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[摘 要]旋风式分离器其结构的椎体结构，“旋转距不变”使得气体沿椎体向下旋转速度不断加大做加速运动。这个加速度转速是分离器分离效果的重要一环。而入口流速达不到一定的速度使得气体没有足够的动能达不到推动气体进入椎体部分做加速运动，分离效率将大大降低。反之，进口速度过大会使得外旋涡反转点下降至灰斗，引起底部夹带也会大大降低分离效率。并联多台旋风式分离器，要根据通过气量的不同进行优化调整。
[关键词]旋转距不变 入口速度 外旋涡 临界粒径
中图分类号：V21.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0376-01
在我国长输天然气管道场站干线天然气基本都使用了旋风式过滤分离器或组合式过滤分离器。在大口径长输管道的场站设计又多采用了多台分离器并联的设计。然而实际生产运行过程中，如果天然气场站由于没有根据实际输气量进行合理的运行组合会导致气体处理效率大幅降低或增加耗能的情况出现。因此，根据运行工况适时调整运行方式对管道合理经济运行显得尤为重要。
1.工作原理和气流运动
1.1 工作原理
旋风分离器的结构。当气固两相流由切向入口进入分离器后，沿外壁自上而下作旋转运动。这股从上向下旋转的气流称为外旋涡，外旋涡进入椎体后，“旋转距不变原理”使外旋涡速度不断加大，达锥体底部达到一定速度同时中心压力小于外旋涡压力，内旋气流转而向上，沿轴心向上旋转，最后从排出管排出。这股从下向上的气流成为内旋涡。向下的外旋涡和向上的内旋涡旋转方向是相同的。气流作旋转运动时，固体颗粒在离心的作用下向外壁移动，到达外壁的固体颗粒在向下旋转气流的推动和重力的共同作用下沿锥体壁面下落，进入排灰斗排出。
1.2 旋风分离器内气流运动
旋风分离器内气体的运动实际是非常复杂的三维气固两相湍流运动。气体运动的三维速度，即切向、径向和轴向速度。1）切向速度vt。对于粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用。含尘气体在切向速度的作用下。使粉尘由里向外离心沉降。2）径向速度vr。它是影响旋风分离器性能的重要因素。它可以使尘粒沿半径方向，由外向里推移至旋涡中心，阻碍尘粒的下降。所以，径向速度越大，旋风分离器的分离能力越差。3）轴向速度vz。轴向速度在旋风分离器外部区域（外壁附近）气流方向朝下，而在内层区域气流方向朝上。外层下行、内层上行构成气体双层旋转流动。零轴向速度与器壁平行。4）涡流。它由轴向速度与径向速度构成。对分离器的性能，尤其是分离效率的影响较大。5）短路流。分离器顶盖、排气管外壁与筒体内壁之间，由于径向速度与轴向速度的存在，而形成局部的上涡流（亦称短路流）。它将夹带着相当数量的细尘粒沿排气管外表面下降，随中心上升气流从排气管逸出，影响了除尘效率。6）纵向旋涡流。它是以旋风除尘器内，外旋流分界面为中心的器内全长上形成单一面循环旋涡流，从而使排气管管端附近气流的径向速度加大，致使其力超过了颗粒所受的离心力，造成短路，影响了分离效率。7）外层旋流中的局部涡流。分离器内壁表面的突起、焊缝等，可产生与主流方向铅垂的涡流，其量虽只有主流的1/5，但它却会使壁面附件或者已经到达壁面的颗粒重新甩到内层旋涡，使较大的尘粒在净化气中出现，降低了除尘器的分离能力。8）底部夹带。外层旋涡在锥体底部向上返转时可产生局部涡流，能把一部分已经分离下来的粉尘重新卷起。若旋涡流一直向下伸入灰斗，也同样会搅起灰斗中的粉尘，被上升气流带走。底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20%～30%。因此，合理的结构设计，对提高旋风除尘效率是很重要的。
2.临界粒径与分离理论
2.1 临界粒径
严格讲，大多数的分离过程均有分级的内涵。旋风分离器所能分级的最小颗粒直径，称为临界粒径dc。临界粒径的大小是反映旋风分离器分离效率高低的理论依据。临界粒径越小，旋风分离器的分离性能越高，反之越差。
dc=（9μB/πNeρsui）1/2，表明临界粒径的方法有，分离效率为100%的颗粒最小极限粒径dc100和分离效率为50%的分级粒径dc50，前者，凡大于dc100粒径的颗粒，旋风分离器都可以100%的捕集，而后者对dc50颗粒粒径既有50%被捕集，也有50%的机率不被捕集。工程上多采用粒径dc50来设计、选用旋风分离器。
2.2 平衡分离理论
