天津大学化工原理第15讲离心沉降

1、第第15讲讲 3.2.2 离心沉降离心沉降教学目的：教学目的：掌握离心沉降的操作原理、典型设备的掌握离心沉降的操作原理、典型设备的 结构特性，能够根据生产工艺的要求，结构特性，能够根据生产工艺的要求， 合理选择设备。合理选择设备。教学内容：教学内容：离心沉降离心沉降教学重点：教学重点：旋风分离器的分离原理及设计计算旋风分离器的分离原理及设计计算教学难点：教学难点：旋风分离器的串联与并联旋风分离器的串联与并联1.离心沉降速度离心沉降速度ur 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程。适宜于分离依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程。适宜于分离两相密度差较小，颗粒较细（两相密度差较小，颗粒较细（d5md

2、5m）的非均相物系。）的非均相物系。326TbduFR向心力向心力：2242rDduF阻力阻力：326TCsduFR惯性离心力惯性离心力：3222642TrsduduR243sTrduuR3.2.2 离心沉降离心沉降R1R2RTuru24etR对细小颗粒，其沉降多处于对细小颗粒，其沉降多处于Stokes区（区（Ret1），将），将2218sTrduuR代入，得离心沉降速度：代入，得离心沉降速度：注意：注意： 1）ur不是一个恒定值，不是一个恒定值，ur 随转速随转速n、半径、半径R而变，而变，n或或R，ur。 2） ur是颗粒运动的绝对速度在径向上的分量，且方向是颗粒运动的绝对速度在径向上的分

3、量，且方向沿径向向外。沿径向向外。(3-22)操作条件一定时，操作条件一定时，u ut t恒定，而恒定，而u ur r不是恒定值。不是恒定值。3）、分离因数）、分离因数Kc离心力场强度离心力场强度/ /重力场强度重力场强度2rTctuuKugR4）、比较）、比较ut与与ur形式相同。形式相同。注：注：KcKc的大小是反映离心分离设备的重要指标之一。的大小是反映离心分离设备的重要指标之一。218stgdu2218sTruduR 原因：重力场中，颗粒所受的重力固定，而离心力场中，原因：重力场中，颗粒所受的重力固定，而离心力场中，颗粒的离心力由旋转而产生，转速愈大，离心力愈大。颗粒的离心力由旋转而产

4、生，转速愈大，离心力愈大。 旋风分离器是利用惯性离心力的旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。作用从气流中分离出尘粒的设备。2、 旋风分离器的操作原理旋风分离器的操作原理 以圆筒直径以圆筒直径D为参数，其它尺寸为参数，其它尺寸都与都与D成一定比例。成一定比例。 (1) 结构特征结构特征外形：圆筒形外形：圆筒形+ +圆锥形圆锥形“标准型旋风分离器标准型旋风分离器”h=D/2B=D/4D1=D/2H1=2DH2=2DS=D/8D2=D/4(2) 操作原理操作原理 1）含尘气体从圆筒上侧的进气管以）含尘气体从圆筒上侧的进气管以切线方向进入，获得旋转运动，分离粉切线方向进入，获得旋

5、转运动，分离粉尘后从圆筒的排气管排出。尘后从圆筒的排气管排出。双螺旋运动：双螺旋运动：外（向下）旋流外（向下）旋流+ +内（向上）旋流内（向上）旋流 2）静压分布：器壁附近压力最高，）静压分布：器壁附近压力最高，仅稍低于气体进口处压力，往中心逐渐仅稍低于气体进口处压力，往中心逐渐降低，低压气芯一直延伸至器底的出灰降低，低压气芯一直延伸至器底的出灰口，甚至比外界压强还小。口，甚至比外界压强还小。 主要性能指标：颗粒从气流中的分离效果和气体经过旋主要性能指标：颗粒从气流中的分离效果和气体经过旋风分离器的压强降。风分离器的压强降。3、旋风分离器的性能、旋风分离器的性能 定义：理论上在旋风分离器中能被

