旋风分离器文献综述(DOC)

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：

Stk

F

F

S

O

，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：