气溶胶颗粒逆排旋流去除原理与应用

发布时间：2020-11-20 03:14

　　 气溶胶颗粒是污染大气环境和危害人体健康的主要介质。气溶胶颗粒产生于工业生产过程以及工业尾气的排放,因此气溶胶颗粒的过程减排以及工业尾气中的捕集分离极其关键。气溶胶颗粒的分离技术应用广泛,分离效果直接影响环保指标、大气质量以及经济效益。旋转离心分离技术凭借低成本、高效率、易操作、易维护等优势在气溶胶颗粒的捕集、回收、利用等方面具有广阔前景,是分离净化领域的研究热点。 本文提出气溶胶旋流排序调控方法和逆旋分离方法,发明了气溶胶颗粒排序调控实验装置、排序调控状态下的旋转离心分离试验装置和测量装置,采用激光粒子测量原理、计算流体动力学和分离实验等手段,研究了逆旋强化旋转离心分离去除气溶胶的原理,开发成功短流程循环氢脱硫工艺,应用到石化加氢装置循环氢气脱硫工业装置中。研究成果如下： (1)通过理论分析、实验测试和激光测量相结合,创造性地提出采用旋转离心流场实现气溶胶颗粒排列方法,并采用实验测量手段和计算流体模拟验证其正确性。设计了普通、正排、逆排三种调控分离器,并建立了相应的实验测试系统、计算流体动力学模拟系统和激光粒子测试系统。 (2)实验测试对三种分离器的流量-压降关系、流量-效率关系、雷诺数-欧拉数关系、级效率曲线、以及鱼钩效应进行研究；计算流体动力学连续相采用雷诺应力模型(RSM)、分散相采用离散相模型(DPM)对三种分离器内部流场的轴向速度、径向速度、切向速度、压力分布、颗粒运动轨迹、浓度分布、分离效率等进行了研究；激光粒子图像测试(PIV)对三种分离器的内部流场运动规律和速度分布规律进行了研究,并与模拟数值进行比较分析。 (3)逆排旋流分离使细微颗粒更靠近分离器入口的边壁位置,能有效避开分离器中的盖下流分离盲区。逆排旋流分离在数值模拟和实验研究中的最高分离效率均要高于普通和正旋分离器,当三种分离器入口气溶胶浓度均为2mg/L时,最高分离效率对应的溢流口残留气溶胶浓度值为：普通0.064mg/L,正旋0.068mg/L,逆旋0.010mg/L,即逆旋分离器残留气溶胶颗粒浓度仅为普通分离器的15.6%。逆旋分离器的分离效率远高于普通分离器和正旋分离器,并且逆旋分离器的高效分离工作范围远远大于另外两种分离器。逆排旋流分离在数值模拟和激光测试中均显示出比另外两种分离器更具稳定性和对称性的流场分布和速度分布,并且数值模拟所得流场速度分布规律与激光测试分布规律一致。 (4)结合模拟研究、实验研究和工业应用经验,成功开发工业用气溶胶颗粒排列型旋流分离技术,并应用到石化加氢装置中。温度为50℃,压力为13.5MPa,介质为含硫循环氢时,分离器对C5+烃类雾滴的平均分离效率为85.6%,循环氢的纯度(摩尔比)平均增加2.3%,气体分子量平均减小0.83；分离器设置在脱硫塔内顶部,几乎能完全分离循环氢夹带的胺液雾滴。分离器能有效脱除循环氢夹带的烃类和胺液等雾滴,各项运行指标满足设计要求,解决了影响加氢装置循环氢装置长周期运转的技术难题,经济效益和社会效益显著。
【学位单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X701;TQ028
【部分图文】：

1.2.2轴流式旋转离心分离器轴流式旋转离心分离器(见图1.2)依靠设置于圆管内部的导向叶片产生离心力，从而使旋转流保持稳定，有助于维持层流特性，且阻力损失较小。另外，轴流式旋转离心分离器结构同样较为简单、导向叶片结构和圆管的连接形式也较为容易，其过流面积大，能够与较为常见的坐封工艺和起下作业工艺吻合，在降低加工制造难度和加工成本的同时，也简化了工程实践中现场操作难度。轴流式旋转离心分离器主要用于石油天然气的开采，压缩空气的净化处理，航空航天的氦气分离，尤其在海上、偏远地区油井及远距离油气输送方面具有较广泛的前景。1996年，Franca等研制了采用螺旋片进行导流来产生离心力的轴流式旋转离心分离器

4相同流量下轴向速度分布图3.13、图3.14、图3.15分别为普通、正旋、逆旋三种旋转离心分离器在流量分别0、40、50 mVh时的X轴向截面连续相轴向速度分布云图。从这些图中可以看出，能反映轴向速度分布的X轴截面上，几乎所有的轴向速度等值线在溢流管以下均会狭长的“V”型等值区域。

为30、40、50 mVh时的X轴向截面连续相切向速度分布云图。从这些图中切向速度等值线可以看出，切向速度分布沿着径向距离的增加呈现出先增大随后减小的分布趋势，其内部基本服从准自由祸的分布。在3种流量工况下，正旋和逆旋的切向速度分布相对比普通分离器具有更好的对称性，并且正旋和逆旋分离器的最大切向速度区域面积比普通分离器的最大切向速度区域面积更为广泛。另外，正旋分离器的切向速度从溢流管底部开始一直到锥段底部始终较为对称地处在同一等值线区域范围内，而逆旋分离器的切向速度从溢流管底部到锥段底部则存在几个不同等值线区域范围。
【参考文献】

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本文编号：2890855