2009-12-1
第三章
非均相物系分离
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
式与选用第二节
离心沉降
2009-12-1
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 离心力场
力场强度 重力加速度 g ut2/R
方向 指向地心 沿旋转半径从中心指向外周
Fg=mg RumF tC 2?作用力
2009-12-1
一、离心沉降速度
1、离心沉降速度 ur
惯性离心力 =
R
ud t
s
23
6 ?
?
向心力 =
R
ud t23
6 ?
?
阻力 =
24
22 rud ??
?
三力达到平衡, 则：
?Rud ts
23
6 ?
?
R
ud t23
6 ?
? 0
24
22
?? rud ???
2009-12-1
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 。
? ?
R
udu ts
r ??
??
3
4 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 。
2009-12-1
阻力系数,层流时
eR
24?? ? ?
???
?
???
??
?
R
udu ts
r
22
18 ?
??
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,
c
T
t
r K
gR
u
u
u ?? 2
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 。
102
2
?? gRuK Tc
2009-12-1
二、旋风分离器的操作原理
2009-12-1
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 hBuV i ???
2009-12-1
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
? ?
???
?
???
???
R
udu Ts
r
22
18 ?
?? 表示
c) 颗粒在滞流情况下做自由沉降, 径向速度可用
2009-12-1
∵ 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。
气流中颗粒的离心沉降速度为：
m
is
r R
udu
?
?
18
22
?
颗粒到达器壁所需要的时间：
22
18
is
m
r
t ud
BR
u
B
?
?? ??
停留时间为：
i
m
u
NR?? 2?
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 。
2009-12-1
i
m
isc
m
u
NR
ud
BR ?
?
? 218
22 ?
is
c uN
Bd
??
?9?? —— 临界粒径的表达式
2） 临界粒径的影响因素
a) 由
is
c uN
Bd
??
?9?, 知
Bd c ?
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 。
2009-12-1
3,分离效率
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
%10 0
1
210 ???
C
CC?
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
%100
1
21 ???
i
ii
pi C
CC?
2009-12-1
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。
2009-12-1
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
2009-12-1
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
0
50 27.0 ??
?
iu
Dd ?
2009-12-1
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,
2
2
ic up ????
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 。
2009-12-1
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,
2009-12-1
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
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 。
2009-12-1
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
2009-12-1
例,气体中所含尘粒的密度为 2000kg/m3,气体的流量为
5500标 m3/h,温度为 500℃, 密度为 0.43kg/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
70 02
2
??? iup ?? ξ=8.0
2009-12-1
??
pu
i
?? 2 sm /2.20
43.00.8
7 0 02 ?
?
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按分离要求, 临界粒径不大于 10μm,故取临界粒径
dc=10μm来计算粒径的尺寸 。
由 ui与 dc计算 D
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Nu
Bd
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c
610109 ????
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2
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2009-12-1
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 。
进气管截面积 22 0 7 6.0
842 m
DDDAB ????
每个旋风分离器的气体处理量为：
? ? iS uABV ?' sm /5 3 5.12.200 7 6.0 3???
含尘气体在操作状况下的总流量为：
smV S /32.4273 50027376005500 3????
2009-12-1
所需旋风分离器的台数为,8.2
' ??
S
S
V
Vn
为满足规定的气体处理量, 压强降及分离效率三项指
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：
smVV ss /08.14 3' ??
为了保证指定的分离效率, 临界粒径仍取为 10μm。
is
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Bd
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4
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32
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2
2
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aP5 5 02
9.1743.00.8 2 ???? ? ?aP700?
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 。
2009-12-1
ΔP=700Pa ui=20.2m/s
8
2D
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i
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0535.02.20 08.1 m??
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校核临界粒径
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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
2009-12-1
（ 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 。
第三章
非均相物系分离
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
式与选用第二节
离心沉降
2009-12-1
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 离心力场
力场强度 重力加速度 g ut2/R
方向 指向地心 沿旋转半径从中心指向外周
Fg=mg RumF tC 2?作用力
2009-12-1
一、离心沉降速度
1、离心沉降速度 ur
惯性离心力 =
R
ud t
s
23
6 ?
?
向心力 =
R
ud t23
6 ?
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三力达到平衡, 则：
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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 。
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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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阻力系数,层流时
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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 。
102
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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 hBuV i ???
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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
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c) 颗粒在滞流情况下做自由沉降, 径向速度可用
2009-12-1
∵ ρ<<ρS,故 ρ可略去, 而旋转半径 R可取平均值 Rm,并用进
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气流中颗粒的离心沉降速度为：
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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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2） 临界粒径的影响因素
a) 由
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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
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
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1
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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
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2009-12-1
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。
2009-12-1
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
2009-12-1
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
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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
所产生的动能损失造成了气体的压强降,
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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 。
2009-12-1
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,
2009-12-1
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
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 。
2009-12-1
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
2009-12-1
例,气体中所含尘粒的密度为 2000kg/m3,气体的流量为
5500标 m3/h,温度为 500℃, 密度为 0.43kg/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
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2009-12-1
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按分离要求, 临界粒径不大于 10μm,故取临界粒径
dc=10μm来计算粒径的尺寸 。
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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 。
进气管截面积 22 0 7 6.0
842 m
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每个旋风分离器的气体处理量为：
? ? iS uABV ?' sm /5 3 5.12.200 7 6.0 3???
含尘气体在操作状况下的总流量为：
smV S /32.4273 50027376005500 3????
2009-12-1
所需旋风分离器的台数为,8.2
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S
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Vn
为满足规定的气体处理量, 压强降及分离效率三项指
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：
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为了保证指定的分离效率, 临界粒径仍取为 10μm。
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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 。
2009-12-1
ΔP=700Pa ui=20.2m/s
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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
2009-12-1
（ 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 。
