离心沉降原理及旋液分离器与旋风分离器区别

一、离心沉降原理

重力沉降的分离效率不高，这是因为微粒在重力作用下、沉降速度较小。如果用惯性离心力代替重力，就可以提高微粒的沉降速度和分离效率，提高生产能力并缩小设备尺寸。

颗粒做圆周运动时，使其方向不断改变的力称为向心力。颗粒的惯性却促使它脱离圆周轨道而沿切线方向飞出，此种惯性力即为离心力。离心力与向心力大小相等而方向相反。离心力的作用方向是沿旋转半径从圆心指向外，其大小为：

离心力

式中，m为颗粒的质量；a_r为离心加速度；u_t为颗粒的切线速度；r为旋转半径。

固体粒子所受的惯性离心力与重力相比，或向心加速度与重力加速度之比称为分离因数，用符号a表示。

设ρ为分散介质密度，kg/m³；ρ_s为悬浮在介质中球形颗粒的密度，kg/m³；d为球形颗粒的直径，m。微粒在惯性离心力作用下，随介质作旋转运动，并在径向方向沉降。同重力沉降相似，当微粒在沉降方向上所受各种力互相平衡时，微粒作等速沉降，沉降速度为u₀。

微粒在径向沉降方向上所受的力有惯性离心力

还有浮力

阻力

当微粒等速沉降时，F_C-F₁-F_R=0，或F_C-F₁=F_R，即

将上式整理后，得悬浮液中固体颗粒的离心沉降速度公式

离心沉降速度同样可以按Re的大小区分为不同的沉降区域。

当Re＜1时，沉降属于层流区域，这时阻力系数

将此值代入式（6-10）中，得层流区域离心沉降速度公式为

将离心沉降速度与重力沉降速度作一比较可以看出，在离心力作用下的沉降速度增大的倍数，正等于向心加速度与重力加速度之比，即分离因数所表示的数值。

二、离心沉降设备

1.旋风分离器(www.xing528.com)

旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备，如图6-17所示，其器体上部为圆筒形，下部为圆锥形。含尘气体从圆筒上侧的进气管以切线方向进入，获得旋转运动，分离出粉尘后从圆筒顶的排气管排出。粉尘颗粒自锥形底部落入灰斗。

图6-17 旋风分离器

气体通过进气口的速度为10～25m/s，一般采用15～20m/s，所以产生的离心力可以分离出小到5μm的颗粒及雾沫。因此旋风分离器是化工生产中使用很广的设备，并常用于厂房的通风除尘系统，它的缺点是对气流的阻力较大，处理有腐蚀性的颗粒时易被磨损。

从图6-17中可以看出气体在器内的流动情况。气体自圆筒上侧的切线进口进入后，按螺旋形路线向器底旋转，到达底部后折向上，成为内层的上旋气流，称为气芯，然后从顶部分中央排气管排出。气流中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋向器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。直径很小的颗粒常在未达器壁前即被卷入上旋气流而被气流带出。

旋风分离器内的压力，在器壁附近最高，往中心逐渐降低，到达气芯处常降到负压，低压气芯一直延伸到器底的出灰口。因此，出灰口必须密封完善，以免漏入空气而使收集于锥形底的灰尘重新卷起，甚至从灰斗吸入大量粉尘。

旋风分离器各部分的尺寸都有一定的比例，如图6-17所示的一种类型的尺寸比例。只要规定出其中一个主要尺寸（直径D或进气口宽度B），则其他各部分的尺寸也确定。由于气体通过进气口的速度变动不大，故每个尺寸已规定好的旋风分离器，所处理的气体体积流量（亦即其生产能力）可变动的范围较窄。

旋风分离器能够分离出的颗粒大小是它的主要性能之一。能够分离的最小颗粒直径称为临界直径d_c。假设①颗粒与空气在旋风分离器内的切线速度u_t恒定，与所在的位置无关，且等于在进口处的速度u₁；②颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进气口宽度B；③颗粒与气流的相对速度为层流，则临界粒径可用下列公式进行计算：

式（6-12）中，μ为气体的黏度，N·s/m²；B为旋风分离器进口宽度，m；N为空气在分离器中的旋转圈数，对于图6-17所示的旋风分离器N取5；ρ_s为固体颗粒的密度，kg/m³；u₁为含灰气体进口速度，一般为15～20m/s。

理论上，所有大于或等于最小直径d_c的尘粒都可以完全沉降。但实验结果表明，较大粒子的分离效率，并不是100%。这是因为气体中有涡流，阻碍尘粒的离心沉降。而且，已沉降到器壁的尘粉，还可能重新被卷起，发生返混现象。反之，直径小于d_c的尘粒，并不是完全不能被除去。这是因为含沉气体中所有尘粒并不是都要通过气流的最大厚度（D₁/2-D₂/2 =B），才能沉降到圆筒壁。进入环隙的气流中本来就靠近圆筒壁的小于d_c直径的粒子，也可能被分离。而且由于受到较大粒子的碰撞，小粒子还可能附在大粒子上沉降。

图6-18 旋液分离器结构示意图

1—悬浮液入口管 2—圆筒3—锥形桶 4—底流出口管5—中心溢流管 6—溢流出口管

2.旋液分离器

旋液分离器是一种利用离心力从液流中分离固体颗粒的设备。它的构造及操作原理都与旋风分离器相似，结构如图6-18所示。

悬浮液在旋液分离器中被分为顶部溢流和底部底流两部分，由于液体黏度大、密度也大，颗粒沉降分离比较困难，所以一般底流中往往带有部分颗粒。因此旋液分离器可用于悬浮液的增稠或分级，也可用于液-液萃取等操作中形成的乳浊液的分离。

与旋风分离器相比，旋液分离器的特点是：形状细长、直径小，圆锥部分长，以利于分离；中心经常有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效率。

旋液分离器结构简单，没有运动部件，体积小、处理量大；但由于颗粒沿器体壁面高速运动，产生较大阻力，同时也会造成设备严重磨损，一般应采用耐磨材料制造。