旋風分離器壓降及分離效率計算模型

于 洲 馬春元

（山東大學，燃煤污染物減排國家工程實驗室，濟南 250061）

旋風分離器由于其較低的制造和維護成本，穩(wěn)定可靠的分離性能從面世以來就在諸如火力發(fā)電廠、焚燒廠、礦石冶煉廠、砂廠、水泥廠和粉體加工廠等領域發(fā)揮著舉足輕重的作用。從1886年O Morse獲得第1個旋風分離器專利以來，旋風分離器技術已經(jīng)經(jīng)歷了 100多年的發(fā)展，Eugan Feifel、C J Stairmand、Water Barth和 Edgar Muschelknautz等人的重要貢獻使人們對分離過程有了逐漸深入的理解。隨著相關領域日益苛刻的分離要求，旋風分離器經(jīng)歷著不斷的發(fā)展提高，但對于旋風分離器來說，裝置的壓降和分離效率仍是最重要的2個技術指標。本文總結了旋風分離器主要的改進方向以及具有代表性的裝置壓降和分離效率的理論計算方法，展望了未來旋風分離器的應用與性能。

1 基本結構和分離原理

對于標準的逆流旋風分離器，通過入口結構的設計迫使氣流切向進入旋風分離器內產(chǎn)生旋轉運動。入口一般為如圖1所示的矩形截面。

氣流在作旋轉運動的同時沿分離器的外側空間向下運動。通常將分離器的流型劃分為“雙旋渦”，即軸向向下運動的外旋渦和向上運動的內旋渦。凈化氣體經(jīng)過升氣管排出，升氣管為分離器頂板中心向下延伸部分。除了將排氣管稱作升氣管外，還有其他一些叫法，有時還常稱為芯管。入口氣體中的含塵顆粒在分離器內離心力場作用下向邊壁運動，同時由邊壁附近向下運動的氣體將其帶到分離器排塵口。

圖1 旋風分離器結構Fig 1 Structure of cyclone separator

2 發(fā)展方向

近幾十年來，工業(yè)發(fā)展的相關要求，傳統(tǒng)旋風分離器已逐漸難以滿足相關領域日益苛刻的要求，大批學者積極從事旋風分離器性能改進方面的基礎研究，這些工作基本上可以分成2部分，一方面改進旋風分離器的配置和幾何尺寸，如Stairmand進行了高效旋風分離器的尺寸改進設計，時銘顯等人進行了一系列基本結構尺寸原始優(yōu)化工作，Hsiao等人也在前人的基礎上優(yōu)化了升氣管長度和筒體幾何尺寸，Su等人對筒體進行了改造，研究了方形旋風分離器的流場及分離特性，Arkadiusz kepa進行了大尺寸工業(yè)級旋風分離器的尺寸優(yōu)化研究[1-4]。

然而大量的研究表明，僅僅對裝置的結構尺寸進行優(yōu)化，難以滿足對微細顆粒物日益嚴苛的分離要求。因此，另外一批學者開始進行在旋風分離器中加入額外部件的相關研究，如Chmielniak和Bryczkowski設計了一種加入動態(tài)轉子的軸流順流式旋風分離器，并進行了試驗和理論研究，得出了相應的分離效率及裝置壓降[5-6]。Ray等人在排氣管的上部設置了一個后旋風分離裝置，能夠收集從排氣管逃逸的部分顆粒[7]。Jiao等人也對動態(tài)旋風分離裝置進行了一系列的研究，得出了幾何系數(shù)與分離效率的關系，并模擬了流場分布[8-9]。Brouwers等人在普通旋風分離器上添加了密排毛細管、同心圓管、密排拋物線管等結構，設計了一種旋轉顆粒分離裝置，并研究了理論和實驗分離效率以及旋轉與固定部件之間的密封情況[10-12]。國內學者陳海焱將旋風分離器的排氣管改為旋轉渦輪，用電機帶動渦輪旋轉，做成一種最簡單的動態(tài)旋風分離器[13]。同時中國石油大學（北京）也進行了管式轉子和葉輪式轉子的研究[14-15]。

這一系列的研究工作，大幅度的提高了旋風分離器對于粒徑5 μm以下細粉的分離效率[16]。因此，旋風分離器未來的主要發(fā)展方向將集中在對旋風分離器中加入額外部件的相關研究上。

