催化裂化裝置旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1、我們畢業(yè)啦其實(shí)是答辯的標(biāo)題地方催化裂化裝置旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究答辯人導(dǎo)師吳圣禹王慶超教授、蔡鵬時(shí)間2016.06.26目 錄42315主要研究方法緒論氣相流場(chǎng)特性?xún)上嗔鲌?chǎng)特性結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究6全文結(jié)論1. 緒論1.1 選題背景和意義1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3 主要研究?jī)?nèi)容11.1 選題背景和意義隨著工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)以及國(guó)防工業(yè)等部門(mén)的迅速發(fā)展，對(duì)輕質(zhì)油品的需求量日益增加，對(duì)質(zhì)量要求也不斷提高。催化裂化是煉油廠中提高原油加工深度、生產(chǎn)高辛烷值汽油、柴油和液化氣的最重要的一種重油輕質(zhì)化工藝過(guò)程。催化裂化裝置也是煉油工業(yè)發(fā)展最迅速的二次加工裝置之一，其中最主要的是反應(yīng)再生系統(tǒng)。第一

2、章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論1旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器反應(yīng)再生系統(tǒng)第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論126.5 Mt/a旋風(fēng)分離器在反應(yīng)再生系統(tǒng)中將油氣中所含的催化劑進(jìn)行分離回收，以提供循環(huán)利用，并保證后續(xù)工序的正常進(jìn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)氣管、升氣管、筒體段、錐體段四個(gè)部分1油氣、催化劑油氣旋風(fēng)分離器催化劑第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論123旋風(fēng)分離器利用含催化劑的油氣旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力來(lái)分離，是一種干式氣固分離裝置，存在內(nèi)外兩股旋流，內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈三維強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)，研究難度大特點(diǎn)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維修方便、能耗低、耐高溫、處理量大、對(duì)粉塵負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)、分離效率高催化裂化裝置適用

3、范圍廣，在催化裂化裝置中關(guān)系到運(yùn)轉(zhuǎn)周期和經(jīng)濟(jì)效益。11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1982年 Boyan首次使用標(biāo)準(zhǔn)k-模型來(lái)模擬旋風(fēng)分離器的氣相流場(chǎng)，計(jì)算內(nèi)部的速度場(chǎng)和渦結(jié)構(gòu)2006年 Lee計(jì)算模擬了旋風(fēng)分離器直筒體的形狀對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)特性和分離性能的影響2011年 Elsayed用RSM模型對(duì)5種旋風(fēng)分離器進(jìn)行仿真，研究進(jìn)氣管尺寸對(duì)流場(chǎng)和性能的影響2012年 Park運(yùn)用RSM模型研究了旋流器的形狀和結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響2014年 Sujeet使用RSM模型研究了旋風(fēng)分離器離散相的不同離散方案的性能第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論 國(guó)外研究現(xiàn)狀12009年 趙宏強(qiáng)運(yùn)用大渦模擬的方法研究旋風(fēng)分離

4、器內(nèi)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特性2010年 黃濱采用RSM模型研究旋風(fēng)分離器不同升氣管插入深度對(duì)速度分布和壓降的影響2011年 宋勇對(duì)CLT/A型旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了內(nèi)部溫度場(chǎng)，壓力場(chǎng)的分部2013年 楊繼超改進(jìn)了旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)使用了RNG k-模型和RSM模型進(jìn)行研究2014年 李壘對(duì)傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器和帶螺旋導(dǎo)流裝置的旋風(fēng)分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)1432運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算的方法研究時(shí)間周期短，經(jīng)濟(jì)效益好，模擬效果好旋風(fēng)分離器的研究，首先是滿足分離捕集顆粒的能力，其次是盡量把能量耗散降到最低

