切流返转式旋风分离器设计方法的探讨

2018-09-25姚银梅

现代制造技术与装备 2018年8期

姚银梅

（江苏省扬中中等专业学校，镇江212200）

旋风分离器在工业上的应用史已有百余年，它是燃煤发电、石油化工等领域的大多数高浓度、高温等严苛的环境下唯一可以应用的气固两相分离设备，但是直在目前为止，一直没有旋风分离器的很好的设计方法。笔者根据多年的工作经验并查阅了大量文献，总结出一种快速设计旋风分离器的方法。

1 确定简体直径

一般来说，筒体直径越小的旋风分离器，旋转半径越小，粉尘等颗粒会受到更大的离心力，分离效率也就会更高。但是，如果旋风分离器的筒体直径过小，就会导致由于旋风分离器的排气管与其器壁距离太近而使较大的粉尘颗粒被反弹到高速气流中心被气流带走，导致压降的增大和分离效率的降低。所以，使两者完美统一、满足压降的要求并保证高分离效率是优化旋风分离器设计的关键。

根据粒级效率公式可知，进口的气体速度vi越大，它的分离效率就会越高。但是从实际上来看，vi达到某一值之后的分离效率则会降低。这是因为气体速度过快，卷起已经沉积在器壁上的颗粒重新返回气流中，造成返混现象。跳跃效应是发生在水平管里的这种现象。Zenz和Kalen将跳跃效应推广并用在旋风分离器里，通过研究产生返混现象时的跳跃速度，他们提出了在跳跃速度和气流进口的速度之为0.8时的分离速度最高[1]。跳跃速度vg，单位ft/s：

是当量速度，计算公式为：

式中：vi是气流进口速度，单位ft/s；g是重力加速度，单位32.2ft/s；b是旋风分离器的进口宽度，单位ft；D是旋风分离器的内直径，单位ft；μ是气体动力黏度，单位lb/fts；ρp，ρf分别是固体颗粒和气体的密度，单位lb/ft3。

根据Zenz的理论，当vi/1.25代替vg时的气流进口速度最高，用国际单位制可以表示为：

气体的进口速度还可以表示为：

由以上两个式子得：

其中，Q是气体流量，它的单位是m3/s，a是气流进口的高度，它的单位是m。其他的符号与前面的意义相同，式子中全部参数都用的是SI单位制，即：长度单位m、密度单位kg/m3、黏度单位Pa.S。

式（5）有两个明显的优点来计算旋风分离器的直径，其中一个优点是可以省略分离效率的校验过程，使工作简化，这是由于这样可以使旋风分离器的效率一直保持在最高点上；另一个优点是，即使没有粒级书籍数据和气流中粉尘浓度，也依然能够设计出高分离效率的旋风分离器。

其中需要特别注意，当旋风分离器的内直径确定之后，用（4）式计算出的气流入口速度可能会偏高，压降也可能大大超出理论允许的范围，所以这时就需要调整气流进口的直径大小或者气流流量来达到所要求的压降限度。因此，压降的校验值是不可或缺的。

2 计算压降∆P

旋风分离器的主要性能参数是压降，压降直接可以关系到风机的选择和能量的消耗，压降对在低压条件下操作旋风分离器过程中的压力损失这一指标非常重要，所以我们必须对其加以重视。

旋风分离器的压力损失的组成部分包括：气流在进口时与进口管产生摩擦造成的损失；气流在旋风分离器中膨胀产生能量上的损失；气流在旋风分离器里高速旋转时造成的动能损失；气流与旋风分离器内壁摩擦造成的能量损失；气流在排气管内旋转时的动能转变成静压能过程中的损失；气流进出口之间静压能会有一定的损失[2]。

上述可知，有众多的原因可以造成压力的损失，要明确的计算全部的压力损失是一件很困难的事。为了减少压力损失以及气流在进口时对旋风分离器筒体内气流的干扰和碰撞还有筒体内气流旋转形成的一个个涡流，很多较为先进的旋风分离器的进口形式改成了180°或360°的类似蜗牛壳的形式，即蜗壳式。但是目前的压力损失计算方法只能用于切向气流进口，不能用于180°或360°气流进口。对此修正压力损失计算公式如下：