前言
1  緒論
2  流體力學基礎
2.1  流體的基本物理性質
2.1.1  流體的密度和重度
2.1.2  流體的壓縮性和膨脹性
2.2  流體運動的基本方程
2.2.1  連續性方程
2.2.2  伯努利方程
2.2.3  動量方程
2.2.4  動量矩方程
2.3  流體動力學基礎
2.3.1  層流與紊流
2.3.2  有旋流與無旋流
2.3.3  平面勢流
3  氣溶膠力學基礎
3.1  氣溶膠及顆粒粒徑分布
3.1.1  氣溶膠
3.1.2  氣溶膠顆粒的粒徑
3.1.3  粒徑分布的表示方法
3.1.4  粒徑分布函數
3.2  粉塵顆粒的物理性質
3.2.1  密度
3.2.2  比表面積
3.2.3  顆粒的潤濕性
3.2.4  顆粒的荷電性與導電性
3.2.5  顆粒的休止角
3.2.6  顆粒的黏附性
3.2.7顆粒群的爆炸性
3.3  顆粒在流體中的運動
3.3.1  球形顆粒的阻力
3.3.2  滑動修正繫數
3.3.3  球形顆粒在靜止空氣中的運動
3.3.4  重力沉降
3.3.5  離心沉降
3.3.6  慣性沉降
3.3.7擴散沉降
4  離心捕集設備的主要類型與基本工作原理
4.1  干式離心分離設備
4.1.1  旋風分離器
4.L 2旋風預熱器
4.1.3  旋流分離器
4.2  濕式離心分離設備
4.2.1  濕式旋風分離器
4.2.2  水力旋流器
5  旋風分離器的流場與濃度場
5.1  旋風分離器的流場
5.1.1  普通切流反轉式旋風分離器的流場
5.1.2  CSAG旋風分離器的流場測定
5.1.3  測試結果分析
5.2  旋風分離器的濃度場
5.2.1  測試繫統及工作原理
5.2.2  測試儀器及其標定
5.2.3  測試結果及其分析
5.2.4  關於提高旋風筒分離效率的討論
6  旋風分離器的主要性能參數
6.1  旋風分離器的分離效率
6.1.1  臨界分離粒徑
6.1.2  分級效率
6.1.3  綜合分離效率
6.2  旋風分離器的阻力損失
6.2.1  旋風分離器阻力損失的計算
6.2.2  旋風分離器阻力損失的正確測定
7  影響旋風分離器性能參數的若干因素
7.1  蝸殼形狀和尺寸對旋風筒性能參數的影響
7.1.1  旋風筒蝸殼內粉體運動動力學方程
7.1.2  蝸殼形狀的影響
7.1.3  蝸殼偏心率的影響
7.1.4  蝸殼尺寸的影響
7.1.5  流體溫度的影響
7.2  結構因素對旋風筒性能參數的影響
7.2.1  實驗裝置
7.2.2  實驗方法
7.2.3  實驗結果分析
7.2.4  旋風筒結構尺寸變化對其性能的影響
7.2.5  旋風筒結構尺寸的確定
7.3  非結構因素對旋風筒性能參數的影響
7.3.1  實驗裝置和測試方法
7.3.2  風速影響
7.3.3  含塵濃度的影響
7.3.4  流體溫度的影響
7.3.5  物料循環的影響
8  常用旋風分離器的結構及性能特點
8.1  干式旋風除塵器
8.1.1  XCX型旋風除塵器
8.1.2  XCK型旋風除塵器
8.1.3  XZZ型旋風除塵器
8.1.4  C5AG型旋風除塵器
8.1.5  XNX型旋風除塵器
8.1.6  XLP型旋風除塵器
8.1.7  CLC型多管除塵器
8.1.8  環流式旋風除塵器
8.1.9  開孔旋轉圓筒式旋風除塵器
8.1.10  連續螺旋式旋風除塵器
8.1.11切  流直流式旋風除塵器
8.2  旋流除塵器
8.2.1  典型旋流除塵器
8.2.2  旋流除塵器的技術參數
8.2.3  旋流除塵器的性能
8.3  濕式旋風除塵器
8.3.1  中心噴霧旋風除塵器
8.3.2  立式旋風水膜除塵器
8.3.3  臥式旋風水膜除塵器
8.3.4  麻石水膜除塵器
9  旋風分離器的組合使用
9.1  串聯旋風分離器
9.2  並聯旋風分離器
9.2.1  立式多管旋風除塵器
9.2.2  斜多管旋風除塵器
9.3  選粉機
9.3.1   O-SEPA選粉機
9.3.2  轉子式選粉機
9.4  旋風過濾捕集設備
9.4.1  回轉反吹袋式除塵器
9.4.2  XHD袋式除塵器
9.4.3  脈衝噴吹袋式除塵器
9.5  旋風電復合收塵設備
