化工原理第三章第二节
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的旋风分离器的改进设计出来的。 进气口 ： 为了保证高速气流进入旋风分离起时形成较 规则的旋转流，减少局部涡流与死角，设计了倾斜螺旋 进口，螺壳形进口、轴向进口等。 主体结构与各部分尺寸比例的优化： 根据流场与颗粒流动规律设计旋风分离器的结构，
2014-2-4
一般细长的旋风分离器效率高，但超过一定限度，分离效
uT Kc Leabharlann Baidu102 gR
2
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二、旋风分离器的操作原理
2014-2-4
2014-2-4
三、旋风分离器的性能
旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量， 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。
1、气体处理量
旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流 量是旋风分离器最主要的操作参数 。 一般入口气速 ui 在15～25m/s。 旋风分离器的处理量
2 D D D 进气管截面积 AB 0.076m 2 2 4 8
每个旋风分离器的气体处理量为：
VS ABui 0.076 20.2 1.535m3 / s
'
含尘气体在操作状况下的总流量为：
5500 273 500 VS 4.32m3 / s 7600 273
Vs Vs 1.08m3 / s 4
'
9B dc N s ui
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D B 4
Vs 8VS ui 2 AB D
'
'
D 9 4 dc 8VS ' N S 2 D
32 V d S S c D3 0.695m 9
2014-2-4
所需旋风分离器的台数为：n
VS
'
VS 为满足规定的气体处理量、压强降及分离效率三项指
2.8
标，需要直径不大于 0.78m的标准分离器至少三台，为了
便于安排，现采用四台并联。
校核压力降与分离效率
四台并联时，每台旋风分离气分摊的气体处理量为：
为了保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10μm。
'
2
校核ΔP
' 8VS 8 1.08 17.9m / s ui 2 2 0.695 D
P
ui
2
2
或者从维持指定的最大允许压降数值为前提，求得每台旋 风分离器的最小直径。
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0.43 17.9 8.0 550Pa 700Pa 2
2
ΔP=700Pa
平衡时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。
4d s ut ur 3R
2
2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较
表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度
数值：重力沉降速度基本上为定值
离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在
离心力场中的位置而变。
2014-2-4
实测的粒级效率曲线，直径小于10μm的颗粒，也有可观的分 离效果，而直径大于dc的颗粒，还有部分未被分离下来 直径小于dc的颗粒中 有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面，在停留时间内能够 达到壁面上 有些在器内聚结成了大的颗粒，因而具有较大的沉降速度
直径大于dc的颗粒
气体涡流的影响，可能没达到器壁。
ui=20.2m/s
'
1.08 D 2 VS 2 AB 0.0535m 8 ui 20.2
D 8 0.0535 0.654m
校核临界粒径
9B dc 9.1106 m 9.1m N s ui
根据以上计算可知，当采用四个尺寸相同的标准型旋风分离 器并联操作来处理本题中的含尘气体时，只要分离器在
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
pi
C1i C 2i 100% C1i
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粒级效率ηpi与颗粒直径di 的对应关系可通过实测得到，称 为粒级效率曲线。 如图，临界粒径约为 10 μm。理论上，凡直径 大于 10 μm 的颗粒，其粒 级效率都应为 100%而小 于 10 μm 的颗粒，粒级效 率都应为零，图中折线 obcd。
p
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ui
2
2
700
ξ=8.0
ui
2 700 20.2m / s 8.0 0.43 按 分 离 要 求 ， 临 界 粒 径 不 大 于 1 0 μm， 故 取 临 界 粒 径
2p
dc=10μm来计算粒径的尺寸。 由ui与dc计算D
9B dc 10 10 6 m Nui s
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（0.654～0.695m）范围内，便可同时满足气量、压强降及
效率指标。
倘若直径D>0.659m，则在规定的气量下不能达到规定的分
离效率。 倘若直径D<0.654m，则在规定的气量下，压降将超出允许 的范围。
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所产生的动能损失造成了气体的压强降，
p
c ui
2
2
对型式不同或尺寸比例不同的设备 ξc的值也不同，要通过 实验测定，对于标准旋风分离器ξc=8.0。 旋风分离器的压降一般在300～2000Pa内。
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四、旋风分离器的选型与计算
1、旋风分离器的型式
旋风分离器的形式多种多样，主要是在对标准型式
ut FC m R
2
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一、离心沉降速度
1、离心沉降速度ur
3 2 d u t 惯性离心力= s
3 2 d u t 向心力=
6
R
6
R
阻力=
d 2 u 2 r
4 2
三力达到平衡，则：
d 3
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d 2 u 2 r u 2 t d 3 u 2t 0 s 4 2 6 R 6 R
