旋风分离器的螺旋导流和防返混

潘传九，靳兆文，冯 秀

（南京化工职业技术学院，江苏 南京 210048）

研究开发

旋风分离器的螺旋导流和防返混

潘传九，靳兆文，冯 秀

（南京化工职业技术学院，江苏 南京 210048）

由于普通旋风分离器不能满足工业中大直径、大流量的分离工艺要求，本文研究表明了气固两相流有效的螺旋运动是旋风分离的关键，加设螺旋导流装置，强制流体进行螺旋运动，可以大幅度提高旋风分离效率；同时顺应气流翻转流动之势，设立防返混结构，能够确保最终分离效果。采用双分离器并联，上接分气罐、下接集尘罐，并使用专利下灰阀，形成完整的分离系统，工业应用效果良好。

旋风分离器；螺旋导流；防止返混；分离效率；工业应用

旋风分离器是气固分离和除尘系统中常用的分离设备，一般对固体粒径在5～20 µm情况下分离效果比较理想，在工业中普遍应用。但对于工业应用中流量大、直径大的旋风分离器，往往分离效果不理想。本文作者对大流量速度受限情况下的小微粒的旋风分离进行了模拟分析，探讨了影响旋风分离效果的主要问题，针对存在的主要问题进行结构改进，增加旋风分离的导流装置和气固分离中的防止返混装置，有效提高了分离效率，超过了具体工艺装置的使用要求；并且在100 kt/a苯胺系统中按压力容器规范进行设计、制造和使用，取得了良好的应用效果。

1 旋风分离器的工业应用

1.1 生产工艺过程

在苯胺生产的主要化学反应中，气相反应物在进行化学反应时需要使用固体催化剂，为增强气固接触，提高催化效果，采用了沸腾反应炉。反应后的气流从炉体上部流出炉膛时，将大量微小颗粒催化剂一同带出了反应器，所以必须进行气固分离，一方面净化反应后的气流，去除微小固体颗粒；另一方面收集固体催化剂重复使用，节约催化剂消耗量，同时除尘环保。

1.2 分离工艺要求

本设备是催化反应后的第二级旋风分离，气体工作条件如表1所示，对固体颗粒的分离要求如表2所示。

表1 气体工作条件

表2 性能要求

2 旋风分离系统的初步设计

此分离器用于某公司100 kt/a苯胺装置，由于需要分离的含有催化剂固体颗粒的混合气体的流量大，为将流速限制在适宜的安全流速范围，采用并联双旋风分离器结构，应用结构示意图如图1所示，旋风分离器的计算模型结构和几何尺寸如图 2所示。进口流速约为20 m/s，旋风分离器直径为φ1400 mm，限制流速在适宜的安全流速范围，采用并联双旋风分离。按国家标准[1]，容器中苯胺含量≥0.1 mg/m3时即为三类压力容器，所以本设备按照三类压力容器进行设计、制造、检验和使用管理。该系统中大开孔多：集气罐上部有三通孔，下部接旋风分离器出气管；集尘罐与旋风分离器连接结构也是大开孔，应进行应力分析设计[2]。本研究使用有限元软件对每一个大开孔进行分析，当计算压力0.2 MPa、壁厚10 mm时，直径800 mm三通处局部薄膜应力强度39 MPa，局部薄膜应力强度加局部弯曲应力强度 47.3 MPa，满足应力分析设计要求；壳体直径1400 mm，开孔直径比达50%等情况下同样符合要求。

图1 双旋风分离系统应用结构示意图

图2 模型的几何尺寸（单位：mm）

3 旋风分离效果与旋风分离器结构

3.1 旋风分离效果模拟

旋风分离器的工作过程是复杂的三维、湍流、两相运动，近二十年来，随着CFD（computational fluid dynam ics，计算流体力学）技术的迅速普及和发展，国内外学者越来越多地采用CFD技术来解决旋风分离器流体力学问题[3-5]。本研究采用CFD中自带的具有旋流修正的 k-ε模型对旋风分离器内的三维、两相流场进行数值模拟。运用三维造型软件GMBIT建立的三维模型，采用分块划分的方法得到网格图形，节点数约为12万个，单元数约为14万个。同时模拟混和气体在模型中的流动和固体微颗粒在流场中的运动、气固两相流的相互作用。