9.5.1  CKCF復合式高壓靜電除塵器
9.5.2  JH型組合式高壓靜電除塵器
9.5.3  SZD組合電收塵器
9.6  旋風預除塵器
9.6.1  旋風除塵器排氣口流體運動狀態
9.6.2  旋風預除塵器除塵效率的合理確定
9.6.3  其他容易忽視的問題
10  旋風預熱器
10.1  概述
10.1.1  旋風預熱器的用途
10.1.2  旋風預熱器的工作原理
10.1.3  旋風預熱器回轉窯的使用特點
10.2  旋風預熱器的組成及換熱原理
10.2.1  旋風預熱器的組成
10.2.2  物料的分散與懸浮
10.2.3  旋風預熱器的氣固相換熱
10.2.4  氣固分離
10.3  旋風預熱器設計和使用過程中需要注意的若干問題
10.3.1  旋風預熱器人口氣流的旋轉效應
10.3.2  預熱器旋風筒漏風原因和改進措施
11  水力旋流器
11.1  水力旋流器的原理和特點
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點
11.2  水力旋流器的主要類型和基本構造
11.2.1  水力旋流器的分類
1L 2.2  典型水力旋流器的基本結構
11.3  水力旋流器的主要性能參數
11.3.1  分離效率
11.3.2  壓力降
11.4  影響水力旋流器性能的主要結構因素
11.4.1  柱體直徑
11.4.2  溢流管直徑
11.4.3  溢流管插入深度
11.4.4  底流口直徑
12  離心捕集設備的排灰裝置
12.1  干式間斷排灰裝置
12.1.1  手動卸灰閥
12.1.2  手動插板閥
12.2  干式連續排灰裝置
12.2.1  圓錐式閃動卸灰閥
12.2.2  翻板式卸灰閥
12.2.3  回轉式排灰器
12.2.4  螺旋卸灰機
12.3  濕式排灰裝置
12.3.1  水封排漿箱
12.3.2  滿流排灰管
12.3.3  水封卸灰閥
12.3.4  濕式錐形卸灰閥
13  離心捕集設備的動力裝置
13.1  風機
13.1.1  常用風機分類
13.1.2.通風機的性能
13.1.3  通風機的選型
13.2  泵
13.2.1  常用泵的分類
13.2.2  離心泵的結構、類型和工作原理
13.2.3  離心泵的技術特性
13.2.4  離心泵的汽蝕
13.2.5  泵的型號編制
13.2.6  離心泵的選擇及使用
14  離心捕集繫統的設計
14.1  離心捕集繫統的基本組成
14.2  離心捕集繫統的設計原則
14.3  制造離心捕集裝置的常用材料及其磨損
14.4  離心捕集設備管道繫統的設計
14.4.1  管道繫統壓力損失的計算
14.4.2  管道繫統的設計計算
14.4.3  常用管件的選擇與設計
14.4.4  管道繫統布置的原則與要求
主要參考文獻

緒論
離心捕集設備是利用多相流體（氣體、液體、固體）做旋轉運動時產生的離心力
將固體和液體顆粒從流體中分離並捕集下來的分離設備。典型的離心捕集設備是
旋風分離器和水力旋流器。
旋風分離器是一種分離非均相流體混合物的設備，工作介質為氣體，利用設備
結構形狀和流體自身動力，促使氣固、氣液兩相或氣液固三相流體高速旋轉，產生
不同大小的離心力，從而實現氣固、氣液及氣液固分離。
自1885年摩爾斯（O.M.Morse）在美國申請並獲得旋風分離器的專利以來
，
旋風分離器到今天已有一百多年的發展歷史。隨著基礎科學理論的建立和發展
，
尤其是多相流體力學的研究進展，旋風分離器的研究和應用也逐步從初級階段進
入到較高級階段。從最初僅能捕集分離較粗的物料（數十微米）到能捕集分離超微
粉塵（1μm
以下）。
大約在19
世紀80
年代，旋風分離器首先用於歐美國家的木材、糧食和機械加
工廠中收集粉塵顆粒。直到20
世紀30
年代，人們還隻是根據廠礦生產需要使用
旋風分離器來分離捕集粗顆粒的物料，對旋風分離器中的氣流運動規律及粉塵顆
粒從含塵氣流中分離的機理並未進行深入研究。其間，旋風筒的臨界分離粒徑一
直停留在50μm
左右。
1928年，波羅克（Prockact
）第一次對旋風分離器進行了測定，開始對旋風分離
器的繫統科學試驗和理論分析，發現分離器內部存在著中心為強制渦、外側為準自
