流体机械

项目	数值	项目	数值
上出口管径D₀/mm	273	入口管宽L₃/mm	169
溢流管径D₁/mm	171	缩口管长L₄/mm	150
分离器直径D₂/mm	535	溢流管长L₅/mm	275
下出口管径D₃/mm	230	圆柱段长L₆/mm	1 238
溢流管长L₁/mm	354	入口管高H/mm	244
入口管长L₂/mm	513	锥角/(°)	12.8
硅粉罐长L₈/mm	700	硅粉罐高L₉/mm	300

项目	数值	项目	数值
上出口管径D₀/mm	273	入口管宽L₃/mm	169
溢流管径D₁/mm	171	缩口管长L₄/mm	150
分离器直径D₂/mm	535	溢流管长L₅/mm	275
下出口管径D₃/mm	230	圆柱段长L₆/mm	1 238
溢流管长L₁/mm	354	入口管高H/mm	244
入口管长L₂/mm	513	锥角/(°)	12.8
硅粉罐长L₈/mm	700	硅粉罐高L₉/mm	300

平面	S0	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7	S8
高度/m	2.8	2.4	2.2	2.0	1.8	1.6	1.3	1.2	1.0

平面	S0	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7	S8
高度/m	2.8	2.4	2.2	2.0	1.8	1.6	1.3	1.2	1.0

催化裂化装置旋风分离器磨损分析及防控

余兵 ¹ , 周俊锋 ¹ , 许根富 ¹ , 陈凡 ³ , 秦仔祥 ¹ , 蒋诚航 ¹ , 刘延雷 ¹ , 金浩哲 ²

流体机械 | 应用技术 2025,53(7): 104-110

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流体机械 |应用技术 2025 , 53 (7) : 104 -110

催化裂化装置旋风分离器磨损分析及防控

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余兵¹, 周俊锋¹, 许根富¹, 陈凡³, 秦仔祥¹, 蒋诚航¹, 刘延雷¹, 金浩哲²

作者信息

¹杭州市特种设备检测研究院，杭州 310051

²浙江理工大学流动腐蚀研究所，杭州 310018

³浙江新安迈图有机硅有限责任公司，杭州 311243

通讯作者:

刘延雷（1982），男，博士，教授级高级工程师，研究方向为特种设备安全，通信地址：310051浙江省杭州市滨江区滨文路32号特种设备检验科学研究院，E-mail：yanleiliu@yahoo.cn。

作者简介:

余兵（1970），男，高级工程师，研究方向为特种设备检验检测，E-mail：ybmh2001@qq.com。

Wear analysis and prevention‑control of cyclone separators in catalytic cracking units

Bin YU¹, Junfeng ZHOU¹, Genfu XU¹, Fan CHEN³, Zaixiang QIN¹, Chenhang JIANG¹, Yanlei LIU¹, Haozhe JIN²

Affiliations

¹Hangzhou Special Equipment Institute，Hangzhou 310051，China

²The Institute of Flow-Induced Corrosion，Zhejiang;Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China

³Zhejiang Wynca Momentive Silicone Co.，Ltd.，Hangzhou 311243，China

出版时间: 2025-07-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.07.014

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摘要

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针对某催化裂化装置旋风分离器的磨损问题，构建气固两相冲蚀数理模型，采用数值模拟技术还原典型工况下分离器内速度场、磨损率等流动参数的分布特征；结合现场失效案例，分析冲蚀磨损形成机制并提出防控方案。结果表明，旋风分离器内部流场呈现外层下行、内层上行的双层旋转流动结构，壁面减薄主要由切削磨损和变形磨损共同作用所致；硅粉颗粒在旋风分离器顶部以低角度持续碰撞，导致该区域磨损最为严重，磨损率达6.02×10^-9 kg/（m²·s）；颗粒螺旋向下运动时与筒体壁面发生切削磨损，且因运动半径减小使离心力增大，进而撞击底部壁面，造成底流口部位严重磨损，磨损率达5.52×10^-9 kg/（m²·s），数值模拟结果与现场案例吻合度高。采用耐磨焊条堆焊可使设备使用寿命延长3~6个月，而氧化铝陶瓷内衬等方案可延长10个月以上。研究建立的磨损分析方法与防控策略，可用于旋风分离器壁面减薄的失效评估及寿命优化。