5、目前沒(méi)有一個(gè)很完美的理論來(lái)描述旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的分布規(guī)律，也很難在設(shè)計(jì)方案上指導(dǎo)旋風(fēng)分離器的改型工作僅依靠實(shí)驗(yàn)和理論的方法，不能很好地對(duì)其內(nèi)部氣場(chǎng)的分布以及顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡開(kāi)展研究1 1.3 主要研究?jī)?nèi)容1氣相流場(chǎng)特性分析氣相的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布，流場(chǎng)內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)、二次流分布2氣固兩相流特性研究不同粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)律，分析操作參數(shù)對(duì)分離性能的影響3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在相同的條件下，分析渦殼式入口、錐形排氣管的旋風(fēng)分離器的分離性能第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論創(chuàng)新點(diǎn)國(guó)內(nèi)首次針對(duì)催化裂化裝置下惡劣工作條件下的旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究為提高設(shè)備分離性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究針對(duì)催化裂化裝置中旋風(fēng)分離器

6、，運(yùn)用CFD手段研究，得到一定工作條件下，高分離效率，低壓降損失的優(yōu)化結(jié)構(gòu)2. 主要研究方法2.1 氣相數(shù)值計(jì)算方法2.2 氣固兩相數(shù)值計(jì)算方法2 2.1 氣相數(shù)值計(jì)算方法壓力插補(bǔ)格式離散格式壓力速度耦合PRESTOSIMPLEC湍流模型QUICKRSMFLUENT第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論2 2.2 氣固兩相數(shù)值計(jì)算方法DPM模型顆粒含量小于10%忽略顆粒間相互影響不同粒徑顆粒的分離性能分級(jí)效率第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論3. 氣相流場(chǎng)特性3.1 模型建立3.2 速度分布3.3 湍動(dòng)能分布3.4 壓力分布33.1 模型建立HhSTbaDDeB 表3-1 旋風(fēng)分離器模型尺

7、寸（單位：mm）參數(shù)符號(hào)尺寸筒徑D1200入口高度a600入口寬度b240排氣管直徑De600排氣管插入深度S600筒體長(zhǎng)度H4800圓柱段長(zhǎng)度h1800排灰管直徑B456第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論3Outflow Interface升氣管與整體連接重合的交界面OutflowVelocity inlet油氣，速度18m/s，壓力0.1MPa，溫度500流量權(quán)重設(shè)置為1Wall無(wú)滑移邊界條件流量權(quán)重設(shè)置為1第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論邊界條件設(shè)定3表3-2 入口油氣參數(shù)名稱(chēng)速度(m/s)溫度( )密度(kg/ )運(yùn)動(dòng)粘度(/s)壓力（ MPa）氣流雷諾數(shù)油氣185000.5

8、6880.1運(yùn)動(dòng)粘度水力直徑氣體雷諾數(shù)湍流強(qiáng)度第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論入口參數(shù)設(shè)定3.2 速度分布3第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論 切向速度升氣管以下分離空間分布有良好的對(duì)稱(chēng)性，反應(yīng)的是內(nèi)部具有強(qiáng)旋流的特點(diǎn)中心處存在一條帶狀的低速區(qū)大致呈圓柱狀，內(nèi)部流場(chǎng)存在組合渦的特點(diǎn)。在旋風(fēng)分離器內(nèi)部存在一個(gè)由最大切向速度點(diǎn)形成的分界面3第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論 軸向速度在下行流區(qū)域中，沿半徑向外，速度先是增大，而后越靠近壁面，速度逐漸降為零。在上行流區(qū)域中，速度沿半徑向內(nèi)是逐漸增大的。3第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論 零速度包絡(luò)面內(nèi)部存在零速度包絡(luò)面，在軸向上將

9、旋流器內(nèi)部流場(chǎng)分為上行流和下行流。3第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論靠近壁面為下行，內(nèi)側(cè)為上行 徑向速度大部分區(qū)域徑向速度都趨向零表征在徑向方向的輸運(yùn)情況軸線兩側(cè)速度方向突變，一側(cè)指向中心，另一側(cè)卻指向壁面由于不連續(xù)，使中心強(qiáng)制渦的形貌呈螺旋向上3第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論3.3 湍動(dòng)能分布排氣管下部以及圓柱段具有很大的湍動(dòng)能對(duì)于流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)，反應(yīng)了流場(chǎng)內(nèi)部能量的耗散情況3第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論3.4 壓力分布沿著半徑向內(nèi)，總壓力逐漸減小，直到中心渦處壓力值趨近為零。在中心處出現(xiàn)了一條低壓帶，一直延伸到排氣管出口在軸向上幾乎是不變的，外旋流的壓強(qiáng)相對(duì)較高，內(nèi)

