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在石油化工、燃煤发电等领域的许多高温、高浓度苛刻环境下，旋风分离器是唯一可资应用的气固分离设备，但它的分离理论和设计方法一直未得到很好解决。本文以常用的切流返转式旋风分离器为对象，就其高温流场、温度和入口浓度影响规律、分离理论、设计方法及工程应用等方面进行理论和实验研究，得到如下成果和结论：
(1)高温流场测量表明，旋风分离器三维速度分布的轴对称性和沿轴向相似性较好，只是切向速度沿轴向存在衰减。随着温度升高，切向速度减小，且沿轴向衰减加剧。另外，还基于代数涡粘模式求得了三维速度的半理论解。对半理论解的分析发现，内旋流区Kolmogorov尺度约101μm，且该尺度会随温度升高而增大。
(2)高温性能实验发现，随着温度升高，分离效率下降，压降和阻力系数也降低，最佳入口气速增大。其原因在于：气体曳力增大，切向速度降低，湍流扩散加剧。另外，实验还发现粒级效率曲线呈奇特的鱼钩状，即存在一个临界粒径。对小于临界粒径的颗粒，粒级效率反而随粒径减小而升高。
(3)就入口浓度的影响问题，首先提出了颗粒碰撞和团聚是其内在影响机制的观点，并通过量级分析，突出了惯性碰撞团聚的作用。其次，通过一个特殊实验证实了碰撞团聚效应。最后，通过变浓度实验，得到了入口浓度与分离效率的关系曲线。
(4)提出了压降沿程分布理论，并建立了ESD压降模型。该模型认为，压降主要由进口膨胀损失、器内旋流损失和排气管中气流动能耗散等组成。旋流损失与器壁摩擦及切向速度分布有关；排气管中气流动能耗散包括切向动能和轴向动能两部分。与实验值对比表明，ESD模型精度高，通用性好，可用于旋风分离器的设计计算。
(5)提出了基于颗粒碰撞团聚的分离理论。该理论认为，颗粒无论大小，其分离过程都受离心力、曳力、湍流扩散和颗粒碰撞团聚机制协同作用。碰撞团聚机制通过“清扫效应”和“生长效应”对颗粒分离产生影响。不同颗粒分离过程的控制机制并不相同，而且同一机制在不同区域所起作用大小也不相同。
以此理论为指导，通过对旋风分离器几何形状、器内速度分布以及颗粒运动的简化假设，建立了新的分离模型，即CAMS模型。该模型能准确反映各主要参数尤其是入口浓度和温度的影响规律，计算结果与实验值相符，可用于旋风分离器的设计。
(6)系统研究了旋风分离器相似条件和模化方法；通过对气固相运动方程及其单值条件的分析，导出了十个相似准数，并得出了新的基于相似准数关联的性能计算方法。验证表明：新方法精度高，适用面广，为旋风分离器设计计算提供了另一途径。
(7)将优化理论和分离模型相结合，建立了多目标非线性约束的优化设计模型。为了简化求解，对第一、二、三类尺寸分别作直接优化、组合优化和经验优化；同时，通过缩减目标函数，创立了单级旋风分离器两参数优化设计方法。在此基础上，又研究了旋风分离器并联、串联和混联的特点，发现了级间匹配对分离性能的影响规律，指出了提高分离效率的一般规律，并创立了多级旋风分离器优化设计方法。
(8)运用上述优化设计方法，开发设计了多套氧氯化、丙烯腈等流化床反应器内的多级旋风分离器；通过大型冷态试验和工业试验，对理论和方法的正确性以及新设计旋风分离器的性能进行了考核。另外，还提出了基于冷态对比试验的性能评价方法。上述设计及应用表明：
两级或三级旋风分离器各级压降存在一个最佳匹配关系，而且这种最佳匹配关系会随设计条件及分离要求而改变；对同类型旋风分离器，当直径、处理量和压降均相同时，①∪①两级的分离效率不如①∪①∪①三级的分离效率，单级的分离效率则最低；若处理量和压降一定，则对单级旋风分离器，可通过增大直径或多个小旋风分离器并联的方式来提高分离效率。对两级或三级旋风分离器，除上述方式外，还可通过级间的优化匹配来提高分离效率。例如，①∪②或②∪①等混联方式就是有效途径。
对两级或三级旋风分离器，若能根据不同级分离条件的差异，选用不同的型式加以组合，并实现级的优化匹配，则能显著提高分离性能。丙烯腈新型①∪①两级旋风分离器的开发和应用就是例证。新型①∪①两级旋风分离器中第一级是常规的PV型，第二级是独创的高效低阻PV-E型。其匹配型式新颖，分离性能不仅达到了①∪②两级的水平，并且还优于原①∪①∪①三级的分离性能。尤其是它占用空间小，在反应器内的排布组数可比常规三级增加50％，特别适合大型化和扩能改造的需要。目前，它已在国内9套丙烯腈装置上应用，累计达75组150台。