第三章 非均相物系的

第三章非均相物系的分离——离心沉降

依靠惯性离心力的作用而进行的沉降过程称为离心沉降。对于两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系，用重力沉降很难进行分离甚至完全不能分离时，改用离心沉降则可大大提高沉降速度，且可缩小设备尺寸。

离心沉降是利用沉降设备使流体和颗粒一起作旋转运动，在离心力的作用下，由于颗粒密度大于流体密度，将使颗粒沿径向与流体产生相对运动，从而实现分离。在高速旋转的过程中，颗粒受到的离心力比重力大得多，且可根据需要进行调整，因而其分离效果好于重力沉降。

一、离心沉降速度

流体作圆周运动时，使其方向不断改变的力称为向心力。而颗粒的惯性却促使它脱离圆周轨道而沿切线方向飞出，这种惯性力称为离心力。当颗粒在距中心R处旋转时，其切向速度uT，径向速度ur。受力分析：FFCFduTurR在稳定运动中，作用力与阻力达到平衡，颗粒与流体的相对运动速度ur达到恒定，即：

离心沉降速度〖说明〗

ut是常量，ur随uT和R变化，是变量。2.离心沉降所处理的非均相物系中固粒直径通常很小，沉降一般在滞流区进行，故其沉降速度可表示为：

3.分离因数：同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值，以Kc表示：

Kc值一般在102～105之间，其大小反映了离心沉降设备的效能为重力沉降设备的倍数，是离心分离设备性能的一项重要指标。

二、旋风分离器的结构与操作原理

构造：进气管、上筒体、下锥体和中央升气管等

颗粒在随气流旋转过程中，受到的离心力大，故逐渐向筒壁运动，到达筒壁后沿壁面落下，自锥体排出进入灰斗。

净化后的气流在中心轴附近范围内由下而上做旋转运动，最后经顶部排气管排出。

通常，将下行的螺旋形气流称为外旋流，上行的螺旋形气流称为内旋流。内、外旋流的旋转方向相同。外旋流的上部是主要除尘区。

操作原理：含尘气体由进气管进入旋风分离器后，沿圆筒的切线方向，自上而下作圆周运动。

主要结构参数为筒体直径D，其它尺寸以D为标准，如图示。〖特点〗：结构简单，造价低廉，无运动部件，操作范围广，可用多种材料制造，是化工、轻工、冶金等部门常用的分离和除尘设备。〖说明〗旋风分离器一般用来除去气流中粒径5μm以上的尘粒，对颗粒含量高于200g/m3的气体，由于颗粒的聚集作用，它甚至能除去3μm以下的颗粒。对直径在200μm以上的颗粒最好先用重力沉降法除去，以减小对器壁的磨损；对于直径5μm以下的颗粒，除尘效率很低，需采用袋滤器或湿法捕集。

三、旋风分离器的性能

(1)含尘气体处理量：旋风分离器的处理量除与其进口宽度B和高度h有关外，主要由进口气速ui来确定，气速过高过低均对分离效率不利，一般在15～25m/s之间，故：VS=uiBh(2)临界直径dC：指理论上能够完全分离出来的最小颗粒直径，为判断旋风分离器分离效率高低的重要依据之一。假设：①气体在旋风分离器中有规则地旋转Ne圈，旋转的平均半径为Rm，切向速度恒等于进口气速，即uT=ui=VS/(hB)；②颗粒向器壁运动时，穿过厚度为进气口宽度B的流体层；③颗粒与流体相对运动为滞流，且ρs>>ρ。即：

临界粒径计算公式的推导

若某种尺寸的颗粒所需的沉降时间θt恰等于气流在器内停留时间θ，该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒。以dC代表这种颗粒的直径，即临界粒径，则：〖讨论〗D↑，B=D/4↑，dC↑，η↓

故设备尺寸不能太大，当气体处理量大时，使用若干小尺寸旋风分离器并联使用，以维持较高的分离效率。ui↑，dC↓，η↑说明提高进口气速可提高分离效率，但进口阻力增加，同时湍流状况增大，易带起灰尘，所以一般不采用此法。上式中只要给出合适的Ne值，即可计算dC。一般情况：Ne=0.5－3.0；标准型：Ne=5.0(3)分离效率

分离效率是衡量旋风分离器操作效果的参数，可用总效率和分效率表示。①总效率η0：

进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的质量百分率，即：

式中：C1、C2－旋风分离器进口、出口气体中的含尘浓度，g/m3。总效率是工程上最常用的，也是最易于测定的分离效率。其缺点是不能表明旋风分离器对各种尺寸粒子的不同分离效果。②分效率(粒级效率)ηi按各种粒度分别表明其被分离下来的质量百分率。即：式中：C1i、C2i－粒径为di的颗粒在旋风分离器进口、出口气体中的含尘浓度，g/m3。分效率的表示方法：ηo～di曲线称粒级效率曲线ηpi～di/d50函数曲线d50用以下经验公式估算。ηo～di粒级效率曲线：

此曲线可通过实测旋风分离器进、出口气流中的含尘浓度及粒度分布得到。设其临界直径dc为10μm。理论上：凡d>10μm的颗粒，均应ηpi=100%;而d<10μm的颗粒，均为ηpi=0,即为折线所示。100100粒径d/μm粒径效率ηpi/％

实际上：d<dc的颗粒也有可观的分离效果；d>dc的颗粒也有部分未被分离下来。其原因：

d<dc的颗粒有些可能已在进口处靠近壁面，在停留时间内能够到达器壁；或者互相聚集而成大颗粒因而具有较大的沉降速度。d>dc的颗粒因受气体涡流的影响而未到达壁面，或者沉降后又被气流重新卷起而带走。③总效率与分效率间的关系

