1、第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：彭小成（），男，硕士，研究方向为过程强化，电话：，：；王斯民，男，博士，教授，通信联系人，：。化工流体力学基于异质凝结原理环流式旋风多目标优化研究彭小成，金 平，刘佳幸，李文斌，王斯民（西安交通大学 化学工程与技术学院，陕西 西安；中石化（大连）石油化工研究院有限公司，辽宁 大连；中国石油新疆油田分公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依；国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司，上海）摘要：针对传统旋风分离器对粒径小于 的颗粒分离效率低的问题，提出通过在环流式旋风装置中构建过饱和环境，利用异质
2、凝结原理促进细微颗粒长大的方法。基于 的经典成核理论，建立气液固数值模型，分析环流旋风分离器中气体和颗粒的流动特性以及冷凝生长和聚并过程。结果表明：经过异质凝结生长和聚并后，颗粒在旋风内的平均粒径从 增大到 ，分离效率从 提高到 。在此基础上，分析内筒直径、进气管倾斜角度，以及进口气速对环流式旋风装置压降和分离效率的影响，并通过多目标优化算法得到帕累托最优设计点，优化后的分离效率可达 以上，同时压降也减小至 以下。关键词：旋风分离器；异质凝结；数值模拟；聚并；优化中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，；，；，）：，：；化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：流化催化裂化（）中的催化剂烧
3、结再生时会产生大量烟气，其中催化剂粉尘（颗粒物）的质量浓度为 ，其中粒径小于 的占。旋风分离器因其结构简单，操作容易等优点而被广泛应用于工业除尘领域，但对粒径较小尤其是 以下的颗粒分离效率较低。目前，细微颗粒物控制技术的发展方向主要是通过物理或化学作用使其粒径增大，从而提高一些常规除尘设备的效率。通过水汽相变来促使烟气中的细颗粒物凝结长大成为提高细微颗粒分离效率的有效预处理技术之一。年，首先提出异质凝结相关理论，主要针对的不可溶且表面光滑的球形颗粒；凡凤仙等采用 异质核化理论研究水汽及润湿剂溶液蒸汽在不可溶颗粒表面的异质核化特性，并分析润湿性对晶核形成自由能、临界晶核半径、成核速率和临界饱和度
4、的影响；鲍静静等仅考虑凝结作用的情况下对燃煤细颗粒物在过饱和水汽环境下的异质凝结生长进行数值预测和实验研究，结果表明水汽相变可使细颗粒物粒径在极短时间内增大 倍。等以催化裂化装置旋风分离器中的细颗粒为研究对象，进行冷凝生长实验，并基于 经典异质核化理论和 液滴长大模型，提出一种气液固三相耦合数值模拟方法，较好地预测了烟气颗粒的异质凝结过程。为了提高旋风分离器的分离效率，部分学者对其结构的改进优化进行了相关研究，包括增加导流通道，对入口倾角、气体出口直径和伸入长度、防反混锥顶角度等结构参数进行了优化，尽管分离效率有所提升，但仍低于 或只对粒径较大的颗粒分离效率较高。青岛科技大学研究人员开发出了新
5、型环流式旋风除尘器，认为该结构较传统结构具有压降小、分离效率高等优势，文中以该结构为基础作进一步研究。文中通过在环流式旋风结构中构建过饱和水蒸汽环境，使颗粒在流动过程中通过水汽在其表面的异质凝结长大形成“水包尘”大颗粒，并进一步碰撞聚并从而被分离，分析了颗粒凝结长大效果和环流式旋风重要结构参数和操作参数对压降和分离效率的影响，使用多目标优化算法寻找最优结构和操作工况来强化旋风分离器对细微颗粒的分离性能。几何模型文中研究的环流式旋风分离器几何结构如图（）所示，该结构与传统旋风相比增加了一个内筒，烟气进口有一个向上的倾斜角度且接入内筒。主要结构的尺寸参数如表 所示。几何模型的网格采用多面体形式，网
