第三章 离心沉降

第三章离心沉降第1页，共34页，2023年，2月20日，星期三离心加速度（离心力场强度）一离心沉降速度直径为d的球形粒子在流体中作匀速圆周运动，切线速度为uT；

径向速度ur；旋转半径为R粒子密度为ρs；流体密度为ρ1球形颗粒的离心沉降速度

惯性离心力（与重力相当）:向心力(与重力场中的浮力相当):阻力(与颗粒径向运动方向相反):径向受力分析（指向中心）（指向中心）ur

uTuR（中心指向外周）第2页，共34页，2023年，2月20日，星期三三力达到平衡，则：平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度（绝对速度在径向上的分量）。——离心沉降速度表达式——重力沉降速度表达式两者区别在于加速度的不同，一个是“ut2/R”，一个是“g”

。第3页，共34页，2023年，2月20日，星期三重力场离心力场力场强度重力加速度gut2/R

方向指向地心沿旋转半径从中心指向外周Fg=mg

作用力惯性离心力场与重力场的区别沉降速度恒定变化第4页，共34页，2023年，2月20日，星期三2离心分离因数离心沉降时，如果颗粒与流体的相对运动属于滞流，阻力系数ξ亦可用重力沉降中ξ关系式表达，则：同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为：

比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比称为离心分离因数。

第5页，共34页，2023年，2月20日，星期三例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度uT=20m/s时，求分离因数。

分离因数是离心分离设备的重要指标。某些高速离心机分离因数值可高达数十万。旋风或旋液分离器的分离因数一般在5～2500之间。表明离心沉降速度是沉降速度的百倍，因此离心沉降设备分离效果远高于重力沉降设备。第6页，共34页，2023年，2月20日，星期三二旋风分离器利用惯性离心力从气流中分离出尘粒的设备第7页，共34页，2023年，2月20日，星期三外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)含尘气体固相净化气体外旋流内旋流含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。1操作原理含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动。颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离。在圆锥部分，旋转半径缩小而切向速度增大，气流作下螺旋运动。在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出；固相沿内壁落入灰斗。第8页，共34页，2023年，2月20日，星期三第9页，共34页，2023年，2月20日，星期三分离器内的静压强在器壁附近最高，仅稍低于气体进口处的压强，往中心逐渐降低，在气芯处可降至气体出口压强以下。旋风分离器内的低压气芯由排气管入口一直延伸到底部出灰口。注意密封。旋风分离器分离粒径范围：5－200μm不适于：黏性粉尘、含湿量高粉尘、腐蚀性粉尘

第10页，共34页，2023年，2月20日，星期三2性能

评价旋风分离器性能的主要指标是尘粒从气流中的分离效果（临界粒径和分离效率）及气体经过旋风分离器的压强降。

1）临界粒径理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径。a)进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运动，且切线速度恒定，等于进口气速uT=ui；表示c)

颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用

b)

颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度B第11页，共34页，2023年，2月20日，星期三Dρ<<ρS，故ρ可略去，而旋转半径R可取平均值Rm，并用进口速度ui代替uT。气流中颗粒的离心沉降速度为：颗粒到达器壁所需要的时间：令气流的有效旋转圈数为Ne，它在器内运行的距离便是2πRmNe，则气体停留时间为：第12页，共34页，2023年，2月20日，星期三θt＝θ时，该颗粒就是理论上能被分离下来的最小颗粒(dc

)影响临界粒径的因素a)即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。c)入口气速ui愈大，dc愈小。ui↑→dc↓Ｂ↑→dc↑b)Ne↑→dc↓细长形有利d)

ρS↑→dc↓

第13页，共34页，2023年，2月20日，星期三

一般旋风分离器是以圆筒直径D为参数，其它尺寸都与D成一定比例。Ne的数值一般为0.5～3.0，对标准旋风分离器，可取Ne=5。标准旋风分离器的尺寸H1H2SBDD1hui

增加旋风分离器尺寸虽然可以加大处理量，但是会导致其临界粒径的降低，因此一般不采用。第14页，共34页，2023年，2月20日，星期三2）分离效率总效率ηo：

进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分数C1、C2分别为旋风分离器进、出口气体含尘浓度，g／m3总效率不能表明旋风分离器对各种尺寸粒子的不同分离效果第15页，共34页，2023年，2月20日，星期三粒级效率ηp,i：进入旋风分离器的平均粒径为di的颗粒被分离下来的质量分数

粒级效率ηp,i与颗粒直径di的对应关系可通过实测得到，称为粒级效率曲线。dp,i<dc，ηp,i＝0dp,i>dc，ηp,i＝100理论上第16页，共34页，2023年，2月20日，星期三dp,i<dc，

也有较可观的分离效果dp,i>dc，

还有部分未分离下来实际上直径小于dc的颗粒中有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面，在停留时间内能够达到壁面上；有些在器内聚结成了大的颗粒，因而具有较大的沉降速度直径大于dc的颗粒中气体涡流的影响，可能没达到器壁；即使沉到器壁也会被重新扬起第17页，共34页，2023年，2月20日，星期三有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲线，d50为粒级效率为50%的颗粒直径，称为分割粒径。对于同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通用一条ηp