关键词

旋风分离器 / 数值预测 / 失效机理 / 磨损防控

Abstract

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To address wear issues in a catalytic cracking unit cyclone separator，a gas‑solid two‑phase erosion mathematical model was established.Numerical simulations reproduced distribution characteristics of flow parameters including velocity fields and wear rates under typical operating conditions.Combined with field failure cases，erosion mechanisms were analyzed and control solutions proposed.Results show the swirler internal flow exhibits a dual‑layer rotational structure with outer downward flow and inner upward flow.Wall thinning primarily results from combined cutting wear and deformation wear.Silica particles continuously impact the swirler top at low angles，causing severe wear with a wear rate of 6.02×10^-9 kg/（m²·s）.During spiral downward movement，particles cause cutting wear on the cylinder wall.Reduced motion radius increases centrifugal force，leading to severe impact wear at the underflow orifice with a wear rate of 5.52×10^-9 kg/（m²·s）.Numerical results show high consistency with field cases.Wear‑resistant electrode overlay welding extends equipment life by 3~6 months，while alumina ceramic lining extends life by over 10 months.The established wear analysis method and control strategy can be applied to failure assessment and life optimization of cyclone separator wall thinning.

Key words

cyclone separator / numerical prediction / failure mechanism / wear prevention and control

引用本文

余兵, 周俊锋, 许根富, 陈凡, 秦仔祥, 蒋诚航, 刘延雷, 金浩哲. 催化裂化装置旋风分离器磨损分析及防控. 流体机械, 2025 , 53 (7) : 104 -110 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.07.014

Bin YU, Junfeng ZHOU, Genfu XU, Fan CHEN, Zaixiang QIN, Chenhang JIANG, Yanlei LIU, Haozhe JIN. Wear analysis and prevention‑control of cyclone separators in catalytic cracking units[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (7) : 104 -110 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.07.014

正文

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0　引言

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旋风分离器因结构简单、分离效率高且性价比突出，在工业生产中得到广泛应用^［1］。其工作原理主要是通过气流切向引入形成旋转运动，利用固体颗粒或液滴所受的惯性离心力，将其甩向外壁面实现分离^［2］。在实际生产过程中，颗粒分离时与设备壁面的碰撞易引发壁面减薄，严重时可导致穿孔失效事故，给企业安全生产和经济效益带来严重影响^［3-6］。因此，深入研究旋风分离器内气固两相流的磨损特性，有助于企业了解壁面减薄的失效机理，从而针对性地制定耐磨防控策略。

国内外关于颗粒对壁面的损伤机制研究，主要基于塑性材料微切削理论和冲蚀变形理论。为深入探究旋风分离器内气液固多相流的磨损特性，当前研究普遍采用CFD等数值模拟技术，结合结构建模与优化设计，深入揭示流动机制与磨损规律，有效提升分离效率与结构可靠性，推动高性能分离器的研发与工程应用^［7-10］。张勇等^［11］通过CFD研究优化了旋风分离器的分离性能；袁惠新等^［12］针对重分散相颗粒分离旋风分离器的壁面磨损开展数值模拟，发现其磨损以局部磨损为主，且底流口附近为磨损最严重区域；范军领等^［13］采用数值模拟方法对α型旋风分离器的壁面磨损进行研究，分析了典型工况下的流动磨损规律，并通过磨损数据对比验证了数值模拟技术在旋风分离器失效分析中的可靠性；陈聚凯等^［14］基于CFD‑DPM理论方法，探究了旋风分离器的减磨设计与结构优化策略。

现有研究多聚焦于机理探究或特定工况下的模拟分析，缺乏将理论研究成果进一步转化为切实可行的磨损防控策略，且缺乏充分的实践验证。文中基于旋风分离器的实际运行工况（包括结构参数、工艺条件和设备材质特性等）建立模型，结合气固两相流冲蚀理论，构建了修正的旋风分离器冲蚀数理模型；采用CFD软件对典型工况下分离器内的气固两相流场进行模拟，获取冲蚀磨损率的分布规律，深入分析冲蚀磨损机理。此外，通过失效案例的现场解剖，验证了数值模型的准确性和失效分析的可靠性，并提出了经实践验证有效的磨损防控策略。

