关于旋风分离器的研究综述组员：管清韦，孔繁星，吕萍摘要：旋风分离器的主要功能是尽可能除去输送气体中携带的固体颗粒杂质和液滴，达到气固液分离，以保证管道及设备的正常运行。

本文从气固分离理论、旋风分离技术研究进展及旋风分离器机理研究三个方面展开讨论。

关键词：气固分离、旋风分离器一、气固分离理论气固分离技术就是将固体颗粒从气流中分离出来，是众多工业流程的必备技术之一。

它所涉及的分离器种类非常多，应用时的目的又不一样，按不同的分离机理、工作环境等均可有不同的设计，但一般常见的主要是应用在旋风分离器和脉冲喷吹袋式除尘器领域。

本研究项目主要是利用旋风分离器分离煤层气中细微的粉尘，即粒径小于10μm 的固体颗粒（大于10μm的固体颗粒已经可以得到效率很高的分离效果了），提高旋风分离器的分离效率。

此分离方法属于机械力分离，结构相对简单，能在高温高压下维持正常工作，造价也不高，是工业生产中的良好选择。

1.气固分离机理及分类在气固分离技术领域，有许多普遍的分离机理。

重力分离机理：这是最基本的一种分离形式，如沉降室。

气固混合物中的固体颗粒的分离主要借助中立的作用，固体颗粒在重力沉降过程中必然会与气体产生差异，从而两者分离。

惯性分离机理：利用槽型构件组成的槽型分离器、迷宫式分离器等，凡能与分离构件表面相碰撞的固体颗粒都有可能被分离构件所捕获，含尘气流中的粉尘粒子都应与分离构件相碰撞而被搜集。

离心式分离机理：常用旋风分离器。

当气体从旋风分离器的入口进入时，粉尘由于受到离心离德作用而被甩到边界上，并且离心沉降，从下端出口流出，而气体分子却仍在分离器的中心，并通过回流而从上方出口流出。

在这些分离过程中，有一个准则关系式：StkFFSO，即粒子所受离心力与气体介质所作用的阻力之比。

按作用的情况对气固分离器进行分类，可分为四大类：机械力分离，静电分离（分离固体粒子粒径0.01~0.1μm），过滤分离（分离固体粒子粒径0.1μm），湿洗分离（分离固体粒子粒径1~0.1μm）。

煤层气工业一般少用后三种，因为后三种分离速度慢、成本高，且不适用于高温高压等苛刻的条件。

但是那些粒径较小的固体颗粒也必须除去，所以本项目针对的微小粒子粒径为小于10μm，而一般的旋风分离器通常只可除去10μm以上的固体粒子，因此对于我们来说是一项挑战，希望我们可以成功突破这种局限。

2.气固分离的基本物理模型塞状流分离型式：在层流运动中，这是气固分离的常用理论模型，在这种模型中，颗粒完全不返混，气流带动颗粒前进的速度为V ，捕集力推动颗粒向捕集面移动的速度为U ，则颗粒向捕集面移动的速度为轨迹可表示为V U dl dh =。

横混分离模型：在湍流运动中，气固分离的物理模型常呈这种模型。

我们可以假设颗粒在捕集分离空间的横截面上是混合均匀的，沿轴向上则近于塞状流，在dt 时间内，气流带动颗粒走过距离dl ，同时分离力使颗粒像分离面移动了Udt 距离，假设任意的该横截面上颗粒的浓度为n ，则该截面浓度变化为dl L U H Udt n ==1dn _全返混模型：如果在分离器内颗粒的混合十分强烈，则分离过程呈此型式，即颗粒在全体积内是均匀混合的，在同一时刻内空间各点的浓度都一样，经过一定时间后，由于颗粒不断向捕集面移动，浓度就会变小。

在实际的分离设备中，分离模型远远比这些模型复杂，，可能是上述三个模型的不断组合，在我们的项目中，我们可能会先从简单的模型开始试验，循序渐进，不断积累相关的操作经验，以便使结果更加准确些。