2Rm N 停留时间为： ui
ur
d s ui
对某尺寸的颗粒所需的沉降时间 θt 恰好等于停留时间 θ，
该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用dc表示
这种颗粒的直径，即临界粒径 。
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18Rm B
2Rm N 2 2 ui d c s ui 9B ——临界粒径的表达式 dc N s ui
第三章 机械分离与固体 流态化
第二节 离心沉降
一、离心沉降速度
二、旋风分离器操作原理
三、旋风分离器的性能 四、旋风分离器的结构型 式与选用
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离心沉降： 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。
惯性离心力场与重力场的区别
重力场 力场强度 方向 作用力 重力加速度g 指向地心 Fg=mg 离心力场 ut2/R 沿旋转半径从中心指向外周
2
N=5
N s ui d c 5 2000 20.2 10 10 6 2 B 9 9 3.6 10 5
0.196m
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旋风分离器的直径 ： D=4B=4×0.196=0.78m
根据D与ui计算每个分离器的处理量，再根据气体流量确定 旋风分离器的数目。
降，要求选择旋风分离器的形式，确定旋风分离器的直径和 个数。
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步骤： a) 根据具体情况选择合适的型式，选型时应在高效率与
地阻力者之间作权衡，一般长、径比大且出入口截面小的设
备效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。 b) 根据允许的压降确定气体在入口的流速ui c) 根据分离效率或除尘要求，求出临界粒径dC d) 根据ui和dc计算旋风分离器的直径D e) 根据ui与D计算旋风分离器的处理量，再根据气体流量 确定旋风分离器的数目。
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24 阻力系数 ：层流时 Re
度的比值为 ： ur uT K c
2
ur
d
2
2 s ut
18
R
同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速
ut
gR
比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力 场强度之比称为离心分离因数。 例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度ur=20m/s时，求分 离因数。
即使沉到器壁也会被重新扬起
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有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲线， d50为粒级效率为50%的颗粒直径，称为分割粒径。 对于标准旋风分离器
d50 0.27
D ui 0
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4、压强降
气体通过旋风分离器时，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以及气体旋转
f) 校核分离效率与压力降
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例：气体中所含尘粒的密度为2000kg/m3，气体的流量为
5 5 0 0 标 m3/h， 温 度 为 5 0 0 ℃ ， 密 度 为 0 . 4 3 kg/m3， 粘 度 为 3.6×10-5Pa.s，拟采用标准形式的旋风分离器进行除尘，要求 分离效率不低于90%，且知相应的临界粒径不大于10μm，要 求压降不超过700Pa，试决定旋风分离器的尺寸与个数。 解： 根据允许的压强降确定气体在入口的流速ui
2 d 2 s uT 表示 ur R 18
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∵ρ<<ρS，故ρ可略去，而旋转半径R可取平均值Rm，并用进 口速度ui代替ut。
d s ui 气流中颗粒的离心沉降速度为：u r 18Rm
2
2
B 18Rm B 颗粒到达器壁所需要的时间： t 2 2
率的提高不明显，而压降却增加。
改进下灰口 ： 防止已分离下来的粉尘重新扬起 。 目前，我国已定型了旋风分离器，制定了标准流型系列， 如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B以及扩散式旋风分离器。
2、旋风分离器的设计计算
例如，已知气体流量VS(m3/s)、原始含尘量C1(g/m3)、粉
尘的粒度分布，除尘要求及气体通过旋风分离器允许的压强
2）临界粒径的影响因素
9B a) 由 d c ，知 N sui
dc B
即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。
分离效率随分离器尺寸的增大而减小。
b)入口气速ui愈大，dc愈小，效率愈高。
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3、分离效率
总效率ηo 分离效率 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
V ui B h
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2、临界粒径
判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。 临界粒径 ： 理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小 颗粒直径。 1） 临界粒径的计算式
a) 进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运
动，且切线速度恒定，等于进口气速ut=ui； b) 颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度B c) 颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用
