化工原理第三章第二节
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'
为了保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10µm。
dc =
2012-4-21
9µB πNρsui
D B= 4
Vs 8VS ui = = 2 AB D
'
'
D 9µ 4 dc = 8VS ' πNρS 2 D
32πρSVS dc D=3 = 0.695m 9µ
uT Kc = = 102 gR
2
2012-4-21
二、旋风分离器的操作原理
2012-4-21
2012-4-21
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， 气体处理量， 气体处理量 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。
1、气体处理量 、
∆p = ξ
2012-4-21
ρui 2
2
= 700
ξ=8.0
ui =
2 × 700 = = 20.2m/ s ξρ 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
2∆p
dc=10µm来计算粒径的尺寸。 由ui与dc计算D
9µB dc = = 10 ×10−6 m πNui ρs
2πRm N θ 停留时间为： = ui
ur
d ρsui
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 。
2012-4-21
18µRmB
2πRmN = 2 2 ui dc ρsui 9µB ——临界粒径的表达式 ∴dc = πNρsui
2012-4-21
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。 即使沉到器壁也会被重新扬起
' 2
校核∆P
8V 8VS 8 ×1.08 = 17.9m/ s ui = 2 = 2 0.695 D
'
0.43× (17.9)2 ∆P = ξ = 8.0 × = 550Pa (< 700Pa ) 2 2
ρui 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。
2012-4-21
2012-4-21
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
2012-4-21
一般细长的旋风分离器效率高，但超过一定限度，分离效 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 、
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
2012-4-21
离心沉降： 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 Fg=mg 重力加速度g 指向地心 离心力场 ut2/R 沿旋转半径从中心指向外周
∆p =
ξc ρui
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。
2012-4-21
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 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，
∆P=700Pa
2
ui=20.2m/s
'
1.08 D VS AB = = = = 0.0535m2 8 ui 20.2
D = 8× 0.0535 = 0.654m
校核临界粒径
9µB dc = = 9.1×10−6 m = 9.1µm πNρsui
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
2012-4-21
阻力系数 ：层流时
24 ξ= Re
2
2 d 2 ( ρs − ρ ) ut ur = R 18µ
同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速 度的比值为 ： ur = uT = K c
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。
D D D2 进气管截面积 AB = × = = 0.076m2 2 4 8
每个旋风分离器的气体处理量为：
VS = ( AB)ui = 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
2012-4-21
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
µD ui βρ0
2012-4-21
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 所产生的动能损失造成了气体的压强降，
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 ( ρs − ρ )ut 2 ur = 3ξρR
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。
ut FC = m R
2
2012-4-21
一、离心沉降速度
1、离心沉降速度ur 、离心沉降速度
πd 3 u2t 惯性离心力= ρs
6 R
πd 3 u2t 向心力= ρ
6 R
阻力= ξ
πd 2 ρu2r
4 2
三力达到平衡，则：
πd 3
2012-4-21
πd 2 ρu2r u2t πd 3 u2t =0 ρ −ξ ρs − 4 2 6 R 6 R
C1 − C2 η0 = ×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
C1i − C2i η pi = ×100% C1i
2012-4-21
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 10µm。理论上，凡直径 大于10µm的颗粒，其粒 级效率都应为100%而小 于10µm的颗粒，粒级效 率都应为零，图中折线 obcd。
2012-4-21
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：
Vs Vs = = 1.08m3 / s 4
2）临界粒径的影响因素 ）
9µB a) 由 dc = ，知 πNρsui
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。 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。
2012-4-21
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 分离效率
2012-4-21
（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 D<0.654m 的范围。
2012-4-21
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 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。
2012-4-21
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。 f) 校核分离效率与压力降
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
Baidu Nhomakorabea
V = ui × B × h
2012-4-21
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
2
N=5
πNρsui dc π × 5 × 2000 × 20.2 × (10 ×10−6 )2 B= = 9µ 9 × (3.6 ×10−5 )
= 0.196m
2012-4-21
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。
2 d 2 (ρs − ρ ) uT 表示 ur = R 18µ
2012-4-21
∵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 ρsui 气流中颗粒的离心沉降速度为：ur = 18µRm
2
2
颗粒到达器壁所需要的时间： = B = 18µRmB θt 2 2
为了保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10µm。