3.气固两相流边界层的流动规律在我们的项目中，包括有对设计装置的模拟，所以需要了解清楚边界层的具体情况。

颗粒在流场中所受的力可以分为以下几类，第一类是与流体—颗粒的相对运动无关（重力、惯性力、压差力），第二类是依赖于流体—颗粒的相互运动，一些与相对运动方向平行（阻力、虚拟质量力、Basset 力），另一些与相对运动方向垂直（升力、Magnus 力、Saffman 力）。

当颗粒浓度较高，粒度较大而使流动不再能视为拟单相流时，固相的存在反过来就会对流动产生影响，这种影响使气固两相流中不再是气相单方面作用于颗粒相，而是双向耦合的。

小颗粒的加入会抑制湍流，大颗粒则会增强湍流。

当旋风分离器用来分离小颗粒时，增加入口颗粒浓度时分离器的压降不仅没有增加，反而有所减小。

这对于我们来说是一个重要的信息，因为我们研究的微小固体粒子正是会对分离效果产生这种影响，所以我们需要进一步研究压降与入口颗粒浓度的关系。

对小颗粒，其运动基本上是由流体运动和湍流扩散控制的。

这时，颗粒碰击壁面后，马上又跟随气流运动，因此壁面反弹的影响不大；对较大的颗粒，由于惯性，反弹变得更加重要。

由于我们所研究的煤层气中包括有大颗粒与小颗粒，所以我们必须弄清楚这些影响，这将是一个重要工作。

层流边界层：边界条件可写为⎪⎩⎪⎨⎧∞======>=====∞∞y T T T U u u x y T T v v u p p p g p g w g p g g ,,0,0,0ρρ；这只是简单的边界条件，如果加入颗粒扩散项对求解结果的影响，需建立一种新的模型，颗粒相连续方程中引入了扩散项。

事实上，颗粒在平板上的切向速度会受到诸如平板表面粗糙度、滑动摩擦系数和颗粒—壁面碰撞等因素的影响，所以，又引入了滑动系数。

湍流边界层：气流速度分布与距壁高度呈幂次关系，即)/lg(10y y K u u =*在湍流边界层中，剪切应力增加时，会交替出现高速区和低速区，从而形成漩涡。

即便加入的颗粒浓度很低，也会显著改变颗粒特性。

颗粒与湍流的相互作用时间就是漩涡的生存时间。

4.气固分离理论与旋风分离在边界层上，设边界层的边缘处的速度为B v ，则边界层内的气体速度分布可写为 22)(δR R v v w B -=排气管以下任一截面切向速度u 的关系式为 5.015.2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=D d F u u e i i——i u 为含尘气体进入旋风分离器的入口速度；i F 为旋风分离器进口截面积；D 为旋风分离器筒体直径；e d 为旋风分离器排气管直径。

李杨新提出的径向速度计算式：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧≥>≥>+-≥-=01251212510122r R R r R r R R r R r v c c c c cc如右图，进入旋风分离器的含尘气流沿桶壁边旋转边下降，也同时有少量气体沿径向运动到中心区域，当旋转气流的大部分到达锥体顶部附近时，则开始转为向上流动（具体工作原理会在后文具体描述），在回流区内大部分外涡旋转变成为内涡旋。

对上排气旋风分离器，旋风分离器内的速度分布明显地由中心区的准强制涡和外部的准自由涡组成；由于边界层效应引起的中心筒表面附近的短路二次流是很重要的，它使分离效率降低。

由于流场内的速度梯度而使颗粒受到的Saffman 升力对颗粒的分离有着很大影响，极细（<5μm ）的颗粒受其影响不大，因为它们通常跟随主流运动而很少进入边界层中；较大的颗粒在壁面附近跳跃，反复的向壁面靠近，又离开，直到被分离下来，因为升力帮助颗粒从核心区向壁面靠近，在壁面附近时方向逆转，阻使颗粒减速接近壁面，而一旦颗粒撞击壁面，它又促使颗粒离开壁面。

