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[摘 要]本文采用fluent数值模拟的方法研究了中国石油辽河石化分公司聚丙烯装置在用旋风分离器内气相流场，将改造前和改造后两种结构旋风分离器内部流场进行了对比，研究发现，旋风分离器不设计灰斗时分离空间内最大切向速度减小，轴向速度中心上行流速度增大，旋转气流延伸到收料罐，大大降低了分离旋风分离器效率。
[关键词]旋风分离器；灰斗；气相流场；数值模拟
中图分类号：O658.1+2文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0000-00
1 引言
中国石油辽河石化分公司聚丙烯装置于2000年10月建成投产，共有两个反应釜，第一反应釜D201是液相反应釜，第三反应釜D203是气相反应釜。气相反应的温度主要是靠夹套和循环丙烯控制，如图1所示。
循环丙烯是D203的气相经过旋风分离器D204、过滤器F204和冷却器E203之后由机泵P203打入气相釜的液态丙烯。旋风分离器D204的作用是把气相中的粉料和丙烯气分离，从而保证过滤器的正常运行，所以要求旋风分离器的分离精度较高。在2012年大检修期间，为了节省空间，将旋风分离器的灰斗去掉，但是在随后的运行中，过滤器经常出现堵塞情况，堵塞周期在10天左右。通过不断的排查，发现其原因就是去掉灰斗后的旋风分离器分离效果不好，导致大量
粉料进入过滤器。过滤器的频繁堵塞消耗了大量的人力和物力，而且严重影响了装置的长周期平稳运行。为此，车间重新对旋风分离器结构进行了改造，增设了灰斗以提高分离效率。
本文采用数值模拟的方法对有无灰斗的旋风分离器内流场进行研究。目前，国内外学者通过实验和数值计算的方法对旋风分离器流场研究较多，数值研究方法也相当成熟，王海刚、魏新利[1-2]等人对旋风分离器流场数值计算方法进行了深入的研究，得到RSM湍流模型、QUICK差分格式、压力梯度PRESTO格式适合旋风分离器数值计算方法；金有海[3]、王建军[4]、吴小林[5]等人均采用fluent数值计算的方法对旋风分离器内流场进行了研究，模拟结果与实验数据吻合都较好。
2 分离器几何模型与网格划分
为了便于研究，一般将旋风分离器分为以下几个区域：与切向进口相连的环形空间，排气管以下、灰斗以上部分为分离空间，灰斗空间。数值模拟用结构图见图2，图2为改造后旋风分离器结构简图，比改造前增设了灰斗结构。用Fluent软件进行数值模拟时，首先要用Gambit前处理软件画出计算区域，并对计算区域进行离散化，即网格划分。将坐标原点建在排气管低端中心处，z轴为轴线方向，向下为正，旋风分离器排气管、分离空间、灰斗空间以及收料罐都为规则的圆柱体，采用cooper命令生成结构化网格，由于进口与环形空间相连，几何体不太规则，采用Tgird命令来生成非结构化网格，建立的网格结构图见图3。
3 计算方法
旋风分离器内部三维强旋转湍流流动相当复杂，用fluent对旋风分离器内部流场进行数值模拟，描述湍流运动的基础是连續性方程和N-S方程，计算过程是基于求解Reynolds时均方程及湍流特征量的输运方程。本文采用湍流模型雷诺应力模型（RSM）研究旋风分离器内流场，计算全部采用fluent软件中基于有限体积法的三维离散求解器，连续性方程和动量方程之间的耦合采用SIMPLE算法，空间离散格式选用QUICK差分格式，压力插补格式选用PRESTO格式。
入口气流假设为常温状态空气，入口气速v=20m/s，入口湍流的指定方法为湍流强度和当量直径，当量直径D=71mm，湍流强度计算如下：
出口边界条件为outflow，认为出口截面处流动过程已充分发展。4 旋风分离器内部流场分析4.1 分离器内部流场分布
图4为旋风分离器分离空间y=0截面速度云图，y-velocity为切向速度，zvelocity为轴向速度。从图中可以看出，气体由切向入口进入旋风分离器形成了强旋转流，切向速度最大达到30m/s。最大速度处向壁面随着半径增大而减小，向中心随着半径的减小而减小。分离器内部以轴向速度正负为界将流场分两大主流：中心向上的内旋流，即准强制涡，强旋涡运动的离心作用有利于将颗粒甩向外部；靠近壁面向下运动的外旋流，即准自由涡，携带颗粒进入灰斗被捕集下来。由切向速度云图可知内外旋流旋转方向是相同的。
4.2 两种结构流场对比
