邢書芳 郭 健

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

0 引言

在生物、醫(yī)藥等發(fā)酵行業(yè)中，壓縮空氣中含有大量的塵埃粒子，發(fā)酵企業(yè)的空氣管道多為碳鋼管，其含有銹粉粒子等，這些都是產(chǎn)生固體粒子的主要來源。對無菌空氣凈化系統(tǒng)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(yùn)行是非常重要的。在空氣壓縮氣體凈化系統(tǒng)中，固體粒子通常作為細(xì)菌的載體，隨壓縮空氣進(jìn)入發(fā)酵罐，導(dǎo)致產(chǎn)生染菌的現(xiàn)象。雖然進(jìn)入過濾器前端的混合氣體，已經(jīng)處于無油、無水、干燥的狀態(tài)，但若不能有效去除游離其中的固體粒子，就會導(dǎo)致過濾器非正常運(yùn)行，縮短使用壽命，進(jìn)而影響發(fā)酵生產(chǎn)的穩(wěn)定性，這既增加了染菌的機(jī)會，又造成經(jīng)濟(jì)上的損失。

1 研發(fā)背景

在發(fā)酵行業(yè)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(chǎn)穩(wěn)定，是必須解決的問題。碳鋼管道中的銹粉粒子，是產(chǎn)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(jīng)濟(jì)的氣固分離設(shè)備。為滿足市場需求，在參考國內(nèi)外同類先進(jìn)產(chǎn)品和專利查詢的基礎(chǔ)上，我院研發(fā)了國內(nèi)先進(jìn)的氣固分離裝置WF新型高效渦旋管分離器。含這種設(shè)備的空氣凈化系統(tǒng)流程示意如圖1所示。

圖1 空氣凈化系統(tǒng)流程示意圖

氣固分離裝置的工業(yè)應(yīng)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(hù)環(huán)境。

上述三類目的不是截然分開的，對于某一工業(yè)應(yīng)用可能三者兼而有之。

目前，氣固分離裝置的結(jié)構(gòu)有多種形式，通常使用的有：旋風(fēng)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(diǎn)：

（1）除塵效率低，阻力大；

（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修費(fèi)用高；

（3）易損耗，壽命短等。

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

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

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

（3）旋風(fēng)分離器：它的基本原理是，含有粒子的氣體在做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(fēng)分離器能分離最小的粒子直徑達(dá)5 μm左右。

在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械力分離是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的方法。傳統(tǒng)的應(yīng)用分離技術(shù)的各種旋風(fēng)分離器，因處理風(fēng)量的范圍較小，不適應(yīng)發(fā)酵行業(yè)風(fēng)量變化大的特點(diǎn)，總體分離效率較低，目前已逐步被淘汰。

氣固分離設(shè)備性能比較如表1所示，對每臺分離設(shè)備而言，分離效率的計(jì)算公式為：

式中 η——分離效率，%；

W1——單位時間內(nèi)捕集的粉料重量，kg；

W——單位時間內(nèi)進(jìn)入該分離器的粉料重量，kg。

表1 發(fā)酵行業(yè)氣固分離設(shè)備性能比較

2 氣固分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

2.1 傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器

2.1.1 傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)、旋流簡圖如圖2所示。

2.1.2 傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器的工作原理

圖2 傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)、旋流簡圖

混合氣體由進(jìn)氣口切向進(jìn)入分離器，氣體由直線運(yùn)動轉(zhuǎn)為圓周旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，將密度較大的固體顆粒甩向圓筒體內(nèi)壁，顆粒與筒壁碰撞后，在重力的作用下，進(jìn)入收集口。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流在到達(dá)圓錐體時，因錐形的收縮向分離器下部靠攏。氣體到達(dá)圓錐體下端的某一位置時，以同樣的旋轉(zhuǎn)方向從分離器的中部，由下而上繼續(xù)做螺旋運(yùn)動，即內(nèi)旋流。最后凈化氣體經(jīng)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(fēng)分離器分離效率的主要原因是其殼體內(nèi)部存在二次渦流。

（1）短路流：旋風(fēng)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(dāng)數(shù)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(nèi)、外旋流分界面為中心的在器內(nèi)再循環(huán)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(chǎn)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(nèi)層流，使液體微粒在分離后的氣體中出現(xiàn)。

（4）底部夾帶：外層旋流在錐體底部向上返轉(zhuǎn)時，可產(chǎn)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(tǒng)的旋風(fēng)分離器的基礎(chǔ)上，利用渦旋、噴發(fā)、重力分離原理而發(fā)展起來的一種經(jīng)濟(jì)、高效的新型氣固分離設(shè)備。由于采用的是軸流式結(jié)構(gòu)，并且整個通道內(nèi)部都很光滑，無擾動，避免了二次渦流的產(chǎn)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(chǎn)生極強(qiáng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

