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旋风分离器临界粒径、沉降速度、分离效率、压降的计算

时间：2023-11-13 来源：浏览：

旋风分离器临界粒径、沉降速度、分离效率、压降的计算

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旋风分离器 是从气流中分离出尘粒的离心沉降设备，因此，又称为旋风除尘器。主体上部为圆筒形，下部为圆锥形。各部分尺寸比例见图注，可以得知，只要确定了圆筒直径，就可以按比例确定出其他各部分的尺寸。

评价旋风分离器的主要指标 是所能分离的最小颗粒直径—— 临界粒径 和气体经过旋风分离器的压降。

1、临界粒径

临界粒径 是指理论上能够完全被旋风分离器分离下来的最小颗粒直径，临界粒径dc可用下式计算：

式中 dc——临界粒径，m；

B——进口管宽度，m；

N——气体在旋风分离器中的旋转圈数，对标准型旋风分离器，可取N=5；

u——气体做螺旋运动的切向速度，通常可取气体在进口管中的流速，m/s。

从式中可以看出：

①临界粒径随气速增大而减小，表明气速增加，分离效率提高。但气速过大，会将已沉降颗粒卷起，反而降低分离效率，同时使流动阻力急剧上升。

②临界粒径随设备尺寸的减小而减小，因旋风分离器的各部分尺寸成一定比例，尺寸越小，则B越小，从而临界粒径越小，分离效率越高。

2、离心沉降速度

离心沉降 是依靠 惯性离心力 的作用而实现的沉降。在重力沉降中，颗粒的重力沉降速度ut与颗粒的直径d及两相的密度差ρs-ρ有关，d越大，两相密度差越大，则ut越大。若d、ρs、ρ一定，则颗粒的重力沉降速度ut一定，换言之，对一定的非均相物系，其重力沉降速度是恒定的，无法改变其大小。因此，在分离要求较高时，用重力沉降就很难达到要求。此时，若采用离心沉降，则可大大提高沉降速度，使分离效率提高，设备尺寸减小。

当流体围绕某一中心轴做圆周运动时，便形成惯性离心力场。现对其中一个颗粒的受力与运动情况进行分析。设颗粒为球形颗粒，其直径为d，密度为ρs，旋转半径为R，圆周运动的线速度为uT，流体密度为ρ，且ρs>ρ。颗粒在圆周运动的径向上将受到三个力的作用，即 惯性离心力 、 向心力 和阻力。其中，惯性离心力方向从旋转中心指向外周，向心力的方向沿半径指向中心，阻力方向与颗粒运动方向相反，也沿半径指向中心。 三个力的大小为：

式中 uR——径向上颗粒与流体的相对速度，m/s。

和重力沉降一样，在三力作用下，颗粒将沿径向发生沉降，其沉降速度即是颗粒与流体的相对速度uR。在三力平衡时，同样可导出其计算式，若沉降处于斯托克斯区， 离心沉降速度的计算式为：

离心沉降速度与重力沉降速度计算式形式相同，只是将重力加速度g（重力场强度）换成了离心加速度uT2/R（离心力场强度）。但重力场强度g是恒定的，而离心力场强度uT2/R却随半径和切向速度而变，即可以人为控制和改变，这就是采用离心沉降的优点—— 选择合适的转速与半径，就能够根据分离要求完成分离任务 。前面提及，离心沉降速度远大于重力沉降速度，其原因是离心力场强度远大于重力场强度。对于离心分离设备，通常用两者的比值来表示离心分离效果，称为 离心分离因数 ，用Kc表示，即

式中，ns和n均表示转速，其单位分别为r/s（转/秒）和r/min（转/分）。

例如：旋转半径为0.4m，切向速度为20m/s，分离因素为：

要提高Kc，可通过增大半径R和转速ns来实现，但出于对设备强度、制造、操作等方面的考虑，实际上，通常采用提高转速并适当缩小半径的方法来获得较大的Kc。例如对R=0.2m的设备，当n=800r/min时，其Kc就可达到142，如有必要，还可以提高其转速。目前，超高速离心机的离心分离因数已经达到500000，甚至更高。尽管离心分离沉降速度大、分离效率高，但离心分离设备较重力沉降设备复杂，投资费用大，且需要消耗能量，操作严格而费用高。因此，综合考虑，不能认为对任何情况，采用离心沉降都优于重力沉降，例如，对分离要求不高或处理量较大的场合采用重力沉降更为经济合理，有时，先用重力沉降再进行离心分离也不失为一种行之有效的方法。

3、分离效率

1）总效率η0

式中，C进、C出为进出旋风分离器的含尘气体的质量浓度，g/m3。总效率并不能准确地代表旋风分离器的分离性能。因为气体中颗粒大小不等，各种颗粒被除下的比例也不相同 。颗粒的尺寸越小，所受的离心力越小，沉降速度也越小，所以能被除下的比例也越小。 因此， 总效率相同的两台旋风分离器，其分离性能却可能相差很大 ，这是因为被分离的颗粒具有不同粒度分布。

2）粒级效率ηi

式中，Ci进、Ci出分别为进出旋风分离器气体中粒径为dpc的颗粒的质量浓度，g/m3。总效率与粒级效率的关系为：η0=∑xiηi式中，xi为进口气体中粒径为dpi颗粒的质量分数。 通常将经过旋风分离器后能被除下50%的颗粒直径称为分割直径 dpc，某些高效旋风分离器的分割直径可小至3～10μm。不同粒径dpi的粒级分离效率ηi不同，其与dpi/dpc的关系如图所示。

旋风分离器的粒径效率

4、压降

气体通过旋风分离器的压降可用下式计算：

式中，阻力系数ζ决定于旋风分离器的结构和各部分尺寸的比例，与筒体直径大小无关，一般由经验式计算或实验测取。对于标准型旋风分离器，可取ζ=8。旋风分离器压强降一般为500～2000Pa。 压降大小是评价旋风分离器性能好坏的一个重要指标。 受整个工艺过程对总压降的限制及节能降耗的需要，气体通过旋风分离器的压降应尽可能低。 压降的大小除了与设备的结构有关外， 主要决定于气体的速度 。 气体速度越小，压降越低，但气速过小，又会使分离效率降低，因而要选择适宜的气速以满足对分离效率和压降的要求。 一般进口气速在10～25m/s为宜，最高不超过35m/s，同时压降应控制在2kPa以下。除了前面提到的标准型旋风分离器，还有一些其他型式的旋风分离器，如CLT、CLT/A、CLP/A、CLP/B以及扩散式旋风分离器，其结构及主要性能，读者可查阅有关资料。

5、实例计算

用一筒体直径为0.8m的标准型旋风分离器处理从气流干燥器出来的含尘气体，含尘气体流量为2m3/s，气体密度为0.65kg/m3，黏度为3×10-5Pa·s，尘粒可视为球形，其密度为2500kg/m3。求：（1）临界粒径；（2）气体通过旋风分离器的压降。

解：（1）进口气速