a油气分离工程

1、浅谈旋风分离器摘要：旋风分离器是一种常用的气固分离器，本文主要介绍了旋风分离器的发展、原理、分离性能等内容。1 引言分离设备按作用原理一般可归纳为重力式、过滤式和旋风式。重力式是利用液体和气、固密度的不同而受到的重力的不同来实现分离；过滤式是利用气流通道上的过滤元件或介质实现分离；旋风式是利用液体和气、固做旋转运动时所受的离心力不同来实现分离。实现气体高速旋转的方法有两大类：一类是气体通过某入口装置而产生旋转运动，统称为旋风分离器；另一类是依靠某种高速回转的机械，迫使其中的气体也随之作旋转运动，统称为离心机。后者结构复杂，受限制。在气固两相分离中最常用的是旋风分离器，适用于含尘浓度很高的情况。

2、2 旋风分离器的发展旋风分离器的应用已有近百年的历史，因其结构简单，造价低廉，没有活动部件，可用多种材料制造，操作条件范围宽广，分离效牢较高，所以至今仍是化工、采矿、冶金、机械、轻工等工业部门里最常用的一种除尘、分离设备。1886年，Morse申请了世界上第一个关于旋风分离器的专利。根据研究者对旋风分离器的研究程度，我们可以把旋风分离器120多年的发展历程大致划分为以下三个阱段：第一阶段（1880年-1930年）在旋风分离器出现的前半个世纪，人们对于旋风分离器的分离机理和气固两相流动特征没有明确的认识和研究，只是简单地去使用它。此期间，旋风分离器分离的临界粒径大部分排徊在4060m水平上。第二

3、阶段（1930年-1960年）20世纪30年代初，Prockact等最早展开了对旋风分离器内流场的研究，从此人们展开了对旋风分离器的理论分析和实验研究。在理论分析方面，这期间发展出了以准自由涡模型和Barth模型为代表的流场计算模型、以沉降分离理论和平衡分离理论为代表的分离效率计算模型、以耗散摸型和经验计算棋型为代表的压降计算模型。在试验研究方面，研究者开始通过试验研究旋风分离器内的流场分布情况，其中以荷兰学者Ter Linder的研究工作最为突出。Ter Linder采用球形毕托管完整地测量了旋风分离器内流场分布情况，包括气流的切向、轴向和径向速度和全压、静压分布情况。第三阶段（1960年至

4、今）20世纪60年代以来，旋风分离器方面的研究主要侧重于旋风分离器结构和尺寸上的优化改进研究和先进测试技术在旋风分离器领域的应用。60年代初，蜗壳式入口被引入到旋风分离器中，常用来处理大流量、高物料浓度的工况US。Hsiao等综合了分离器涉及的大部分尺寸，包括排气管直径，入口高宽比、排料口直径和分离器高度，较为彻底地研究了这些尺寸因素对筒維型分离器分离性能的影响规律。同时，此时期先进测试技术（如LDV、PIV和电容层析技术等）和计算机仿真技术的不断发展为旋风分离器研究的准确性和深入程度提供了保障。3 旋风分离器的结构原理3.1 旋风分离器结构旋风分离器结构一般主要由气体进出气管、螺旋叶片、圆柱

5、形筒体、锥形管、积液包和排污管等组成，结构示意图如图1所示。旋风分离器采用立式圆筒结构，内部沿轴向分为集液区、旋风分离区、净化室区等。内装旋风子构件，按圆周方向均匀排布亦通过上下管板固定；设备采用裙座支撑，封头采用耐高压椭圆型封头。设备管口提供配对的法兰、螺栓、垫片等。通常，气体入口设计分三种形式：1）上部进气；2）中部进气；3）下部进气。对于湿气来说，我们常采用下部进气方案，因为下部进气可以利用设备下部空间，对直径大于300m或500m的液滴进行预分离以减轻旋风部分的负荷。而对于干气常采用中部进气或上部进气。上部进气配气均匀，但设备直径和设备高度都将增大，投资较高；而中部进气可以降低设备高度

6、和降低造价。图1 旋风分离器示意图3.2 旋风分离器原理当含尘气体由进气管进入旋风分离器时，由于筒壁的约束作用，气流将由直线运动转变成圆周运动，旋转气流的绝大部分沿器壁成螺旋形向下，朝锥体流动，通常称为外旋流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重度大于气体的颗粒甩向器壁，颗粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的初始动量随外螺旋气颗粒捕集口流沿壁面下落，最终进入排尘管。旋转向下的外旋气流在到达锥体时，因圆锥体形状的收缩，根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高（不考虑壁面摩擦损失）。另一方面，外旋流旋转过程中使周边气流压力升高，在圆锥中心部位形成低压区，由于低压区的吸引，当气流到达锥体下

