为平坦的发展趋势，径向压力梯度与切向速度的梯度关系更为密切，压力梯度相对更小，其主要显示为切向速度梯度比较小及气流旋转的强度会出现明显降低，因此能够有效得出料腿上部（z=670 mm[4] ），气流旋转强度出现更快衰减的发展期，这一特点验证出液体示踪的结果，且压力梯度急剧衰减的位置与液环位置确保一致，其也能够作为旋涡尾端的主要标志。在不同气速支持下，压力梯度变缓的位置需要进一步保持一致，使得气速对尾端位置影响明显更小。

4 旋风分离器不同横截面的压力信号分析

由相關观测能够显示出，旋涡尾端主要倾向于器壁并快速旋转，其显著的动态特点比较突出，因此，在入口气速显示为20m/s的情况下，对不同高度的横截面测点压力确定方面，得出具体的时间序列信号，深入考察旋涡尾端的动态特点^[1]。

4.1 压力时域信号

旋风分离器不同高度横截面压力所呈现出的时域信号不同，分离器上部部位（2-160mm）[5] ，壁面压力信号波动幅度明显更小，其中心区域波动幅度也比较大，且这一波动具有周期性特点，变化也比较快，且在料腿上部位置（z=670mm）[6] ，压力信号剧烈波动的径向位置逐渐向壁面方向变化，壁面压力会在-500～-3500[7]  Pa范围内发生剧烈波动的现象，中心压力的波动不明显，在料腿上部（z=820mm）[8] 位置，其中心及壁面压力信号的波动幅度逐渐减弱，这一情况下壁面压力信号剧烈波动的位置也对应径向压力梯度急剧降低的区间，这是旋涡尾端碰壁的另外的标志。在图中能够看出，在分离器中旋流相对比外旋流更为强烈的波动，在达到旋涡尾端位置之后，旋涡尾端碰向壁面，而传感器会受到中心涡核区快速波动的影响，其压力数值出现上升，波动的幅度会更大程度上增大，而壁面也会出现更为剧烈波动的压力信号输出。

4.2 压力信号的频谱分析

任何连续测量的时序信号可以显示为不同频率的正弦波信号的无限增加现象，傅里叶变换算法可以最终显示为原始时域信号转换的情况，其也会更容易得到应用到分析的频域信号（信号的频谱），在累加的情况下得出信号中所存在着的不同正弦波信号的频率和幅值。对图中的压力信号实施相关数据实时快速傅里叶分析，结果显示，基于快速傅里叶变换处理方式，筒体段及锥体段及壁面压力信号也没有更为明显的主频，中心压力信号包含有1个150 Hz的主峰频率，在料腿上部涡尾区域（z=670 mm）[9] 和中心及壁面压力信号峰值频率为150 H，而壁面处幅值要比中心测点幅值明显更大，在其剧烈波动的时候，其所具有的信号也会出现倍频，涡尾区之下（z=820 mm）[10] ，压力信号有1个峰，其频率主要为150 Hz，但幅值相对更低，因此得出，尾端处压力特征显著，其自身适用性特点比较突出。