总效率取决于分效率和粒度分布，其计算式为：ηo=Σxiηpi

式中：xi－粒径为di的颗粒的质量分率。(4)压强降△p：气体通过旋风分离器时，由于进出口、旋转运动以及对器壁的摩擦等产生能量损失，造成气体的压强降低。仿照局部能量损失的计算方法表示为：式中：ζ－旋风分离器的阻力系数。〖说明〗同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器，ζ为常数，不因尺寸而变。标准型ζ=8一般△p=500～2000Pa，其大小为评价旋风分离器性能好坏的一项重要指标。〖总结〗

影响旋风分离器性能的因素中，物系条件及操作条件是主要的。颗粒密度大、粒径大、进口气速高及粉尘浓度高，均有利于分离。但气速过高，易使湍流加剧，不利于分离，且增加压强降，故进口气速在10～25m/s范围内为宜。粒径大，对器壁的磨损较严重，使旋风分离器的使用寿命减少，故分离粒径在5～200μm为宜。三、旋风分离器的型式

旋风分离器的分离效果和压强降与其结构型式关系较大，为提高分离效果，降低压强降，在旋风分离器的结构设计中，主要改进方面为：①进气方式，为保证高速气流进入时形成比较规则的旋转流，减少局部涡流或改善涡流的影响而对切向进口方式进行改进；②优化主体结构与各部分尺寸比例，根据流场与颗粒的流动规律设计旋风分离器结构，采用细而长的器身提高分离效率；③改进下灰口，防止将已沉集下来的粉尘重新扬起。目前旋风分离器已定型化，如CLT，CLT/A，CLP/A，CLP/B，CLK型等。一般型式的代号为：C—除尘器，L—离心，T—筒式，P—旁路式，K—扩散式，A、B为产品代号。其性能见书中表3-2,3-3,3-4，现列举几种常见的类型。

(1)CLT/A型

这是具有倾斜螺旋面进口的旋风分离器，结构如图。气流进口管与水平面呈15°角，并带有螺旋型导向顶盖，以防止向上气流碰到顶盖时形成上部涡流，从而使部分灰尘被此气流夹带沿排气管外壁下降时，由排气管排出，其阻力系数ζ=5.0～5.5。(2)CLP型

用蜗壳式进气口，进气口位置低且带有旁路分离室，结构见图。可使在旋风分离器的顶盖下面强烈旋转的粉尘环经过旁路分离室向下运动而使细粒粉尘得到进一步分离，提高了分离效率。根据旁路分离室的形状不同，分为A、B两种型式，其阻力系数ζ=4.8～5.8。(3)CLK型(扩散型)

筒体下部为一倒锥形，并在底部装有倒置的顶部开孔的漏斗形挡灰盘，其下沿与四壁底圈留有齿缝，如图。这种结构的作用是防止返回气流将落下的粉尘重新卷起，因而提高了除尘效率，尤其对直径10μm以下颗粒，效果更为明显，它适用于净化颗粒浓度高的气体。四、旋风分离器的选用和计算

已知内容：气体流量Vs(m3/s)，含尘量C1(g/m3)，粉尘的粒度分布，除尘要求，压强降

计算内容：旋风分离器的型式，直径和个数一般步骤如下：(1)根据粉尘的性质，选择旋风分离器的型式；(2)根据要求的除尘效率和粉尘粒度分布，计算临界直径dc或分割粒径d50；(3)根据允许的压强降确定气体进口速度ui；(4)根据ui与dc(或d50)计算旋风分离器直径D；(5)根据D与ui计算每个旋风分离器的处理量，确定旋风分离器台数；(6)对除尘效率与压强降进行校核。并联使用：阻力相同，风量均分串联使用：阻力均分，风量相同

旋风分离器选用示例例3-3烟气中所含粉尘粒度分布如下表：0.020.050.140.380.190.120～55～1010～1515～2020～2525～30质量分率粒径/μm0.050.030.010.0130-4040-5050-6060-70质量分率粒径/μm

操作条件下气体的流量为7200m3/h,密度为0.43kg/m3，粘度为3.6×10-5Pa·s,粉尘密度为2000kg/m3，采用标准型旋风分离器进行分离，要求除尘效率达到88%，压强降低于700Pa,试确定旋风分离器的尺寸与台数。解：(1)计算分割粒径d50。采用试差法，设d50＝5.4μm，由图3-10ηp～di/d50曲线查得粒级效率ηp，并计算总效率ηo,计算结果如下表：

颗粒直径μm平均直径di,μm质量分率xi

di/d50

粒级效率ηpixiηpi

0～55～1010～1515～2020～2525～3030～4040～5050～6060～702.57.512.517.522.527.5354555650.020.050.140.380.190.120.050.030.010.010.461.392.313.244.175.096.488.3310.1912.040.180.660.840.900.940.960.991.001.001.000.00360.03300.11760.34200.17860.11520.04950.030.010.01Σ1.000.8895因计算总效率ηo=Σxiηpi=88.95%>88%,可见所设正确。∴d50=5.4μm(2)确定气体进口速度ui取ζ=8(3)计算旋风分离器直径D：(4)计算所需旋风分离器的台数n：对标准型：B=D/4=0.45/4=0.1125mh=D/2=0.225m直径为0.45m的旋风分离器每台处理量为:VS′=uiBh=20.2×0.1125×0.225=0.51m3/s

取n=4，