螺线型旋风分离器的结构改进研究

陆元宝， 孙国刚， 王青莲， 韩晓鹏， 杨晓楠

(中国石油大学 化学工程学院 过程流体过滤与分离北京市重点实验室，北京 102249)

螺线型旋风分离器的结构改进研究

陆元宝， 孙国刚， 王青莲， 韩晓鹏， 杨晓楠

(中国石油大学 化学工程学院 过程流体过滤与分离北京市重点实验室，北京 102249)

摘要：采用螺线型旋风分离器实验装置，考察了排气管插入深度、螺线通道延伸段对螺线型旋风分离器分离性能的影响。结果表明，随着排气管插入深度的增加，螺线型旋风分离器的分离效率先增后减，当排气管的插入深度与进气口高度相等时，分离效率最高；添加螺旋通道延伸段，可在压力降不变的情况下有效提高分离器的分离效率。在本实验条件下，与普通螺线型旋风分离器相比，在相同压力降时，改进后的螺线型旋风分离器分离效率可提升6%～10%，能除尽10 μm以上的颗粒，对2 μm以下的超细颗粒也有较好的捕集效果。基于边界层分离理论，建立了螺线型旋风分离器的粒级效率计算公式，计算值与实验数据吻合性较好。

关键词：螺线型旋风分离器；延伸段；最佳插入深度；粒级效率；公式

旋风分离器以其结构简单、无运动部件、效率较高、压力降适中、制造及维护费用低等优点，广泛应用于化工、石油、冶金、建筑、矿山、机械、轻纺等许多工业部门。但旋风分离器内的流场是2种不同性质的旋涡(准自由涡与强制涡)及流向相反的源流与汇流叠加的流场，存在一些对分离不利的次级流动，如进口气体的“突扩膨胀”、排气口末端“短路流”等[1-3]。为此，一些学者提出了按照分离器流场内部流线形状设计的螺线型旋风分离器[4-5]。

螺线型旋风分离器的筒体由若干圈按阿基米德螺线制成的螺线通道构成，含尘气体在螺线通道中作旋转运动，颗粒在离心力作用下到达边壁被捕集。相关研究[6-8]表明，采用阿基米德等距螺线通道，能够延长分离器的切向流场，缩短粉尘径向移动到边壁的距离，增加颗粒的有效沉积面积，提高捕集效率；另一方面，能避免动-静压转换造成的能量损失，还能够有效避免内外旋流的互相干扰，使得分离器具有压力降小的特点。然而，普通螺线型旋风分离器对细粉的捕集效率仍不理想，依然存在局部“短路流”现象，有必要对其进行改进。

笔者设计了一种排气管插入分离器内部、螺线通道壁垂直向下延伸的新型螺线型旋风分离器[9]，采用对比实验的方法，考察了排气管插入深度、螺线通道延伸段对螺线型旋风分离器性能的影响，以期待为螺线型旋风分离器的改进提供参考。

1实验部分

1.1实验装置和工质

螺线型旋风分离器的实验装置如图1所示。采用吸风式负压操作在常温下进行实验，常温常压空气作为气相介质。采用毕托管测量入口气速，气速变化范围控制在12～24 m/s，通过阀门调节风量。采用定量加尘、收尘及称重的方法测定实验旋风分离器的分离效率。入口质量浓度基准为20 g/m3，通过控制加料时间来实现对含尘气体浓度的控制。实验粉料为800目滑石粉，采用激光粒度仪BT-9300S分析颗粒的粒度，原料中位粒径为9.342 μm，粒径分布如表1所示。

图1　螺线型旋风分离器实验装置示意图

表1　实验用滑石粉的粒度分布

1.2螺线型旋风分离器结构

图2为普通螺线型旋风分离器和改进后的螺线型旋风分离器的结构示意图。从图2可以看出，2种分离器的结构形式基本相同，其筒体直径均为660 mm，不同之处主要在于排气管以及螺线通道的结构形式。传统螺线型旋风分离器升气管往往不插入分离器内部，螺线通道采用与进气口等高的螺线板卷成；改进的螺线型旋风分离器排气管插入分离器筒体内部，且其螺线通道壁面从切向入口内壁面起逐渐向下延伸，越靠近分离器筒体中心，其螺线壁面高度越大。

2结果与讨论

2.1排气管插入深度和螺线通道延伸段对螺线型旋风分离器分离性能的影响

2.1.1排气管插入深度的影响

普通螺线型旋风分离器的分离效率随排气管插入深度的变化如图3所示。图3中，h为排气管插入深度，a为切向入口的高度。从图3可以看出，入口气速一定时，随着排气管插入深度的增加，分离效率先增后减；当排气管插入深度等于切向入口高度，即h/a=1时，分离效率最高，比排气管不插入分离器内时高6%～8%；当排气管插入深度一定时，随着入口气速的增加，分离效率也呈现先增后减的趋势，在入口气速为22.6 m/s时达到最大。