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一般细长的旋风分离器效率高，但超过一定限度，分离效
uT Kc Leabharlann Baidu102 gR
2
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二、旋风分离器的操作原理
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三、旋风分离器的性能
旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量， 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。
1、气体处理量
旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流 量是旋风分离器最主要的操作参数 。 一般入口气速 ui 在15～25m/s。 旋风分离器的处理量
2 D D D 进气管截面积 AB 0.076m 2 2 4 8
每个旋风分离器的气体处理量为：
VS ABui 0.076 20.2 1.535m3 / s
'
含尘气体在操作状况下的总流量为：
5500 273 500 VS 4.32m3 / s 7600 273
Vs Vs 1.08m3 / s 4
'
9B dc N s ui
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D B 4
Vs 8VS ui 2 AB D
'
'
D 9 4 dc 8VS ' N S 2 D
32 V d S S c D3 0.695m 9
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所需旋风分离器的台数为：n
VS
'
VS 为满足规定的气体处理量、压强降及分离效率三项指
2.8
标，需要直径不大于 0.78m的标准分离器至少三台，为了
便于安排，现采用四台并联。
校核压力降与分离效率
四台并联时，每台旋风分离气分摊的气体处理量为：
为了保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10μm。
'
2
校核ΔP
' 8VS 8 1.08 17.9m / s ui 2 2 0.695 D
P
ui
2
2
或者从维持指定的最大允许压降数值为前提，求得每台旋 风分离器的最小直径。
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0.43 17.9 8.0 550Pa 700Pa 2
2
ΔP=700Pa
平衡时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。
4d s ut ur 3R
2
2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较
表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度
数值：重力沉降速度基本上为定值
离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在
离心力场中的位置而变。
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实测的粒级效率曲线，直径小于10μm的颗粒，也有可观的分 离效果，而直径大于dc的颗粒，还有部分未被分离下来 直径小于dc的颗粒中 有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面，在停留时间内能够 达到壁面上 有些在器内聚结成了大的颗粒，因而具有较大的沉降速度
直径大于dc的颗粒
气体涡流的影响，可能没达到器壁。
ui=20.2m/s
'
1.08 D 2 VS 2 AB 0.0535m 8 ui 20.2
D 8 0.0535 0.654m
校核临界粒径
9B dc 9.1106 m 9.1m N s ui
根据以上计算可知，当采用四个尺寸相同的标准型旋风分离 器并联操作来处理本题中的含尘气体时，只要分离器在
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
pi
C1i C 2i 100% C1i
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粒级效率ηpi与颗粒直径di 的对应关系可通过实测得到，称 为粒级效率曲线。 如图，临界粒径约为 10 μm。理论上，凡直径 大于 10 μm 的颗粒，其粒 级效率都应为 100%而小 于 10 μm 的颗粒，粒级效 率都应为零，图中折线 obcd。
p
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ui
2
2
700
ξ=8.0
ui
2 700 20.2m / s 8.0 0.43 按 分 离 要 求 ， 临 界 粒 径 不 大 于 1 0 μm， 故 取 临 界 粒 径
2p
dc=10μm来计算粒径的尺寸。 由ui与dc计算D
9B dc 10 10 6 m Nui s
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（0.654～0.695m）范围内，便可同时满足气量、压强降及
效率指标。
倘若直径D>0.659m，则在规定的气量下不能达到规定的分
离效率。 倘若直径D<0.654m，则在规定的气量下，压降将超出允许 的范围。
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所产生的动能损失造成了气体的压强降，
p
c ui
2
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对型式不同或尺寸比例不同的设备 ξc的值也不同，要通过 实验测定，对于标准旋风分离器ξc=8.0。 旋风分离器的压降一般在300～2000Pa内。
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四、旋风分离器的选型与计算
1、旋风分离器的型式
旋风分离器的形式多种多样，主要是在对标准型式
ut FC m R
2
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一、离心沉降速度
1、离心沉降速度ur
3 2 d u t 惯性离心力= s
3 2 d u t 向心力=
6
R
6
R
阻力=
d 2 u 2 r
4 2