1　数值模拟

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1.1　几何模型及边界条件

旋风分离器设备的几何结构如图1所示。硅粉分离装置采用长锥形单入口直切式气固旋流分离器，该设备主要由进气管、溢流管、柱锥段分离腔及硅粉收集罐组成。其中，进口截面为矩形，以进口方向作为方位角0°基准，其余各段结构参数如表1所示。为便于筒壁定位分析，周向按0°~360°划分，轴向划分为9个空间区域，S0~S8平面的高度值如表2所示，柱锥段筒体中心点为径向起点，定义r/R为对应平面的径向相对位置。

旋风分离器内部的气固两相流介质由空气和催化剂颗粒组成。在数值模拟中，入口边界采用速度入口（velocity‑inlet）条件，入口流速设定为13.5 m/s；出口边界采用自由流出口（outflow）条件。颗粒质量流率为27 g/s，以射流方式进入分离器内部，其中，溢流管出口处的颗粒设置为完全逃逸边界，底流出口的颗粒设置为捕捉边界。壁面处的气相流场采用无滑移边界条件，壁面处理采用标准壁面函数法，粒子与壁面的碰撞作用通过FORDER等^［15］提出的碰撞恢复系数方程描述。

1.2　计算模型

针对文中气固旋流分离器内入口粒子浓度较低（属于稀疏气固两相流）的特性，采用基于拉格朗日计算框架的随机轨道模型（DPM）开展模拟。控制方程为Navier-Stokes方程组，湍流模型选用RNG k-ε湍流模型，并结合修正的冲蚀数理模型进行求解。压力-速度耦合采用SIMPLEC算法，其余物理量离散均采用二阶迎风格式。颗粒运动规律基于牛顿第二运动定律进行描述，考虑颗粒在空间中的平动与转动两种运动方式，相关动力学方程如下：

m d v d t = m g + ∑ F C + F d r a g + F o t h e r

（1）

Ι d ω d t = ∑ T c + T f

（2）

式中，m为颗粒的质量，kg；

F C

，

F d r a g

分别为接触力、曳力，N；I为颗粒的惯性矩，kg⋅m²；T_c，T_f分别为接触扭矩和流体相产生的扭矩，N⋅m。

在考虑颗粒与壁面的碰撞过程时，工程中通常采用弹性恢复系数来表征颗粒碰撞前后的动量变化，相关恢复系数公式如下：

e n = 1 - 0.4159 θ 1 + 0.5994 θ 1 2 - 0.292 θ 1 3

（3）

e t = 1 - 2.12 θ 1 + 3.077 θ 1 2 - 1.1 θ 1 3

（4）

式中，e_n为法向恢复系数；e_t切向恢复系数；θ₁为颗粒入射角。

采用在旋风分离器壁面磨损计算中得到广泛应用的模型，其计算式如下：

R e r o s i o n = ∑ p N P m C (d p) f (α) v b (v) · A f a c e

（5）

式中，R_erosion为壁面磨损率，kg/（m²⋅s）；p为单位面积颗粒数量；C（d_p）为颗粒相关函数，根据文献［16］，取值1.1×10^-10；f（α）为入射角相关函数；v为颗粒相对壁面的速度，m/s；b（v）为颗粒速度函数，取值为1.73^［17］；A_face为壁面计算单元面积，m²。

1.3　模型网格划分及验证

采用六面体结构网格对旋风分离器计算域进行划分，三维模型及网格划分示意如图2所示。

为评估网格数量对模拟结果的影响，以不同网格数下S1截面径向分布的切向速度为指标，分别获取网格总数为70万、140万、200万和250万模型的切向速度数据。结果表明，当网格数从70万增加至140万时，切向速度最大偏差达5.3%；而网格数不低于140万时，切向速度偏差最大值不高于1.8%，表明140万以上网格数的模型计算偏差较小。综合考虑计算效率与资源消耗，最终选定模型网格数为140万左右。

2　结果与讨论

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2.1　气相流场分布

图3（a）（b）（c）分别示出轴向速度在旋风分离器内的分布云图、轨迹线及其在S1~S8平面径向上的数值统计图。

从图中可以看出，轴向速度场在分离器内呈对称分布，呈现外旋涡区域向下、内旋涡区域向上的流动趋势，且上下行分界面的位置与分离器内部结构相关。内旋涡的轴向速度最大值出现在排气管缩口管段中心，达32 m/s。轴向速度将流场划分为近壁区的下行流和中心区的上行流，其中，下行流是粉尘颗粒分离的主导因素。颗粒受离心力作用甩向壁面后，随下行流沿壁面下移，最终被带入灰斗捕集。