6、完全分离下来的最小定义：理论上在旋风分离器中能被完全分离下来的最小颗粒直径。颗粒直径。dcdc是判断分离效率高低的重要依据。是判断分离效率高低的重要依据。1) 临界粒径临界粒径dc 推导：简化假定进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路推导：简化假定进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路路线作等速运动，且切向速度恒等于进气口气速，即路线作等速运动，且切向速度恒等于进气口气速，即u uT T = u= ui i 。22221818mmtrsisiBRBRBududu沉降时间：沉降时间：颗粒在层流区作自由沉降。颗粒在层流区作自由沉降。颗粒向器壁沉降时颗粒向器壁沉降时, ,其沉降距离为整个进气口宽度其沉降距离

7、为整个进气口宽度B B。注意点：注意点： 标准型：标准型：Ne=5；一般：；一般：Ne=0.53.0。 dc随随B而增大。因此，分离效果随分离器尺寸增大而下而增大。因此，分离效果随分离器尺寸增大而下降。所以，当气体处理量较大时，常将若干个小尺寸的旋风降。所以，当气体处理量较大时，常将若干个小尺寸的旋风分离器并联使用，以维持较高的除尘效率。分离器并联使用，以维持较高的除尘效率。t分离条件分离条件：22218memisiR NBRudu即即：99esiiesBdNuBuNc 即 d得得：临界粒径临界粒径2meiR Nu停留时间：停留时间： 令气流的有效旋转圈数为令气流的有效旋转圈数为Ne，则气流在

8、器内的运行距离，则气流在器内的运行距离为为2RmNe， （1 1）总效率总效率 （2 2）分效率，又称粒级效率）分效率，又称粒级效率 2) 分离效率分离效率0p 定义：总效率指进入旋风分离器的全部颗粒中被分离下定义：总效率指进入旋风分离器的全部颗粒中被分离下来的质量分数。来的质量分数。1201CCC定义：粒级为定义：粒级为d di i的颗粒被旋风分离器除掉的分率。的颗粒被旋风分离器除掉的分率。121iipiiCCC相互关系：相互关系：1120111()nipiiiipiiCCCxCC工业上常把粒级效率工业上常把粒级效率d绘制成粒径比绘制成粒径比di/d50的函数曲线。的函数曲线。分割粒径分割粒

9、径d50粒级效率恰为粒级效率恰为50%的颗粒直径。的颗粒直径。标准型：标准型：50922cesidBdNu500.27()isDduB=D/4 ，Ne=5 优点：同一结构形式且尺寸比例相同的旋风分离器，优点：同一结构形式且尺寸比例相同的旋风分离器，其其p pd di i/d/d5050曲线可通用。曲线可通用。粒级效率曲线粒级效率曲线粒级效率粒级效率d与颗粒直径与颗粒直径di的对应关系曲线称为粒级效率曲线。的对应关系曲线称为粒级效率曲线。标准型旋风分离器的标准型旋风分离器的pd/d50曲线曲线3) 压强降压强降P22iuP 设计时可根据允许的压强降设计进口气速。设计时可根据允许的压强降设计进口气

10、速。01;1 (1)niippN 串联时，每台的串联时，每台的V Vs s相同，相同，说明：说明： 并联时，每台并联时，每台PP相同，相同，01;sisiVVN一般：一般：P值：值：5002000Pa；：5.08.0 标准型：标准型：=8.0 ； ui1025m/s为宜。为宜。 例例3-5 用标准旋风分离器除去气流中所含固体颗粒。已用标准旋风分离器除去气流中所含固体颗粒。已知固体密度为知固体密度为1100kg/m3、颗粒直径为、颗粒直径为4.5m ；气体密度为；气体密度为1.2kg/m3、黏度为、黏度为1.810-5Pas、流量为、流量为0.40m3/s；允许压强降；允许压强降为为1780Pa

11、。试估算采用以下各方案时的设备尺寸及分离效率。试估算采用以下各方案时的设备尺寸及分离效率。（1）一台旋风分离器。）一台旋风分离器。（2）四台相同的旋风分离器串联。）四台相同的旋风分离器串联。（3）四台相同的旋风分离器并联。）四台相同的旋风分离器并联。解：解：（1 1）一台旋风分离器）一台旋风分离器, , =8.0 2217808.0 1.219.26/22iiiuupum s 故直径为：故直径为：88 0.400.40819.26siVDmu旋风分离器进口截面积为：旋风分离器进口截面积为： hB=D2/8 hB=Vs/ui同时同时55061.8 100.4080.270.2719.26 110

