邢书芳 郭健
（核工业理化工程研究院，天津 300180）
摘要：根据当前国内外气固分离设备的研发背景，详细介绍了WF新型高效涡旋管分离器的工作原理、结构及其在实际用户中的应用情况，有效解决了发酵行业中压缩空气管道锈粉粒子等固体粒子的处理问题，大幅度提高了空气过滤器使用寿命，保证了生产的稳定运行。
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关键词 ：涡旋管；气固分离；轴流式；涡旋管分离器
0 引言
在生物、医药等发酵行业中，压缩空气中含有大量的尘埃粒子，发酵企业的空气管道多为碳钢管，其含有锈粉粒子等，这些都是产生固体粒子的主要来源。对无菌空气净化系统来说，如何去除气体中含有的固体粒子，保证膜过滤器正常运行是非常重要的。在空气压缩气体净化系统中，固体粒子通常作为细菌的载体，随压缩空气进入发酵罐，导致产生染菌的现象。虽然进入过滤器前端的混合气体，已经处于无油、无水、干燥的状态，但若不能有效去除游离其中的固体粒子，就会导致过滤器非正常运行，缩短使用寿命，进而影响发酵生产的稳定性，这既增加了染菌的机会，又造成经济上的损失。
1 研发背景
在发酵行业中，如何通过压缩气体中的气固分离有效去除固体粒子，延长空气过滤器使用寿命，维持生产稳定，是必须解决的问题。碳钢管道中的锈粉粒子，是产生固体粒子的主要来源，为解决这个难题，迫切需要高效、可靠、经济的气固分离设备。为满足市场需求，在参考国内外同类先进产品和专利查询的基础上，我院研发了国内先进的气固分离装置WF新型高效涡旋管分离器。含这种设备的空气净化系统流程示意如图1所示。
气固分离装置的工业应用按其目的要求可分为三大类：
（1）回收有用的物料；
（2）获得洁净的气体；
（3）净化废气，保护环境。
上述三类目的不是截然分开的，对于某一工业应用可能三者兼而有之。
目前，气固分离装置的结构有多种形式，通常使用的有：旋风分离器、过滤分离器、电除尘装置等。
但是，上述装置基本都存在如下缺点：
（1）除尘效率低，阻力大；
（2）结构复杂，维修费用高；
（3）易损耗，寿命短等。
气固分离装置的分离机理主要是机械力分离，其分离方法主要有3种：重力沉降、惯性分离、旋风分离。
（1）重力沉降器：是一种只依靠颗粒在重力场中发生的沉降作用而将粒子从气流中分离出来的设备。
（2）惯性分离器：是在惯性分离器内，使气流急速转向，或冲击在挡板上再急速转向，其中粒子由于惯性效应，其运动轨迹便会偏离气流轨迹，从而使两者分离的设备。这种惯性效应大，可捕集到30～40 μm的粒子。
（3）旋风分离器：它的基本原理是，含有粒子的气体在做高速旋转运动时，其中的粒子受到的离心力比重力大几百到几千倍，可大大提高其分离效率，旋风分离器能分离最小的粒子直径达5 μm左右。
在实际应用中，机械力分离是工业上应用最广泛的方法。传统的应用分离技术的各种旋风分离器，因处理风量的范围较小，不适应发酵行业风量变化大的特点，总体分离效率较低，目前已逐步被淘汰。
气固分离设备性能比较如表1所示，对每台分离设备而言，分离效率的计算公式为：
式中 η——分离效率，%；
W1——单位时间内捕集的粉料重量，kg；
W——单位时间内进入该分离器的粉料重量，kg。
2 气固分离设备的结构特点与工作原理
2.1 传统旋风分离器
2.1.1 传统旋风分离器的结构
传统的旋风分离器结构、旋流简图如图2所示。
2.1.2 传统旋风分离器的工作原理