对多种颗粒直径条件下的旋风分离进行模拟，其基本参数是：混和气体黏度0.001 kg/(m⋅s)，密度0.806 kg/m3；固体颗粒密度1200 kg/m3；进口速度20.6 m/s；压力出口条件为101325 Pa；进口面上均匀排布80个颗粒。其中粒径10 µm时连续相质点流场结果见图3，离散相的轨迹如图4所示，可见分离效果明显低于粒径20 µm时的分离效果。多种条件下的流场模拟均显示：进口上部连续相质点和离散相质点都发生螺旋运动，这是旋风分离必须的；但在筒体中部运动状态发生剧烈改变，以轴向流动为主，而且没有分散相质点流到锥形体中。这说明没有形成有效的螺旋运动，分离效果很低，如果颗粒还没有被吸附到筒体壁面上，则必将经出口流出。

3.2 增强旋风分离作用的结构设计

从分离原理看，形成旋风分离的首要条件是气固混合物能够在旋风分离器中实现有效的螺旋运动，获得分离固体颗粒的离心力。但多种条件下的模拟都说明在给定的工况下流体没有形成整圈以上有效的螺旋运动，进入旋风分离器的含固粒气流还来不及作圆周运动，就转向流出了旋风分离器，也就根本谈不上进行“旋风分离”。这是致命的问题，将大大降低分离效果。

对于本旋风分离器，提高旋风分离效率的根本因素是要使气流加强螺旋运动，防止过早轴向运动。增设螺旋导流板，引导和强制气流进行螺旋运动，是增强旋风分离作用的有效方法之一。

3.2.1 螺旋导流板的结构设计

本设计强制流体螺旋运动2圈，在最后大半圈，允许靠近外圈的连续相和离散相逐步增加轴向速度。使已被分离贴到壁面的离散相加速下滑落入锥体，连续相转向流出。同时为方便制造，可将导流板焊接在中心管外壁上。

资料表明：标准式旋风分离器的阻力系数约为8 ，一般通过旋风分离器的压降为 500～2000 Pa[6]。本案要求的阻力降比较宽松：ΔP≤（150±50）mmH2O，即（1500±500）Pa，容易满足，但导流板设置时仍然考虑减少阻力降，采用等流动面积原则，使进入旋风分离器后的流速与进入前在管口处流速相一致，防止流速突变增加阻力。其结果见图5。

图3 连续相质点的轨迹

图4 离散相质点的轨迹

图5 螺旋导流板（单位：mm）

3.2.2 设置导流板后的流场分析

本模拟假设进口气流在螺旋导流板的引导后，发展为理想的绕轴运动，即气流具有均匀的周向流速和轴向流速。

由于混合气体的体积流量为3.72 m3/s，轴向入口面积为1.3 m2，所以可知入口的轴向流速为2.86 m/s。由于原出口筒长为0.96 m，进气口高为0.425 m，导流板为2圈，求得旋转角速度为24 r/s。此条件作为速度进口，压力出口依然为101 325 Pa，固体颗粒直径为5 µm，随气体进入，均匀分布在进口上。进口处的气体流线如图6所示，速度分布规律性强。靠近压力进口处的速度矢量如图7所示，中间部分速度指向出口，且速度值相对较大。

压力出口下方的速度矢量如图8所示，中间部分速度指向出口的趋势如图7所示，仍以旋转效应为主。

图6 连续相质点的轨迹

图7 靠近压力进口处的速度矢量

图8 压力出口下方的速度矢量

图6～图8显示：靠近外圈的流体都保持着非常理想的螺旋运动状态。统计显示：该条件下5 µm直径颗粒被圆筒内壁面吸收的个数占总个数的72%（120/167），此结果基于颗粒平均分布于轴向进口表面。但实际条件下，经过螺旋导流板，颗粒已经在离心力作用下远离旋转轴而靠近壁面，因此吸收率要高于72%。对照分离工艺要求，催化剂捕集效率指标中要求 5～10 µm颗粒的捕集效率≥70%，1～5 µm颗粒的捕集效率≥25%，实际分离效果超过工艺要求。说明在旋风分离器中增加螺旋导流板以后，强化了绕轴旋转效应，提高了旋转速度，非常有利于小直径颗粒的分离。

