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　　《离心捕集原理与设备离心捕集原理与设备》(作者薛勇)在实验研究基础上，系统介绍典型离心捕集设备——旋风分离器、旋风预热器和水力旋流器的基本结构、工作原理、性能参数及其影响因素等，并且将笔者的项目研究成果充实其中。另外，还对涉及离心捕集设备的流体力学基础、气溶胶力学基础、离心捕集设备的附属装置等进行介绍，以提高《离心捕集原理与设备离心捕集原理与设备》内容的系统性和完整性。

《离心捕集原理与设备离心捕集原理与设备》可供环境、化工、选矿、机械、食品、烟草、冶金等行业的工程技术人员和大专院校师生在从事离心捕集设备的设计、选型和应用时参考。

前言

1  绪论

2  流体力学基础

2.1  流体的基本物理性质

2.1.1  流体的密度和重度

2.1.2  流体的压缩性和膨胀性

2.2  流体运动的基本方程

2.2.1  连续性方程

2.2.2  伯努利方程

2.2.3  动量方程

2.2.4  动量矩方程

2.3  流体动力学基础

2.3.1  层流与紊流

2.3.2  有旋流与无旋流

2.3.3  平面势流

3  气溶胶力学基础

3.1  气溶胶及颗粒粒径分布

3.1.1  气溶胶

3.1.2  气溶胶颗粒的粒径

3.1.3  粒径分布的表示方法

3.1.4  粒径分布函数

3.2  粉尘颗粒的物理性质

3.2.1  密度

3.2.2  比表面积

3.2.3  颗粒的润湿性

3.2.4  颗粒的荷电性与导电性

3.2.5  颗粒的休止角

3.2.6  颗粒的黏附性

3.2.7颗粒群的爆炸性

3.3  颗粒在流体中的运动

3.3.1  球形颗粒的阻力

3.3.2  滑动修正系数

3.3.3  球形颗粒在静止空气中的运动

3.3.4  重力沉降

3.3.5  离心沉降

3.3.6  惯性沉降

3.3.7扩散沉降

4  离心捕集设备的主要类型与基本工作原理

4.1  干式离心分离设备

4.1.1  旋风分离器

4.L 2旋风预热器

4.1.3  旋流分离器

4.2  湿式离心分离设备

4.2.1  湿式旋风分离器

4.2.2  水力旋流器

5  旋风分离器的流场与浓度场

5.1  旋风分离器的流场

5.1.1  普通切流反转式旋风分离器的流场

5.1.2  CSAG旋风分离器的流场测定

5.1.3  测试结果分析

5.2  旋风分离器的浓度场

5.2.1  测试系统及工作原理

5.2.2  测试仪器及其标定

5.2.3  测试结果及其分析

5.2.4  关于提高旋风筒分离效率的讨论

6  旋风分离器的主要性能参数

6.1  旋风分离器的分离效率

6.1.1  临界分离粒径

6.1.2  分级效率

6.1.3  综合分离效率

6.2  旋风分离器的阻力损失

6.2.1  旋风分离器阻力损失的计算

6.2.2  旋风分离器阻力损失的正确测定

7  影响旋风分离器性能参数的若干因素

7.1  蜗壳形状和尺寸对旋风筒性能参数的影响

7.1.1  旋风筒蜗壳内粉体运动动力学方程

7.1.2  蜗壳形状的影响

7.1.3  蜗壳偏心率的影响

7.1.4  蜗壳尺寸的影响

7.1.5  流体温度的影响

7.2  结构因素对旋风筒性能参数的影响

7.2.1  实验装置

7.2.2  实验方法

7.2.3  实验结果分析

7.2.4  旋风筒结构尺寸变化对其性能的影响

7.2.5  旋风筒结构尺寸的确定

7.3  非结构因素对旋风筒性能参数的影响

7.3.1  实验装置和测试方法

7.3.2  风速影响

