新型高效渦旋管分離器的原理、結構及應用

邢書芳 郭 健

（核工業理化工程研究院，天津300180）

0 引言

在生物、醫藥等發酵行業中，壓縮空氣中含有大量的塵埃粒子，發酵企業的空氣管道多為碳鋼管，其含有銹粉粒子等，這些都是產生固體粒子的主要來源。對無菌空氣凈化系統來說，如何去除氣體中含有的固體粒子，保證膜過濾器正常運行是非常重要的。在空氣壓縮氣體凈化系統中，固體粒子通常作為細菌的載體，隨壓縮空氣進入發酵罐，導致產生染菌的現象。雖然進入過濾器前端的混合氣體，已經處于無油、無水、干燥的狀態，但若不能有效去除游離其中的固體粒子，就會導致過濾器非正常運行，縮短使用壽命，進而影響發酵生產的穩定性，這既增加了染菌的機會，又造成經濟上的損失。

1 研發背景

在發酵行業中，如何通過壓縮氣體中的氣固分離有效去除固體粒子，延長空氣過濾器使用壽命，維持生產穩定，是必須解決的問題。碳鋼管道中的銹粉粒子，是產生固體粒子的主要來源，為解決這個難題，迫切需要高效、可靠、經濟的氣固分離設備。為滿足市場需求，在參考國內外同類先進產品和專利查詢的基礎上，我院研發了國內先進的氣固分離裝置WF新型高效渦旋管分離器。含這種設備的空氣凈化系統流程示意如圖1所示。

圖1 空氣凈化系統流程示意圖

氣固分離裝置的工業應用按其目的要求可分為三大類：

（1）回收有用的物料；

（2）獲得潔凈的氣體；

（3）凈化廢氣，保護環境。

上述三類目的不是截然分開的，對于某一工業應用可能三者兼而有之。

目前，氣固分離裝置的結構有多種形式，通常使用的有：旋風分離器、過濾分離器、電除塵裝置等。

但是，上述裝置基本都存在如下缺點：

（1）除塵效率低，阻力大；

（2）結構復雜，維修費用高；

（3）易損耗，壽命短等。

氣固分離裝置的分離機理主要是機械力分離，其分離方法主要有3種：重力沉降、慣性分離、旋風分離。

（1）重力沉降器：是一種只依靠顆粒在重力場中發生的沉降作用而將粒子從氣流中分離出來的設備。

（2）慣性分離器：是在慣性分離器內，使氣流急速轉向，或沖擊在擋板上再急速轉向，其中粒子由于慣性效應，其運動軌跡便會偏離氣流軌跡，從而使兩者分離的設備。這種慣性效應大，可捕集到30～40 μm的粒子。

（3）旋風分離器：它的基本原理是，含有粒子的氣體在做高速旋轉運動時，其中的粒子受到的離心力比重力大幾百到幾千倍，可大大提高其分離效率，旋風分離器能分離最小的粒子直徑達5 μm左右。

在實際應用中，機械力分離是工業上應用最廣泛的方法。傳統的應用分離技術的各種旋風分離器，因處理風量的范圍較小，不適應發酵行業風量變化大的特點，總體分離效率較低，目前已逐步被淘汰。

氣固分離設備性能比較如表1所示，對每臺分離設備而言，分離效率的計算公式為：

式中 η——分離效率，%；

W1——單位時間內捕集的粉料重量，kg；

W——單位時間內進入該分離器的粉料重量，kg。

表1 發酵行業氣固分離設備性能比較

2 氣固分離設備的結構特點與工作原理

2.1 傳統旋風分離器

2.1.1 傳統旋風分離器的結構

傳統的旋風分離器結構、旋流簡圖如圖2所示。

2.1.2 傳統旋風分離器的工作原理

圖2 傳統旋風分離器結構、旋流簡圖

混合氣體由進氣口切向進入分離器，氣體由直線運動轉為圓周旋轉，在離心力的作用下，將密度較大的固體顆粒甩向圓筒體內壁，顆粒與筒壁碰撞后，在重力的作用下，進入收集口。旋轉下降的外旋氣流在到達圓錐體時，因錐形的收縮向分離器下部靠攏。氣體到達圓錐體下端的某一位置時，以同樣的旋轉方向從分離器的中部，由下而上繼續做螺旋運動，即內旋流。最后凈化氣體經排氣口排出分離器外，一部分未被收集的固體顆粒也由此逃逸。

