化工原理第三章第二節(jié)

第三章

機(jī)械分離與固體流態(tài)化一、離心沉降速度二、旋風(fēng)分離器操作原理三、旋風(fēng)分離器的性能四、旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)型式與選用第二節(jié)

離心沉降2023/2/1離心沉降：

依靠慣性離心力的作用而實(shí)現(xiàn)的沉降過程

適于分離兩相密度差較小，顆粒粒度較細(xì)的非均相物系。慣性離心力場與重力場的區(qū)別

重力場離心力場力場強(qiáng)度重力加速度gut2/R

方向指向地心

沿旋轉(zhuǎn)半徑從中心指向外周

Fg=mg

作用力

2023/2/1一、離心沉降速度1、離心沉降速度ur慣性離心力=向心力=阻力=

三力達(dá)到平衡，則：2023/2/1平衡時(shí)顆粒在徑向上相對于流體的運(yùn)動(dòng)速度ur便是此位置上的離心沉降速度。2、離心沉降速度與重力沉降速度的比較

表達(dá)式：重力沉降速度公式中的重力加速度改為離心加速度數(shù)值：重力沉降速度基本上為定值離心沉降速度為絕對速度在徑向上的分量，隨顆粒在離心力場中的位置而變。

2023/2/1阻力系數(shù)：層流時(shí)同一顆粒在同一種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值為：比值Kc就是粒子所在位置上的慣性離心力場強(qiáng)度與重力場強(qiáng)度之比稱為離心分離因數(shù)。例如；當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4m，切向速度ur=20m/s時(shí)，求分離因數(shù)。2023/2/1二、旋風(fēng)分離器的操作原理2023/2/12023/2/1三、旋風(fēng)分離器的性能

旋風(fēng)分離器性能的主要操作參數(shù)為氣體處理量，分離效率和氣體通過旋風(fēng)分離器的壓強(qiáng)降。1、氣體處理量

旋風(fēng)分離器的處理量由入口的氣速?zèng)Q定，入口氣體流量是旋風(fēng)分離器最主要的操作參數(shù)。一般入口氣速ui在15～25m/s。旋風(fēng)分離器的處理量

2023/2/12、臨界粒徑

判斷旋風(fēng)分離器分離效率高低的重要依據(jù)是臨界粒徑。臨界粒徑：

理論上在旋風(fēng)分離器中能完全分離下來的最小顆粒直徑。1）臨界粒徑的計(jì)算式a)進(jìn)入旋風(fēng)分離器的氣流嚴(yán)格按照螺旋形路線作等速運(yùn)動(dòng)，且切線速度恒定，等于進(jìn)口氣速ut=ui；

b)

顆粒沉降過程中所穿過的氣流厚度為進(jìn)氣口寬度B表示c)

顆粒在滯流情況下做自由沉降，徑向速度可用

2023/2/1∵ρ<<ρS，故ρ可略去，而旋轉(zhuǎn)半徑R可取平均值Rm，并用進(jìn)口速度ui代替ut。氣流中顆粒的離心沉降速度為：顆粒到達(dá)器壁所需要的時(shí)間：停留時(shí)間為：對某尺寸的顆粒所需的沉降時(shí)間θt恰好等于停留時(shí)間θ，該顆粒就是理論上能被完全分離下來的最小顆粒，用dc表示這種顆粒的直徑，即臨界粒徑。2023/2/1——臨界粒徑的表達(dá)式

2）臨界粒徑的影響因素

a)由，知即臨界粒徑隨分離器尺寸的增大而增大。分離效率隨分離器尺寸的增大而減小。

b)入口氣速ui愈大，dc愈小，效率愈高。2023/2/13、分離效率

分離效率總效率ηo

進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部粉塵中被分離下來的粉塵的質(zhì)量分率粒級(jí)效率ηpi

進(jìn)入旋風(fēng)分離器的粒徑為di的顆粒被分離下來的質(zhì)量分率2023/2/1粒級(jí)效率ηpi與顆粒直徑di

的對應(yīng)關(guān)系可通過實(shí)測得到，稱為粒級(jí)效率曲線。如圖，臨界粒徑約為10μm。理論上，凡直徑大于10μm的顆粒，其粒級(jí)效率都應(yīng)為100%而小于10μm的顆粒，粒級(jí)效率都應(yīng)為零，圖中折線obcd。2023/2/1實(shí)測的粒級(jí)效率曲線，直徑小于10μm的顆粒，也有可觀的分離效果，而直徑大于dc的顆粒，還有部分未被分離下來直徑小于dc的顆粒中有些在旋風(fēng)分離器進(jìn)口處已很靠近壁面，在停留時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到壁面上有些在器內(nèi)聚結(jié)成了大的顆粒，因而具有較大的沉降速度直徑大于dc的顆粒氣體渦流的影響，可能沒達(dá)到器壁。即使沉到器壁也會(huì)被重新?lián)P起2023/2/1有時(shí)也把旋風(fēng)分離器的粒級(jí)效率標(biāo)繪成d/d50的函數(shù)曲線，d50為粒級(jí)效率為50%的顆粒直徑，稱為分割粒徑。對于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器2023/2/14、壓強(qiáng)降氣體通過旋風(fēng)分離器時(shí)，由于進(jìn)氣管、排氣管及主體器壁所引起的摩擦阻力，氣體流動(dòng)時(shí)的局部阻力以及氣體旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動(dòng)能損失造成了氣體的壓強(qiáng)降，對型式不同或尺寸比例不同的設(shè)備ξc的值也不同，要通過實(shí)驗(yàn)測定，對于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器ξc=8.0。旋風(fēng)分離器的壓降一般在300～2000Pa內(nèi)。2023/2/1四、旋風(fēng)分離器的選型與計(jì)算