混合气体由进气口切向进入分离器，气体由直线运动转为圆周旋转，在离心力的作用下，将密度较大的固体颗粒甩向圆筒体内壁，颗粒与筒壁碰撞后，在重力的作用下，进入收集口。旋转下降的外旋气流在到达圆锥体时，因锥形的收缩向分离器下部靠拢。气体到达圆锥体下端的某一位置时，以同样的旋转方向从分离器的中部，由下而上继续做螺旋运动，即内旋流。最后净化气体经排气口排出分离器外，一部分未被收集的固体颗粒也由此逃逸。
影响旋风分离器分离效率的主要原因是其壳体内部存在二次涡流。
（1）短路流：旋风分离器顶盖、排气口外面与筒壁间，由于径向速度与轴向速度的存在，将形成局部涡流，夹带着相当数量的颗粒向中心流动，并沿排气口外表面下降，最后随着中心上升气流逸出排气口。
（2）纵向旋涡流：纵向旋涡流是以分离器内、外旋流分界面为中心的在器内再循环而形成的纵向流动旋涡流。
（3）外层旋流中的局部涡流：由于分离器壁面不光滑，可以产生与主流相垂直的涡流。这种流动会使壁面附近，或者已被分离到器壁的粒子重新甩到内层流，使液体微粒在分离后的气体中出现。
（4）底部夹带：外层旋流在锥体底部向上返转时，可产生局部涡流，将颗粒重新卷起，被上升气流带走。
2.2 新型高效涡旋管分离器
新型高效涡旋管分离器是在传统的旋风分离器的基础上，利用涡旋、喷发、重力分离原理而发展起来的一种经济、高效的新型气固分离设备。由于采用的是轴流式结构，并且整个通道内部都很光滑，无扰动，避免了二次涡流的产生，这就保证了涡旋管分离器的低压降和高效率。
涡旋管分离器可在极低的压降下产生极强的离心场，使其具有很高的分离效率，即使在流量大幅度变化的情况下仍可保持效率不变，尤其是在含有高浓度粒子的混合气体净化或分离处理中，更显示出很高的性能。
涡旋管分离器内部结构如图3所示。
2.2.1 高效涡旋管分离器的结构
与国内传统的旋风分离器相比，高效涡旋管分离器在结构上有很大的改进。新型高效涡旋管分离器的结构，主要由设备外壳和安装在外壳内的分离组件两部分组成。其特征在于外壳的前、后端分别设有进气端稳流板及管板、出气端稳流板及管板，外壳的下端设有排尘口，分离组件是由一组涡旋管分离单元组成，其结构形式为列管式均匀布局排列。
每一个涡旋管分离单元均由一个锥管、一个位于锥管内与锥管做成一体的涡旋叶片、一个与涡旋叶片同轴布置并于锥管前部过盈装配的导流管组成。锥管前部为直管，其侧壁开有排尘口，与外壳下端的排尘口对应，导流管呈扩散状，其前部设有一装配定位凸台，涡旋管分离单元的前装配端与外壳的出气端管板过渡配合连接，由涡旋管分离单元的装配定位凸台定位，涡旋管分离单元的后装配端与外壳的进气端管板过盈配合连接。排尘口处安装有阀门，可根据需求定时或不定时收集或排放固体颗粒。涡旋管分离器主剖视图如图4所示。
涡旋管分离器的核心部件是涡旋管分离单元。该涡旋管分离单元可分为进气口、涡旋发生区、分离区、加速区、排尘区及出气口共6个区域，涡旋管分离单元结构如图5所示。
对单支涡旋管分离单元进行实验时，取入口管径20 mm、涡旋发生区长度25 mm、涡旋叶片从入口至出口的扭转角180°、导流管入口处管径13 mm、质量流量为7 g/s时，总压降为750 Pa，用325目的细粉磨料做实验，搜集全部料尘的效率为98%。
该装置的另一个显著特征是，可以在排尘口流量从0%～15%升高的情况下，都可以很好地工作，其效率几乎不变。
2.2.2 高效涡旋管分离器的工作原理
新型高效涡旋管分离器在工作状态时，含有固体粒子的气体从进气口进入涡旋管分离单元，在涡旋发生区形成较强烈的涡旋场，使气流产生旋转后进入分离区。由于固体粒子远重于气体，所以在离心力的作用下，导致固体粒子向分离区的外侧运动，使分离区外侧的粒子浓度显著提高，形成浓缩气流流向加速区，在加速区加速后从排尘区排出。相对地，分离区中心的主气流便得到了净化，净化后的主气流沿着导流管方向从出气口排出。