影響旋風分離器分離效率的主要原因是其殼體內部存在二次渦流。

（1）短路流：旋風分離器頂蓋、排氣口外面與筒壁間，由于徑向速度與軸向速度的存在，將形成局部渦流，夾帶著相當數量的顆粒向中心流動，并沿排氣口外表面下降，最后隨著中心上升氣流逸出排氣口。

（2）縱向旋渦流：縱向旋渦流是以分離器內、外旋流分界面為中心的在器內再循環而形成的縱向流動旋渦流。

（3）外層旋流中的局部渦流：由于分離器壁面不光滑，可以產生與主流相垂直的渦流。這種流動會使壁面附近，或者已被分離到器壁的粒子重新甩到內層流，使液體微粒在分離后的氣體中出現。

（4）底部夾帶：外層旋流在錐體底部向上返轉時，可產生局部渦流，將顆粒重新卷起，被上升氣流帶走。

2.2 新型高效渦旋管分離器

新型高效渦旋管分離器是在傳統的旋風分離器的基礎上，利用渦旋、噴發、重力分離原理而發展起來的一種經濟、高效的新型氣固分離設備。由于采用的是軸流式結構，并且整個通道內部都很光滑，無擾動，避免了二次渦流的產生，這就保證了渦旋管分離器的低壓降和高效率。

渦旋管分離器可在極低的壓降下產生極強的離心場，使其具有很高的分離效率，即使在流量大幅度變化的情況下仍可保持效率不變，尤其是在含有高濃度粒子的混合氣體凈化或分離處理中，更顯示出很高的性能。

渦旋管分離器內部結構如圖3所示。

圖3 渦旋管分離器三維視圖

2.2.1 高效渦旋管分離器的結構

與國內傳統的旋風分離器相比，高效渦旋管分離器在結構上有很大的改進。新型高效渦旋管分離器的結構，主要由設備外殼和安裝在外殼內的分離組件兩部分組成。其特征在于外殼的前、后端分別設有進氣端穩流板及管板、出氣端穩流板及管板，外殼的下端設有排塵口，分離組件是由一組渦旋管分離單元組成，其結構形式為列管式均勻布局排列。

每一個渦旋管分離單元均由一個錐管、一個位于錐管內與錐管做成一體的渦旋葉片、一個與渦旋葉片同軸布置并于錐管前部過盈裝配的導流管組成。錐管前部為直管，其側壁開有排塵口，與外殼下端的排塵口對應，導流管呈擴散狀，其前部設有一裝配定位凸臺，渦旋管分離單元的前裝配端與外殼的出氣端管板過渡配合連接，由渦旋管分離單元的裝配定位凸臺定位，渦旋管分離單元的后裝配端與外殼的進氣端管板過盈配合連接。排塵口處安裝有閥門，可根據需求定時或不定時收集或排放固體顆粒。渦旋管分離器主剖視圖如圖4所示。

渦旋管分離器的核心部件是渦旋管分離單元。該渦旋管分離單元可分為進氣口、渦旋發生區、分離區、加速區、排塵區及出氣口共6個區域，渦旋管分離單元結構如圖5所示。

對單支渦旋管分離單元進行實驗時，取入口管徑20 mm、渦旋發生區長度25 mm、渦旋葉片從入口至出口的扭轉角180°、導流管入口處管徑13 mm、質量流量為7 g/s時，總壓降為750 Pa，用325目的細粉磨料做實驗，搜集全部料塵的效率為98%。

圖4 渦旋管分離器主剖視圖

圖5 渦旋管分離單元結構圖

該裝置的另一個顯著特征是，可以在排塵口流量從0%～15%升高的情況下，都可以很好地工作，其效率幾乎不變。

2.2.2 高效渦旋管分離器的工作原理

新型高效渦旋管分離器在工作狀態時，含有固體粒子的氣體從進氣口進入渦旋管分離單元，在渦旋發生區形成較強烈的渦旋場，使氣流產生旋轉后進入分離區。由于固體粒子遠重于氣體，所以在離心力的作用下，導致固體粒子向分離區的外側運動，使分離區外側的粒子濃度顯著提高，形成濃縮氣流流向加速區，在加速區加速后從排塵區排出。相對地，分離區中心的主氣流便得到了凈化，凈化后的主氣流沿著導流管方向從出氣口排出。

