化工设备选型欲工艺设计第二章收尘设备.doc

化工设备选型与工艺设计 第二章 收尘设备第二章 收尘设备2.1 收尘设备的用途与分类2.1.1 收尘设备1 气固分离将气体中悬浮的固体颗粒从气体分离的单元操作，就是气固分离，是化工生产和环境保护的重要单元操作。2 收尘设备是一类从气体中收集、分离或除去固体颗粒的机械设备，它的理论基础是两相流体力学。3 气固分离及其设备的分类 气固分离的分类 按分离原理分： a. 重力沉降 b. 惯性分离气固分离 c. 旋风分离 d. 静电除尘 e. 湿式洗涤 f. 过滤 气固分离设备的分类及性能 a. 重力沉降室 b. 惯性分离器气固分离设备 c. 旋风分离器 d. 布袋过滤器 e. 电除尘器 f. 湿式洗涤器 其主要性能见表2-1。表2-1 主要气固分离设备的性能 气固分离设备的选择a. 选择气固分离方法的依据 气体的处理量、粒子的大小及特性、允许的压力降及要求达到的分离效率。b. 气固分离设备的选择依据要综合考虑多种因素。在分离效率确定以后，可根据设备、气流和颗粒的特性对不同的分离设备进行评定，对技术上可行的多种方案进行成本比较，确定设备。2.1.2 颗粒的物理性质 密度 真密度：不包括颗粒间空隙的单位体积内颗粒的质量； 表观密度：呈自然扩散状态，包括颗粒间气体空隙在内的单位体积颗粒的质量。 磨损性颗粒对器壁的磨损性与气流速度的23次方成正比。 润湿性颗粒对液体的亲合程度取决于颗粒的性质、液体的表面张力、颗粒与液体间的粘附力及相对运动速度。各种湿式除尘器依靠颗粒的润湿性捕集粉尘。 粘附性 颗粒附着在固体表面或彼此相互碰撞而凝聚的现象。 安息角 颗粒堆成的自然倾斜角，一般为3540o，设计时应是管道或料仓的倾斜角大于安息角。 荷电性 颗粒在生成和处理过程中，都可能是颗粒带有一定量的电荷。 爆炸性 某些颗粒在空气中达到一定浓度时，具有爆炸性。2.2 旋风分离器的设计2.2.1 旋风分离器的构造与性能1 旋风分离器的构造旋风分离器利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备，也就是利用旋转气体流的离心力使尘粒从气流中分离出来。结构如图所示2-1所示，主体上部为圆筒形，下部为圆锥形。图2-1 旋风分离器的结构简图2 分离过程含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入器中，因受器壁约束，旋转向下作螺旋流动，到圆锥部分，由于旋转半径缩小而切向速度增大，到圆锥的底部附近，转变为上升气流，最后由上部出口管排出。颗粒在旋转的气流中，由于离心力作用甩向筒壁集结成团，与气流分开，沿壁面落入锥底的灰斗而被排出。如图2-2所示。图2-2 旋粉分离器的气流示意图3 分类a. 按气体流动状态分： a. 直流式旋风分离器 b. 回流式 c. 旋流式 d. 平旋式其流型与结构形式如图2-3所示。图2-3旋风分离器的气流与结构形式b. 按产品的标准化来分可分为标准型和非标准型两大类。一般旋风分离器都以圆筒直径D为基本参数，其他尺寸都与D成一定比例。（1）标准分离器，是指各部分尺寸与除尘器筒体的直径D比例是标准化的，即：筒体直径 D 筒体长度 H1 = 2 D锥体长度 H2 = 2 D进口高度 h = D / 2进口宽度 B = D / 4排气管直径 D1 =D/2灰尘出口直径 D2=D/4 S=D/8 图2-4 标准型旋风分离器（2） 对于非标准的旋风分离器，各部分主要尺寸与标准型的不同，其相互比例关系如下：1) 筒体直径筒体直径D愈小，除尘效率愈高，但一般不小于150mm，最大不宜超过1100mm，以免除尘效率下降太大，但大流量旋风除尘器筒体直径D有达到3.0m以上的，筒体高度一般取2 D。2）入口尺寸以宽度B、高度h的矩形面入口，一般取h/B=24。3）排气筒圆筒形排气管D1愈小，除尘效率愈高，一般取D1=(0.40.6) D，且与除尘器筒体同心，其插入深度稍低于进气口底部，以防气流短流。4）锥体锥体高度H2增加，有利于降低除尘器阻力和提高除尘效率。当H2增加到3.2时，效率提高不明显。因此，一般取H2为13 D。5）排尘口排尘口直径D2过小时，易发生堵塞；过大时，灰斗中尘粒易被气流卷走。一般取D2为(1/31/2) D，并大于70mm。4 主要优缺点 优点a. 