7、端某一位置时，便向分离器中心靠拢，即以同样的旋转方向在旋风分离器内部，由下反转向上，继续作螺旋运动，称为内旋流。最后，净化气流经排气管排出分离器外，一小部分未被捕集的颗粒也由此逃出。气体中的颗粒只要在气体旋转向上排出前能够碰到器壁，即可沿器壁滑落到排尘口，从而达到气固分离的目的。如图2所示。图2 旋风分离器分离示意图在旋风分离器内，颗粒主要受气流曳力和离心力的作用，此外还受到各种扩散作用（对于细颗粒）及颗粒与器壁、颗粒与颗粒间的碰撞弹跳（对于粗颗粒）等的影响，是十分复杂的，而且它的运动带有很大的随机性。旋风分离器内的气流及颗粒运动都十分复杂，迄今尚无准确可靠的能反映各种影响因素的分离理论，于是

8、对于颗粒的分离捕集机理就不得不做出许多简化假设，从而形成各种不同的分离机理模型。目前，各国学者采用不同的简化假设，先后提出了不同的假说，较有影响的分离机理假说主要有三种:转圈理论、平衡轨道理论以及边界层分离理论。（l）转圈理论（沉降分离理论）转圈理论是由Rosin等人在1932年提出的，它是在重力沉降室分离理论的基础上发展来的。在沉降室中，粉尘受重力作用向下沉降，同时粉尘又以水平方向速度向前移动，只要沉降室有足够的长度，则粉尘颗粒就能在到达沉降室出口以前到达沉降室底板而分离。旋风分离器也有径向向外的离心沉降速度，也有旋转切向速度，如果旋转圈数足够多，即展开后的长度相当于水平沉降室的长度，则粉尘

9、就能从内筒半径到达外筒边壁处的分离界面而分离。这种理论实际上是一种塞流模型。显然，转圈理论从层流沉降理论出发，对于旋风分离器内的流场认识是不够全面的。理论分析和实测结果表明，在旋风分离器筒内不仅有旋涡流场，而且还存在着径向汇流和类汇流，在圆筒下面的圆锥筒中，这种现象更为明显；其次，该理论认为颗粒分离只在圆柱段进行，而实际气体旋转将延伸到近锥体，圆锥长度对粉尘分离也有一定的影响。因此该理论的偏差是很大的。（2）平衡轨道理论（筛分理论）为了修正转圈理论的缺点，从旋风分离器内的流场既见到“涡”又见到“汇”入手，Barth等人于1956年提出了所谓的筛分理论，旋涡流场产生的离心力使颗粒受到向外推移的作

10、用，同时汇流场产生的Stokes阻力又使颗粒受到向内漂移的作用。离心力的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，受到的离心力越大，因而必定有一临界粒径dc（工程应用中常把此粒径称为分割粒径d50），使离心力向外推移的作用正好与向内漂移的作用相等，从而达到平衡，而平衡轨道往往看作是排气管下端由最大切向速度的各点连接起来的一个假想圆筒。凡是粒径ddc者，向外推移的作用大于向内漂移的作用，结果被推移到旋风分离器器壁附近，粉尘浓度大于运载介质的极限负荷时，粉尘被分离捕集下来。该理论虽然对流场考虑较全面，但在计算中，常将汇流速度Vr（径向速度）视作等速，这与实际有一定的误差。因为假想圆筒面上的向心流未必是以相等

11、速度流经假想圆筒的全侧面。所以该理论也具有一定的局限性。（3）边界层分离理论（横混假说）平衡轨道理论没有考虑湍流扩散等影响，而这种影响对于细小颗粒是不容忽视的。1972年，D.Leith与w.Licht类比静电除尘器的分离机理而提出横向渗混模型，认为在分离器的任一横断面上，任意瞬时气流中颗粒浓度是均匀分布的，但在近壁处的边界层内，是层流流动，只要颗粒在离心效应下浮游进入此边界层内，就可以被捕集分离下来，这就是边界层分离理论。由于该理论考虑了所有几何尺寸的影响，因而结果与实际较吻合，是比较完善的理论，目前已被广泛应用。4 旋风分离器的分离性能分离效率和压降是旋风分离器性能评化的两大重要指标。旋风

12、分离器达到“高效低阻”运行状态是改进旋风分离器的目标所在。但是，分离效率和压降在分离器改进过程中往往是相互矛盾的，即提高分离效率的同时往往会导致压力损失的增大。4.1 分离效率总分离效率和分级效率是描述旋风分离器分离效率的两种主要方式。总分离效率是旋风分离器收集的物料质量与入口物料质量的比值：=MeMi=1-McMi式中Mi、Me、Mc为进入、收集，逃逸的总物料量，kg。总分离效率常在不同旋风分离器分离效率对比时用到，但研究者在描述某款具体旋风分离器的分离效率时常引入分级效率，以排除颗粒粒径的影响。分级效率x指某一粒径或某一粒径范围内的分离效率：x=MeXeMiXi=1-McXcMiXi式中：