與國內(nèi)傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器相比，高效渦旋管分離器在結(jié)構(gòu)上有很大的改進(jìn)。新型高效渦旋管分離器的結(jié)構(gòu)，主要由設(shè)備外殼和安裝在外殼內(nèi)的分離組件兩部分組成。其特征在于外殼的前、后端分別設(shè)有進(jìn)氣端穩(wěn)流板及管板、出氣端穩(wěn)流板及管板，外殼的下端設(shè)有排塵口，分離組件是由一組渦旋管分離單元組成，其結(jié)構(gòu)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(nèi)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(dǎo)流管組成。錐管前部為直管，其側(cè)壁開有排塵口，與外殼下端的排塵口對應(yīng)，導(dǎo)流管呈擴(kuò)散狀，其前部設(shè)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(jìn)氣端管板過盈配合連接。排塵口處安裝有閥門，可根據(jù)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(jìn)氣口、渦旋發(fā)生區(qū)、分離區(qū)、加速區(qū)、排塵區(qū)及出氣口共6個區(qū)域，渦旋管分離單元結(jié)構(gòu)如圖5所示。

對單支渦旋管分離單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，取入口管徑20 mm、渦旋發(fā)生區(qū)長度25 mm、渦旋葉片從入口至出口的扭轉(zhuǎn)角180°、導(dǎo)流管入口處管徑13 mm、質(zhì)量流量為7 g/s時，總壓降為750 Pa，用325目的細(xì)粉磨料做實(shí)驗(yàn)，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(jié)構(gòu)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(tài)時，含有固體粒子的氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入渦旋管分離單元，在渦旋發(fā)生區(qū)形成較強(qiáng)烈的渦旋場，使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)后進(jìn)入分離區(qū)。由于固體粒子遠(yuǎn)重于氣體，所以在離心力的作用下，導(dǎo)致固體粒子向分離區(qū)的外側(cè)運(yùn)動，使分離區(qū)外側(cè)的粒子濃度顯著提高，形成濃縮氣流流向加速區(qū)，在加速區(qū)加速后從排塵區(qū)排出。相對地，分離區(qū)中心的主氣流便得到了凈化，凈化后的主氣流沿著導(dǎo)流管方向從出氣口排出。

高效渦旋管分離器的顯著特點(diǎn)是：

（1）分離效率高；

（2）工作壓力降?。?/p>

（3）結(jié)構(gòu)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(yùn)動部件，運(yùn)行中處于免維護(hù)狀態(tài)，只需一次性投資。對于發(fā)酵行業(yè)中使用碳鋼做空氣管道的企業(yè)，該產(chǎn)品更具獨(dú)特的排塵效果，可以收到很好的經(jīng)濟(jì)效益。高效渦旋管分離器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 渦旋管分離器主要技術(shù)參數(shù)

2.2.3 渦旋管分離器的安裝注意事項(xiàng)

高效渦旋管分離器的安裝注意事項(xiàng)有：

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

（2）進(jìn)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(xù)排放方式。

（5）使用定時排放方式或采取連續(xù)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(yīng)用情況

新型高效渦旋管分離器可用于空壓機(jī)的引風(fēng)口，以去除大氣中的塵埃粒子，降低系統(tǒng)能耗和運(yùn)行費(fèi)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(xù)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

高效渦旋管分離器獲得了國家實(shí)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(shù)十家發(fā)酵企業(yè)和其他行業(yè)使用了高效渦旋管分離器，收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

鄭州拓洋實(shí)業(yè)有限公司VC發(fā)酵車間規(guī)模較大，年產(chǎn)量在萬噸以上，由于空氣管道材質(zhì)為碳鋼，產(chǎn)生的銹粉濃度較高，空氣壓降的上升時間較快?？諝饬髁肯鄳?yīng)減小，給正常生產(chǎn)帶來了隱患，既縮短了濾芯的正常使用壽命，又給企業(yè)造成了經(jīng)濟(jì)上的損失。

通過在空氣主管道使用了兩臺每分鐘流量達(dá)1 000 m3的新型高效渦旋管分離器后，經(jīng)渦旋管分離器排放的銹粉非?？捎^，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(qiáng)度，給企業(yè)帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。該產(chǎn)品在發(fā)酵車間空氣凈化管道中的應(yīng)用如圖6所示。

圖6 高效渦旋管分離器在拓洋實(shí)業(yè)有限公司發(fā)酵車間的應(yīng)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(tài)工程集團(tuán)股份有限公司、鄭州福源生物科技有限公司、濟(jì)南明鑫藥業(yè)股份有限公司、廣東臺山化學(xué)制藥有限公司、山東雪花啤酒有限公司等數(shù)十家發(fā)酵企業(yè)，都得到了較好的應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。每分鐘流量達(dá)200 m3的渦旋管分離器在金正大生態(tài)工程有限公司發(fā)酵車間中的應(yīng)用如圖7所示。

4 結(jié)語

新型高效渦旋管分離器沒有傳動部件，運(yùn)行中處于免維護(hù)狀態(tài)，使用中不會有故障發(fā)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(chǎn)品，以適應(yīng)不同場合的應(yīng)用需求。

圖7 高效渦旋管分離器在金正大生態(tài)工程公司發(fā)酵車間的應(yīng)用

該產(chǎn)品可應(yīng)用于制藥行業(yè)、食品行業(yè)及精密機(jī)械加工行業(yè)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(xì)顆粒催化劑的回收、面粉廠及糖廠的物料回收及相關(guān)行業(yè)物料的排放、回收等。

該產(chǎn)品在氣固分離領(lǐng)域涉及范圍廣闊，銷售市場潛力很大，一定會給相關(guān)企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]時銘顯，施從南.化學(xué)工程手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.