10、旋流的壓強(qiáng)相對(duì)較低。錐體段底部總壓相對(duì)較低易出現(xiàn)氣流返混的現(xiàn)象這導(dǎo)致分離效率降低3第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論 動(dòng)壓分布動(dòng)壓分布與切向速度的分布趨勢(shì)一致內(nèi)外旋流間，存在一個(gè)最大值區(qū)域，發(fā)生動(dòng)能到壓力能轉(zhuǎn)化3第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論 靜壓分布靜壓的分布規(guī)律與總壓相似，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)性不同高度截面的壓力變化不大，曲線位置很接近，靜壓在軸向上幾乎是不變3第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論4. 兩相流場(chǎng)特性4.1 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡研究4.2 操作參數(shù)的影響44.1 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡研究1、求解連續(xù)相流場(chǎng)3、相間耦合再次求解2、創(chuàng)建離散相射流源4、跟蹤離散相運(yùn)動(dòng)軌跡DPM催化劑材料

11、MLC-500，球形顆粒，密度是480 第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論4顆粒入口位置escapereflectsurfacetrap分級(jí)效率第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論邊界設(shè)定4粒徑1.5m上端面射入，小螺距旋轉(zhuǎn)，并逐漸增大，最后都被底流口收集捕獲。中間截面射入，以較大的螺距進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直接就進(jìn)入底流口處被收集，f位置入射的顆粒，受到內(nèi)旋流的影響發(fā)生逃逸下端面入射，以較大螺距的旋轉(zhuǎn)，受內(nèi)旋流影響，發(fā)生逃逸第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論4粒徑4.5m上端面入射以較大的螺距旋轉(zhuǎn)向下，外旋流的作用下被底流口處被捕獲中間截面入射以大螺距運(yùn)動(dòng)，與壁面發(fā)生碰撞，在重力和外旋流共同作

12、用下被捕獲從下端面進(jìn)入的顆粒，g點(diǎn)以較大的螺距緊貼著內(nèi)壁面向下運(yùn)動(dòng)被捕獲；h點(diǎn)，受內(nèi)旋流進(jìn)入返混也會(huì)被底流口收集；i點(diǎn)位置最靠近排氣管，受到內(nèi)旋流作用下，返混并逃逸第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論4粒徑9m受到了較大的離心力而緊貼內(nèi)壁面運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡也很相似，最終在外旋流的作用下而被底流口捕獲a位置入射的顆粒出現(xiàn)一定的返混現(xiàn)象第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論4表4-1 不同入口速度下旋風(fēng)分離器壓降數(shù)值入口速度( m/s)靜壓降(Pa)動(dòng)壓降(Pa)總壓降(Pa)實(shí)驗(yàn)壓降(Pa)相對(duì)誤差(%)12606-825244955.8615976-1398377876.35181403-22

13、4117911036.89211904-311159314658.74242503-387211619836.714.2 操作參數(shù)的影響第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論不同入口速度壓降損失隨著入口速度的增大，壓降也逐漸增大，但是增長(zhǎng)率幾乎不發(fā)生變化。數(shù)值計(jì)算的壓降相對(duì)實(shí)驗(yàn)值大一些，相對(duì)誤差穩(wěn)定在6%左右，說(shuō)明了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性4表4-2 不同入口速度下顆粒的分離效率入口速度(m/s )0.5m 效率(%)1.5m 效率(%)3 m效率(%)4.5m 效率(%)7 m效率(%)9 m效率(%)12434650597485155153596781881855596577899121535

14、765788093第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論不同入口速度顆粒分級(jí)效率針對(duì)某一特定直徑的顆粒，當(dāng)入口速度的增大的同時(shí)，其分離效率也會(huì)增大。大直徑的顆粒分級(jí)效率隨速度增加的幅度會(huì)相對(duì)平緩些。小直徑的顆粒，對(duì)氣流的跟隨性較強(qiáng)，分離效率提升快。4表4-3 不同直徑顆粒對(duì)分離效率的影響顆粒粒徑(m )12 m/s效率(%)15 m/s效率(%)18 m/s效率(%)21 m/s效率(%)0.5435155531.5465359573505965654.559677778774818980985889193第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論不同直徑顆粒的分級(jí)效率在不同的入口速度下，當(dāng)顆粒粒