排气管插入深度主要通过影响短路流流量的大小来影响分离器的效率。分离器短路流流量随排气管的插入深度呈现V型变化[10-11]。排气管不插入，入口气流的直接逃逸会形成大量短路流[12]，从而分离效率较低；随着排气管插入深度增加，排气管对入口气流的约束作用增加，短路流流量减小，分离效率增加。但是排气管插入深度存在一个最佳值，实验测得的排气管最佳插入深度等于切向入口高度。排气管插入深度超过最佳值，由于分离器分离空间减小，致使粉尘返混夹带增加，分离效率将再次降低。

图2　普通螺线型旋风分离器及其改进后的结构示意图

入口气速是影响离心力场和颗粒在分离器内停留时间的主要因素之一[13]。入口气速大，意味着气流旋转速度高，离心力场强，颗粒容易被甩向壁面，对分离有利；入口气速过大，气流在分离器内的停留时间则短，细小的颗粒可能没有足够的时间运移到器壁被分离。此外，入口气速过高，还会使颗粒与螺线通道壁面的碰撞加剧，使迁移到壁面的颗粒重新“弹跳”回到气流中，导致分离效率下降。因此，多种机理的综合作用，使分离器效率随入口气速的增加呈先增后减的趋势。

排气管插入深度对分离器压力降的影响如图4所示。从图4可以看出，入口气速一定时，排气管插入深度增加，螺线型旋风分离器的压力降随之增加；排气管插入深度一定时，分离器压力降随入口气速的增大而增大。

图4　不同入口气速(vi)和排气管插入深度比(h/a)

旋风分离器的压力损失由进气口损失、旋涡流量损失和排气口损失3部分组成[13]。排气管主要是通过影响内旋流来影响旋风分离器排气口压力降。随着排气管插入深度的增加，排气管取得了对内旋流的控制或引导作用，使得内旋流旋转加强，“旋转涡核”的能量耗散增加，从而使得分离器的压力降逐渐升高。

2.1.2螺线通道延伸段的影响

添加螺线通道延伸段前后，分离器的效率、压力降随入口气速的变化如图5所示。从图5可以看出，相同的入口气速下，添加螺线通道延伸段后，分离器的压力降基本保持不变，分离效率有较大提升，且入口气速越大，分离效率提升越明显。总体来看，添加延伸段后，分离器效率提升约4%。

图5　螺线通道延伸段对螺线型旋风分离器效率(η)和

螺线通道延伸段能够有效提升分离器的分离性能的原因在于，螺线型旋风分离器内部是一个复杂的三维流场，延伸段的设置增加了径向短路流中含尘颗粒的碰壁捕捉概率，从而提升了分离器的效率。设置延伸段后，延伸段的存在一方面减少气体“突扩膨胀”带来的压力降损失，同时也增加气流与螺线通道壁面的摩擦损失，2种效果共同作用才使得分离器在添加延伸段前后总压力降基本不变。

2.1.3排气管插入深度和螺线通道延伸段的综合影响

保持螺线型通道垂直向下延伸，排气管插入深度比h/a=1，得到了改进后螺线型旋风分离器和传统螺线型旋风分离器的压力降-效率曲线，如图6所示。从图6可以看出，在相同压力降条件下，改进后螺线型旋风分离器的分离效率比普通螺线型分离器高出6%～10%，综合性能更加优良。

2.2粒级效率的计算

粒级效率是衡量旋风分离器分离能力的重要指标，它体现了分离器对不同粒径颗粒的分离能力。崔亚伟等[4,12,14]都给出了螺线型旋风分离器的效率计算公式，但这些计算式在推导过程中对边界层假定[4]、粒级效率定义[12]以及颗粒沉降半径计算[14]方面仍存在一些不足。

图6　2种螺线型旋风分离器的压力降(Δp)-效率(η)曲线

本研究在基于边界层分离理论[15]的基础上假定，颗粒为球形颗粒，绕流服从Stokes定律；颗粒在切向随气流运动，颗粒不影响气流流场运动，颗粒之间无干扰；颗粒全部由螺线通道壁面捕集；分离器在任意横截面上，颗粒浓度分布均匀，只是在近壁面为层流层，颗粒一旦在离心力作用下径向运动进入螺线通道边壁层流层就认为被捕集。在极坐标条件下，对螺线型旋风分离器进行建模，得到一个新的粒级效率计算公式，如式(1)所示。

(1)