7.3.3  含尘浓度的影响

7.3.4  流体温度的影响

7.3.5  物料循环的影响

8  常用旋风分离器的结构及性能特点

8.1  干式旋风除尘器

8.1.1  XCX型旋风除尘器

8.1.2  XCK型旋风除尘器

8.1.3  XZZ型旋风除尘器

8.1.4  C5AG型旋风除尘器

8.1.5  XNX型旋风除尘器

8.1.6  XLP型旋风除尘器

8.1.7  CLC型多管除尘器

8.1.8  环流式旋风除尘器

8.1.9  开孔旋转圆筒式旋风除尘器

8.1.10  连续螺旋式旋风除尘器

8.1.11切  流直流式旋风除尘器

8.2  旋流除尘器

8.2.1  典型旋流除尘器

8.2.2  旋流除尘器的技术参数

8.2.3  旋流除尘器的性能

8.3  湿式旋风除尘器

8.3.1  中心喷雾旋风除尘器

8.3.2  立式旋风水膜除尘器

8.3.3  卧式旋风水膜除尘器

8.3.4  麻石水膜除尘器

9  旋风分离器的组合使用

9.1  串联旋风分离器

9.2  并联旋风分离器

9.2.1  立式多管旋风除尘器

9.2.2  斜多管旋风除尘器

9.3  选粉机

9.3.1   O-SEPA选粉机

9.3.2  转子式选粉机

9.4  旋风过滤捕集设备

9.4.1  回转反吹袋式除尘器

9.4.2  XHD袋式除尘器

9.4.3  脉冲喷吹袋式除尘器

9.5  旋风电复合收尘设备

9.5.1  CKCF复合式高压静电除尘器

9.5.2  JH型组合式高压静电除尘器

9.5.3  SZD组合电收尘器

9.6  旋风预除尘器

9.6.1  旋风除尘器排气口流体运动状态

9.6.2  旋风预除尘器除尘效率的合理确定

9.6.3  其他容易忽视的问题

10  旋风预热器

10.1  概述

10.1.1  旋风预热器的用途

10.1.2  旋风预热器的工作原理

10.1.3  旋风预热器回转窑的使用特点

10.2  旋风预热器的组成及换热原理

10.2.1  旋风预热器的组成

10.2.2  物料的分散与悬浮

10.2.3  旋风预热器的气固相换热

10.2.4  气固分离

10.3  旋风预热器设计和使用过程中需要注意的若干问题

10.3.1  旋风预热器人口气流的旋转效应

10.3.2  预热器旋风筒漏风原因和改进措施

11  水力旋流器

11.1  水力旋流器的原理和特点

11.1.1  水力旋流器的工作原理

11.1.2  水力旋流器的使用特点

11.2  水力旋流器的主要类型和基本构造

11.2.1  水力旋流器的分类

1L 2.2  典型水力旋流器的基本结构

11.3  水力旋流器的主要性能参数

11.3.1  分离效率

11.3.2  压力降

11.4  影响水力旋流器性能的主要结构因素

11.4.1  柱体直径

11.4.2  溢流管直径

11.4.3  溢流管插入深度

11.4.4  底流口直径

12  离心捕集设备的排灰装置

12.1  干式间断排灰装置

12.1.1  手动卸灰阀

12.1.2  手动插板阀

12.2  干式连续排灰装置

12.2.1  圆锥式闪动卸灰阀

12.2.2  翻板式卸灰阀

12.2.3  回转式排灰器

12.2.4  螺旋卸灰机

12.3  湿式排灰装置

12.3.1  水封排浆箱

12.3.2  满流排灰管

12.3.3  水封卸灰阀

12.3.4  湿式锥形卸灰阀

13  离心捕集设备的动力装置

13.1  风机

13.1.1  常用风机分类

13.1.2.通风机的性能

13.1.3  通风机的选型

13.2  泵

13.2.1  常用泵的分类