3 理論計算模型

盡管隨著科學技術的發(fā)展，旋風分離器已不局限標準逆流這一基本形式，但標準逆流式旋風分離器仍然占有市場主導地位，且多數(shù)改進構型以此形式為基礎，因此對于標準旋風分離器的研究仍有其現(xiàn)實意義。旋風分離器最主要的技術指標為裝置壓降和分離效率，通過理論計算的方法預先得出裝置的壓降和分離效率一方面能夠更好的指導工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；另一方面也能推動旋風分離器優(yōu)化設計，最終達到提高經(jīng)濟性的目的。下面對現(xiàn)有的，廣泛使用的，壓降和分離效率的理論計算模型進行了綜述。

3.1 壓降理論計算模型

旋風分離器壓降主要通過量綱分析的方法來研究，無量綱的壓降系數(shù)ξc習慣上以入口速度為參照來進行定義，其主要與旋風分離器幾何機構、進口弗勞徳數(shù)Frc、進口粉料質量濃度ρsi、進口雷諾數(shù)Rec和固氣密度比相關。

在多數(shù)情況下，旋風分離器運行時，裝置內的氣流為湍流狀態(tài)，因此裝置的Rec基本上接近于某一個特定值，因此可以忽略雷諾數(shù)對于裝置壓降的影響[17]；而對于 Frc（=vi2/(gDc)）和 ρs/ρg來說，對于特定的旋風分離器在特定的操作工況下運行時，以上2個參數(shù)的變化對于壓降的影響也可以忽略不計。因此對于旋風分離器壓降的影響主要剩下2方面：裝置的幾何結構和進口粉料含量。因此壓降系數(shù)可以化簡為公式(2)：

ξg為純氣體情況下裝置的壓降，經(jīng)驗公式如表1所示；而ξs可以看作是當粉料含量較高時，對裝置壓降的修正系數(shù)。

表1式(3)～(7)總結了目前廣泛使用純氣體壓降系數(shù)公式，其中部分公式為簡單的經(jīng)驗公式例如公式(3)和公式(7)，也有諸如Barth方法的較為復雜的計算方法。Barth模型本質是建立在耗散損失基礎上的模型，他把旋風分離器的壓降分為3部分，入口、旋風分離器本體和升氣管，而入口壓力損失可以通過合理設計的方法減小，本體壓降是根據(jù)摩擦面積概念進行計算，從表1的ξg理論計算匯總實際的計算結果來看，本體部分的壓損比升氣管的壓損小1個數(shù)量級。而Muschelknautz和Kambrock方法則在一定程度上借鑒了Barth方法。

通過對諸多壓降計算方法的對比，筆者發(fā)現(xiàn)一些壓降理論方法的推導前提是水利光滑的旋風分離器在高雷諾數(shù)、常溫和低粉料含量的情況下運行，而在此情況下，ξg成為一個只與幾何結構相關的系數(shù)。顯然這種推導的前提是存在局限性的，而Alexander則考慮了溫度變化對氣體黏度的影響。另外Barth以及Muschelknautz和Kambrock在旋風分離器壓降的計算中引入壁面粗糙系數(shù)，完善了計算。

而當粉料含量較高時，粉料含量會對裝置壓降產(chǎn)生一定的影響，因此需要考慮ξs修正系數(shù)。在通常情況下ξs≤1，所以高的粉料含量會降低旋風分離器的壓降，一般來說當粉料的質量分數(shù)超過25～50 g/kg時需要考慮修正，主流的理論公式綜述在表2中，通常把ξs表示成只與進口粉料質量濃度ρsi相關的方程。

3.2 分離效率理論計算模型

分離效率理論計算公式匯總于表3中。

一般在進行分離效率理論計算過程中首先默認進行了如下假設[30]：1)重力場與離心力場相比忽略不計；2)氣體密度與顆粒密度相比忽略不計；3)顆粒為球形且顆粒的尺寸和相對速度符合斯托克斯定律；4)相對速度是完全徑向的。旋風分離器的分離效率的理論分析主要可以分為2種思路Barth的平衡軌道模型和Lapple的停留時間模型，通過2種模型計算得出的切割粒徑代入分級效率曲線函數(shù)中：