15、徑增大，分離效率也在會(huì)增大，但增大的幅度幾乎不變。對(duì)于相同的直徑顆粒，入口速度增大，分離效率隨之提高。5. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究5.1 蝸殼式入口旋風(fēng)分離器5.2 錐形排氣管旋風(fēng)分離器5.3 不同下口直徑性能分析55.1 渦殼式入口旋風(fēng)分離器第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論傳統(tǒng)型蝸殼型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖阿基米德螺旋線5分離效率對(duì)比對(duì)于小粒徑的催化劑顆粒，傳統(tǒng)式的旋風(fēng)分離器有較好的分離效果隨著顆粒的粒徑的增大，渦殼式旋風(fēng)分離器分離效率將超過(guò)傳統(tǒng)式表5-1 渦殼式入口旋風(fēng)分離器分離效率計(jì)算值粒徑( m)0.51.534.579分級(jí)效率(%)渦殼式485970879294傳統(tǒng)式555965778991第一章第

16、二章第三章第四章第五章全文結(jié)論55.2 錐形排氣管旋風(fēng)分離器表5-2 不同排氣管結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器壓差計(jì)算值排氣管類(lèi)型正圓臺(tái)形圓筒形倒圓臺(tái)形總壓差(Pa)80211791832第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論正圓臺(tái)形圓筒形倒圓臺(tái)形壓差計(jì)算值正圓臺(tái)形的旋風(fēng)分離器總壓降最小，倒圓臺(tái)形的旋風(fēng)分離器總壓降最大。說(shuō)明了正圓臺(tái)形的旋風(fēng)分離器更加的節(jié)省能耗。5表5-3 不同排氣管結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器顆粒分級(jí)效率計(jì)算值粒徑(m )0.51.534.579分級(jí)效率(%)正圓臺(tái)形575766748891圓筒形555965778991倒圓臺(tái)形606269809397第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論分級(jí)效率計(jì)算值倒

17、圓臺(tái)形的分級(jí)效率要高于其他兩種結(jié)構(gòu)正圓臺(tái)形和圓筒形升氣管結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器，分級(jí)效率曲線很接近結(jié)論：倒圓臺(tái)形排氣管結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器，分離性能最好55.3 不同下口直徑性能分析第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論倒圓臺(tái)形排氣管旋風(fēng)分離器不同的下口直徑，研究探討下口直徑與分離性能之間的關(guān)系5表5-4 排氣管不同下口直徑旋風(fēng)分離器壓差計(jì)算值R=200mmR=250mmR=300mmR=350mmR=400mm總壓差(Pa)30242182183215241283第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論隨著下口直徑增大，總壓差隨之減小，曲線呈下降的趨勢(shì)，幾乎呈線性變化關(guān)系。下端面直徑越小，通流面積也就越小

18、，在局部氣流的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，導(dǎo)致壓差就會(huì)很大，產(chǎn)生局部的能量損耗?？倝翰钜?guī)律5表5-5 排氣管不同下口直徑旋風(fēng)分離器分級(jí)效率計(jì)算值粒徑(m )0.51.534.579分級(jí)效率(%)R=200mm545463768792R=250mm565866759093R=300mm606269809397R=350mm636269799195R=400mm606168779094第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論5第一章第二章第三章第四章第五章全文結(jié)論 分離效率曲線R=300mm下端口排氣管，分離效率要高于其他所有尺的排氣管 ，其分離性能最好。下端口直徑較大的結(jié)構(gòu)，顆粒分級(jí)效率要高于下端口直徑較小的結(jié)構(gòu)。63. 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡DPM模型來(lái)模擬，小粒徑的顆粒隨機(jī)性很強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)螺距小，離開(kāi)旋風(fēng)分離器所需要時(shí)間長(zhǎng)，大直徑的顆粒，旋轉(zhuǎn)螺距大，很容易被捕獲。4. 操作參數(shù)影響一定工作范圍內(nèi)，入口速度越大，顆粒的分級(jí)效率越高。相同的氣流入口速度下，顆粒顆徑越大，分級(jí)效率越大，增大