13、Xi、Xe、Xc为进入、收集、逃逸物料某一粒径下的质量分数。4.2 压降旋风分离器的压降由入口损失、分离空间损失和排气管内损失三部分组成。在低含尘浓度时排气管中的压力损失占主导地位，而含尘浓度提高后，分离器壁面摩擦所引起的压降份额将增加。整个旋风分离器的压降P用进出口总压的差来表示：P=Ps+Pd式中：Ps为静压差，Pa；Pd为动压差，Pa。除了用压降直接表示能量损失之外，研究者也常常采用阻力系数法，阻力系数即为压为损失P与动压值0.5gVi2的比值。=2PgVi24.3 分离性能的影响因素影响旋风分离器分离效率和压降的因素有很多，但总结起来可以归为运行参数和结构参数两大类。4.3.1 运行工

14、况的影响旋风分离器的运行参数主要包括入口风速、入口颗粒浓度、颗粒特性和气体温度，其中入口风速和入口颗粒浓度这两个运行参数是大多数研究者关注的重点。（1）入口风速 入口风速对旋风分离器分离性能的影响需综合两方面因素：一方面，入口风速提高，含尘气流旋转强度增强，颗粒受到的离心力增加，分离效率提高，但运行阻力也会加大；另一方面，风速提高不利于颗粒的团聚，也会加剧滿流波动导致严重的二次返混，从而降低旋风分离器分离效率，这一现象在较高颗粒浓度下会尤为突出。因此，在设计旋风分离器时需要选取合适的入口风速，对于高入口颗粒浓度的旋风分离器，入口风速一般设计在1518m/s，而对于大多数低入口颗粒浓度旋风分离器

15、，入口速度可增加至2326m/s。（2）入口颗粒浓度 在较小浓度时，随着入口颗粒浓度的增加，颗粒的凝聚与田聚性能提高，使得小颗粒能够在已分离大颗粒的携带下分离出来，从而提高旋风分离器的分离效率，同时气体内摩擦力增加导致旋流强度降低，会降低分离器的压为损失。罗晓兰的试验研究U73化证实入口颗粒浓度的增加能提高细颗粒的分级效率，但对粗颗粒的分级效率影响较小。在较高浓度下（一般大于0.5kg/m3），气流旋转强度降低和颗粒返混加剧引起的分离效率下降程度将高于团聚性能加强引起的分离效率上升程度，颗粒间相互碰撞引起的能量损失也将占到主导作用，从而会使得分离效率下降，压降上升。Zene和Fassani等的

16、研究证实了入口颗粒浓度对旋风分离器分离性能的影响存在一临界点，此临界值与旋风分离器的运行工况和结构参数有关。4.3.2 结构尺寸的影响传统旋风分离器由进气管、排气管和筒锥本体三部分组成。传统筒锥型旋风分离器的结构如图3所示，涉及分离器本体总高度H；圆筒段高度Ht、圆筒段直径D、矩形入口高度、矩形入口宽度b，排气管插入深度Hc、排气管直径Dc和排料管直径De。旋风分离器的结构参数包含结构尺寸和结构形状两部分，本小节主要讲述尺寸大小对传统旋风分离器分离效率和压降的影响。图3 传统筒锥型旋风分离器结构示意图（）入口高宽比 入口高宽比的增加，能降低颗粒进入旋风分离器的平均位置和缩短部分颗粒至旋风分离器

17、壁面的距离。李强和Knowltond的研究表明，在一定范围内，增加入口高宽比能提高旋风分离器分离效率但同时也将提高分离器的压降。（2）排气管直径和插入深度 许多研究者研究过排气管直径和插入深度对旋风分离器分离性能的影响，如Elsayed、Karagoz和吴小林等。研究表明，排气管直径减小，分离效率和压力损失都将升高，但一味缩小排气管直径会使分离器压降急剧增大，而分离效率不在明显提升，合适的排气管直径一般在0.30.5D。排气管插入深度过长过短都不利于分离，过长会缩短排气管下端与锥体底部的距离而加强二次返混程度，过短容易造成排气管底端的气体短路和旋流核心的弯曲，合适的排气管插入深度一般在0.40

18、.5a。（3）排料口直径 排料口直径减少会促使锥体区域气流切向速度的提高，从而提高颗粒的离心力，但同时会使底部湍流强度增强，引起更高的二次夹带程度。Elsayed等研究认为分离效率随着排料口直径的降低而升高，压降略有提高。（4）分离器长度 已有研究表明，在低浓度下，旋风分离器的分离效率随着分离器长度的增加有先提高后降低的趋势，压降则有所减少。增加旋风分离器长度，能增加颗粒在旋风分离器内的停留时间，从而提高分离效率，也会使颗粒与壁面的摩擦接触面积增加，从而降低旋涡强度，促使压降的降低。旋风分离器内的旋流存在自然旋风长度，一旦分离器长度长于自然旋风长度，旋涡端部位于下部锥面上，颗粒返混将十分严重。5 旋风分离器的分类目前旋风分离器的种类比较多，按使用条件的不同，分离器可分为三大类：高温分离器、中温分离器、低温分离器。而高温旋风分离器又可分为绝热材料制成的高温旋风分离器和水冷、汽冷高温旋风分离器。绝热材料制成的高温旋风分离器，分离器内部有防磨层和绝热层。此类型的分离装置占了已运行的和正在建造的循环流化床分