1、旋風(fēng)分離器的型式

旋風(fēng)分離器的形式多種多樣，主要是在對標(biāo)準(zhǔn)型式的旋風(fēng)分離器的改進(jìn)設(shè)計(jì)出來的。進(jìn)氣口：為了保證高速氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離起時(shí)形成較規(guī)則的旋轉(zhuǎn)流，減少局部渦流與死角，設(shè)計(jì)了傾斜螺旋進(jìn)口，螺殼形進(jìn)口、軸向進(jìn)口等。

主體結(jié)構(gòu)與各部分尺寸比例的優(yōu)化：根據(jù)流場與顆粒流動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)，2023/2/1一般細(xì)長的旋風(fēng)分離器效率高，但超過一定限度，分離效率的提高不明顯，而壓降卻增加。改進(jìn)下灰口：防止已分離下來的粉塵重新?lián)P起。目前，我國已定型了旋風(fēng)分離器，制定了標(biāo)準(zhǔn)流型系列，如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B以及擴(kuò)散式旋風(fēng)分離器。2、旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)計(jì)算

例如，已知?dú)怏w流量VS(m3/s)、原始含塵量C1(g/m3)、粉塵的粒度分布，除塵要求及氣體通過旋風(fēng)分離器允許的壓強(qiáng)降，要求選擇旋風(fēng)分離器的形式，確定旋風(fēng)分離器的直徑和個(gè)數(shù)。2023/2/1步驟：

a)根據(jù)具體情況選擇合適的型式，選型時(shí)應(yīng)在高效率與地阻力者之間作權(quán)衡，一般長、徑比大且出入口截面小的設(shè)備效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。

b)根據(jù)允許的壓降確定氣體在入口的流速ui

c)根據(jù)分離效率或除塵要求，求出臨界粒徑dC

d)根據(jù)ui和dc計(jì)算旋風(fēng)分離器的直徑D

e)根據(jù)ui與D計(jì)算旋風(fēng)分離器的處理量，再根據(jù)氣體流量確定旋風(fēng)分離器的數(shù)目。

f)校核分離效率與壓力降

2023/2/1

例：氣體中所含塵粒的密度為2000kg/m3，氣體的流量為5500標(biāo)m3/h，溫度為500℃，密度為0.43kg/m3，粘度為3.6×10-5Pa.s，擬采用標(biāo)準(zhǔn)形式的旋風(fēng)分離器進(jìn)行除塵，要求分離效率不低于90%，且知相應(yīng)的臨界粒徑不大于10μm，要求壓降不超過700Pa，試決定旋風(fēng)分離器的尺寸與個(gè)數(shù)。

解：

根據(jù)允許的壓強(qiáng)降確定氣體在入口的流速ui

ξ=8.02023/2/1

按分離要求，臨界粒徑不大于10μm，故取臨界粒徑dc=10μm來計(jì)算粒徑的尺寸。由ui與dc計(jì)算D

N=52023/2/1旋風(fēng)分離器的直徑：D=4B=4×0.196=0.78m根據(jù)D與ui計(jì)算每個(gè)分離器的處理量，再根據(jù)氣體流量確定旋風(fēng)分離器的數(shù)目。進(jìn)氣管截面積每個(gè)旋風(fēng)分離器的氣體處理量為：含塵氣體在操作狀況下的總流量為：2023/2/1所需旋風(fēng)分離器的臺(tái)數(shù)為：為滿足規(guī)定的氣體處理量、壓強(qiáng)降及分離效率三項(xiàng)指標(biāo)，需要直徑不大于0.78m的標(biāo)準(zhǔn)分離器至少三臺(tái)，為了便于安排，現(xiàn)采用四臺(tái)并聯(lián)。校核壓力降與分離效率四臺(tái)并聯(lián)時(shí)，每臺(tái)旋風(fēng)分離氣分?jǐn)偟臍怏w處理量為：

為了保證指定的分離效率，臨界粒徑仍取為10μm。2023/2/1校核ΔP

或者從維持指定的最大允許壓降數(shù)值為前提，求得每臺(tái)旋風(fēng)分離器的最小直徑。2023/2/1ΔP=700Paui=20.2m/s校核