论文部分内容阅读
MTO反应器内气固两相流场流动状态复杂,两相分离过程和内置旋风分离器入口操作条件很难通过理论计算和实验测量准确获得。为此,本文以反应器和两级旋风分离器整体作为研究对象,采用CPFD数值模拟的方法,研究颗粒在反应器旋风系统内沉降和离心过程,计算旋风分离器入口含尘浓度和粒度,为设计高效率、低能耗和级间性能匹配的两级串联式旋风分离器提供必备的依据。根据反应器内颗粒浓度沿轴向变化规律,将反应器由下至上划分为密相段加速区、密相段输送区、变径段输送区、沉降段过渡区和沉降段输送区。结果表明:在变径段输送区的壁面上存在颗粒沉积。在密相段的加速区和输送区主要分布120μm~200μm的大粒径颗粒,在变径段输送区主要分布60μm~120μm的中等粒径颗粒,在沉降段的过渡区和输送区主要分布0~60μm的小粒径颗粒。当操作气速在0.30m/s~0.42m/s波动时,沉降段输送区中位粒径稳定在30μm~38μm范围,当前的沉降高度保证反应器具有较大的操作弹性。通过反应器对颗粒的沉降分离作用,正常气速下旋风分离器入口含尘浓度为1.217kg/m~3,仅为反应器底部的0.3%,入口颗粒中位粒径为28μm,仅为底部的17.3%。大量颗粒在反应器内完成沉降分离,只有部分小于58μm的颗粒进入旋风分离器。研究表明,两级旋风分离器对1μm颗粒的分离效率达到70.35%,对3μm及以上颗粒的分离效率达到99%以上。随着旋风分离器入口含尘浓度增加,第一级分离器分离效率明显下降,而第二级分离器分离效率几乎不变。两级式旋风分离器不仅有效提高分离性能,还提高分离器分离性能的稳定性,保证旋风系统同样具备较大的操作弹性。第二级分离器压降约为第一级的2倍,对1μm颗粒分离效率约为第一级的2.5倍,有必要提高第一级分离器的分离性能,保证第一级和第二级分离器的分离能力配比均衡。研究发现,第一级分离器的结构存在一些问题:在颗粒发生逃逸的情况中,80%以上是从排气管随短路流发生逃逸;锥段外旋流能耗很大,占总能耗的40%以上;柱段作为主要分离空间,切向速度峰值仅为第二级分离器的54%。因而采用曲面响应法(RSM)重点优化第一级分离器的排气管、锥段和柱段结构,并确定分离器分离性能最优时结构参数值。结构优化后,第一级和第二级旋风分离器对3μm颗粒的分离效率分别提高初始模型的31.99%和6.44%,总效率和总压降分别提高3.53%和1.49%,第二级和第一级旋风分离器的压降比由2减小为1.29。新型两级旋风分离器具有高效率、低能耗和分离性能分配均匀的优点。