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(guò)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(chǎng)與重力場(chǎng)的區(qū)別

重力場(chǎng)離心力場(chǎng)力場(chǎng)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(duì)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(duì)速度在徑向上的分量，隨顆粒在離心力場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度與重力場(chǎng)強(qiáng)度之比稱(chēng)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(guò)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u(mài)i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(lái)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u(mài)t=ui；

b)

顆粒沉降過(guò)程中所穿過(guò)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(duì)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(lái)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u(mài)i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(lái)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(lái)的質(zhì)量分率2023/2/1粒級(jí)效率ηpi與顆粒直徑di

的對(duì)應(yīng)關(guān)系可通過(guò)實(shí)測(cè)得到，稱(chēng)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(cè)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(lái)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(méi)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(chēng)為分割粒徑。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器2023/2/14、壓強(qiáng)降氣體通過(guò)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(duì)型式不同或尺寸比例不同的設(shè)備ξc的值也不同，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)型式的旋風(fēng)分離器的改進(jìn)設(shè)計(jì)出來(lái)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(chǎng)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(zhǎng)的旋風(fēng)分離器效率高，但超過(guò)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(lái)的粉塵重新?lián)P起。目前，我國(guó)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(guò)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(zhǎng)、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u(mài)i

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(guò)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u(mài)i

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(lái)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(mǎn)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