设备结构简单、紧凑；b. 造价低、维修方便；c. 占地面积小；d. 能耐高温与高压;e. 适于灰尘浓度高、高温、高压的含尘气体（常作为电除尘和袋式除尘器的前级除尘和保护装置）f. 有效除去10m以上的尘埃，除尘效率在80%以上;g. 没有活动部件，可用多种材料制造，条件范围宽广。 缺点a. 捕集微细粉尘效率低；b. 除尘效率随气体流量和粉尘含量的变化而变化；c. 对气体流动的阻力比较大；d. 处理有磨蚀性的颗粒时易被磨损。2.2.2 旋风分离器的设计参数及步骤 1 主要性能参数（1） 临界直径旋风分离器的性能是以它能够分离出的颗粒大小来表示。有两种表示方法：a. 临界直径dc能够分离的最小颗粒的直径，公式如下：b. 分割直径d50器内有50%机会达到筒壁落下又有50%机会被气流带入排气管而不能分离的颗粒直径，公式如下：式中：N为尘粒在器内旋转的次数，一般情况下，Ne为0.53，对标准式旋风分离器，可取N=5； 为气体入口速度，m/s; 为尘粒密度，kg/m3; B为旋流器矩形进口宽度，m; 为气体的粘度，Pas(2) 分离效率有两种表示方法：粒级效率和总效率。粒级效率：按颗粒大小分别表示出其被分离的分率（一般按质量分率计），计算公式如下：式中：为颗粒进入时与筒壁的距离；为进口宽度；和分别为粒径和临界直径。旋风分离器的总效率，不仅取决于各种尺寸范围颗粒的粒级效率，而且还取决于气流中所含尘粒的粒度分布，如果已知气体含尘的粒度分布数据和粒级效率，则可按下式计算总效率，即 式中：xi粒径在第i段范围内颗粒占全部质量分率； pi第i段粒径范围内的颗粒的粒级效率； n全部粒级被划分的段数。具体的计算方法如下：对于标准型的旋风分离器，其粒级效率可采用以下的曲线图2-5进行计算。一般在实际过程中，可以测定出一系列一定粒径范围的颗粒的质量分数（如采用光透式的粒度仪），再计算出每粒径范围的平均直径d，然后算出d/dc，再从上图查出对应的粒级效率，按式2-5求和即得。图2-5 粒级效率与d/dc 的关系 (3) 压强降气体流经旋风分离器时，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和气体旋转运动所产生的动能损失等，造成气体的压强降。可把旋风分离器的压强降看作与进口气体动压成正比，即 式中。为阻力系数，常用下式计算： 式中：K为比例系数，标准型切向进口，K=16；有进口叶片的进口，K=7.5；螺旋面进口，K=12。对于同一个结构型式及尺寸比例的旋风分离器，为常数，不因设备的大小而变化，例如，标准型旋风分离器，其阻力系数=8.0。旋风分离器的压强降一般为0.52kPa。压强降与进口气速有关，旋风分离器的进口气速在1025m/s范围，气速过低则离心力小，收尘效率不高，气速过大则压强降增大，消耗操作费用多，而且涡流加剧，不利于分离。(4) 生产能力旋风分离器的生产能力，用单位时间内处理的含气体量Vs(m3/s)表示，可按气体进口面积乘以进口气速计算： Vs = hBui （2-8）2 设计步骤（1） 计算要求达到的除尘效率 cj、cp分别为入口和要求的出口含尘浓度。（2） 选取除尘器的结构形式（3） 根据除尘器的分级效率d和粉尘粒径概率分布，计算能达到的总效率（指的是进入旋风分离器的全部粉尘中实际上能被分离出来的质量分率）。若时，满足设计要求；否则要选用高性能的除尘器或改变运行参数。 式中：、分别为粒径范围内出口和入口浓度。（4） 选定除尘器的型号、规格若超出样本的范围，可相似放大结构尺寸，并计算放大后的除尘器效率。则符合要求，否则重新设计计算。（5） 计算运行条件下的压头损失和消耗功率压头损失是除尘器进、出口处的气流全压差，表示气体流经除尘器所消耗的机械能。计算公式如下：对于标准型的可采用经验式计算：或用系数法，具体方法如下：或用气体流量来表示：消耗功率为： （2-15）对标准型分离器：式中：为气体密度； h为气体矩形进口高度； B为气体矩形进口宽度；为筒体出口直径； 为筒体直径； C为系数，从图2-6可查得。图2-6 方程中常数C2.2.3 设计实例1 旋风分离器的选择例2-1气流中所含尘粒的密度为2000kg/m3,气体的流量为5500m3(标准)/h，温度为500，密度为0.43 kg/m3，粘度为3.610-5Pas。