～d/d50曲线。旋风分离器总效率不仅取决于颗粒的粒级效率，而且取决于尘粒的粒度分布。xi－粒径在第i段的颗粒的质量分数ηp,I－第i段粒径范围内颗粒的粒级效率n－全部粒径被划分的段数对于标准旋风分离器第18页，共34页，2023年，2月20日，星期三3）压强降气体通过旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力以及气体旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降，旋风分离器的压降一般在500～2000Pa内。ξ:阻力系数，同一结构型式及尺寸比例旋风分离器的ξ为常数，不因尺寸大小而变。标准型，ξ＝8.0

第19页，共34页，2023年，2月20日，星期三综上所述，影响旋风分离器性能（分离性能及压降）的重要因素为物系性质及操作条件：1）ρs↑、d↑、ui↑及粉尘浓度高（利于颗粒的聚结、抑制气体涡流使阻力下降）等情况均有利于分离2）进口气速ui稍高有利于分离，但过高则导致涡流加剧，反不利于分离，徒然增大压强降。故旋风分离器的进口气速保持在10～25m／s范围内为宜实际应用中，常采用多级串、并联操作来提高分离效率和处理能力每台分离器的压强减小每台分离器的流量减小第20页，共34页，2023年，2月20日，星期三例某含尘空气中微粒的密度为1500Kg/m3

温度为70℃，常压下流量为1200m3/h，现采用筒体直径400mm的标准旋风分离器进行除尘，试求能分离出尘粒的最小直径。查温度70℃的空气解：第21页，共34页，2023年，2月20日，星期三3选型与计算旋风分离器的结构设计，主要针对提高分离效率或降低气流阻力：a采用细而长的器身器身直径↓→惯性离心力↑，增加器身长度↑→气体停留时间↑b减小涡流的影响上涡流产生：气体进入向顶盖流动沿排气管向下流动排气管底部汇入上升的内旋气流上涡流1)旋风分离器的类型c防止粉尘重新扬起：改进下灰口（扩散式）采用带有旁路分离室或采用异形进气管（倾斜螺旋进气口）的旋风分离器含尘气体第22页，共34页，2023年，2月20日，星期三2)旋风分离器的选用旋风分离器计算的主要依据有三方面:含尘气的体积流量；要求达到的分离效率；允许的压强降旋风分离器实际选用步骤为a)根据具体情况选择合适的型式，选型时应在高效率与低阻力者之间作权衡，一般长、径比大且出入口截面小的设备效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。

b)根据允许的压降确定气体在入口的流速ui

c)根据分离效率或除尘要求，求出临界粒径dC

d)根据ui和dc计算旋风分离器的直径D

e)根据ui与D计算旋风分离器的处理量，再根据气体流量确定旋风分离器的数目。

f)校核分离效率与压力降

第23页，共34页，2023年，2月20日，星期三

例：气体中所含尘粒的密度为2000kg/m3，气体的流量为5500标m3/h，温度为500℃，密度为0.43kg/m3，粘度为3.6×10-5Pa.s，拟采用标准形式的旋风分离器进行除尘，要求分离效率不低于90%，且知相应的临界粒径不大于10μm，要求压降不超过700Pa，试决定旋风分离器的尺寸与个数。

ξ=8.0

解：根据允许的压强降确定气体在入口的流速ui第24页，共34页，2023年，2月20日，星期三按分离要求，临界粒径不大于10μm，故取临界粒径dc=10μm来计算分离器的尺寸。由ui与dc计算DN=5第25页，共34页，2023年，2月20日，星期三旋风分离器的直径：D=4B=4×0.196=0.78m根据D与ui计算每个分离器的处理量，再根据气体流量确定旋风分离器的数目。每个旋风分离器的气体处理量为：含尘气体在操作状况下的总流量为：进气管截面积第26页，共34页，2023年，2月20日，星期三所需旋风分离器的台数为：为满足规定的气体处理量、压强降及分离效率三项指标，需要直径不大于0.78m的标准分离器至少三台，为了便于安排，现采用四台并联。

为了保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10μm。校核压强降与分离效率四台并联时，每台旋风分离器分摊的气体处理量为：

第27页，共34页，2023年，2月20日，星期三校核ΔP

若D再增大，则dc会增大，分离效率会下降第28页，共34页，2023年，2月20日，星期三Δp=700Pa校核临界粒径从维持指定的最大允许压降数值为前提，求得每台旋风分离器的最小直径。若D再减小，则ui会增大，ΔP就会超过允许值第29页，共34页，2023年，2月20日，星期三根据以上计算可知，当采用四个尺寸相同的标准型旋风分离器并联操作来处理本题中的含尘气体时，只要分离器在（0.654～0.695m）范围内，便可同时满足气量、压强降及效率指标。倘若直径D>0.695m，则在规定的气量下不能达到规定的分离效率。倘若直径D<0.654m，则在规定的气量下，压降将超出允许的范围。第30页，共34页，2023年，2月20日，星期三结构滤袋、骨架、机壳、清灰装置、灰斗、排灰阀。2.工作过程含尘气体进入袋滤器；气体通过滤袋，经顶部排出；灰尘被截留；聚集一定厚度灰尘后，压缩空气通入，滤袋振动，灰尘落下；灰尘经过排灰阀排除。灰尘净化气体含尘气体压缩空气骨架滤袋机壳清灰装置排灰阀灰斗三袋滤器