图5为分离空间内z=300mm截面处两种结构轴向和切向速度分布对比图，从图4中可以看出，分离器不设计灰斗时，分离空间内最大切向速度减小，其半径位置没有发生变化，外旋流区域没有改变，只是气流旋转强度降低；轴向速度中心上行流速度增大，其他位置速度曲线基本重合。这说明：不设计灰斗时，颗粒分离所需的离心力场减弱，上行流速度增大对细小粉尘的夹带能力增强，不利于分离。
在旋风分离器分离空间分离下来的聚丙烯颗粒由灰斗排入收料罐中等待收料，图6为收料罐内两种结构气相速度云图，设计灰斗时灰斗内小部分气流进入收料罐中，有利于灰斗内粉尘排入收料罐；气流进入收料罐中轴向速度和切向速度迅速减小基本为零，即收料罐内气体基本处于静置状态，有利于分离下来的聚丙烯颗粒沉降到收料罐底部。改造前分离器没有设计灰斗，由速度云图可以看出，气流由分离空间直接进入收料罐，旋转气流延伸到收料罐，气流的切向速度比分离空间内切向速度数值有所减小，但也达到5m/s，不利于粉尘的沉降；在收料罐600mm深处存在上行流，如此将分离下来的聚丙烯颗粒卷吸夹带，大大降低了分离旋风分离器效率。
5 运行效果
改造后的旋风分离器，到目前为止已经连续运转了几个月了，过滤器F204基本不堵塞，清理周期大大延长。旋风分离器的成功改造，不仅减轻了现场维修人员的工作强度，而且减少了过滤器滤芯的损耗，为公司减少了生产成本，确保了装置的平稳长周期运行。
6 结论
（1）分离器不设计灰斗时，分离空间内最大切向速度减小，轴向速度中心上行流速度增大，使得旋风分离器分离效率降低；
（2）分离器不设计灰斗时，旋转气流延伸到收料罐，造成旋风分离器内分离下来的聚丙烯颗粒卷吸夹带，大大降低了分离旋风分离器效率。参考文献
[1] 王海刚，刘石.不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用与比较[J].热能动力工程，2003，18（4）：347-342.
[2] 魏新利，张海红，王定标.旋风分离器流场的数值计算方法研究[N].郑州大学学报，2005-3（1）.
[3] 金有海，姬广勤，曹晴云.旋风分离器排气管内气相流场的数值模拟[J].中国石油大学学报（自然科学版），2008，32（6）：110-114.
[4] 王建军，谭慧敏，许伟伟.不同排尘结构对导叶式旋风管内气固两相流动影响的数值研究[J].化工学报，2010，61（9）：2258-2264.
[5] 吴小林，熊至宜，姬忠礼.旋风分离器旋进涡核的数值模拟[J].化工学报，2007，58（2）：383-390.
[关键词]旋风分离器；灰斗；气相流场；数值模拟
中图分类号：O658.1+2文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0000-00
1 引言
中国石油辽河石化分公司聚丙烯装置于2000年10月建成投产，共有两个反应釜，第一反应釜D201是液相反应釜，第三反应釜D203是气相反应釜。气相反应的温度主要是靠夹套和循环丙烯控制，如图1所示。
循环丙烯是D203的气相经过旋风分离器D204、过滤器F204和冷却器E203之后由机泵P203打入气相釜的液态丙烯。旋风分离器D204的作用是把气相中的粉料和丙烯气分离，从而保证过滤器的正常运行，所以要求旋风分离器的分离精度较高。在2012年大检修期间，为了节省空间，将旋风分离器的灰斗去掉，但是在随后的运行中，过滤器经常出现堵塞情况，堵塞周期在10天左右。通过不断的排查，发现其原因就是去掉灰斗后的旋风分离器分离效果不好，导致大量
粉料进入过滤器。过滤器的频繁堵塞消耗了大量的人力和物力，而且严重影响了装置的长周期平稳运行。为此，车间重新对旋风分离器结构进行了改造，增设了灰斗以提高分离效率。
本文采用数值模拟的方法对有无灰斗的旋风分离器内流场进行研究。目前，国内外学者通过实验和数值计算的方法对旋风分离器流场研究较多，数值研究方法也相当成熟，王海刚、魏新利[1-2]等人对旋风分离器流场数值计算方法进行了深入的研究，得到RSM湍流模型、QUICK差分格式、压力梯度PRESTO格式适合旋风分离器数值计算方法；金有海[3]、王建军[4]、吴小林[5]等人均采用fluent数值计算的方法对旋风分离器内流场进行了研究，模拟结果与实验数据吻合都较好。
2 分离器几何模型与网格划分