表1 旋風分離器壓降系數(shù)ξg理論計算匯總Tab 1 The theoretical calculation summary of pressure drop coefficient ξgof cyclone separator

表2 粉料質量濃度壓降修正系數(shù)ξg理論計算匯總Tab 2 The theoretical calculation summary of pressure drop coefficient of correctiont ξs of powder mass concentration

表3 分離效率理論計算公式匯總Tab 3 The summary of theoretical calculation formula of the separation efficiency

式中，m的取值，對于設計和制造的比較好的旋風分離器一般取為6.4，而對于那些大尺寸、內壁有襯里或是實驗室設計和制造的比較粗糙的旋風分離器一般取為 2～4[31]。

Barth的平衡軌道模型的中心思想就是旋風分離器中顆粒所受到的向外的離心力和向內的（斯托克斯）阻力平衡，而在離心力的計算過程中忽略了氣體密度。而Lapple的停留時間模型則是假設顆粒到達旋風分離器底部所需的時間等于顆粒到達器壁所需的時間，在計算的過程中引入了Nc表示顆粒旋轉運動到旋風分離器底部的旋轉圈數(shù)。之后根據(jù)停留時間模型又發(fā)展出了Leith和Licht模型，并經(jīng)過了Clift修正，該模型不再僅僅考慮單顆粒移動，而是對整個顆粒群進行分析，在模型推導過程中認為顆粒在徑向是完全混合而在軸向則不發(fā)生混合。

4 結語與展望

對旋風分離器壓降和分離效率的理論計算模型進行了全面綜述，并指出未來旋風分離器的改良將向著在標準旋風分離器上添加額外部件的方向發(fā)展，改進型旋風分離器將打破旋風分離器技術不能有效分離5 μm以下粒徑顆粒的傳統(tǒng)限制。旋風分離器分離效率的提高，旋風分離技術將更加廣泛的應用在石油和天然氣領域，例如流化、催化、裂化裝置，以及化學品制造領域，例如塑料、高彈體、聚合物加工。

符號意義

a，進口高度；

AS，旋風分離器內部摩擦面積；

b，進口寬度；

Dc，旋風分離器本體直徑；

De，升氣管直徑；

fg，Alexander壓降模型參數(shù)；

Frc，進口弗勞徳數(shù)，F(xiàn)r=vi2/(gDc)；

H，旋風分離器總高度；

K，Barth壓降經(jīng)驗模型系數(shù)；

p，壓力；

Rec，旋風分離器雷諾數(shù)，Rec=Dcρgvi/μg；

S，升氣管高度；

tres，空氣停留時間；

T，絕對溫度；

V，旋風分離器容積；

qV，體積流量；

vi，進口氣速；

vte，入口渦旋切向速度；

vtw，邊壁速度；

vze，升氣管軸向氣速；

xi，顆粒粒徑；

x50，顆粒切割粒徑。

希臘字母：

εstr孔隙率；

η，總分離效率；

ηi，粒徑i的分級分離效率；

λ，摩擦因子；

μg，氣體動力黏度；

ρg，氣體密度；

ρs，固體密度；

ρsi，進口粉料質量濃度；

ξc，旋風分離器壓降因子；

ξe，旋風分離器排氣管壓損系數(shù)。

下標：

b，旋風分離器本體；

c，旋風分離器；

e，升氣管；

g，氣體；

i，進口；

s，固體；

t，切向；

w，壁面。

[1]Shi M,Sun G,Wang Y,et al.Proceedings of the of Sixth World Filtration Congress[C].Nagoya,Japan,1993:469-473.

[2]Hsiao T C,Chen D,Greenberg P S,et al.Effect of geometric configuration on the collection efficiency of axial flow cyclones[J].J Aerosol Sci,2011,42:78-86.

[3]Su Y,Zheng A,Zhao B.Numerical simulation of effect of inlet configuration on square cyclone separator performance[J].Powder Technology,2011,210:293-303.

[4]Arkadiusz kepa.The efficiency improvement of a largediameter cyclone-The CFD calculation[J].Separation and purification technology,2013,118:105-111.

[5]Chmielniak T,Bryczkowski A.Method of calculation of new cyclone-type separator with swirling baffle and bottom take off of clean gas-part I:theoretical approach[J].Chem.Eng.Process,2000,41:441-448.