高效涡旋管分离器的显著特点是：
（1）分离效率高；
（2）工作压力降小；
（3）结构简单、紧凑；
（4）使用寿命长；
（5）操作、维修方便。
该装置中没有可更换运动部件，运行中处于免维护状态，只需一次性投资。对于发酵行业中使用碳钢做空气管道的企业，该产品更具独特的排尘效果，可以收到很好的经济效益。高效涡旋管分离器的主要技术参数如表2所示。
2.2.3 涡旋管分离器的安装注意事项
高效涡旋管分离器的安装注意事项有：
（1）安装时只需把本装置连接到管路中即可，排出口应垂直向下，并注意进、出口方向。
（2）进入涡旋管分离器的气体必须是干燥的气体，以保证最好的分离效率。
（3）排尘口通过阀门与收集部分连接，通过阀门直接向大气中排放。
（4）使用时，可以采取定时排放方式，也可以采取连续排放方式。
（5）使用定时排放方式或采取连续排放方式时的排气量，视空气中的含尘量而定，只要不堵塞排尘口即可。
3 应用情况
新型高效涡旋管分离器可用于空压机的引风口，以去除大气中的尘埃粒子，降低系统能耗和运行费用。在使用碳钢管道输送压缩空气的场合，涡旋管分离器可以将碳钢管道的锈粉连续排除管道之外。在总空过滤器前面使用涡旋管分离器，可以保持总空过滤器长时间经济运行。
高效涡旋管分离器获得了国家实用新型专利证书，投入市场后，得到了广大用户的肯定，用户对使用效果给予了积极的评价。先后有数十家发酵企业和其他行业使用了高效涡旋管分离器，收到了很好的经济效益。
郑州拓洋实业有限公司VC发酵车间规模较大，年产量在万吨以上，由于空气管道材质为碳钢，产生的锈粉浓度较高，空气压降的上升时间较快。空气流量相应减小，给正常生产带来了隐患，既缩短了滤芯的正常使用寿命，又给企业造成了经济上的损失。
通过在空气主管道使用了两台每分钟流量达1 000 m3的新型高效涡旋管分离器后，经涡旋管分离器排放的锈粉非常可观，碳钢管道中的锈粉得到了有效的控制，总空过滤器的使用寿命也提高了3～4倍，有效地减缓了空气压降的升高，降低了染菌率和工人的劳动强度，给企业带来了很好的经济效益。该产品在发酵车间空气净化管道中的应用如图6所示。
新型高效涡旋管分离器投入市场后，在通辽梅花生物科技有限公司、金正大生态工程集团股份有限公司、郑州福源生物科技有限公司、济南明鑫药业股份有限公司、广东台山化学制药有限公司、山东雪花啤酒有限公司等数十家发酵企业，都得到了较好的应用，并取得了良好的经济效益。每分钟流量达200 m3的涡旋管分离器在金正大生态工程有限公司发酵车间中的应用如图7所示。
4 结语
新型高效涡旋管分离器没有传动部件，运行中处于免维护状态，使用中不会有故障发生。涡旋管分离单元可以制成不同材料和不同直径的系列产品，以适应不同场合的应用需求。
该产品可应用于制药行业、食品行业及精密机械加工行业等的净化除尘处理，以及水泥厂的水泥回收和排放控制、炼油厂细颗粒催化剂的回收、面粉厂及糖厂的物料回收及相关行业物料的排放、回收等。
该产品在气固分离领域涉及范围广阔，销售市场潜力很大，一定会给相关企业带来很好的经济效益和社会效益。
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参考文献］
[1] 时铭显，施从南.化学工程手册[M].北京：化学工业出版社，1996.
收稿日期：2015-06-02
作者简介：邢书芳（1953—），男，河北肃宁人，高级工程师，研究方向：无菌空气净化系统设计。
