剛性過濾器脈沖反吹過程中濾管內動態壓力特性

欒鑫，姬忠禮，劉龍飛

（1中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102200；2中國石油大學（北京）過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京 102200）

剛性過濾器脈沖反吹過程中濾管內動態壓力特性

欒鑫1，2，姬忠禮1，2，劉龍飛1，2

（1中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102200；2中國石油大學（北京）過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京 102200）

催化汽油吸附脫硫（S-Zorb）裝置中反應器過濾器的脈沖反吹性能直接影響吸附劑的分離與循環。利用建立的濾管過濾性能實驗裝置，采用高頻動態壓力傳感器，測定脈沖反吹過程中沿濾管長度方向不同位置處濾管內動態壓力隨時間的變化特性，分析了濾管長度、反吹壓力和脈沖寬度對濾管內動態壓力特性的影響規律。結果表明：自開口端至盲端，濾管內動態壓力的壓力峰值先逐漸變大后基本不變；相同反吹條件下，隨著濾管長度的增加，濾管內沿長度方向各位置處的壓力峰值均降低。實驗范圍內，1750～2000 mm濾管開口端附近的動態壓力在達到壓力峰值后降低為負壓，并在反吹氣流和脈沖壓力波的共同作用下持續振蕩。適當提高反吹壓力以及增加脈沖寬度可以改善長濾管的反吹效果。

過濾；分離；脈沖反吹；多孔介質；動態壓力

引　言

催化汽油吸附脫硫技術（S-Zorb）基于吸附作用原理，具有脫硫率高、辛烷值損失小、氫耗和能耗低等優點［1］，其中產品油含硫量低至10 μg·g-1，完全滿足國Ⅴ標準，在國內汽油脫硫生產中得到廣泛推廣。截至2015年底，全國約有25套S-Zorb裝置，國內裝置總規模達到 32.5 M t·a-1。為了實現油氣和吸附劑顆粒的分離，S-Zorb裝置中設有反應器過濾器，其內溫度約370～440℃，壓力3.0 MPa，要求1.3 μm以上顆粒的分離效率達到99.97%［2］。過濾器的核心過濾元件為燒結金屬過濾管，隨著過濾過程的進行，過濾器壓降不斷升高，當壓降升高到一定范圍后，利用高效脈沖反吹系統實現濾管循環再生，所以脈沖反吹的性能起著至關重要的作用［3］。

目前，脈沖反吹系統性能評價常用的方法是測量反吹過程的濾管內瞬態壓力、瞬態速度以及觀測粉塵層的變化，或者利用數值計算方法模擬過濾管內外的瞬態氣體流動［4-10］。測定瞬態壓力的方法通常是采用壓力傳感器測量過濾管內壓力隨時間的變化規律。典型的壓力特性有3種：第1種是準穩態的壓力特性，該特性變化平緩；第2種是強振蕩的壓力特性，該特性存在明顯較低的、甚至負值的壓力谷值；第3種是具有較大的壓力峰值，反吹開始后迅速疊加，形成一個非常短的波峰。Schildermans等［11］測定金屬濾管內的瞬態壓力具有較大的峰值，而Chuah等［12］測定陶瓷濾管內的瞬態壓力呈現準穩態特性，二者存在差異的根本原因是金屬濾管的孔隙率較低。Berbner等［13］和 Ito等［14］分別對長度為1400 mm陶瓷濾管和1000 mm金屬濾管內動態壓力分布特性進行研究，發現準穩態的壓力特性主要產生在濾管的中部或盲端附近，而強振蕩的壓力特性主要產生在濾管的開口端附近。Mai等［15］測定了脈沖反吹過程中長度均為1000 mm的3種不同陶瓷濾管的動態壓力分布，發現在濾管開口端位置均出現了較大的峰值。Kurose等［16］測定了長度為250 mm陶瓷濾管內動態壓力分布特性，重點分析了濾管內壓力變化的開啟時間、壓力上升速率及壓力峰值。Rhyner等［17］將動態壓力特性作為清灰效率的評價指標，采用高頻動態壓力傳感器定量測定長度為500 mm陶瓷濾管內的動態壓力變化，以此作為判斷濾管泄漏及失效的依據。