分析确定分级临界粒径的理论有多种，其中以平衡分离理论与实践比较吻合，该理论认为：一定粒径d的顆粒，因旋转气流而产生的离心力F，将会在平衡轨道上与向心气流对它作用的斯托克斯阻力FR达到平衡，而平衡轨道往往看作是排气管下端由最大切向速度的各点连接起来的一个假相圆筒。这种处于平衡状态的颗粒，由于种种原因，平衡将随时都会遭到破坏，有时离心力F>阻力FR，有时则FR>F。两者出现的几率是相等的。ΔP1=9.81×（10-6ζv1ρ）/2g
式中：—通过旋风多管除尘器的压降，MPa；v1—旋风多管除尘器的进口管气体速度，m/s；ζ—阻力系数，通常为8；g—重力加速度，m2/s；ρ—操作条件下的气体密度，kg/m3。
3.结论与认识
进口速度V1一般要求在10-25m/s之间，过低的进口速度会导致临界粒径dc加大从而降低过滤分离器的分离效果。过高的V1会使得外旋流到达椎体底部后不向上产生内旋流二是继续向下，当达到灰斗时会产生严重的底部夹带。反而，使过滤效率大大降低。因此，并联多路的旋风式过滤分离器的使用一定要根据气量的大小来适时调整。组合式过滤分离器，使用不当会造成下部的旋风式过滤分离器分离效果不佳。使过滤滤芯负载加重导致滤芯过滤效果下降。同时增加压降值ΔP1增大，造成能源浪费。
以泰青威道临朐输气站为例单个分离器进口口径406mm，截面积为0.12939626m2；按照最低流速10m/s最低流量为1.2939626m3/s换算成小时为4658.26536m3再换算成一天流量天为111798.36864m3再换算成标方（按照修正系数为65）为7266893.9616Nm3。也就是说当临朐输气站及其下游的总流量低于700Nm3/d时使用单台工作分离效率大大降低。现工况为“三用一备”致使截面积增大三倍，按照400Nm3/d输量计算。进口流速约为1.83m/s。dc增加到800μm至1000μm大大低于8μm这一设计值。处理量和处理效率大大降低。建议临朐输气站将“三用一备”改为“一用三备”提高处理量的同时，可以减少滤芯的更换频次。
参考文献
[1] 刘建平，陈旭高效旋风分离器的设计[J]化工设计通讯，2004
[2] （丹）霍夫曼，（美）斯坦因著，彭维明，姬忠礼译[M]化学工业出版社2004
作者简介
李勇，工程师，1976年生，2009年毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，现主要从事天然气管道运行管理工作。电话：15631676215；Email：[email protected]。
[关键词]旋转距不变 入口速度 外旋涡 临界粒径
中图分类号：V21.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0376-01
在我国长输天然气管道场站干线天然气基本都使用了旋风式过滤分离器或组合式过滤分离器。在大口径长输管道的场站设计又多采用了多台分离器并联的设计。然而实际生产运行过程中，如果天然气场站由于没有根据实际输气量进行合理的运行组合会导致气体处理效率大幅降低或增加耗能的情况出现。因此，根据运行工况适时调整运行方式对管道合理经济运行显得尤为重要。
1.工作原理和气流运动
1.1 工作原理
旋风分离器的结构。当气固两相流由切向入口进入分离器后，沿外壁自上而下作旋转运动。这股从上向下旋转的气流称为外旋涡，外旋涡进入椎体后，“旋转距不变原理”使外旋涡速度不断加大，达锥体底部达到一定速度同时中心压力小于外旋涡压力，内旋气流转而向上，沿轴心向上旋转，最后从排出管排出。这股从下向上的气流成为内旋涡。向下的外旋涡和向上的内旋涡旋转方向是相同的。气流作旋转运动时，固体颗粒在离心的作用下向外壁移动，到达外壁的固体颗粒在向下旋转气流的推动和重力的共同作用下沿锥体壁面下落，进入排灰斗排出。
1.2 旋风分离器内气流运动
旋风分离器内气体的运动实际是非常复杂的三维气固两相湍流运动。气体运动的三维速度，即切向、径向和轴向速度。1）切向速度vt。对于粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用。含尘气体在切向速度的作用下。使粉尘由里向外离心沉降。2）径向速度vr。它是影响旋风分离器性能的重要因素。它可以使尘粒沿半径方向，由外向里推移至旋涡中心，阻碍尘粒的下降。所以，径向速度越大，旋风分离器的分离能力越差。3）轴向速度vz。轴向速度在旋风分离器外部区域（外壁附近）气流方向朝下，而在内层区域气流方向朝上。外层下行、内层上行构成气体双层旋转流动。