在催化裂化裝置中，氣固的接觸為流態化過程，完成反應或者催化劑再生後，氣體將攜帶大量的固體顆粒，為了將二者分離，需要進行氣固分離。這就有了旋風分離器的應用。旋風分離器與其他裝置的設備很不一樣。在這篇文章中梳理旋風分離器的工作原理與實際應用。
沉降分離
旋風分離器屬於沉降分離設備的一種。沉降分離的基礎是懸浮系中的顆粒在外力作用下的沉降運動，這種運動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。根據作用於顆粒外力的不同，沉降分離設備分為重力沉降和離心沉降兩大類。降塵室、增稠器和分級器就是三類典型的重力沉降設備。旋風分離器、氣力旋流分級、轉鼓式離心機、蝶式分離機和管式高速離心機就是典型的離心沉降設備。
離心沉降一般用於兩相密度差較小、顆粒粒度較細的非均相系，利用顆粒做圓周運動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）方向做沉降運動。一旦顆粒開始運動，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，其數值的大小是反映離心分離設備性能的重要指標。
對於氣固分離來說，最常規的方法就是旋風分離，旋風分離能夠分離5~10μm的顆粒，設計良好的旋風分離器可以分離2μm的顆粒。在催化裂化中，根據分離程度的不同，又將旋風分離器劃分為粗旋風分離器、高效旋風分離器和第三級旋風分離器。
旋風分離器工作原理
旋風分離器，是用於氣固體系或者液固體系的分離的一種設備。工作原理為靠氣流切向引入造成的旋轉運動，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。旋風分離器的主要特點是結構簡單、操作彈性大、效率較高、管理維修方便，價格低廉，用於捕集直徑5～10μm以上的粉塵，廣泛應用於製藥工業中，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器的內分離裝置，或作為預分離器使用。
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氣管切向進入，受器壁的約束而向下作螺旋運動。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。淨化後的氣體在中心軸附近由下而上作螺旋運動，最後由頂部排氣管排出。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旋流(又稱氣芯)。內、外旋流氣體的旋轉方向相同。外旋流的上部是主要除塵區。旋風分離器內的靜壓強在器壁附近最高，僅稍低於氣體進口處的壓強，往中心逐漸降低，在氣芯處可降至氣體出口壓強以下。
根據粒徑大小與含固量可以考慮設置多級旋風分離器。評價旋分性能有兩個主要指標：一是分離效率，二是氣體經過旋分的壓降。
分離效率
旋風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顆粒的不同粒度分佈，於是就有了粒級效率的概念。對指定粒徑dpi的顆粒定義其粒徑效率為：
通常將經過旋風分離器後能除下50%的顆粒直徑稱為分割直徑dpc，某些高效旋風分離器的分割直徑可以小至3~10μm。
旋分壓降
壓降是流體流動的重要推動力，同樣的，壓降大小也是評價旋風分離器性能的重要指標。旋風分離器的壓降可以表示成氣體入口動能的某一倍數：
ζ為阻力系數。對給定的旋風分離器型式，ζ值是一個常數。
旋風分離器內的流動
在旋風分離器內，氣流形成兩個主旋渦，氣體切線進入分離器後以螺旋形旋轉向下的外旋渦和由錐底螺旋形上升至排氣管的內旋渦。兩旋渦的旋轉方向相同。在表面粗糙的器壁和圓柱形頂部靠近排氣管處也會產生一些局部旋渦。
內外旋渦的方向和規律大致如下：
外旋渦造成的離心力將顆粒拋向器壁，內旋渦由於具有較大的旋轉角速度，也可以將細小顆粒向外拋出，故同樣是分離的積極部分。
實驗表明，縮小旋風分離器的直徑、採用較大的進口氣速、延長錐體部分的高度，均可提高分離效率。一般旋風分離器進口氣速可取15~25m/s。如果氣體處理量較大，可以兩個或多個尺寸較小的旋風分離器並聯操作，多個小旋風的分離效率比一個大旋風高。
旋風分離器內的氣流以內旋渦旋轉上升時，在錐底形成升力。如果錐底集塵鬥密封不好，氣體就會竄入器內使得分離效率嚴重下降。底部氣流旋轉上升使得已沉下的部分顆粒重新捲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計了一種擴散式旋分分離器，它具有上小下大的外殼，當然這個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，在二級旋風分離器料腿下口安裝翼閥。翼閥是個單向閥，能在重力作用下打開，重力減小時可以自動關閉。一級旋風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，一般設置擋板或者倒錐。
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