高效渦旋管分離器的顯著特點是：

（1）分離效率高；

（2）工作壓力降小；

（3）結構簡單、緊湊；

（4）使用壽命長；

（5）操作、維修方便。

該裝置中沒有可更換運動部件，運行中處于免維護狀態，只需一次性投資。對于發酵行業中使用碳鋼做空氣管道的企業，該產品更具獨特的排塵效果，可以收到很好的經濟效益。高效渦旋管分離器的主要技術參數如表2所示。

表2 渦旋管分離器主要技術參數

2.2.3 渦旋管分離器的安裝注意事項

高效渦旋管分離器的安裝注意事項有：

（1）安裝時只需把本裝置連接到管路中即可，排出口應垂直向下，并注意進、出口方向。

（2）進入渦旋管分離器的氣體必須是干燥的氣體，以保證最好的分離效率。

（3）排塵口通過閥門與收集部分連接，通過閥門直接向大氣中排放。

（4）使用時，可以采取定時排放方式，也可以采取連續排放方式。

（5）使用定時排放方式或采取連續排放方式時的排氣量，視空氣中的含塵量而定，只要不堵塞排塵口即可。

3 應用情況

新型高效渦旋管分離器可用于空壓機的引風口，以去除大氣中的塵埃粒子，降低系統能耗和運行費用。在使用碳鋼管道輸送壓縮空氣的場合，渦旋管分離器可以將碳鋼管道的銹粉連續排除管道之外。在總空過濾器前面使用渦旋管分離器，可以保持總空過濾器長時間經濟運行。

高效渦旋管分離器獲得了國家實用新型專利證書，投入市場后，得到了廣大用戶的肯定，用戶對使用效果給予了積極的評價。先后有數十家發酵企業和其他行業使用了高效渦旋管分離器，收到了很好的經濟效益。

鄭州拓洋實業有限公司VC發酵車間規模較大，年產量在萬噸以上，由于空氣管道材質為碳鋼，產生的銹粉濃度較高，空氣壓降的上升時間較快。空氣流量相應減小，給正常生產帶來了隱患，既縮短了濾芯的正常使用壽命，又給企業造成了經濟上的損失。

通過在空氣主管道使用了兩臺每分鐘流量達1 000 m3的新型高效渦旋管分離器后，經渦旋管分離器排放的銹粉非常可觀，碳鋼管道中的銹粉得到了有效的控制，總空過濾器的使用壽命也提高了3～4倍，有效地減緩了空氣壓降的升高，降低了染菌率和工人的勞動強度，給企業帶來了很好的經濟效益。該產品在發酵車間空氣凈化管道中的應用如圖6所示。

圖6 高效渦旋管分離器在拓洋實業有限公司發酵車間的應用

新型高效渦旋管分離器投入市場后，在通遼梅花生物科技有限公司、金正大生態工程集團股份有限公司、鄭州福源生物科技有限公司、濟南明鑫藥業股份有限公司、廣東臺山化學制藥有限公司、山東雪花啤酒有限公司等數十家發酵企業，都得到了較好的應用，并取得了良好的經濟效益。每分鐘流量達200 m3的渦旋管分離器在金正大生態工程有限公司發酵車間中的應用如圖7所示。

4 結語

新型高效渦旋管分離器沒有傳動部件，運行中處于免維護狀態，使用中不會有故障發生。渦旋管分離單元可以制成不同材料和不同直徑的系列產品，以適應不同場合的應用需求。

圖7 高效渦旋管分離器在金正大生態工程公司發酵車間的應用

該產品可應用于制藥行業、食品行業及精密機械加工行業等的凈化除塵處理，以及水泥廠的水泥回收和排放控制、煉油廠細顆粒催化劑的回收、面粉廠及糖廠的物料回收及相關行業物料的排放、回收等。

該產品在氣固分離領域涉及范圍廣闊，銷售市場潛力很大，一定會給相關企業帶來很好的經濟效益和社會效益。

[1]時銘顯，施從南.化學工程手冊[M].北京：化學工業出版社，1996.