3.3 设置阻止返混结构

3.3.1 固体微粒的返混问题

普通旋风分离器工作时的又一问题是，已经被旋风分离开的固体微粒，会由于分离器内部流场的轻微波动而二次扬起，又随着气流上升进入了出气管。此现象称为“返混”，返混的存在降低了旋风分离的最终效果。返混现象发生在锥体部分，在这里大部分连续相的轴向运动发生翻转，从向锥体运动翻转为向中心管运动，而随着锥体处直径的不断缩小，已分离的微粒向中间聚拢，聚集了气流扬起、裹挟微小颗粒的客观条件。如果顺着气流翻转流动之势，在空间结构上将气流与已分离微粒进行分割，则将破坏微小颗粒被扬起并被裹挟流出的客观条件。

3.3.2 防止返混结构的设置

防止返混结构的最简单结构是一块圆形隔板，最理想结构是像离心式压缩机级间弯道那样的弧形结构。本设计综合方便制造和兼顾导流，采用如图9所示结构，并在中间加设小孔和小管，用于平衡上下部压力，不改变原有流场压力状态，极少量随固体颗粒进入锥体下部的气体可以从此孔中流出。此防返混结构用扁钢支撑，在其下方焊接于锥体内壁上。

图9 防返混结构示意图

由于流量大，气流反转从中心孔流出的反转位置并不需要深入到锥体中下部，故本设计将防返混结构设置于锥体上部约1/4处，见图1。

4 结 论

（1）在旋风分离器中，形成气固两相流有效的螺旋运动是旋风分离的关键，对于大直径、大流量的旋风分离器，应当加设螺旋导流装置，强制流体进行螺旋运动，使微小固体颗粒获得足够的离心力。

（2）螺旋导流板是一种简单的螺旋导流装置，易采用“流速一致”原则螺旋导流板，减少阻力降。本设计强制流体螺旋运动2圈，小微粒的旋风分离效率大幅度提高，5～10 µm 颗粒的捕集效率＞70%，1～5 µm颗粒的捕集效率＞25%。

（3）为有利于已分离颗粒轴向滑落至锥体和方便制造，将导流板焊接在中心管外壁上，导流板与圆筒内壁留有一定间隙为好。

（4）解决返混问题的简单而有效的方法是顺应气流翻转流动之势，设立防返混结构，在空间结构上隔离气流与已分离微粒。

（5）本旋风分离系统按压力容器相关规范进行设计，由双分离器并联，上接分气罐、下接集尘罐，并使用专利下灰阀，形成完整的分离系统。在某公司100 kt/a苯胺系统中应用，取得了良好的应用效果。

[1] 全国压力容器标准化委员会. 钢制压力容器——分析设计标准（JB 4732—1995）[S]. 1995.

[2] 全国压力容器标准化委员会. 钢制压力容器（GB 150—1998）[S].1998.

[3] 崔洁，陈雪莉，龚欣，等. 径向入口结构的旋风分离器内三维流场的数值研究[J]. 高校化学工程学报，2010，24（3）：388-394.

[4] 袁惠新，李丽丽. 物性和结构参数对旋风分离器压降影响的数值模拟[J]. 矿山机械，2010，38（5）：91-94.

[5] 付烜，孙国刚，刘书贤，等. 单、双入口旋风分离器环形空间流场的数值模拟[J]. 炼油技术与工程，2010，40（8）：26-30.

[6] 蒋维钧．化工原理（上册）[M]．北京：清华大学出版社，1992.

Research on the spiral guiding and the back-mixing preventing of cyclone separating devices

PAN Chuanjiu，JIN Zhaowen，FENG Xiu
（Nanjing College of Chemical Technology，Nanjing 210048，Jiangsu，China）

Common cyclone separating devices cannot meet the technical requirements of large flow rate and high flow velocity. This study shows that the effective spiral movement of dual-phrase distribution of gas-solid is the key for cyclone separation, and cyclone separating devices w ith spiral guiding devices can make fluids move spirally, which can greatly improve the efficiency of cyclone separation. At the same time, setting up back-m ixing preventing structure can ensure the effect of final separation. A complete separation system, which consists of dual-separator in parallel, an atmolysis tank, a dust tank and an ash valve, meets technical requirements in industrial units.

cyclone separating device；spiral guiding；preventing back-m ixing；separating efficiency；industrial application

TQ 051.8

A

1000-6613（2012）06-1215-05

2011-12-19；修改稿日期：2012-01-18。

及联系人：潘传九（1957—），男，副教授，高级工程师，主要从事化工过程装备的研究。E-mail pchj025@163.com。