6、格生成如图（）所示。图 几何模型及网格 表 环流式旋风分离器结构尺寸 结构 数值 结构 （）数值 为排尘口至筒体顶部的距离，为外筒长度，为排气管内径，为外筒内径，为内筒内径，为排尘口内径，为进口管的倾斜角度，、分别为进气口的长和宽。数值理论针对颗粒在旋风分离器内的异质凝结和聚并过程，采用欧拉拉格朗日方法计算气固两相的相互作用以及颗粒之间的碰撞聚并效应，采用用户自定义函数（）来完成气体和粒子之间的传热和传质过程计算。雷诺应力模型（）是一种较为精细的 湍流模型，主要应用在雷诺应力各向异性的流动中，适用于旋转流等流动形态的计算，故选用 来计算气体的湍流流动。异质凝结理论根据 经典成核理论，晶胚形成速
7、率发展如 （）（）（）（，）（）（，）彭小成等 基于异质凝结原理环流式旋风多目标优化研究 投稿平台：（）（）（）（）（）式中：为单个颗粒晶胚形成速率，；为异质核化过程动力学常数，；为颗粒半径，；为玻耳兹曼常数，；为临界核形成自由能，；单位体积蒸汽凝结时的自由能，；为表面张力，；为气相温度，；为临界晶胚半径，；为重力加速度，；为颗粒与晶胚的接触角。当临界晶胚的形成速率 为 时，将式（）（）代入式（），得到如下方程：（）（，）（）在凝结过程中，的表达式如下：()（）（）式中：为单个蒸汽分子体积，；为临界过饱和度。上述方程通过逐次逼近法求解，然后，和就可以被计算出来。由于凝结而产生的蒸汽的总质量通量
8、如下：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为由于凝结而产生的蒸汽的总质量通量，；为蒸汽饱和度；为液滴表面的饱和度；为传质过渡修正系数；为传热过渡修正系数；为蒸汽扩散系数，；为饱和蒸气压，；为气相总压，；为液体的摩尔质量，；为汽化潜热，；为气体常数，（）；蒸汽热导率，（）；为蒸汽分子的有效平均自由程，；为空气分子的有效平均自由程，；为液体密度，。多目标优化方法将表 所示内筒直径、进口管倾角和进口气速 作为输入参数，将颗粒分离效率 和压降 作为输出参数，计算方法见式（）和式（）。利用遗传聚集响应面研究输入参数和输出参数之间的关系，在优化过程中使用了多目标遗传算法（），它是基于受控精英
9、主义概念的流行非支配排序遗传算法（）的混合变体。（，），（）（）式中：为颗粒分离效率；，和，分别为进、出口干颗粒的质量浓度，；为压降，和 分别为进、出口总压，。表 给出了输入参数的选取范围。表 输入参数范围 输入参数内筒直径 进口管倾角（）进口气速（）取值范围 结果与讨论 数值方法与网格无关性验证 等通过实验研究了操作参数对旋风分离器内异质凝结过程和分离性能的影响规律，文中将一定过饱和度下不同气体流量对颗粒分离效率影响的模拟数据与文献中的实验数据进行对比。如图 所示，结果表明：在其他条件一定时，颗粒的分离效率随气体流量的增大而提高，模拟与实验数据平均误差为 ，吻合度较高，可以认为文中采用的数学
10、模型能够较好地模拟颗粒在旋风分离器内的异质凝结生长过程和流动特性。图 实验与模拟结果对比 为排除网格密度对计算结果的影响，分别在网格数量为、和 下进行计算，结果表明：当网格数量为 时，计算结果趋于稳定，故文中采用数量为 的网格化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：可以满足计算要求。文中研究的颗粒为亲水的不可溶球形颗粒，密度为 ，旋风内环境温度为 ，气相为空气，水蒸汽的过饱和度为 ，气体密度、比热容和导热系数均随温度变化，计算颗粒凝结长大过程时进口颗粒粒径为 ，颗粒质量浓度 。流场特性分析图 为环流式旋风内气体的运动轨迹，气流从入口进入内筒后，从切向进口产生的旋流向上运动，在到达排气口之前的内筒区
11、域内形成一次分离区，当气体上升到内筒的上缘后一分为二，中心高速气流直接进入排气口排出，靠近内筒壁的气流失去内筒的束缚后由于惯性甩向内外筒之间的环隙进而螺旋向下运动，在锥段底部形成中心上旋气流。图 气体速度流线 图 为添加过饱和水蒸汽前后旋风内颗粒的粒径分布对比。图 添加过饱和水蒸汽前后颗粒粒径分布对比 添加饱和水蒸汽之后，颗粒在旋风内运动的过程中颗粒的粒径变化明显，沿下行气流螺旋方向，颗粒的聚并效果明显，在排尘口附近颗粒的粒径达到最大，最大粒径可达 ，经过异质凝结长大和聚并后，旋风内颗粒的平均粒径从 增加至 ，颗粒粒径的增加将使颗粒所受的离心力和重力增加，使其更容易受气体作用贴壁螺旋向下进入料