關于脈沖反吹過程中濾管內的動態壓力特性，多數學者以長度小于 1500 mm的短濾管作為研究對象，而隨著濾管加工工藝的逐步成熟，在保證濾管同心度和過濾性能均勻性的前提下，長濾管可有效提高過濾面積，在處理氣體流量相同的條件下可以減少濾管根數，進而減小容器直徑，尤其適用于高溫高壓工況。例如S-Zorb裝置中反應器過濾器濾管長度通常為2000～3000 mm，比Shell煤氣化等領域內傳統的500～1500 mm濾管要長。針對長濾管脈沖反吹過程中清灰不均勻特性，國內外尚未見相關研究報道，因此采用高頻動態壓力傳感器，在實驗室常壓冷態下測定脈沖反吹過程中沿濾管長度方向不同位置處濾管內動態壓力隨時間的變化特性，有助于認清脈沖反吹過程的關鍵影響因素，為開發新型、高效的脈沖反吹系統提供技術指導。

1　實驗裝置及方法

常壓冷態濾管過濾性能實驗裝置如圖1所示。該裝置依據國際上通用的過濾介質檢驗標準EN779 和VDI3926建立，利用該裝置能夠對單根濾管過濾器的過濾與反吹全過程的性能進行測定分析，包括反吹過程中濾管內動態壓力特性。脈沖反吹系統由反吹儲氣罐、脈沖電磁閥、噴嘴及連接管路組成，通過可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）控制脈沖電磁閥啟閉。脈沖電磁閥開啟時，高壓脈沖氣體經反吹管路由噴嘴噴出，進入過濾管內實現脈沖清灰。反吹儲氣罐容積為0.01 m3，利用壓力變送器測定的儲氣罐壓力即為反吹壓力，單次脈沖反吹后儲氣罐壓降小于原有壓力的10%，能提供穩定的反吹氣源。脈沖電磁閥選用澳大利亞GOYEN公司的RCAC25T型，最高壓力0.8 MPa。

為考察脈沖反吹過程中沿濾管長度方向不同位置處瞬態壓力變化，采用高頻動態壓力傳感器實測濾管內動態壓力特性，實驗中選取2000 mm的金屬濾管作為研究對象，并以長度分別為1500、1000 和500 mm的3根金屬濾管做對比研究，保證各濾管其余參數完全一致，分別為外徑60 mm、內徑50 mm、平均孔徑4 μm、孔隙率35%。利用5個相同的高頻動態壓力傳感器同時測量濾管自開口端至盲端各測量點的動態壓力特性，4種長度金屬濾管測量點位置見表 1。高頻動態壓力傳感器的量程為-50～50 kPa，頻響20 kHz，精度等級±0.25%，采集卡的采樣頻率為500 kHz，滿足采樣定律。為了消除管腔效應，壓力傳感器探頭膜片所在的平面與濾管內壁齊平安裝。

圖1　濾管過濾性能實驗裝置Fig.1　Schematic diagram of filtration performance experimental set-up

表1　4種長度濾管的動態壓力測量點位置Table 1　Measurement points of dynam ic pressure in 4 different length of filter cand les

實驗中通過 PLC控制采集信號觸發和脈沖寬度，其中脈沖寬度設定范圍為50～500 ms，控制精度達到 1 ms。實驗中參照工業實際操作將其設為150 ms。通過電動碟閥控制管路氣體流量，閥門開度可根據工況實現自動控制，進而始終保持操作過程中流量恒定，設定表觀氣速為2 m·min-1，再根據不同濾管的過濾面積確定管路流量。

圖2為在反吹壓力0.6 MPa條件下，PB3處動態壓力特性的重復性驗證。由圖可知，動態壓力隨時間的變化趨勢基本一致，且正、負壓峰值等特征點的誤差均在±0.1 kPa范圍內，表明數據重復性良好，故以單次采集數據代替多次實驗數據的平均值作為測定結果。