[6]Chmielniak T,Bryczkowski A.Method of calculation of new cyclone-type separator with swirling baffle and bottom take off of clean gas-part II:experimental verification[J],Chem Eng Process,2001,40:245-254.

[7]Ray M B,Luning P E,Hoffmann A C.Post Cyclone(PoC):An Innovative Way To Reduce the Emission of Fines from Industrial Cyclones[J].Ind Eng Chem Res,1997,36:2766-2774.

[8]Jiao J Y,Zheng Y，Sun G G，et al.Study of the separation efficiency and the flow field of a dynamic cyclone[J].Separation and Purification Technology,2006,49:157-166.

[9]Jiao JY,Zheng Y,Wang J,et al.Experimental and numerical investigations of a dynamic cyclone with a rotary impeller[J].Chem Eng Process,2008,47:1861-1866.

[10]Brouwers B.Rotational Particle Separator:A New Method for Separating Fine Particles and Mists form Gases[J].Chem Eng Technol,1996,19:1-10.

[11]Brouwers J J H.Phase separation in centrifugal fields with emphasis on the rotational particle separator[J].Exp Therm Fluid Sci,2002,26:325-334.

[12]Kuerten J G M,Van Kemenade H P,Brouwers J J H.Numerical study of the rotational phase separator sealing impeller[J].Powder Technol,2005,154:73-82.

[13]陳海焱.渦輪除塵技術[J].現(xiàn)代化工,2003,23(1):49-51.

[14]陳民生.動態(tài)旋風分離器的初步研究[D].北京:中國石油大學,2002.

[15]王軍.細粉旋風分離器的研究[D].北京:中國石油大學,2005.

[16]孫國剛,時銘顯.提高旋風分離器捕集細粉效率的技術研究進展[J].現(xiàn)代化工,2008,28(7):64-69.

[17]Morweiser M,Bohnet M.Influence of temperature and pressure on separation efficiency and pressure drop of aerocyclones[M].//Schmidt E.High temperature gas cleaning.Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik,1996:26-39.

[18]Shepherd C B,Lapple C E.Flow pattern and pressure drop in cyclone dust collectors[J].Ind Eng Chem,1939,31:972-984.

[19]Alexander R M C K.Fundamentals of cyclone design and operation[J].Proc Australas Inst Min Metall,1949,152:203-228.

[20]Barth W.Berechnung und Auslegung von Zyklonabscheidern auf Grund neuerer Untersuchungen[J].Brennst-Waerme-Kraft,1956,8:1-9.

[21]Muschelknautz E,Kambrock W.Aerodynamische Beiwerte des Zyclonabscheiders aufgrund neuer und verbesserter Messungen[J].Chem Ing Tech,1970,42:247-55.

[22]Casal J,Martínez-Benet J M.Valencia,Cálculo y disenodeciclones[J].Ing Quim,1989,2:115-124.

[23]Briggs L W.Effect of dust concentration on cyclone performance[J].Trans Am Inst Chem Eng,1946,42:511-526.

[24]Smolik J.Air pollution abatement,part I,Scriptum No.401-2099[M].Technical University of Prague,1975.

[25]Baskakov AP,Dolgov VN,Goldovin YuM.Aerodynamics and heat transfer in cyclones with particle-laden gas flow[J].Exp Therm Fluid Sci,1990,3:597-602.

[26]Muschelknautz E.Die Berechnung von Zyklonabscheidernfür Gase[J].Chem Ing Tech,1972,44:63-71.

[27]Lapple C E.Gravity and centrifugal separation[J].Ind Hyg Quart,1950,11:40-47.

[28]Leith D,Licht W.The collection efficiency of cyclone type particle collectors-a new theoretical approach[J].AIChE Symp Ser,1972,68:196-206.

[29]Clift R,Ghadiri M,Hoffmann A C.A critique of two models for cyclone performance[J].AIChE J,1991,37:285-289.

[30]Cortes C,Gil A.Modeling the gas and particle flow inside cyclone separators[J].Progress in Energy and Combustion Science,2007,33(5):409-452.

[31]Hoffmann A C,Stein L E.Gas Cyclones and Swirl Tubes:Principles,Design,and Operation[M].Springer,2007.