而当颗粒以很小的横向速度碰撞时，则无法反弹而被分离下来。

在分离器的每一截面上径向速度V 取得最大值的位置是逐渐的由接近中心向器壁转移，而后又向中心移动，在接近出口区域，由于叶片旋转产生的离心力的影响以及顶壁的阻挡作用，径向速度有一相对峰值出现，在叶片内部由于落煤管的阻挡作用，也存在一峰值。

且前者的值大于后者。

由于出现漩涡与回流，分离器内由上而下流动特性不断变化。

由于工作环境的苛刻，旋风分离器存在一些很难改进的缺陷。

对煤层气的分离所需的分离器与一般的分离器结构有所改变，导致效率有所下降，迫使提高分离器入口速度来弥补，从而加重了对分离器内壁的磨损，阻力损失增加等一些较为严重的问题。

而且旋风分离器体型庞大，会制约系统的大型化发展。

二、旋风分离技术研究进展1.环流式旋风分离器据了解,工业生产排放的大量亚微米粉尘较其他粒径粉尘对人类及环境的危害更大,却难以脱除。

在目前工业上常用的除尘方法中,重力沉降法只能分离100μm 以上粗颗粒;常规的旋风除尘器可分离10μm 左右的细颗粒,高效的多管旋风除尘器还可将5μm 以上的细粉尘捕集下来;湿洗分离法是通过液层、液滴和液膜来捕集粉尘的,它可分离1～5μm 的粉尘,效率高而可靠,但气体内易夹带液雾,而且只能在较低温度下使用,还具有设备较大易产生二次污染的问题;过滤分离可将1～0.1μm的粉尘有效捕集下来,但设备庞大,造价和运行费用高,且不能处理有结露或粉尘吸潮性强的物系;静电除尘器对0.01～1μm的粉尘有较好的分离效率,但设备造价过高,操作和管理的要求也比较高。

由青岛科技大学经过十年研究和开发的环流式旋风除尘器和环流循环除尘系统,有效地克服了上述除尘装置的不足。

鉴定专家组认为,该系列技术以多相流体湍流流动的理论研究成果为基础,所开发的环流式旋风除尘器的各项性能指标,均处于同类设备的领先水平。

所开发的8项专利技术为企业解决了四十余项工程技术难题,并拓展了旋风技术的应用领域。

该系统的除尘颗粒半径最小可达到1μm,达到了静电除尘级的水平;比传统的旋风除尘器的气体处理量提高10倍以上;同时具有压降低、放大效应小、占地省、投资少、运行费用低等优点。

工作原理及特点如附图所示，环流式旋风除尘器的外形为圆柱圆锥形，但直筒段内设有由李建隆等人开发的与直筒同轴的内件。

启用时，气体从直筒段下部以切向方式进入器内内件，在内件中螺旋上升进行一次分离，达到净化要求的大部分气体直接从顶部排出，少部分气体连同被分离下来的粉尘由顶部特设旁路引入锥体，在锥体内进行二次分离，分离后的流体在锥体下部沿轴心返回一次分离区，少量气体将粉尘送入灰仓后返回器内。

[1]此新型旋风除尘器的特点在于：(1)压降低。

流体由直筒段底部旋转而上，直接从顶部出气口排出，流体流动路线短，且内件中只有一个向上的旋涡，流体沿径向、轴向速度梯度小，流体剪应力小，故压降和能耗低（压降仅为常规型旋风除尘器的二分之一左右）。

(2)放大效应小。

由于器内剪应力小、能耗低，在大直径设备中仍能保证多相流分离所需要的旋转速度，器内流体不易发生湍动，故放大效应小。

克服了常规型设备放大效应显著，在大处理量时需多台并联操作的弊病。

(3)分离效率高。

特殊的流路设计，防止了流体的短路及锥体和灰仓内颗粒的卷扬，使分离效率大幅度提高，且具有操作弹性大、操作稳定性好等特点。

大量工业应用的结果表明，大型环流式旋风除尘器（直径在1.2m以上）的分割粒径可达1.2μm左右，压降仅为500～1000Pa，且直径放大后，不会产生分离效率的显著下降，并具有操作稳定性强，操作弹性大的优点。