在催化裂化裝置中，氣固的接觸為流態(tài)化過程，完成反應(yīng)或者催化劑再生后，氣體將攜帶大量的固體顆粒，為了將二者分離，需要進(jìn)行氣固分離。這就有了旋風(fēng)分離器的應(yīng)用。旋風(fēng)分離器與其他裝置的設(shè)備很不一樣。在這篇文章中梳理旋風(fēng)分離器的工作原理與實(shí)際應(yīng)用。

沉降分離

旋風(fēng)分離器屬于沉降分離設(shè)備的一種。沉降分離的基礎(chǔ)是懸浮系中的顆粒在外力作用下的沉降運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)以兩相的密度差作為前提。懸浮顆粒的直徑越大，兩相的密度就越大，沉降分離方法的效果就越好。根據(jù)作用于顆粒外力的不同，沉降分離設(shè)備分為重力沉降和離心沉降兩大類。降塵室、增稠器和分級(jí)器就是三類典型的重力沉降設(shè)備。旋風(fēng)分離器、氣力旋流分級(jí)、轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī)、蝶式分離機(jī)和管式高速離心機(jī)就是典型的離心沉降設(shè)備。

離心沉降一般用于兩相密度差較小、顆粒粒度較細(xì)的非均相系，利用顆粒做圓周運(yùn)動(dòng)的離心力以加快沉降的過程。在離心沉降中，顆粒受到離心力與重力的作用。靜止流體中，顆粒在重力（或離心力）作用下，將沿著重力（或離心力）方向做沉降運(yùn)動(dòng)。一旦顆粒開始運(yùn)動(dòng)，顆粒即受到流體施與的曳力。沉降過程顆粒的受力如下：

比值α稱為離心分離因數(shù)，其數(shù)值的大小是反映離心分離設(shè)備性能的重要指標(biāo)。

對(duì)于氣固分離來說，最常規(guī)的方法就是旋風(fēng)分離，旋風(fēng)分離能夠分離5~10μm的顆粒，設(shè)計(jì)良好的旋風(fēng)分離器可以分離2μm的顆粒。在催化裂化中，根據(jù)分離程度的不同，又將旋風(fēng)分離器劃分為粗旋風(fēng)分離器、高效旋風(fēng)分離器和第三級(jí)旋風(fēng)分離器。

旋風(fēng)分離器工作原理

旋風(fēng)分離器，是用于氣固體系或者液固體系的分離的一種設(shè)備。工作原理為靠氣流切向引入造成的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使具有較大慣性離心力的固體顆粒或液滴甩向外壁面分開。旋風(fēng)分離器的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作彈性大、效率較高、管理維修方便，價(jià)格低廉，用于捕集直徑5～10μm以上的粉塵，廣泛應(yīng)用于制藥工業(yè)中，特別適合粉塵顆粒較粗，含塵濃度較大，高溫、高壓條件下，也常作為流化床反應(yīng)器的內(nèi)分離裝置，或作為預(yù)分離器使用。

分離器主體的上部為圓筒形，下部為圓錐形。含塵氣體由圓筒上部的進(jìn)氣管切向進(jìn)入，受器壁的約束而向下作螺旋運(yùn)動(dòng)。在慣性離心力作用下，顆粒被拋向器壁而與氣流分離，再沿壁面落至錐底的排灰口。凈化后的氣體在中心軸附近由下而上作螺旋運(yùn)動(dòng)，最后由頂部排氣管排出。通常，把下行的螺旋形氣流稱為外旋流，上行的螺旋形氣流稱為內(nèi)旋流(又稱氣芯)。內(nèi)、外旋流氣體的旋轉(zhuǎn)方向相同。外旋流的上部是主要除塵區(qū)。旋風(fēng)分離器內(nèi)的靜壓強(qiáng)在器壁附近最高，僅稍低于氣體進(jìn)口處的壓強(qiáng)，往中心逐漸降低，在氣芯處可降至氣體出口壓強(qiáng)以下。

根據(jù)粒徑大小與含固量可以考慮設(shè)置多級(jí)旋風(fēng)分離器。評(píng)價(jià)旋分性能有兩個(gè)主要指標(biāo)：一是分離效率，二是氣體經(jīng)過旋分的壓降。

分離效率

旋風(fēng)分離器的分離效率有兩種表示方法：

顆粒尺寸越小，所受離心力越小，沉降速度也越小，被除下的比例也越小，總效率往往無法體現(xiàn)顆粒的不同粒度分布，于是就有了粒級(jí)效率的概念。對(duì)指定粒徑dpi的顆粒定義其粒徑效率為：

通常將經(jīng)過旋風(fēng)分離器后能除下50%的顆粒直徑稱為分割直徑dpc，某些高效旋風(fēng)分離器的分割直徑可以小至3~10μm。

旋分壓降

壓降是流體流動(dòng)的重要推動(dòng)力，同樣的，壓降大小也是評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的重要指標(biāo)。旋風(fēng)分離器的壓降可以表示成氣體入口動(dòng)能的某一倍數(shù)：

ζ為阻力系數(shù)。對(duì)給定的旋風(fēng)分離器型式，ζ值是一個(gè)常數(shù)。

旋風(fēng)分離器內(nèi)的流動(dòng)

在旋風(fēng)分離器內(nèi)，氣流形成兩個(gè)主旋渦，氣體切線進(jìn)入分離器后以螺旋形旋轉(zhuǎn)向下的外旋渦和由錐底螺旋形上升至排氣管的內(nèi)旋渦。兩旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相同。在表面粗糙的器壁和圓柱形頂部靠近排氣管處也會(huì)產(chǎn)生一些局部旋渦。

內(nèi)外旋渦的方向和規(guī)律大致如下：

外旋渦造成的離心力將顆粒拋向器壁，內(nèi)旋渦由于具有較大的旋轉(zhuǎn)角速度，也可以將細(xì)小顆粒向外拋出，故同樣是分離的積極部分。

實(shí)驗(yàn)表明，縮小旋風(fēng)分離器的直徑、采用較大的進(jìn)口氣速、延長錐體部分的高度，均可提高分離效率。一般旋風(fēng)分離器進(jìn)口氣速可取15~25m/s。如果氣體處理量較大，可以兩個(gè)或多個(gè)尺寸較小的旋風(fēng)分離器并聯(lián)操作，多個(gè)小旋風(fēng)的分離效率比一個(gè)大旋風(fēng)高。

旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣流以內(nèi)旋渦旋轉(zhuǎn)上升時(shí)，在錐底形成升力。如果錐底集塵斗密封不好，氣體就會(huì)竄入器內(nèi)使得分離效率嚴(yán)重下降。底部氣流旋轉(zhuǎn)上升使得已沉下的部分顆粒重新卷起是影響旋分分離效率的重要因素。為了抑制這一不利因素設(shè)計(jì)了一種擴(kuò)散式旋分分離器，它具有上小下大的外殼，當(dāng)然這個(gè)在煉油的催化裂化裝置不常用。在催化裂化中，為了擋住反串氣流，在二級(jí)旋風(fēng)分離器料腿下口安裝翼閥。翼閥是個(gè)單向閥，能在重力作用下打開，重力減小時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉。一級(jí)旋風(fēng)分離器催化劑流量大，料腿粗，如果安裝翼閥，翼閥太大，開啟不靈活，一般設(shè)置擋板或者倒錐。