12、0 1.25.029 105.029isDdumm504.50.89485.029idd分割粒径为：分割粒径为：查图查图3-9，得，得44%h=D/2B=D/4D1=D/2H1=2DH2=2DS=D/8D2=D/4 当四台相同的旋风分离器串联时，若忽略级间连接管的当四台相同的旋风分离器串联时，若忽略级间连接管的阻力，则每台旋风分离器允许的压强降为：阻力，则每台旋风分离器允许的压强降为：117804454pPa （2 2）四台旋风分离器串联）四台旋风分离器串联则各级旋风分离器的进气口气速为：则各级旋风分离器的进气口气速为：22 4459.63/8.0 1.2ipum s每台旋风分离器的直径为：每

13、台旋风分离器的直径为： 88 0.400.57659.63siVDmu56501.8 100.57650.278.46 108.469.63 1100 1.2dmm504.50.5328.46idd411 0.2263% ,查图查图3-9得每台旋风分离器的效率得每台旋风分离器的效率为为22%，则串联四级旋风分离器的总效率为：，则串联四级旋风分离器的总效率为： 又又:（3 3）四台旋风分离器并联）四台旋风分离器并联 当四台旋风分离器并联时，每台旋风分离器的气体流量为当四台旋风分离器并联时，每台旋风分离器的气体流量为3110.40.1/44isVVms 每台旋风分离器的允许压强降仍为每台旋风分离器

14、的允许压强降仍为1780Pa，则进口气速仍为：，则进口气速仍为：8 0.10.203819.26Dm因此每台分离器的直径为：因此每台分离器的直径为：22 178019.26/8.0 1.2ipum s56501.8 100.20380.273.55 103.5519.261100 1.2dmm504.51.2683.55idd查图查图3-103-10得得=61%=61%0.5765Dm串0.2038Dm并并并=61%63%串 结论：结论：串联与并联的效率相当，但并联时设备小、投资省。串联与并联的效率相当，但并联时设备小、投资省。提高旋风分离器分离效率和降低气流阻力的措施：提高旋风分离器分离效率

15、和降低气流阻力的措施： 1 1）采用细而长的器身。）采用细而长的器身。D可增大惯性离心力，可增大惯性离心力，H可延长停留时间。可延长停留时间。 2 2）减小涡流的影响。）减小涡流的影响。上涡流：采用带有旁路分离室或采用异形进气管。上涡流：采用带有旁路分离室或采用异形进气管。内旋流：采用扩散式旋风分离器内旋流：采用扩散式旋风分离器 此外，排气管和灰斗尺寸的合理设计都可使除尘效率提高。此外，排气管和灰斗尺寸的合理设计都可使除尘效率提高。 气体进口方式：气体进口方式：a a、切向进口；、切向进口；b b、倾斜螺旋面进口；、倾斜螺旋面进口；c c、蜗壳形进口；蜗壳形进口；d d、轴向进口等。、轴向进口

16、等。4、 旋风分离器的结构形式与选用旋风分离器的结构形式与选用（1 1） 旋风分离器的结构形式旋风分离器的结构形式XLT/A型型 XLP/B型型 XLK型型(扩散式扩散式) 方法：先选定型式，而后通过计算决定尺寸与个数。方法：先选定型式，而后通过计算决定尺寸与个数。（2 2）旋风分离器的设计与选型）旋风分离器的设计与选型设计计算（或选型）依据有三个方面：设计计算（或选型）依据有三个方面：1 1）含尘气体的体积流量。）含尘气体的体积流量。2 2）要求达到的分离效率。）要求达到的分离效率。3 3）允许的压强降）允许的压强降PP。缺点：对气流的阻力较大。缺点：对气流的阻力较大。（3 3）适用范围及优、缺点）适用范围及优、缺点 适用于分离较小的颗粒，但不宜用于粘性粉尘、含湿量高适用于分离较小的颗粒，但不宜用于粘性粉尘、含湿量高的粉尘以及腐蚀性粉尘。的粉尘以及腐蚀性粉尘。 优点：结构简单、造价低，无活动部件