化工原理第三章第二节讲稿

2021/8/18第三章非均相物系分离一、离心沉降速度二、旋风分离器操作原理三、旋风分离器的性能

四、旋风分离器的结构型式与选用第二节离心沉降离心沉降：依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。惯性离心力场与重力场的区别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=mgRu

2FC

=

m

t

作用力2021/8/18一、离心沉降速度1、离心沉降速度urRu

2t6rs惯性离心力=pd

3u2t6r

R向心力=

pd

3阻力=4

2pd

2

ru

2rx三力达到平衡，则：u

2t6rs

R

-pd

3u2t6pd

34

22021/8/18=

0pd

2

ru

2rr

R

-x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。s

t3xrR4d

(r

-

r)u

2ur

=2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度数值：重力沉降速度基本上为定值离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在离心力场中的位置而变。2021/8/18Re24阻力系数：层流时x

=

2021/8/18

R

t

sur

=2218md

(r

-

r)

uu

u度的比值为：

r

=

T

=

Kc同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速2ut

gR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。例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度ur=20m/s时，求分离因数。2gRuKc

=

T

=

102二、旋风分离器的操作原理2021/8/182021/8/18三、旋风分离器的性能2021/8/18旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量，分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。1、气体处理量旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在15～25m/s。旋风分离器的处理量

V

=

ui

·

B

·

h2、临界粒径

2021/8/18

u

T

R

sur

=2218md

(r

-

r)表示判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。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。临界粒径的计算式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；颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度B颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用∵ρ<<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。ms

ir气流中颗粒的离心沉降速度为：ud

r

u18mR22=颗粒到达器壁所需要的时间：s

i2021/8/18mrtud

2

r

u

2B

18mR

B=q

=mui2pR

N停留时间为：q

=对某尺寸的颗粒所需的沉降时间θt恰好等于停留时间θ，该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用dc表示这种颗粒的直径，即临界粒径。d

2

r

u

2c

s

i18mRm

B

=

2pRm

Ns

icpNr

uui

9mB

\

d

=——临界粒径的表达式2）临界粒径的影响因素s

icpNr

ua)

由

d

=

9mB

，知d

B2021/8/18c即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。分离效率随分离器尺寸的增大而减小。b)入口气速ui愈大，dc愈小，效率愈高。3、分离效率分离效率总效率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率10Ch

=

C1

-

C2

·100%粒级效率ηpi进入旋风分离器的粒径为di

的颗粒被分离下来的质量分率1i2021/8/18piCh

=

C1i

-

C2i

·100%粒级效率ηpi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。如图，临界粒径约为

10μm。理论上，凡直径大于10μm的颗粒，其粒级效率都应为100%而小于10μm的颗粒，粒级效率都应为零，图中折线

obcd。2021/8/18实测的粒级效率曲线，直径小于10μm的颗粒，也有可观的分离效果，而直径大于dc的颗粒，还有部分未被分离下来直径小于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2021/8/18有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲线，对于标准旋风分离器50i

0u

brd50为粒级效率为50%的颗粒直径，称为分割粒径。

mD

d

=

0.272021/8/184、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，2021/8/18x

ru

2Dp

=

c

i

2对型式不同或尺寸比例不同的设备ξc的值也不同，要通过实验测定，对于标准旋风分离器ξc=8.0。旋风分离器的压降一般在300～2000Pa内。四、旋风分离器的选型与计算2021/8/181、旋风分离器的型式旋风分离器的形式多种多样，主要是在对标准型式的旋风分离器的改进设计出来的。进气口：为了保证高速气流进入旋风分离起时形成较规则的旋转流，减少局部涡流与死角，设计了倾斜螺旋进口，螺壳形进口、轴向进口等。主体结构与各部分尺寸比例的优化：根据流场与颗粒流动规律设计旋风分离器的结构，一般细长的旋风分离器效率高，但超过一定限度，分离效率的提高不明显，而压降却增加。2021/8/18改进下灰口：防止已分离下来的粉尘重新扬起。目前，我国已定型了旋风分离器，制定了标准流型系列，如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B以及扩散式旋风分离器。2、旋风分离器的设计计算例如，已知气体流量VS(m3/s)、原始含尘量C1(g/m3)、粉尘的粒度分布，除尘要求及气体通过旋风分离器允许的压强降，要求选择旋风分离器的形式，确定旋风分离器的直径和个数。步骤：根据具体情况选择合适的型式，选型时应在高效率与地阻力者之间作权衡，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。根据允许的压降确定气体在入口的流速ui根据分离效率或除尘要求，求出临界粒径dC根据ui和dc计算旋风分离器的直径D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。校核分离效率与压力降2021/8/18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0.4

3

kg/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。解：根据允许的压强降确定气体在入口的流速ui2021/8/182ru

2Dp=

x

i

=

700ξ=8.0iu

=2Dpxr8.0

·

0.43=

2

·

700

=

20.2m

/

s按分离要求，临界粒径不大于10

μm，故取临界粒径dc=10μm来计算粒径的尺寸。由ui与dc计算Di

scpNu

rd

=

9mB

=

10

·10-6

mN=59ms

i

cpNr

u

d

2B

==2021/8/18p

·

5

·

2000

·

20.2

·

(10

·10-6

)2

9

·

(3.6

·10-5

)=

0.196m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。进气管截面积22

4

8D2D

DAB

=

·

=

=

0.076m每个旋风分离器的气体处理量为：V

'

=

(AB)uS

i=

0.076·20.2

=1.535m3

/

s含尘气体在操作状况下的总流量为：V2021/8/18S=

5500

·

273

+

500

=

4.32m3

/

s7600

273'=

2.8SV所需旋风分离器的台数为：n

=VS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。校核压力降与分离效率四台并联时，每台旋风分离气分摊的气体处理量为：Vss43'=1.08m

/

sV

=为了保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10μm。s

icpNr

u9mBd

=42021/8/18DB

=D28V

'ABV

'ui

=

s

=

S

D2

8V

'

D

dc

=pNrS

S

9m

4

S

S

c=

0.695mD

=

39m32pr

V

'd

2校核ΔPD28V

'0.6952=

17.9m

/

s8

·1.08ui

=

S

=22ruiDP

=

x22021/8/180.43

·

(17.9)2=

8.0

·

=

550Pa<

700Pa

)或者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。ΔP=700Pa8D2AB

=Vui=20.2m/s'=

S

ui220.21.08=

=

0.0535mD

=

8·0.0535

=