为了便于研究，一般将旋风分离器分为以下几个区域：与切向进口相连的环形空间，排气管以下、灰斗以上部分为分离空间，灰斗空间。数值模拟用结构图见图2，图2为改造后旋风分离器结构简图，比改造前增设了灰斗结构。用Fluent软件进行数值模拟时，首先要用Gambit前处理软件画出计算区域，并对计算区域进行离散化，即网格划分。将坐标原点建在排气管低端中心处，z轴为轴线方向，向下为正，旋风分离器排气管、分离空间、灰斗空间以及收料罐都为规则的圆柱体，采用cooper命令生成结构化网格，由于进口与环形空间相连，几何体不太规则，采用Tgird命令来生成非结构化网格，建立的网格结构图见图3。
3 计算方法
旋风分离器内部三维强旋转湍流流动相当复杂，用fluent对旋风分离器内部流场进行数值模拟，描述湍流运动的基础是连續性方程和N-S方程，计算过程是基于求解Reynolds时均方程及湍流特征量的输运方程。本文采用湍流模型雷诺应力模型（RSM）研究旋风分离器内流场，计算全部采用fluent软件中基于有限体积法的三维离散求解器，连续性方程和动量方程之间的耦合采用SIMPLE算法，空间离散格式选用QUICK差分格式，压力插补格式选用PRESTO格式。
入口气流假设为常温状态空气，入口气速v=20m/s，入口湍流的指定方法为湍流强度和当量直径，当量直径D=71mm，湍流强度计算如下：
出口边界条件为outflow，认为出口截面处流动过程已充分发展。4 旋风分离器内部流场分析4.1 分离器内部流场分布
图4为旋风分离器分离空间y=0截面速度云图，y-velocity为切向速度，zvelocity为轴向速度。从图中可以看出，气体由切向入口进入旋风分离器形成了强旋转流，切向速度最大达到30m/s。最大速度处向壁面随着半径增大而减小，向中心随着半径的减小而减小。分离器内部以轴向速度正负为界将流场分两大主流：中心向上的内旋流，即准强制涡，强旋涡运动的离心作用有利于将颗粒甩向外部；靠近壁面向下运动的外旋流，即准自由涡，携带颗粒进入灰斗被捕集下来。由切向速度云图可知内外旋流旋转方向是相同的。
4.2 两种结构流场对比
图5为分离空间内z=300mm截面处两种结构轴向和切向速度分布对比图，从图4中可以看出，分离器不设计灰斗时，分离空间内最大切向速度减小，其半径位置没有发生变化，外旋流区域没有改变，只是气流旋转强度降低；轴向速度中心上行流速度增大，其他位置速度曲线基本重合。这说明：不设计灰斗时，颗粒分离所需的离心力场减弱，上行流速度增大对细小粉尘的夹带能力增强，不利于分离。
在旋风分离器分离空间分离下来的聚丙烯颗粒由灰斗排入收料罐中等待收料，图6为收料罐内两种结构气相速度云图，设计灰斗时灰斗内小部分气流进入收料罐中，有利于灰斗内粉尘排入收料罐；气流进入收料罐中轴向速度和切向速度迅速减小基本为零，即收料罐内气体基本处于静置状态，有利于分离下来的聚丙烯颗粒沉降到收料罐底部。改造前分离器没有设计灰斗，由速度云图可以看出，气流由分离空间直接进入收料罐，旋转气流延伸到收料罐，气流的切向速度比分离空间内切向速度数值有所减小，但也达到5m/s，不利于粉尘的沉降；在收料罐600mm深处存在上行流，如此将分离下来的聚丙烯颗粒卷吸夹带，大大降低了分离旋风分离器效率。
5 运行效果
改造后的旋风分离器，到目前为止已经连续运转了几个月了，过滤器F204基本不堵塞，清理周期大大延长。旋风分离器的成功改造，不仅减轻了现场维修人员的工作强度，而且减少了过滤器滤芯的损耗，为公司减少了生产成本，确保了装置的平稳长周期运行。
6 结论
（1）分离器不设计灰斗时，分离空间内最大切向速度减小，轴向速度中心上行流速度增大，使得旋风分离器分离效率降低；
（2）分离器不设计灰斗时，旋转气流延伸到收料罐，造成旋风分离器内分离下来的聚丙烯颗粒卷吸夹带，大大降低了分离旋风分离器效率。参考文献
[1] 王海刚，刘石.不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用与比较[J].热能动力工程，2003，18（4）：347-342.
[2] 魏新利，张海红，王定标.旋风分离器流场的数值计算方法研究[N].郑州大学学报，2005-3（1）.
[3] 金有海，姬广勤，曹晴云.旋风分离器排气管内气相流场的数值模拟[J].中国石油大学学报（自然科学版），2008，32（6）：110-114.
[4] 王建军，谭慧敏，许伟伟.不同排尘结构对导叶式旋风管内气固两相流动影响的数值研究[J].化工学报，2010，61（9）：2258-2264.
[5] 吴小林，熊至宜，姬忠礼.旋风分离器旋进涡核的数值模拟[J].化工学报，2007，58（2）：383-390.