12、斗被捕集，从而提高分离效率。对于初始结构，保持进口气速为 不变的情况下，添加过饱和水蒸气后，分离效率从 提升至 ，提升效果非常明显。优化参数对分离性能的影响分析当进口倾斜角度为、进口气速为 时，内筒直径对压降和分离效率的影响曲线如图 所示，颗粒的分离效率呈现出先增大后减小的变化趋势，当内筒直径从 增加到 时，颗粒的分离效率从 增加到 ，进一步增大内筒直径，颗粒的分离效率开始下降。当内筒直径较小时，内筒与排气口直径比（）较小，颗粒的逃逸概率较大，内筒气流上行的速度也较大，颗粒容易被带出排气管，但随着内筒直径的增加，直径比逐渐增大，到达旋风上部区域的颗粒大部分进入内外筒之间的环隙后进一步长大聚并最
13、终被捕集，而内筒直径继续增大则会导致内外筒之间的环隙过窄，使气流在内筒上缘至顶部区域形成返混和回流，导致颗粒被中心上行气流带出排气管，从而使分离效率降低。当内筒直径从 增加至 时，压降逐渐降低，但降低的幅度较小，随着内筒直径的进一步增加，压降迅速增大，当内筒直径较小时，气体在内筒的湍动较大，内外旋流之间的摩擦和扰动较大，动能消耗较大，所以压降也相对较大，当内筒直径进一步增加后，由于进口气速较大，形成较大的压力梯度，因此压降开始增加。图 内筒直径对压降和分离效率的影响 彭小成等 基于异质凝结原理环流式旋风多目标优化研究 投稿平台：当内筒直径为 、进口气速为 时，进口管倾斜角度对压降和分离效率的影
14、响曲线如图 所示，压降和分离效率均随进口管倾斜角度先增加后逐渐减小，当倾斜角度为 时，分离效率最高同时压降也最大。如图 为不同进气管倾角下过进口管中心的纵截面速度矢量图，气体从入口切向进入内筒后，由于倾斜角度的不同，上行和下行的气量不同，颗粒随气流从进口切向偏向下进入后，位于进口下方的少部分气流螺旋向下进入锥段，而大部分气流由于压差方向逐渐改变，逐渐螺旋向上运动，但螺旋的导程与倾斜角向上（）相比要小，气体的流动路程增大，动能消耗增加，因而压降较大，与此同时颗粒的停留时间增加，分离效率提高，但倾斜角度过小会导致下行气量较大，内筒下缘和锥段上部区域流体紊乱，压力梯度较小，所以压降反而减小，部分颗粒
15、被中心上旋气流带出导致分离效率下降。当倾斜角度大于 时，随倾斜角度的增加，上行气量逐渐增大的同时气流向上螺旋运动的导程也增大，动能损耗减小，颗粒的停留时间也减小，所以压降和分离效率逐渐降低。图 进气管倾斜角度对压降和分离效率的影响 图 不同进气管倾角下过进口管中心的纵截面速度矢量图 图 为内筒直径为 、进口管倾斜角度为 时，压降和分离效率随进口气速的变化曲线，可以看出，压降随进口气速的增加逐渐增大，但分离效率随进口气速的增加增幅逐渐变缓，当进口气速为 时，分离效率达到最大，进一步增加进口气速分离效率略微降低。图 进口气速对压降和分离效率的影响 图 为过内筒轴线的纵截面不同进口气速下的湍动能云图
16、，当流速增加时，流体的湍动能增加，内筒区域进口附近气流扰动增加，当进口气速过大时，会导致气流紊乱，颗粒随气流运动的方向随机性增强，颗粒容易被上行高速气流带出排气管，因此分离效率下降。图 不同进口气速下中心纵截面湍动能云图 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：优化结果对选取的优化参数在给定的范围内通过多目标优化算法寻求全局最优解，图 为满足优化函数的帕累托前沿，它是满足所有优化函数的一组解决方案，从图中可以看出，要使一个优化目标更优必须以牺牲另一个优化目标为代价，帕累托前沿各个最优解之间可根据需要自行选取。图 帕累托前沿及优化设计点 表 为从帕累托前沿中选取的 个优化设计点，可以看出，个优化设计点的分离效率均达到较高的水平，均超过 ，与此同时，压降也相对较小，个优化点的压降均小于 ，优化设计点同时兼顾了这 个目标参数。表 从帕累托优化点中选取的优化设计点 项目 （）（）优化设计点 优化设计点 优化设计点 结论（）颗粒经过异质凝结长大和碰撞聚并后，颗粒的粒径最大可达，平均粒径从 增加至 ，分离效率提升了。（）在给定的工况条件下，分离效率随内筒直径增加先升高后降低，压降先减小后增大，当内筒直