化工原理第三章(离心沉降)

2013-9-19
外旋气流
气芯
喷雾干燥流程图
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干料
流化床干燥器
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4、旋风分离器的性能
旋风分离器性能的主要操作参数为：
（1）气体处理量；
（2）临界粒径；
（3）分离效率； （4）气体通过旋风分离器的压强降。
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（1）气体处理量——表明设备生产能力的参数 气体处理量计算关系式：
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净化气体出口 含尘气体入口
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旋 风 分 离 器 组 的 使 用
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（3）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：
C1 C2 0 100% C1
【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 ：
含尘气体从切 线方向进入，进 口的气速约为15 ～20m/s。 气体在器内 按螺旋形路线 向器底旋转， 到达底部后折 而向上，成为 内层的上旋的 气流，称为气 芯，然后从顶 部的中央排气 管排出。
气体中所夹带 的尘粒逐渐沉降 到器壁，碰到器 壁后落下，滑向 出灰口。
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旋 风 分 离 器 工 作 原 理 示 意 图
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四、旋液分离器
【定义】旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心 沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备。 1、旋液分离器的结构 （1）进料管； （2）溢流管； （3）圆筒； （4）锥型筒； （5）底流管。
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旋 液 分 离 器 实 物 图
溢流管
进料管 圆筒
锥型筒
底流管
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③颗粒在层流区内做自由沉降，径向（沉降）速度
可用下式表示：
u t2 d P ur r 18
2 P
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【两点说明】
d pc 9b n( P )ui
①导出该式的假定很勉强，故只属粗略估算。 ②在处理量一定的情况下，临界粒径随分离器尺寸 的增大而增大，除尘效果随分离器尺寸的增大而减 小。所以，当气体处理量很大时，常将若干个小尺 寸的旋风分离器并联使用（称为旋风分离器组）， 以维持较高的除尘效果。
第三章
第三节 离心沉降
一、概述 二、离心沉降速度 三、离心分离设备
沉降与过滤
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一、概述
1、什么是离心沉降？
【定义】在离心力场中，利用分散 相和连续相之间的密度差异，使之 发生相对运动而实现分离的操作过 程。 【工业应用】适用于分离两相密度差较小，颗粒粒 度较小的非均相物系。
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【旋液分离器的结构特点】 结构特点是直径小而圆锥部分长。其原因是： （1）因为液固密度差比气固密度差小，在一定的切 线进口速度下，较小的旋转半径可使颗粒受到较大 的离心力而提高沉降速度； （2）减少了沉降距离，缩短了沉降时间； （3）锥形部分加长可增大液流的行程，从而延长了
悬浮液在器内的停留时间，有利于液固分离。
2 P 2 t
——离心分离因数
【作用】Kc是表示离心力大小的指标。 Kc越大，表 明离心分离设备性能越好。
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【例】当旋转半径r=0.4m，切向速度ut=20m/s时， 求离心分离因数。
u 20 2 Kc ＝ 102 gr 9.81 0.4
结果表明：在离心力场中的沉降速度是重力沉降 速度的102倍。 有 关 说 明
②压强降的计算公式 【依据】实验发现：气体通过旋风分离器的压力
损失与其进口气体的动压头成正比，据此可得：
p
ui
2
2
——压强降的经验计算公式
式中 ui——入口气速； ρ——气体密度； ζ——阻力系数。
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③阻力系数ζ的获取 一般情况下，阻力系数要依据不同的设备用实验测
定，由生产厂家提供。
二次蒸气 1台
电解液
电解液大罐
加料泵
螺旋式预热器
Ⅰ效蒸发器 2台 次蒸气
Ⅱ效蒸发器
碱 二
1台 浓碱槽 Ⅱ段蒸发器 中间槽 碱
旋液分离器
碱
Ⅲ效蒸发器 1台
盐 浆 碱 冷却器 澄清槽 送至配碱岗位 高位槽
工业水
回收液送 盐水工 序 Ⅲ效
蒸发器
化盐槽
盐
离心机
碱
加料槽
烧碱生产蒸发流程图
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安 装 在 管 路 上 的 旋 液 分 离 器
圆锥体
旋 风 分 离 器 实 物 图
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2、旋风分离器的尺寸特点 （1）旋风分离器各部分 的尺寸都有一定的比例； （2）只要规定出其中一 个主要尺寸，如圆筒直径 （D）或进气口宽度（b ），则其它各部分的尺寸 亦确定。
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3、旋风分离器的工作原理
粒级效率曲线
（4）气体通过旋风分离器的压强降 【定义】气体在旋风分离器的入口与出口的压强
差称为气体通过旋风分离器的压强降，用Δp表示，
单位为Pa。
①气体通过旋风分离器时产生压强降的原因
A.由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻 力； B.气体流动时的局部阻力； C.气体旋转所产生的动能损失。
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2、旋液分离器的工作原理
向下作螺旋 形运动，固体 颗粒受惯性离 心力作用被甩 向器壁，随下 旋流降至锥底 的出口，由底 部排出的增浓 液称为底流；
清液或含有微 细颗粒的液体则 为上升的内旋流 ，从顶部的中心 管排出，称为溢 流。
悬浮液经入口 管沿切向进入 圆筒部分；
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饱和水蒸气
0.3~0.5Mp
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2、沉降式离心机的操作分类 【离心沉降机】 （1）被处理物料为悬浮液； （2）密度较大的颗粒沉积于转鼓内壁，液体集中于 中央并不断引出，此操作为离心沉降； 【离心分离机】 （1）被处理物料为乳浊液；
（2）两种液体按轻、重分层，重者在外，轻者在内
，各自从不同的位置引出，此操作为离心分离。
6 r
3 ut2 向心力（浮力）＝ d P
6 r
阻
2 d P u r2 力=
4
2
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当三力达到平衡时，则：