零轴向速度与器壁平行。4）涡流。它由轴向速度与径向速度构成。对分离器的性能，尤其是分离效率的影响较大。5）短路流。分离器顶盖、排气管外壁与筒体内壁之间，由于径向速度与轴向速度的存在，而形成局部的上涡流（亦称短路流）。它将夹带着相当数量的细尘粒沿排气管外表面下降，随中心上升气流从排气管逸出，影响了除尘效率。6）纵向旋涡流。它是以旋风除尘器内，外旋流分界面为中心的器内全长上形成单一面循环旋涡流，从而使排气管管端附近气流的径向速度加大，致使其力超过了颗粒所受的离心力，造成短路，影响了分离效率。7）外层旋流中的局部涡流。分离器内壁表面的突起、焊缝等，可产生与主流方向铅垂的涡流，其量虽只有主流的1/5，但它却会使壁面附件或者已经到达壁面的颗粒重新甩到内层旋涡，使较大的尘粒在净化气中出现，降低了除尘器的分离能力。8）底部夹带。外层旋涡在锥体底部向上返转时可产生局部涡流，能把一部分已经分离下来的粉尘重新卷起。若旋涡流一直向下伸入灰斗，也同样会搅起灰斗中的粉尘，被上升气流带走。底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20%～30%。因此，合理的结构设计，对提高旋风除尘效率是很重要的。
2.临界粒径与分离理论
2.1 临界粒径
严格讲，大多数的分离过程均有分级的内涵。旋风分离器所能分级的最小颗粒直径，称为临界粒径dc。临界粒径的大小是反映旋风分离器分离效率高低的理论依据。临界粒径越小，旋风分离器的分离性能越高，反之越差。
dc=（9μB/πNeρsui）1/2，表明临界粒径的方法有，分离效率为100%的颗粒最小极限粒径dc100和分离效率为50%的分级粒径dc50，前者，凡大于dc100粒径的颗粒，旋风分离器都可以100%的捕集，而后者对dc50颗粒粒径既有50%被捕集，也有50%的机率不被捕集。工程上多采用粒径dc50来设计、选用旋风分离器。
2.2 平衡分离理论
分析确定分级临界粒径的理论有多种，其中以平衡分离理论与实践比较吻合，该理论认为：一定粒径d的顆粒，因旋转气流而产生的离心力F，将会在平衡轨道上与向心气流对它作用的斯托克斯阻力FR达到平衡，而平衡轨道往往看作是排气管下端由最大切向速度的各点连接起来的一个假相圆筒。这种处于平衡状态的颗粒，由于种种原因，平衡将随时都会遭到破坏，有时离心力F>阻力FR，有时则FR>F。两者出现的几率是相等的。ΔP1=9.81×（10-6ζv1ρ）/2g
式中：—通过旋风多管除尘器的压降，MPa；v1—旋风多管除尘器的进口管气体速度，m/s；ζ—阻力系数，通常为8；g—重力加速度，m2/s；ρ—操作条件下的气体密度，kg/m3。
3.结论与认识
进口速度V1一般要求在10-25m/s之间，过低的进口速度会导致临界粒径dc加大从而降低过滤分离器的分离效果。过高的V1会使得外旋流到达椎体底部后不向上产生内旋流二是继续向下，当达到灰斗时会产生严重的底部夹带。反而，使过滤效率大大降低。因此，并联多路的旋风式过滤分离器的使用一定要根据气量的大小来适时调整。组合式过滤分离器，使用不当会造成下部的旋风式过滤分离器分离效果不佳。使过滤滤芯负载加重导致滤芯过滤效果下降。同时增加压降值ΔP1增大，造成能源浪费。
以泰青威道临朐输气站为例单个分离器进口口径406mm，截面积为0.12939626m2；按照最低流速10m/s最低流量为1.2939626m3/s换算成小时为4658.26536m3再换算成一天流量天为111798.36864m3再换算成标方（按照修正系数为65）为7266893.9616Nm3。也就是说当临朐输气站及其下游的总流量低于700Nm3/d时使用单台工作分离效率大大降低。现工况为“三用一备”致使截面积增大三倍，按照400Nm3/d输量计算。进口流速约为1.83m/s。dc增加到800μm至1000μm大大低于8μm这一设计值。处理量和处理效率大大降低。建议临朐输气站将“三用一备”改为“一用三备”提高处理量的同时，可以减少滤芯的更换频次。
参考文献
[1] 刘建平，陈旭高效旋风分离器的设计[J]化工设计通讯，2004
[2] （丹）霍夫曼，（美）斯坦因著，彭维明，姬忠礼译[M]化学工业出版社2004
作者简介
李勇，工程师，1976年生，2009年毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，现主要从事天然气管道运行管理工作。电话：15631676215；Email：[email protected]。