dc =
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9µB πNρsui
D B= 4
Vs 8VS ui = = 2 AB D
'
'
D 9µ 4 dc = 8VS ' πNρS 2 D
32πρSVS dc D=3 = 0.695m 9µ
uT Kc = = 102 gR
2
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二、旋风分离器的操作原理
2012-4-21
2012-4-21
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， 气体处理量， 气体处理量 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。
1、气体处理量 、
∆p = ξ
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ρui 2
2
= 700
ξ=8.0
ui =
2 × 700 = = 20.2m/ s ξρ 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
2∆p
dc=10µm来计算粒径的尺寸。 由ui与dc计算D
9µB dc = = 10 ×10−6 m πNui ρs
2πRm N θ 停留时间为： = ui
ur
d ρsui
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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18µRmB
2πRmN = 2 2 ui dc ρsui 9µB ——临界粒径的表达式 ∴dc = πNρsui
2012-4-21
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。 即使沉到器壁也会被重新扬起
' 2
校核∆P
8V 8VS 8 ×1.08 = 17.9m/ s ui = 2 = 2 0.695 D
'
0.43× (17.9)2 ∆P = ξ = 8.0 × = 550Pa (< 700Pa ) 2 2
ρui 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。
2012-4-21
2012-4-21
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
2012-4-21
一般细长的旋风分离器效率高，但超过一定限度，分离效 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 、
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
2012-4-21
离心沉降： 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 Fg=mg 重力加速度g 指向地心 离心力场 ut2/R 沿旋转半径从中心指向外周
∆p =
ξc ρui
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 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，
∆P=700Pa
2
ui=20.2m/s
'
1.08 D VS AB = = = = 0.0535m2 8 ui 20.2
D = 8× 0.0535 = 0.654m
校核临界粒径
9µB dc = = 9.1×10−6 m = 9.1µm πNρsui
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
2012-4-21
阻力系数 ：层流时
24 ξ= Re
2
2 d 2 ( ρs − ρ ) ut ur = R 18µ
同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速 度的比值为 ： ur = uT = K c
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。
D D D2 进气管截面积 AB = × = = 0.076m2 2 4 8
每个旋风分离器的气体处理量为：
VS = ( AB)ui = 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
2012-4-21
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
µD ui βρ0
2012-4-21
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 所产生的动能损失造成了气体的压强降，
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 ( ρs − ρ )ut 2 ur = 3ξρR
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。
ut FC = m R
2
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一、离心沉降速度
1、离心沉降速度ur 、离心沉降速度
πd 3 u2t 惯性离心力= ρs
6 R
πd 3 u2t 向心力= ρ
6 R
阻力= ξ
πd 2 ρu2r
4 2
三力达到平衡，则：
πd 3
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πd 2 ρu2r u2t πd 3 u2t =0 ρ −ξ ρs − 4 2 6 R 6 R
C1 − C2 η0 = ×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
C1i − C2i η pi = ×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 10µm。理论上，凡直径 大于10µm的颗粒，其粒 级效率都应为100%而小 于10µm的颗粒，粒级效 率都应为零，图中折线 obcd。
2012-4-21
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：
Vs Vs = = 1.08m3 / s 4
2）临界粒径的影响因素 ）
9µB a) 由 dc = ，知 πNρsui
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。 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 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 分离效率
2012-4-21
（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 D<0.654m 的范围。
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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 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。
2012-4-21
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。 f) 校核分离效率与压力降
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
Baidu Nhomakorabea
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
2
N=5
πNρsui dc π × 5 × 2000 × 20.2 × (10 ×10−6 )2 B= = 9µ 9 × (3.6 ×10−5 )
= 0.196m
2012-4-21
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。
2 d 2 (ρs − ρ ) uT 表示 ur = R 18µ
2012-4-21
∵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 ρsui 气流中颗粒的离心沉降速度为：ur = 18µRm
2
2
颗粒到达器壁所需要的时间： = B = 18µRmB θt 2 2