旋风分离器切向速度和轴向速度的大小直接影响气固两相的分离效率。图4（a）（b）（c）分别示出切向速度在旋风分离器内的速度云图、轨迹线及其在S1~S8平面径向上的数值统计图。可以看出，切向速度整体呈对称分布，其速度场在分离器内呈现典型的复合涡结构，由外部准自由涡和内部准强制涡组成^［18］；内旋涡的气体切向速度最小值位于分离器中心，且数值随半径增大而递增；锥体段的内旋涡切向速度因偏离轴线而产生左右摆动，导致轴对称性变差，形成明显的“摆尾”现象；外旋流的切向速度分布随半径增加呈现先增大后减小的趋势。

2.2　颗粒运动碰撞分析

为进一步揭示颗粒在旋风分离器内的运动规律，分别对颗粒停留时间分布及速度轨迹特征展开分析。图5（a）（b）分别示出颗粒速度和停留时间的轨迹云图。

从图中可以看出，颗粒随气体以13.5 m/s的速度进入旋流器，气固两相流在旋风分离器内进行运动分离。在旋风分离器顶端，颗粒受离心力作用速度骤增至22 m/s，并与顶部壁面发生碰撞，在运动过程中形成一定宽度的顶灰环^［19］。产生该现象的主要原因是此时颗粒所受离心力等于向心曳力，且轴向受力平衡。颗粒在顶部短暂停留后，与壁面碰撞导致动量损耗而做减速运动，同时，当其轴向受力小于自身重力时，会出现螺旋下降现象。当颗粒下降至筒体与锥体交界处时，其速度趋于稳定，并在该位置壁面持续停留，这一现象与FOROOZESH等^［20］的研究发现一致。主要是因为颗粒向下运动到锥形分离空间时，旋风分离器半径减小，而颗粒轴向速度变化不大，所受离心力增大，颗粒的支持力也随之增加。当支持力的轴向分量等于重力与曳力轴向分量之和时，颗粒便在某一位置做持续旋转运动。当颗粒运动至设备锥形缩口段时，与壁面接触后切向速度下降，随着轴向速度增加而向下加速运动，致使其与锥形空间接触位置的轴向距离变大，在该段壁面的碰撞次数减少。

图6示出旋风分离器冲蚀磨损云图。从图中可以看出，设备磨损以局部冲蚀为主，壁面磨损位置与颗粒碰撞轨迹高度吻合，呈螺旋带状分布。为探究不同区域的壁面冲蚀磨损机理与严重程度，对旋风分离器进行分段研究，定义圆筒与顶板间（S0~S1）的环形壁面为A区，圆筒中间段（S3~S5）的环形壁面为B区，锥段（S6~S8）的环形壁面为C区。

图中，A区域的主要冲蚀区域位于周向15°~160°之间，该区域磨损主要源于顶部稳定灰环带的颗粒持续撞击壁面导致壁面减薄。根据冲蚀严重程度，A区域又划分为A-1，A-2，A-3共3个区域。其中，A-1区域磨损速率相对较低，最大值仅为2.24×10^-9 kg/（m²·s），这是因为颗粒随气体切向进入旋风分离器后，在离心力与惯性力作用下以接近90°的冲击角撞击壁面，垂直撞击导致壁面损耗较少；A-2区域磨损速率最大值为3.56×10^-9 kg/（m²·s），颗粒碰撞反弹后冲击角减小，壁面损耗以切削磨损与变形磨损为主；A-3区域磨损速率最大，达6.02×10^-9 kg/（m²·s），随周向角度增大，颗粒以小角度冲击壁面，这时，切削磨损为主要损耗机制。

B区域的主要冲蚀区域环向分布于筒体，该区域是气固两相分离的关键区域。颗粒在离心力与向心力的共同作用下向外运动，壁面受到颗粒的连续撞击而产生磨损。此外，由于该区域颗粒的停留时间较长且速度较大，在多种因素的综合作用下，其最大磨损速率达5.72×10^-9 kg/（m²·s）。