圖2　反吹壓力0.6 MPa條件下PB3處動態壓力特性Fig.2　Dynam ic pressure characteristics in PB3under cleaning pressure 0.6 MPa

2　結果與分析

2.1濾管內沿長度方向壓力分布特性

圖3為反吹壓力0.5 MPa條件下2000 mm濾管不同測量點處濾管內動態壓力特性。除開口端 PA1處外，其余各測量點變化趨勢一致，均具有較高的峰值。分析認為，在脈沖電磁閥開啟瞬間，在脈沖壓力波的作用下使濾管內壓力迅速升至最大值，由于二次引流作用使進入過濾管內的氣量增大，同時金屬過濾管的孔隙率和滲透率均較低，過濾管內部空間相當于彈性腔體，對反吹氣流具有緩沖作用，導致壓力下降速率先快后慢。在脈沖反吹即將結束時（t約為365 ms）有一段明顯的“負壓區”，該現象與文獻［18-21］中針對短濾管情況下已有的研究結果吻合。分析得到其產生的原因是當脈沖反吹即將結束時，引射作用減弱，濾管內氣體壓力高于與之直接相連的集氣室內壓力，部分氣體由濾管開口端排向集氣室，濾管內壓力也逐漸減小。當濾管內壓力減小到與濾管外壓力相等時，氣體由于慣性作用繼續向集氣室流動最終導致濾管內形成負壓。圖 4為文獻［22］中測定的脈沖反吹過程中濾管外徑向瞬態速度特性，其中脈沖寬度為46 ms。通過對比可知，濾管內動態壓力特性的正壓階段與AB段氣體速度的正值階段相一致，說明在濾管內壓力高于濾管外壓力時，氣體由濾管內向濾管外流動；而在脈沖反吹即將結束時，由于“負壓區”的存在，濾管外壓力高于濾管內壓力，使得濾管外氣體向濾管內流動，形成回流現象，表明濾管內動態壓力特性與濾管外瞬態速度特性的測定結果相吻合，驗證了測定結果的可靠性。

圖3　反吹壓力0.5 MPa條件下2000 mm濾管不同測量點處濾管內動態壓力特性Fig.3　Dynamic pressure characteristics in different measurement points of 2000 mm filter candle at cleaning pressure 0.5 MPa

圖5為反吹壓力0.5 MPa條件下不同測量點處濾管內動態壓力峰值的對比。由于反吹氣體進入濾管后，沿濾管長度方向的氣流速度逐漸減小，導致動壓降低而靜壓增大，自濾管開口端至盲端，濾管內壓力峰值逐漸増大，濾管開口端和盲端峰值分別為5.41 kPa和12.41 kPa，這是導致濾管沿長度方向清灰效果存在差異的根本原因，同時也與實際過程中濾管開口端粉塵易架橋造成濾管斷裂相吻合。但值得注意的是從 PA6處開始，濾管內壓力峰值基本維持不變。

圖4　濾管外徑向速度特性Fig.4　Radial velocity characteristics outside filter candle

圖5　反吹壓力0.5 MPa條件下不同測量點處濾管內動態壓力峰值的對比Fig.5　Comparison of maximum pressure in different measurement points at cleaning pressure 0.5 MPa

2.2反吹壓力對濾管內動態壓力特性的影響

圖6為不同反吹壓力條件下PA5處濾管內動態壓力特性。隨著反吹壓力的升高，濾管內正壓峰值逐漸變大，負壓峰值亦逐漸變大，二者變化趨勢一致。不同反吹壓力下，濾管內PA5處壓力由0升至正壓峰值的時間均為17 ms，壓力上升速率分別為0.47、0.59、0.70、0.81 kPa·ms-1，表明壓力上升時間與反吹壓力大小無關，壓力上升速率隨著反吹壓力的增加而增大。利用同樣的方法測定并對比，發現沿濾管長度方向，其余各測量點壓力峰值和壓力上升速率均有相同變化規律。