5 旋风分离器旋涡尾端位置影响因素

在分离器筒体及锥体段，静压沿径向主要是呈现为V型分布的形态，且存在着梯度比较大的特点，而具料腿顶部区域则存在着静压梯度急剧衰减且逐渐趋于平坦的趋势，这一特点能够作为漩涡尾端识别的主要标志，由此识别的旋涡尾端位置与液体示踪显示的液环位置几乎保持一致。在筒体及锥体段，分离器内旋流压力信号也存在着一定波动频率，而外旋流则则没有较为明显的主频，在旋涡尾端碰壁位置处，壁面压力信号也存在着内旋流的波动频率，并包含着较高的幅值。旋风分离器旋涡尾端位置所受到的入口气速的影响也比较小，但也会随着入口面积比的增加而出现上移，随排气管直径的增加而向下方延伸。对于旋涡尾端位置计算方面，多数情况下都注重分析入口面积比和排气管直径D，这些数据具有主导作用，为了考察尾端位置的影响因素，在考察人口气速和人口面积比及排气管直径D等方面对尾端位置的影响情况的时候加以实施^[2]。为了能够进一步排除操作参数存在着的影响，也需要考核人口气速下尾端位置跟随入口变化而出现的变化情况，旋涡尾端位置的区别相对更小，在相关实验具体实践的时候，利用人口气速20m/s开展实验测试，根据不同排气管直径及入日面积比下尾端位置与文献值的对比得出，旋风分离器旋涡尾端位置会跟着人口面积比的增大而存在着明显上移的发展趋势，而在排气管直径的增加也会向下延伸。将实验值和自然旋风长计算公式得出的预测值对比，能够得出计算公式预测值与实验值均具有一定偏差。其能够得出液环旋转速度较快且上下摆动的时候，所呈现出的液环位置随加液量及加液时间变化还不够显著，位置相对更为稳定，在液环的影响下，液体也会沿着沿料腿壁斜向下洒落，其无法形成旋转，这表明液环之下的转强度会急剧衰减，液环位置也就是旋涡尾端位置，旋转气流在液环处存在着剧烈地翻转上行的发展趋势。这一液环位置和前面测得的不同方位壁面压力出现突变的区域也会明显保持完全一致，方位壁面压力最低位置相对比液环位置更高，这也是壁面压力测点位置固定之后，不会完全捕捉旋涡负压核心，示踪液体的密度相对比试验气体明显更大，重力的影响加大了示踪液体的轴向运动距离等因素所造成的，在实际分析和实验研究方面明确旋风分离器漩涡尾端位置^[3]。

6 结语

在旋风分离器旋涡尾端位置实验测量中，根据示踪实验可视化分析旋风分离器内流场，可以有效得出液体在旋风分离器壁面具有螺旋状下行的趋势，在比较大的气速影响下，液体会在料腿上部形成封闭的液环，这一液环所在位置也就是旋涡尾端的位置。在气速的减小基础上，液体旋转螺距会随之变大，但是液环位置一般不变。在压力测量方面可以有效得出压力径向梯度急剧衰减的位置为旋涡尾端的位置，这一位置和示踪实验所得旋涡尾端位置基本一致。在分离器简体及锥体段确定的时候，其中所利用的分离器内旋流压力信号呈现为一定的波动频率。而外旋流区压力信号则设置较为明显的主频。在尾端部位分析的时候进一步得出壁面压力信号所具有的内旋流的波动特性，而在尾端下部空间，压力波动频率及幅值也会出现进一步减小。尾端位置随着入口面积比的增加而发生显著上移趋势，随排气管直径的增加而向下延伸。

参考文献

[1] 高助威，王娟，王江云，等.旋风分离器自然旋风长的影响因素[J].石油学报（石油加工），2019（03）：613-620.

[2] 周發戚.旋风分离器升气管外壁颗粒沉积及分离器性能的研究[D].北京：中国石油大学（北京），2018.

[3] 王璐.入口结构及气速对旋风分离器内旋流非稳态特性的影响[D].太原：太原理工大学，2018.

收稿日期：2021-05-19

作者简介：高飞（1979—），男，河北三河人，本科，实验师，研究方向：机械设计制造及其自动化。

Experimental Measurement of the Position of the Vortex Tail end of a Cyclone Separator and its Influencing Factors

GAO Fei， LIU Jie， SUN Shaohua

（Langfang Polytechnic Institute， Langfang Hebei 065000）

Abstract：In order to be able to accurately measure the position of the tail end of the vortex of the cyclone separator， utilizing the cone-shaped cyclone separator， visually implement the flow pattern in the separator through red ink tracer， implement specific measurement and analysis of pressure signals at different positions in the axial and radial directions， the factors of the position of the tail end of the vortex of the cyclone separator are also discussed.

Keywords： Cyclone separator; Vortex tail end; Position experiment; Measurement; Influence factor