13.2.2  离心泵的结构、类型和工作原理

13.2.3  离心泵的技术特性

13.2.4  离心泵的汽蚀

13.2.5  泵的型号编制

13.2.6  离心泵的选择及使用

14  离心捕集系统的设计

14.1  离心捕集系统的基本组成

14.2  离心捕集系统的设计原则

14.3  制造离心捕集装置的常用材料及其磨损

14.4  离心捕集设备管道系统的设计

14.4.1  管道系统压力损失的计算

14.4.2  管道系统的设计计算

14.4.3  常用管件的选择与设计

14.4.4  管道系统布置的原则与要求

主要参考文献

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绪论

离心捕集设备是利用多相流体（气体、液体、固体）做旋转运动时产生的离心力

将固体和液体颗粒从流体中分离并捕集下来的分离设备。典型的离心捕集设备是

旋风分离器和水力旋流器。

旋风分离器是一种分离非均相流体混合物的设备，工作介质为气体，利用设备

结构形状和流体自身动力，促使气固、气液两相或气液固三相流体高速旋转，产生

不同大小的离心力，从而实现气固、气液及气液固分离。

自1885年摩尔斯（O.M.Morse）在美国申请并获得旋风分离器的专利以来

，

旋风分离器到今天已有一百多年的发展历史。随着基础科学理论的建立和发展

，

尤其是多相流体力学的研究进展，旋风分离器的研究和应用也逐步从初级阶段进

入到较高级阶段。从最初仅能捕集分离较粗的物料（数十微米）到能捕集分离超微

粉尘（1μm

以下）。

大约在19

世纪80

年代，旋风分离器首先用于欧美国家的木材、粮食和机械加

工厂中收集粉尘颗粒。直到20

世纪30

年代，人们还只是根据厂矿生产需要使用

旋风分离器来分离捕集粗颗粒的物料，对旋风分离器中的气流运动规律及粉尘颗

粒从含尘气流中分离的机理并未进行深入研究。其间，旋风筒的临界分离粒径一

直停留在50μm

左右。

1928年，波罗克（Prockact

）第一次对旋风分离器进行了测定，开始对旋风分离

器的系统科学试验和理论分析，发现分离器内部存在着中心为强制涡、外侧为准自

由涡构成的双涡旋。不少研究人员通过测定大量数据，深入了解了有关压力损失

和除尘效率的影响因素，包括气流进口速度、温度、黏度，粉尘颗粒的密度、分散度、

旋风分离器的结构形式尺寸的比例关系等。1948年，温尼（Umney）研制成功了轴

流旋风分离器，使旋风分离器的应用范围进一步扩大。

1949

年，荷兰人特林登（Ter

Linden）对旋风分离器进行了流场测定，并根据

测定的切向、径向和轴向风速，绘出了旋风筒内流体运动轨迹和流体的三维速度分

布。研究表明，旋风筒内不仅有运动方向和数值较为规律的切向风速，而且还有运

动方向和数值较为复杂的轴向风速和径向风速。

1956～

1964

年，德国人巴特（Water

Barth

）提出了切流反转式旋风除尘器分

离机理的系统理论，并对其进行了验证。颗粒分离机理从开始类比平流沉降的转

圈理论发展到类似过滤分离的筛分理论，提出了临界分离粒径的概念。1972年

，

莱斯（Leith）与李基特（Licht）类比电力除尘器的分离机理，提出紊流混掺边界层

分离理论，并建立了在该理论基础上的分级除尘效率计算公式。

通过流场测试分析表明，旋风器内的流场大致是以排气管延长面为界，内侧切

向风速为强制涡（旋流）、径向风速为由内向外的源流构成的内旋涡（旋源叠加）

；

外

侧切向风速为准自由涡（涡流）、径向风速为由外向内的汇流构成的外旋涡（涡汇叠

加）。由于普通切流反转式旋风分离器旋源叠加的内旋涡的流体一般会逸出排气