圖7為不同反吹壓力條件下不同測量點壓力由0升至正壓峰值所需時間的對比。自濾管開口端至盲端，壓力上升時間先逐漸升高，自PA6處附近又逐漸降低，并且不同反吹壓力下同一測量點處壓力上升時間均基本一致，表明壓力上升時間只與測量點位置有關。而由圖5已知，相同反吹壓力下，自PA6處至濾管盲端，濾管內壓力峰值基本不變，分析認為，壓力上升時間和壓力峰值的這種變化趨勢均是受濾管底部固有氣體的阻礙作用所導致。

圖6　不同反吹壓力PA5處濾管內動態壓力特性Fig.6　Dynam ic pressure characteristics in PA5at different cleaning pressure

圖7　不同測量點壓力上升時間對比Fig.7　Comparison of pressure increase time in different measurement points at different cleaning pressure

2.3不同長度濾管內動態壓力特性對比

圖8為不同長度濾管在0.5 MPa反吹壓力條件下開口端處濾管內動態壓力特性。雖然4種長度濾管開口端處均產生明顯的振蕩，但PB1、PC1和PD1處濾管內壓力振蕩均在正壓范圍內，而PA1處濾管內壓力在達到壓力峰值后降低為負壓，并在負壓區域持續振蕩一段時間，不利于該處濾管外粉塵的清除。

針對2000 mm濾管開口端PA1處動態壓力特性的異?，F象，采用盲端填充的方式改變2000 mm濾管的長度，分別測定長度為1900、1750和1600 mm時濾管開口端PA1處動態壓力特性，其實驗結果如圖9所示。由于反吹氣流與脈沖壓力波的疊加，使得PA1處濾管內壓力在達到壓力峰值后降低為負壓并持續振蕩。隨著濾管長度的增加，下降的幅度逐漸增大，這是由脈沖反吹氣體與濾管內氣體相互作用造成的。當濾管長度增加到一定值，脈沖反吹氣體進入濾管開口端時，由于濾管內容積的相應增加，使得濾管內氣體對脈沖反吹氣體的阻力降低，脈沖反吹氣體射流外緣位于PA1處附近。

圖8　不同長度濾管開口端處動態壓力特性的對比Fig.8　Comparison of dynam ic pressure characteristics among different length of filter candles near open end

圖9　改變濾管長度開口端PA1處動態壓力特性的對比Fig.9　Comparison of dynam ic pressure characteristics in PA1while changing length of filter candle

為了改善 2000 mm濾管開口端附近的反吹性能，改變反吹壓力測定PA1處濾管內動態壓力特性結果如圖10所示。反吹壓力升高，PA1處壓力振蕩更加劇烈，相比于反吹壓力為0.5 MPa時的壓力特性，在脈沖作用時間內的多個波谷均出現更低的負壓峰值；反吹壓力降低，雖然壓力振蕩稍有減弱，振蕩階段負壓持續時間減少，但沒有從根本上解決存在負壓的問題，并且較低的反吹壓力勢必會影響整只濾管的清灰效果。因此，改變反吹壓力無法有效改善2000 mm濾管開口端的反吹性能。

圖10　不同反吹壓力PA1處濾管內動態壓力特性Fig.10　Dynam ic pressure characteristics in PA1at different cleaning pressure

反吹壓力0.5 MPa條件下，改變脈沖寬度測定PA1處濾管內動態壓力特性結果如圖11所示。脈沖寬度電信號的設定值分別為50、150、250、350 ms，對應的實際氣體脈沖時間分別為 210、290、370、450 ms，隨著脈沖寬度的增大，雖然壓力峰值不變，但是實際氣體脈沖時間延長，而負壓振蕩的持續時間并沒有延長，有利于防止細顆?；亓?，從而改善該處的反吹效果。

圖11　不同脈沖寬度PA1處濾管內動態壓力特性Fig.11　Dynamic pressure characteristics in PA1at different pulse w idth