拟采用标准型旋风分离器收尘，要求分离效率不低于90%，已知相应的临界粒径不大于10m，并要求压强不超过700Pa，试确定旋风分离器的尺寸和台数。解：(1) 初算已知标准型旋风分离器的阻力系数=8.0，依题意，允许压强降P为700 Pa，可得旋风分离器的最大进口速度：按照要求的分离效率，临界粒径不大于10m，而气流回转圈数N值可取为5，求得进气管宽度： 旋风分离器的直径为： D=4B=40.196=0.78(m)一个旋风分离器的处理量为： 式中：h为旋风分离器入口管高度，h=D/2。含尘气体在工况下的总流量为：所需旋风分离器的台数为：上面初算结果表明，满足处理量、压强降和分离效率的旋风分离器为三台直径小于0.78m标准型旋风分离器。为了便于布置安装，决定采用四台并联操作，故需复算。(2) 复算复算按四台进行，具体步骤如下： 从分离效率和处理量求旋风分离器直径每个旋风分离器的处理量为：旋风分离器的临界粒径为：标准式效率90%，其临界粒径为10m，即 (a)标准式旋风分离器的入口宽度为： (b)标准式旋风分离器的入口高度为 (c)含尘气体在旋风分离器入口的流速为： (d)联立(a)、(b)、(c)、(d)四式，解得D=0.695m，ui=17.9m/s。校核压强降： 从允许压强降和处理量求旋风分离器直径在初算中，已获得允许压强降时含尘气体的入口速度 ui = 20.2 (m/s) (e)联立(b)、(c)、(d)、(e)四式，解得D=0.654m。校核临界粒度：根据复算可知，直径在0.6540.695m的四台标准型旋风分离器并联操作，可满足要求。工艺尺寸标准型旋风分离器如图2-4所示，直径选定后，其他工艺尺寸随之而定，选择计算结果是直径D在0.6540.695m之间，取D=0.68m，则2 旋风分离器的设计例2-2设计一台处理常温、常压含尘空气的旋风分离器。已知处理气量Vs为 1300m3 / h，粉尘密度s为1960 kg/m3，空气密度为1.29 kg/m3，空气粘度为1.810-6Pas，旋风分离器进口处理粉尘浓度为100 kg/m3(标准)，粉尘的粒级分布列于表2-2。 表2-2 粉粒的粒级分布平均粒径dp/m247.5152535455560粒级分布xi/%3111727129.57.56.66.4解：(1) 确定旋风分离器进口气速i旋风分离器进口气速在1025m/s范围，取i = 18(m/s)(2) 确定旋风分离器的工艺尺寸常用旋风分离器如图2-7所示，其工艺尺寸的比例关系于表2-3。表2-3 旋风分离器工艺尺寸的比例关系项目比例关系B(0.20.25)Dh(0.40.75)DD1(0.30.5)Dhc(0.30.75)DH1(1.52.0)DH2(2.02.5)DD2(0.150.4)D1315 图2-7 常用旋风分离器 进口面积： 取h=0.2(m)，B=0.1(m) 筒体尺寸：筒体直径D：取B = 0.25D，则D = 4B = 40.1 = 0.4(m)筒长主H1：取H1= 1.5D = 1.50.4 = 0.6(m) 锥体尺寸：锥体长度H2：取H2= 2.0D = 20.4 = 0.8(m)排气口直径D2：取D2 = 0.25D = 0.250.4= 0.1(m) 出口管寸：出口管直径D1：取D1 = 0.5D = 0. 50.4= 0.2(m)出口管插入浓度hc：hc= 0.4D = 0. 40.4= 0.16(m)(3) 压强降P的计算：阻力系数为：压强降为：(4) 收尘效率 的计算先按旋风分离器进口的粉尘粒级分布xi(% )，求出粒级效率Pi，进一步算xiPi，最后得总收尘效率0(见表2-3)。表2-3 收尘效率计算表小 结选择旋风分离器型式与尺寸的根据：处理量（气体的体积流率），可容许的压力降、粉尘性质、要求的分离效率附为了提高收尘效率，为了减少压强降，已研究出多种旋风分离器，如CLT、CLT/A、D、B、旁路式、扩散式、长锥体等。很多类型都已制订标准系列，具体尺寸可在专著和手册中查得，下面举两种类型扼要介绍。(1) CLT/A型。这是具有倾斜螺旋面进口的旋风分离器，如图2-所示。它的阻力损失比标准型进口的阻力损失小。它的生产能力与压强降列于表2-。按生产能力查此表便可得这类旋风分离器的具体型号和组合型式。(2)扩散型。扩散型旋风分离器如图2-所示，其主要特点是在圆筒以下的部分为倒锥形，并在底部装有挡灰盘，挡灰盘变称反射屏，又叫分隔屏，