物料分离器

定义

物料分离器指在工业流程中把混合物料按颗粒大小、密度或相态差异分开的装置总称，用于从气流中回收粉粒状物料，或净化气体介质。在气力输送领域，这类设备与除尘器在结构上大体同源，区别在于分离器以回收被输送物料为主要目的，除尘器则以去除粉尘、保护气源机械和减少排放为主^[1]。按作用原理和构造特点，分离器分为容积式、离心式、惯性和组合式等类型，选用哪一类通常取决于物料粒度和空气流量^[1]。其中离心式即旋风分离器，是用旋转气流把物料从气固两相流中甩出的常见形式^[2]。

原理

离心式分离器的气流运动由两个旋涡构成：气固两相流从切向入口进入后沿器壁自上而下旋转，称为外旋涡；到达锥体底部后折返向上，沿轴心经排气管排出，称为内旋涡，两者旋转方向相同^[1]。固体颗粒在旋转中被离心力推向器壁，再在向下气流推动和重力作用下沿锥壁滑落，由底部排料口排出^[1]。颗粒所受离心力与重力之比称为分离因数，旋风式设备的分离因数一般在 5 至 2500 之间，同一颗粒在此类设备中的离心沉降速度可比重力沉降高出百倍以上^[3]。

理论上能被完全分离下来的最小颗粒称为临界粒径，它随设备直径增大而变大，因此处理量很大时多将若干小尺寸分离器并联成组使用^[3]。

容积式分离器走的是另一条路径：气固两相流进入比管道截面大得多的筒体后，气速骤降到远低于颗粒悬浮速度，物料失去携带条件而靠自重沉降排出，对粗粒物料效率高、破损少，但设备体积较大^[1]。

发展历程

旋风分离在工业上的应用已有近百年历史，因结构简单、造价低廉、无活动部件、可用多种材料制造且操作范围宽，长期在化工、采矿、冶金、机械和轻工等行业使用^[3]。围绕效率与压降的改进主要沿几条思路展开：采用细而长的器身以增大离心力并延长停留时间，用旁路分离室或异形进气管削弱上涡流，以及用挡灰盘抑制锥底粉尘二次扬起^[3]。

国内相关设备的标准化工作持续推进，各类旋风分离器已形成系列标准，型号尺寸与性能可从有关资料和手册中查得^[3]。近年专利文献中出现了在分离器内加装稳涡棒以稳定内部旋流、降低排气管压降的设计，也有把循环水冷与搅拌、筛分结构组合进同一机体的化工用分离器方案^[4][5]。

应用

在气力输送系统中，分离器承担把物料从输送气流里取出的任务，港口散粮码头与谷物加工企业的吸送装置多采用容积式和离心式两类^[1]。食品、塑料和化工行业中，安装在加工机器料斗上方的分离机借助风机产生的负压把颗粒或粉料吸入，输送结束后打开出口翻板卸料，由料位信号触发下一轮输送周期^[6]。

在燃煤发电领域，循环流化床锅炉炉膛出口烟气物料浓度很高，大量物料与脱硫剂经旋风分离器分离后送回炉膛循环，其分离性能直接影响锅炉效率，并关系到尾部受热面的磨损与烟气除尘负荷^[4]。此外，旋风式设备还用于天然气净化中分离液滴与尘粒，以及制药等行业含尘浓度较大的粗颗粒粉尘处理^[7]。在水泥生产中，类似结构的多级分离腔装置可用作预热器或煅烧器^[8]。

在粮食与油脂加工中，混合物料分离器把稻谷、杂物与碎米分由不同出料口排出，并通过观察镜和阀门判断筒内是否有料^[9]。淘析、重力旋转和水平流化等结构的分离设备则用于从散料流中除去粉尘与易碎颗粒，处理能力从每小时数十吨到上百吨不等^[10]。

局限

离心式分离器对细颗粒的捕集能力有限，一般只能除去直径 5 微米以上的颗粒，更细的尘粒需再用袋式过滤器或湿式除尘器处理^[3]。粘性粉尘、含湿量高的粉尘与腐蚀性粉尘不适宜用这类设备处理，器壁磨损和锥底粉尘二次夹带也会拉低效率^[3]。

操作参数同样存在取舍：进口气速提高有利于分离，但过高会加剧器内湍流并增大压降，反而不利于捕集，因此进口气速通常控制在每秒 10 至 25 米的范围，压降一般在 500 至 2000 帕之间^[3]。随着器体直径增大，临界粒径随之变大、分离效率下降，处理量放大时需以多台并联来弥补^[3]。容积式分离器虽对粗粒物料友好、阻力较小，但几何尺寸大、占用厂房空间多^[1]。采用吸送方式时，器内压力低于大气压，一旦漏气分离效率会明显降低，必须配合气密性良好的卸料器^[1]。

参见

• 旋风分离器 —— 依靠旋转气流离心力分离气固两相的核心形式，是物料分离器最主要的类别。

• 除尘器 —— 与分离器结构同源，用途侧重净化气体与减排。

• 气力输送 —— 以气流输送粉粒物料的系统，分离器位于其末端承担料气分离。

• 离心沉降 —— 颗粒在离心力场中沿径向相对流体运动的分离机理。

• 过滤 —— 截留细颗粒的另一类机械分离操作，常与分离器串联使用。