C区域的主要冲蚀区域位于出口附近的周向壁面。该区域不仅是旋风分离器截面最小处，也是单位面积颗粒浓度最高的位置。由于颗粒在此处流速达到最大值，与壁面的碰撞频率显著增加；同时，旋风分离器尾部涡核摆动引发的流动不稳定，进一步提升了颗粒的动能，导致其撞击壁面时能量损耗加剧。多重因素叠加作用下，C-1位置的磨损速率最大，值为8.25×10^-9 kg/（m²·s），显著高于其他区域，致使出口壁面磨损更为严重。

3　预测正确性验证及防控策略

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3.1　预测正确性验证

对停工检修的旋风分离器进行拆解，测量磨损严重区域壁厚并绘制形貌分布情况，如图7所示。由图7（a）可知，A区、B区和C区为主要磨损区域，壁面磨损形貌以切削划痕为主，呈环向分布于筒体内部。此外，部分区域存在显著材料损耗，如A区旋风分离器进口段上方和B区环向110°~210°区域，壁面因变形形成凹坑。对比图7与图6可知，旋风分离器实际磨损区域与数值模拟结果高度吻合，壁面最大磨损位置基本重合。进一步对比图7（b）磨损速率数据，各区域最大磨损速率的预测结果与实测磨损减薄速率变化趋势一致。

综上所述，数值模拟预测结果与失效解剖案例的磨损特征高度吻合，充分验证了数值模拟方法和磨损分析结论的准确性与可靠性。

3.2　防控方案分析

针对旋风分离器磨损失效问题，图8示出3种防控方案：（1）局部增强磨损严重区域的耐磨性，在磨损严重区域采用耐磨焊条堆焊，形成约2 mm厚耐磨层。该方案可使设备使用寿命延长3~6个月；（2）通过喷涂碳化钨等高性能耐磨涂层，或安装氧化铝陶瓷内衬实现设备整体防护，可将设备使用寿命延长10个月以上；（3）采用涡旋式旋风分离器结构，通过增大入口直管段尺寸降低气体与颗粒的入口流速，降低其磨损程度，使使用寿命延长12个月以上。

4　结论

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（1）旋风分离器的内切向速度场以复合涡结构为主，由外部准自由涡和内部准强制涡组成，其值随半径增大而递增；轴向速度场呈现外旋流与内旋流的双层旋转流动结构，外层为下行流、内层为上行流，最大轴向速度出现在排气管缩口管段中心，达32 m/s。

（2）颗粒在旋风分离器内的运动受离心力、向心曳力、支持力和重力共同作用。在旋风分离器顶端，当颗粒所受离心力与向心曳力相等且轴向受力平衡时，会形成具有一定宽度的顶灰环；而在筒体与锥形分离段的交接位置，由于颗粒支持力的轴向分量与重力和曳力轴向分量之和相等，颗粒会在该位置做持续旋转运动。

（3）旋风分离器壁面材料的损耗机理为低冲击角下的切削磨损与高冲击角下的变形磨损。磨损严重区域主要分布于入口区、筒体中间壁面和出口段。其中，冲蚀最严重的区域为分离器进口段顶部、筒体中间段壁面环向110°~210°。这是由于颗粒进入旋风分离器后与壁面碰撞产生能量损失，致使入口环形壁面因冲击磨损而减薄；颗粒螺旋向下运动时，与筒体壁面发生切削磨损；随着运动半径减小，颗粒所受离心力增大，加速撞击底部壁面，导致旋风分离器底流口部位磨损最为严重。

（4）3种防控方案可显著延长设备使用寿命。模拟结果与现场失效案例的磨损特征高度吻合，表明所建立的磨损研究方法和耐磨防控策略可用于旋风分离器壁面减薄的失效评估与寿命优化。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第53卷第7期

引用本文

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文章信息

doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.07.014

接收时间：2024-08-23
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-07-30

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收稿日期：2024-08-23
修回日期：2025-02-16

基金

作者信息

¹杭州市特种设备检测研究院，杭州 310051

²浙江理工大学流动腐蚀研究所，杭州 310018

³浙江新安迈图有机硅有限责任公司，杭州 311243

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参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ltjx/CN/10.3969/j.issn.1005-0329.2025.07.014

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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