三力达到平衡，则：
d 3
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d 2 u 2 r u 2 t d 3 u 2t 0 s 4 2 6 R 6 R
2Rm N 停留时间为： ui
ur
d s ui
对某尺寸的颗粒所需的沉降时间 θt 恰好等于停留时间 θ，
该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用dc表示
这种颗粒的直径，即临界粒径 。
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18Rm B
2Rm N 2 2 ui d c s ui 9B ——临界粒径的表达式 dc N s ui
第三章 机械分离与固体 流态化
第二节 离心沉降
一、离心沉降速度
二、旋风分离器操作原理
三、旋风分离器的性能 四、旋风分离器的结构型 式与选用
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离心沉降： 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。
惯性离心力场与重力场的区别
重力场 力场强度 方向 作用力 重力加速度g 指向地心 Fg=mg 离心力场 ut2/R 沿旋转半径从中心指向外周
2
N=5
N s ui d c 5 2000 20.2 10 10 6 2 B 9 9 3.6 10 5
0.196m
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旋风分离器的直径 ： D=4B=4×0.196=0.78m
根据D与ui计算每个分离器的处理量，再根据气体流量确定 旋风分离器的数目。
降，要求选择旋风分离器的形式，确定旋风分离器的直径和 个数。
2014-2-4
步骤： a) 根据具体情况选择合适的型式，选型时应在高效率与
地阻力者之间作权衡，一般长、径比大且出入口截面小的设
备效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。 b) 根据允许的压降确定气体在入口的流速ui c) 根据分离效率或除尘要求，求出临界粒径dC d) 根据ui和dc计算旋风分离器的直径D e) 根据ui与D计算旋风分离器的处理量，再根据气体流量 确定旋风分离器的数目。
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24 阻力系数 ：层流时 Re
度的比值为 ： ur uT K c
2
ur
d
2
2 s ut
18
R
同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速
ut
gR
比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力 场强度之比称为离心分离因数。 例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度ur=20m/s时，求分 离因数。
即使沉到器壁也会被重新扬起
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有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲线， d50为粒级效率为50%的颗粒直径，称为分割粒径。 对于标准旋风分离器
d50 0.27
D ui 0
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4、压强降
气体通过旋风分离器时，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以及气体旋转
f) 校核分离效率与压力降
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例：气体中所含尘粒的密度为2000kg/m3，气体的流量为
5 5 0 0 标 m3/h， 温 度 为 5 0 0 ℃ ， 密 度 为 0 . 4 3 kg/m3， 粘 度 为 3.6×10-5Pa.s，拟采用标准形式的旋风分离器进行除尘，要求 分离效率不低于90%，且知相应的临界粒径不大于10μm，要 求压降不超过700Pa，试决定旋风分离器的尺寸与个数。 解： 根据允许的压强降确定气体在入口的流速ui
2 d 2 s uT 表示 ur R 18
2014-2-4
∵ρ<<ρS，故ρ可略去，而旋转半径R可取平均值Rm，并用进 口速度ui代替ut。
d s ui 气流中颗粒的离心沉降速度为：u r 18Rm
2
2
B 18Rm B 颗粒到达器壁所需要的时间： t 2 2
率的提高不明显，而压降却增加。
改进下灰口 ： 防止已分离下来的粉尘重新扬起 。 目前，我国已定型了旋风分离器，制定了标准流型系列， 如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B以及扩散式旋风分离器。
2、旋风分离器的设计计算
例如，已知气体流量VS(m3/s)、原始含尘量C1(g/m3)、粉
尘的粒度分布，除尘要求及气体通过旋风分离器允许的压强
2）临界粒径的影响因素
9B a) 由 d c ，知 N sui
dc B
即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。
分离效率随分离器尺寸的增大而减小。
b)入口气速ui愈大，dc愈小，效率愈高。
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3、分离效率
总效率ηo 分离效率 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
V ui B h
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2、临界粒径
判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。 临界粒径 ： 理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小 颗粒直径。 1） 临界粒径的计算式
a) 进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运
动，且切线速度恒定，等于进口气速ut=ui； b) 颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度B c) 颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用