2 ut2 3 ut2 d P ur2 3 dP P dP 0 6 r 6 r 4 2
【定义】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。可推得：
2、惯性离心力场与重力场的区别 重力场 离心力场
离心加速度（ut2/r）
沿旋转半径从中心指向外周 Fc＝mut2/r
力场强度 重力加速度（g）
方 向 作用力
指向地心 Fg=mg
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二、离心沉降速度
1、离心沉降速度（ ur ）的基本计算式
颗粒在离心力场中所受到的作用力：
3 ut2 惯性离心力＝ d P P
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2 t
离心分离因素越大，固体颗粒在离心力 场中的沉降速度越大，越容易被分离， 因此，离心分离设备的性能越好。
三、旋风分离器（旋风除尘器）
1、旋风分离器的构造 （1）进气口 （2）圆筒
（3）圆锥体
（4）中央排气管
（5）排尘（灰）管
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进气口
圆筒 排尘管
中央排气管
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pi
C1i C 2i 100% C1i
式中C1、C2 分别为旋风分离器进、出口颗粒的质量浓度。
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【粒级效率的表示方法——粒级效率曲线】
（1）粒级效率ηpi与 颗粒直径di 的对应 关系曲线称为粒级 效率曲线。 （2）由曲线可以看 出：粒径越小，效 率越低。
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对于标准型旋风分离器，亦可用经验公式计算：
16hb 2 d
或

30bh D d2 L H
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④压强降的特点 由于旋风分离器各部分的尺寸互成比例，故阻力 系数与旋风分离器的大小无关。如标准型：
D D 16 16hb 2 4 8.0 2 D 2 d ( ) 2
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五、沉降式离心机
1、什么是沉降式离心机？ 【定义】利用惯性离心力分离非均相混合物（悬浮 液或乳浊液）的机械。 【特点】①离心力是由设备（转鼓）本身旋转而产 生的。由于离心机可产生很大的离心力，故可用来 分离用一般方法难于分离的悬浮液或乳浊液。 ②沉降式离心机的鼓壁上没有开孔。（鼓壁上开孔 的为离心过滤机）
91 152 180 253 338 420
大 型 旋 风 分 离 器
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5、旋风分离器的特点
（1）结构简单，易于制造、安装和维护管理，设备
投资和操作费用都较低。 （2）在普通操作条件下，作用于粒子上的离心力是 重力的5～2500倍（离心分离因素），所以旋风除尘 器的效率显著高于重力沉降室。 （3）大多用来去除3μm以上的粒子，并联的多管旋 风除尘器装置对3μm的粒子也具有80～85%的除尘效 率。
qV ui b（宽度） h（高度）
①旋风分离器的处理量由旋风分离器 的尺寸（大小）以及入口的气速决定； ②进口的气速一般为15～20m/s（否 有关说明
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则产生的阻力太大），因此，欲增大生
产能力，只有增大设备的尺寸。
（2）临界粒径 【定义】理论上在旋风分离器中能完全分离下来的
代入到离心沉降速度基本计算式中，可得：
2 d P P u t2 ——层流区离心沉降速度计算式 ur r 18