式(1)中，dp为颗粒直径，m；η(dp)表示直径为dp颗粒的分离效率；ρp为粉尘密度，kg/m3；μ为空气动力黏度，Pa·s；b为螺线通道宽度，m；θ为颗粒从入口到螺线通道末端转过的弧度，rad；vt为气流的切向速度，m/s。

气相数值模拟结果发现，由于采用与入口尺寸一致的等距螺线通道，通道内气流切向速度vt约等于入口气速，故计算时将其值取为入口气速vi。

为了验证粒级效率计算公式的准确性，笔者分别从总效率和粒级效率2个方面进行验证。最优结构组合下，实验总效率和模型计算总效率数据列于表2。从表2可以看出，两者数值相近，相对误差在4%以内，说明粒级效率计算公式具有较高的可信度。

表2　螺线型旋风分离器总效率(η)的实验值与

图7为本研究中最优组合结构在入口气速22.6 m/s 下实验测得的粒级效率与几种粒级效率模型计算值的对比。从图7可以看出，实验所得粒级效率曲线呈现“鱼钩状”，存在一个临界粒径dcr≈1 mm；当颗粒直径d>dcr时，粒级效率随颗粒直径增加而单调增加，分离器基本上可除尽10 μm以上的颗粒；当d

图7　螺线型旋风分离器粒级效率(η(dp))的

从图7还可见，本研究中提出的粒级效率模型计算值与实验数据吻合度优于其他文献模型。对于粒径大于4 μm的颗粒，本研究模型计算的粒级效率与实验值基本一致；粒径小于4 μm时，本模型计算的粒级效率值与实验值有偏差，且粒径越小，偏差越大。这是因为本模型没有考虑颗粒团聚效应所致，即本模型也不能预测粒级效率随粒径减小而增加的“鱼钩效应”。

3结论

(1)随着排气管插入深度的增加，螺线型旋风分离器的分离效率先增后减，存在分离效率最高值。实验测得的排气管最佳插入深度等于切向入口高度，即h/a=1；升气管插入深度偏离该最佳值，分离器的效率都将降低，排气管不插入，分离效率最低。

(2)螺线通道壁垂直向下延伸能够在压力降基本不变的情况下有效提升螺线型旋风分离器效率，因为延伸段的存在增加了径向“短路流”中粉尘与通道壁面的碰撞机会，从而能够增加分离器对粉尘的捕集概率，提升分离器的分离效率。

(3)在相同压力降下，改进后的螺线型旋风分离器效率比普通螺线型分离器高出6%～10%，综合性能更加优良。

(4)螺线型旋风分离器基本上可除尽10 μm以上的颗粒，对2 μm以下细颗粒也有较好的捕集效果。由于螺线型旋风分离器的切向流场较长，螺线通道给了细颗粒充分团聚的空间，提高了极细颗粒的捕集效率，使得粒级效率曲线出现“鱼钩效应”。

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A Performance Improvement of Spiral Cyclone Separator

LU Yuanbao, SUN Guogang, WANG Qinglian, HAN Xiaopeng, YANG Xiaonan

(BeijingKeyLaboratoryofProcessFluidFiltrationandSeparation,CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Abstract：The effects of vortex finder length, extend section of spiral channels on the separation performance of spiral cyclone separator were investigated by carrying out cold experiments. The results indicated that vortex finder length had great influence on the separation performance of the spiral cyclone separator, and the overall efficiency of spiral cyclone separator reached its highest value, when the vortex finder length was equal to the height of tangential inlet (h/a=1). Because of the extend section of the spiral channels, the efficiency of the spiral cyclone separator increased, while pressure drop unchanged. After structure improvement, the overall efficiency of the newly designed spiral cyclone separator was 6%-10% more than that of the ordinary one under the same pressure drop. It is also found that particles larger than 10 μm could be all removed by the newly designed spiral cyclone separator, and some of smaller particles too. Based on the boundary layer separation theory, a formula for calculating the grade efficiency was deduced with a good accuracy between the calculated and experimental data.

Key words：spiral cyclone separator； extend section； optimum vortex finder length； grade efficiency； formula

收稿日期：2015-06-02

基金项目：自然科学基金项目(21276274)和国家重点基础研究计划课题(2014CB744304)资助

文章编号：1001-8719(2016)03-0508-06

中图分类号：TQ021.1

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.03.010

第一作者： 陆元宝，男，硕士，从事气-固分离的数值模拟及实验研究；Tel：010-89734820；E-mail：luyuanbao526@126.com

通讯联系人： 孙国刚，男，教授，博士，从事气-固分离及流态化工程研究；Tel：010-89734820；E-mail：ggsunbj@163.com