[科普中国]-液滴分离器

液滴分离器是用于分离气流中夹带的液滴的平行设置的分离器。主要用于治理冶金行业中钢板铝板冷轧过和产生的油雾，应用先进的机械分离技术及静电沉积技术。常见为旋风分离器。

旋风分离器简介工艺流程有关此旋风分离器的工艺系统流程图如图1。

在流程图中，D-002 即为新增的旋风分离器。

相关数据细粉罐操作压力：0.07MPa（负压）；

细粉罐操作温度：常温～475℃；

旋风分离器入口空气（含催化剂）流量：594m3/h。1

旋风分离器结构改进的研究现状旋风分离器应用于工业生产以来，已有百余年的历史，对于捕集、分离5～10μm以上的颗粒效率较高。由于能耗相对比较小，结构简单可靠，广泛地应用于冶金、化工、石油、建筑、机械、电力、轻纺、食品等工业部门。旋风分离器中颗粒分离的机理是：颗粒由于离心力的作用克服气流的阻力向壁面运动，到达壁面附近后，由于边界层内较小的湍流，颗粒会沿着壁面进入灰斗中，从而得到分离。对于微细颗粒（粒径小于5μm），由于其所受到的离心力小于气流对其的阻力，因此，一般来说，这一类颗粒很难得到分离。随着工业装置生产规模的提高以及操作条件变得更为苛刻，对旋风分离器性能的要求也不断提高。一方面要求旋风分离器有更强的捕集细粉的能力；另一方面要求旋风分离器的压降进一步减少，以降低能耗。所以，迫切需要研究出高效能且低能耗的新型旋风分离器。而通常是采用有针对性地开发新结构或优化各部分尺寸的匹配关系的方法来减少不利因素的影响，以达到高效的目的。

1、旋风分离器进口结构的研究现状

普通旋风分离器单体大多采用了单切向进口或蜗向的进口结构形式，气固两相流进入旋风分离器后，随着远离旋风分离器排气芯管入口截面，平衡尘粒逐渐减小，即空间点上颗粒分离能力逐渐增强。因此，优化改进位于旋风分离器上部的进口结构形式是旋风分离器技术改进的可行措施。但是采用切向或蜗向单进口结构形式易造成旋风分离器内部气流场的轴不对称（涡核偏向270°一侧），不但增大了旋风分离器的阻力，而且增加了排气芯管短路流。所以赵兵涛等提出优化改进旋风分离器进口结构，首先增设了进口回转通道，通过试验得出所有增设回转通道的旋风分离器分离效率均大于无回转通道的效率。因为阻力系数的变化可影响进口速度的变化，进口速度的大小反映出旋风分离器分离能力的强弱。当阻力系数较小时，进口速度较大，表明旋风分离器分离能力强，由于回转通道的增设，使颗粒在进入旋风分离器腔体前进行预分离，从而使分离效率增大，但随着回转角度的继续增大，二次返混影响增大，这就使得分离效率在90°甚至270°以后有所减小，但总体仍高于0°的分离效率。所以改变其回转角度，就改变了两相流含尘浓度分布，使含尘浓度外浓内淡，从而减少短路流的携尘量。

同时若采用双进口回转通道形式，则有利于降阻增效，由于进气口面积增大为原来的2倍，使进口气流速度减半，从而降低了阻力；由于采用渐缩的回转结构，减小了颗粒到达捕集壁面的距离，从而提高了分离效率；进一步的流场测定结果表明，双进口结构由于采用在旋风分离器内多点对称进气，增强了旋风分离器内部流场的轴对称性，使短路流携尘量减少，同时实现了降阻增效，又增强了气流场轴对称性，以降低旋风分离器阻力。具体试验结果表明，将旋风分离器常规进口结构优化改进为采用单进口等宽通道进口结构时，旋风分离器回转角度为90°时性能较优，比0°（无回转通道）时的阻力降低14.73%，效率提高2.48%。采用双进口渐缩通道进口结构时，旋风分离器性能优于所有单进口，比0°（无回转通道）时的阻力降低33.06%，效率提高3.95%。