圖12為0.5 MPa反吹壓力條件下不同長度濾管距開口端750 mm處濾管內動態壓力特性。由圖可知，不同長度濾管內動態壓力特性的變化趨勢基本一致，但正壓峰值差異明顯，以2000 mm和1500 mm濾管為例，各測量點正壓峰值對比如圖13所示。反吹條件相同的情況下，在距開口端相同距離處兩濾管內正壓峰值存在較大差異，2000 mm濾管內正壓峰值較低，且近濾管盲端PA9處正壓峰值12.41 kPa，同樣小于 1500 mm近盲端 PB5處正壓峰值 13.32 kPa。為了解決2000 mm濾管內各測量點正壓峰值降低的問題，將反吹壓力提高至0.6 MPa，各測量點正壓峰值均變大。因此，提高反吹壓力可以改善2000 mm濾管的反吹效果，這對實際工況中長濾管的反吹壓力選擇具有重要指導作用。

圖12　距開口端750 mm處不同長度濾管內動態壓力特性的對比Fig.12　Comparison of dynamic pressure characteristics in points of 750 mm from open end among different length of filter candles

圖13　2000 mm和1500 mm濾管內正壓峰值對比Fig.13　Comparison of maximum pressure between 2000 mm and 1500 mm filter candles

3　結　論

（1）采用高頻動態壓力傳感器測定脈沖反吹過程中沿濾管長度方向不同位置處濾管內動態壓力隨時間的變化特性。自開口端至盲端，濾管內動態壓力的壓力峰值先逐漸變大后基本不變，這將直接導致濾管沿長度方向清灰不均勻。相同反吹條件下，隨著濾管長度的增加，濾管內沿長度方向各位置處的壓力峰值均降低。

（2）相同反吹條件下與傳統短濾管相比，長濾管內動態壓力特性的變化趨勢基本一致，且均在脈沖反吹即將結束時存在明顯的“負壓區”，易造成細顆?；亓髦匦挛皆跒V管外表面，影響清灰效率。不同之處在于本實驗范圍內，1750～2000 mm濾管開口端附近的動態壓力在達到壓力峰值后降低為負壓，并在反吹氣流和脈沖壓力波的共同作用下持續振蕩，不利于該處粉塵的清除。

（3）反吹壓力的大小直接影響壓力峰值和壓力上升速率，提高反吹壓力可使濾管內壓力峰值升高，改善長濾管的反吹效果。適當增大脈沖寬度可以使長濾管開口端附近的正壓持續時間延長，進而改善長濾管開口端附近的反吹效果。

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Dynam ic pressure characteristics in filter candle during process of pulse cleaning for rigid filter

LUAN Xin1，2， JI Zhongli1，2， LIU Longfei1，2
（1School of Mechanical and Transportation Engineering， China University of Petroleum， Beijing 102200， China；2Beijing Key Laboratory of Process Fluid Filtration & Separation， China University of Petroleum， Beijing 102200， China）

The performance of reactor filter in the adsorptive desulphurization unit of catalytic gasoline （S-Zorb）w ill pose direct impacts on the separation and recycling of adsorbent. By utilizing high frequency sensors and experimental set-up of filtration performance during the process of pulse cleaning， the dynamic pressure characteristics varied w ith time in different measurement points along filter candles were investigated. A lso， the effects of the length of filter candle， cleaning pressure and pulse w idth on dynam ic pressure characteristics were analyzed. As shown by the results， the maximum pressure in the filter candle remained stable after gradually increasing from the open end to the blind end. Meanwhile， lower maximum pressure in different measurement points along the whole filter candle was found under the same operating conditions when the longer filter candle was utilized. In these experiments， the dynamic pressure near the open end of 1750—2000 mm filter candles reduced to negative pressure after reaching the maximum pressure. Due to the combination of airflow and pulse pressure wave， the sustained oscillations in the dynamic pressure profile can be discovered. Furthermore， the cleaning efficiency of long filter candle can be improved through the method of properly increasing cleaning pressure and pulse w idth.

filtration； separation； pulse cleaning； porous media； dynam ic pressure

date: 2016-03-31.

Prof. JI Zhongli， jizhongli63@vip.sina.com

supported by the National Basic Research Program of China （2012CB215000）.

TQ 021.1；TQ 028

A

0438—1157（2016）08—3452—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160396

2016-03-31收到初稿，2016-07-21收到修改稿。

聯系人：姬忠禮。第一作者：欒鑫（1990—），男，博士研究生。

國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB215000）。