管，因此颗粒捕集一般在涡汇叠加的外旋涡中进行。由于径向汇流会妨碍欲分离

颗粒向外运动，因此把该区域当做分离空间显然并不理想。

1963

年，西门子公司的研究人员在流场分析的基础上发现，如果把旋风器捕

集分离的空间移动到旋源叠加的流场内，则旋风器捕集分离的能力将会大为增加

，

因而研究开发了DSE

旋风分离器（又称龙卷风旋流器）。这种旋风分离器的临界

分离粒径可达0.4μm

，向超微颗粒捕集迈出了第一步。在此之后，美国、日本等以

旋源流场为分离空间先后研制了能够捕集超微颗粒的旋风分离器，使旋风分离器

进入了超微捕集时代。需要说明的是，该旋风分离器虽然临界分离粒径较小，但由

于设备结构复杂、阻力损失较高，所以并未在工业领域大面积推广使用。

随着旋风分离器理论研究的不断深入，其应用范围也在逐步扩大。自1953

年

德国洪堡公司将旋风分离器用于水泥生料的预热后，大大扩大了它的使用范围。

随着20

世纪70

年代水泥生产窑外分解技术的诞生，悬浮预热‐预分解技术已成为

新型干法水泥生产的主导技术。研究和开发高效低阻旋风分离器对节能减排有着

重要的现实意义。

此外，离心分离原理在粉体分选中也得到了广泛应用。选粉机由英国人于

1885

年发明，1889

年德国人将选粉机应用于水泥工业生产，至今已经有一百多年

的历史。从最开始的离心式选粉机，到20

世纪60

年代德国研制的旋风式选粉机，

直至1979

年日本小野田公司研制的O‐Sepa

笼式高效选粉机，性能越来越强，能耗

则逐步降低，业内称此笼式选粉机为第三代选粉机。

由于在旋风分离器内由外旋流离心分离到边壁的物料很容易被折返气流带入

内旋流而逸出排气管，所以人们将液体喷入或溢入旋风筒，使其在旋风筒内壁上形

成一薄层向下流动的液膜吸附固体颗粒并将其带出旋风筒，形成了湿式旋风分离

器，减少了已分离物料的返混现象，提高了旋风筒的分离效率。

随着旋风分离器数学模型的不断完善和计算机仿真技术的逐步引入，目前，人

们的主要精力放在通过相似理论和量纲分析，采用优选理论研究开发技术经济性

能最优化的旋风分离器，以满足生产、节能和绿色经济的要求。

与旋风分离器类似，水力旋流器也是一种分离非均相流体混合物的设备，区别

是水力旋流器的工作介质为液体。它是在离心力的作用下根据两相或多相之间的

密度差实现两相或多相分离的。由于颗粒在离心力场中的离心惯性力较在重力场

中的重力要大得多，因此，水力旋流器比重力分离设备的分离效率要高得多。

早在1891

年，Bretney

就在美国申请了第一个水力旋流器专利。1914年，水

力旋流器首先应用于磷肥生产。20世纪30

年代后期，水力旋流器开始用于纸浆

工业中水处理。随后，大容积水力旋流器开始在荷兰广泛应用于选煤和选矿。但

此时的水利旋流器还主要用于液固分离。1943年，美国原子能委员会的Tepe

和

Woods

将水力旋流器用于乙醚‐水系统的分离。1953年，Van

Rossum

将水力旋流

器用于脱出油中的水分。水力旋流器开始进入了液液分离的阶段，其研究引起了

越来越多人的重视，同时，旋流器的应用范围也越来越广泛。开始的研究主要集中

在关联操作性能以及在各种分离过程中的应用，而在后续的研究中才比较多地考

虑流体力学原理及其分析方法。当时，水力旋流器已经成为一种标准的固液分离

设备。

20

世纪60

年代以后，人们开始将水力旋流器用于实验设备以及其他更广泛

的工业领域，主要有矿冶行业中的颗粒分级，矿物质回收与水处理，化学工业中液

液萃取、固‐液滤取和结晶，空间技术中的零重力场分离，机械加工行业中回收润滑

油及贵重金属，电子工业中回收稀有金属，生物化学工程中酶和微生物的回收，食