2、旋风分离器出口结构的研究现状

在旋风分离器内部的旋转气流中，颗粒物受离心力作用作径向向外（朝向筒锥壁）运动，运动速度可由颗粒物所受的离心力及气流阻力的运动方程求得。显然旋风分离器分离的目的就是使颗粒物尽快到达筒锥体边壁。因此，延长颗粒物在旋风分离器中的运动时间，在气流作用下提高颗粒物与筒锥体壁相撞的概率，可以提高旋风分离器除尘效率。Y. Zhu提出的旋风分离器，在普通旋风分离器中增加一个筒壁，这一筒壁将旋风分离器内部空间划分为2个环形区域，同时，排气芯管被移到了下方，排气芯管中的上升气流也变成了下降气流，颗粒物在内外2个环形区域内都得到了分离，事实上，这种旋风分离器相当于将2个旋风子结合到了一起。从理论上讲，这种结构改进提高了颗粒物被收集的概率。Zhu型旋风分离器试验结果（气流流量范围为10～40L/min，粒径范围为0.6～ 8.8μm颗粒物）与Stairmand高效旋风分离器进行了比较，改进后的旋风分离器，除尘效率得到提高，并且随气流流量的增大而增大；同时，对于相同无因次尺寸的旋风分离器来说，前者的阻力也小于后者。Y. Zhu考虑各方面因素给出相应优化综合指标，得出改进后的旋风分离器性能优于传统的旋风分离器。但这种改动后的旋风分离器较原有传统旋风分离器结构稍为复杂。由于旋风分离器对微细颗粒物效率较低，尤其对粉尘粒径小于10μm的颗粒的除尘效率随着颗粒直径减小逐渐降低。也就是说，在旋风分离器的运行过程中，绝大部分微细粉尘穿透了分离区域，导致对微细粉尘效率下降。

3、旋风分离器锥体结构的研究现状

Xiang Rongbiao等研究了锥体尺寸对用于大气采样的小型旋风分离器的影响情况，以颗粒大小和气流流速为变化参数，对3个具有不同下部直径锥体的旋风分离器测出了效率。测定结果得知：锥体下部直径大小对旋风分离采样器的效率影响显著，但是并不显著影响不同粒径颗粒物效率之间的变化程度。当锥体下部开口部分直径大于排气芯管直径时，该锥体参数的减小，在不明显增加阻力的前提下，采样效率会随之提高；由阻力测试结果还可看出锥体开口部分直径不宜小于排气芯管直径。从理论上讲，锥体下部直径减小能引起切向速度的提高，从而离心力增大；对于具有相同筒体直径的旋风分离器，若锥体开口小，则最大切向速度靠近锥壁，这使得颗粒能够更好地分离，同时，如果锥体开口较小，涡流将触及锥壁，使颗粒又有可能重新进入出气气流，但是后者与前者相比对旋风采样器影响较小。所以，适当减小锥体下部直径有利于效率的提高。

4、旋风分离器排尘结构的研究现状

纵观过去的100多年，旋风分离器的主要研究方向还是集中在进出口状况，涡流检测和筒体上，相对于排尘结构部分则很少有人注意。国内外只有极少数学者进行过相关的研究。1982年Mothes发现沿筒壁下降的下旋流与从灰斗上升的气流在锥体底部位置交换特别频繁，于是他提出在此加一防混锥的方法。Kirch也就这一方向做了试验，并发现当灰斗满载时，防混锥能够提高效率，但是对于灰斗不满的旋风分离器，防混锥的效果又不是太明显。

由于已有试验表明：锥体底部的下行流量并不为0，表明有一部分气流进入了灰斗，因为灰斗底部堵死，气流必将反向重新进入锥体的内旋流中，这将会搅起已被分离出的颗粒并把其中较细的颗粒再次带入内旋流中，产生所谓的“灰斗返混”问题，这也是影响分离效率的一个重要问题。

Hoffmann等是最早对底部加直管旋风分离器进行专门研究的学者之一。他通过试验表明，增设直管可以使涡旋尾部停留在直管中，从而增加了旋风分离器的有效分离空间，改善了分离性能。钱付平也针对灰斗返混，对底部加直管的旋风分离器内流场进行了数值模拟，发现在接近直管的底部，气流切向速度平均3～4m，而该端面的轴向速度分布也表明气流旋转至此，轴向速度接近于0，这足以说明，通过增设直管，就将涡流尾端引入到直管内了。

然而，尽管加直管能取得好的分离效果，但是直管并不是越长越好，应有一最优长度。另外，不同筒体直径的旋风分离器对应的最优直管长度是否存在一定的关系以及不同直管长度时旋风分离器内颗粒运动情况还需进一步研究。由于排尘口处于负压较大的部位，保证排尘口的严密性对提高分离效率有重要作用。试验数据表明，漏风5%，则分离效率降低50%；漏风10%～15%，则效率降至0。反之，如能从排尘口抽出部分气流却能提高分离效率。2

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学