品与发酵工业中的淀粉、果汁、酵母等与水的分离，石油工业中的油‐水分离，油‐水

气分离与油‐水‐泥分离等。

水力旋流器应用包括固液分离、液气分离、固固分离（分选）、液液分离、液气固

三相同时分离及其他应用。此外，水力旋流器还可作为一种高效的分选设备，对固

体颗粒进行分级。单个水力旋流器的直径一般为0.01～

2.5m

，大部分固体颗粒的

分离粒度可以小至

2～

3μm

。单个水力旋流器处理能力的范围一般为0.

1

～

7200m3/

h

，其操作压力一般在0.034～

0.6MPa

。目前，许多国家的油田，尤其是在

海洋钻井平台上，由于空间的限制，大量使用水力旋流器作为原油脱水或生产用水

的水处理设备。根据目前20

多个国家的统计，每天用水力旋流器处理的生产用水

在140

万

t

以上。

近二三十年来，水力旋流分离技术的理论研究有了迅速的发展。随着电测和

光测技术的进步，不少研究人员对水力旋流器内的流场进行了研究，对旋流器内流

体的三维速度进行了测定，对分散相物体（固体颗粒或液滴）在连续相液体中的受

力状况进行了分析，掌握了颗粒在连续相液体中的运动规律，并建立了数学模型。

比较而言，由于历史的原因，目前对液固分离的水力旋流器研究较为深入，而液液

分离的水力旋流器，由于出现时间较短，液滴运动规律较为复杂，且测试手段仍受

一定的局限，所以其理论研究仍需进一步深入开展。

2.1　流体的基本物理性质

2.1.1　流体的密度和重度

2.1.1.1　流体的密度

密度是表征某一流体惯性大小的物理量，惯性是物体维持原有运动状态的能

力的性质。对于均质流体，单位体积的流体所具有的质量称为密度，以ρ表示

：

M

ρ＝V

（2‐1）

式中：

ρ

——

流体的密度，kg/m3；

M

——

流体的质量，kg；

V

——

该质量流体的体积，m3。

对于非均质流体，由于各点的密度不同，要确定空间某点流体的密度，可在该

点周围取一微元体积ΔV

，其密度的定义式为

在流体力学中，密度ρ不仅是流体惯性的量度，也描述了流体在流场中分布的

疏密程度，特别在可压缩气体流动中，它是反映流体质点运动状态的参数之一。

2.1.1.2　流体的重度

密度ρ和重力加速度

g

的乘积ρg

称为重度或容重，用符号“γ”表示。对于均

质流体，重度的定义为单位体积的流体所具有的重力，其定义式为

在国际单位制中，密度的单位为kg/m3

重度的单位为N/m3。在工程单位制

中，密度的单位为kgf

2.1.2　流体的压缩性和膨胀性

流体受压，体积缩小、密度增大的性质称为流体的压缩性；流体受热，体积膨

胀、密度减小的性质称为流体的膨胀性。

2.1.2.1　液体的压缩性和膨胀性

液体的压缩性，是指当压强增加一个单位时液体体积的相对减少值，通常用压

缩系数β来表示。设

V

为液体原有体积，如压强增加d

p

后，体积减少dV

，则压缩

系数为

β值越大，则流体的压缩性越大，β的单位是压强单位的倒数，即m2/N。

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书籍介绍

《离心捕集原理与设备》在实验研究基础上，系统介绍典型离心捕集设备——旋风分离器、旋风预热器和水力旋流器的基本结构、工作原理、性能参数及其影响因素等，并且将笔者的项目研究成果充实其中。另外，还对涉及离心捕集设备的流体力学基础、气溶胶力学基础、离心捕集设备的附属装置等进行介绍，以提高《离心捕集原理与设备》内容的系统性和完整性。

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