由渦構成的雙渦旋。不少研究人員通過測定大量數據，深入了解了有關壓力損失
和除塵效率的影響因素，包括氣流進口速度、溫度、黏度，粉塵顆粒的密度、分散度、
旋風分離器的結構形式尺寸的比例關繫等。1948年，溫尼（Umney）研制成功了軸
流旋風分離器，使旋風分離器的應用範圍進一步擴大。
1949
年，荷蘭人特林登（Ter
Linden）對旋風分離器進行了流場測定，並根據
測定的切向、徑向和軸向風速，繪出了旋風筒內流體運動軌跡和流體的三維速度分
布。研究表明，旋風筒內不僅有運動方向和數值較為規律的切向風速，而且還有運
動方向和數值較為復雜的軸向風速和徑向風速。
1956～
1964
年，德國人巴特（Water
Barth
）提出了切流反轉式旋風除塵器分
離機理的繫統理論，並對其進行了驗證。顆粒分離機理從開始類比平流沉降的轉
圈理論發展到類似過濾分離的篩分理論，提出了臨界分離粒徑的概念。1972年
，
萊斯（Leith）與李基特（Licht）類比電力除塵器的分離機理，提出紊流混摻邊界層
分離理論，並建立了在該理論基礎上的分級除塵效率計算公式。
通過流場測試分析表明，旋風器內的流場大致是以排氣管延長面為界，內側切
向風速為強制渦（旋流）、徑向風速為由內向外的源流構成的內旋渦（旋源疊加）
；
外
側切向風速為準自由渦（渦流）、徑向風速為由外向內的彙流構成的外旋渦（渦彙疊
加）。由於普通切流反轉式旋風分離器旋源疊加的內旋渦的流體一般會逸出排氣
管，因此顆粒捕集一般在渦彙疊加的外旋渦中進行。由於徑向彙流會妨礙欲分離
顆粒向外運動，因此把該區域當做分離空間顯然並不理想。
1963
年，西門子公司的研究人員在流場分析的基礎上發現，如果把旋風器捕
集分離的空間移動到旋源疊加的流場內，則旋風器捕集分離的能力將會大為增加
，
因而研究開發了DSE
旋風分離器（又稱龍卷風旋流器）。這種旋風分離器的臨界
分離粒徑可達0.4μm
，向超微顆粒捕集邁出了第一步。在此之後，美國、日本等以
旋源流場為分離空間先後研制了能夠捕集超微顆粒的旋風分離器，使旋風分離器
進入了超微捕集時代。需要說明的是，該旋風分離器雖然臨界分離粒徑較小，但由
於設備結構復雜、阻力損失較高，所以並未在工業領域大面積推廣使用。
隨著旋風分離器理論研究的不斷深入，其應用範圍也在逐步擴大。自1953
年
德國洪堡公司將旋風分離器用於水泥生料的預熱後，大大擴大了它的使用範圍。
隨著20
世紀70
年代水泥生產窯外分解技術的誕生，懸浮預熱‐預分解技術已成為
新型干法水泥生產的主導技術。研究和開發高效低阻旋風分離器對節能減排有著
重要的現實意義。
此外，離心分離原理在粉體分選中也得到了廣泛應用。選粉機由英國人於
1885
年發明，1889
年德國人將選粉機應用於水泥工業生產，至今已經有一百多年
的歷史。從最開始的離心式選粉機，到20
世紀60
年代德國研制的旋風式選粉機，
直至1979
年日本小野田公司研制的O‐Sepa
籠式高效選粉機，性能越來越強，能耗
則逐步降低，業內稱此籠式選粉機為第三代選粉機。
由於在旋風分離器內由外旋流離心分離到邊壁的物料很容易被折返氣流帶入
內旋流而逸出排氣管，所以人們將液體噴入或溢入旋風筒，使其在旋風筒內壁上形
成一薄層向下流動的液膜吸附固體顆粒並將其帶出旋風筒，形成了濕式旋風分離
器，減少了已分離物料的返混現像，提高了旋風筒的分離效率。
隨著旋風分離器數學模型的不斷完善和計算機仿真技術的逐步引入，目前，人
們的主要精力放在通過相似理論和量綱分析，采用優選理論研究開發技術經濟性
能最優化的旋風分離器，以滿足生產、節能和綠色經濟的要求。
與旋風分離器類似，水力旋流器也是一種分離非均相流體混合物的設備，區別
是水力旋流器的工作介質為液體。它是在離心力的作用下根據兩相或多相之間的
密度差實現兩相或多相分離的。由於顆粒在離心力場中的離心慣性力較在重力場
中的重力要大得多，因此，水力旋流器比重力分離設備的分離效率要高得多。
早在1891
年，Bretney
就在美國申請了第一個水力旋流器專利。1914年，水
力旋流器首先應用於磷肥生產。20世紀30
年代後期，水力旋流器開始用於紙漿
工業中水處理。隨後，大容積水力旋流器開始在荷蘭廣泛應用於選煤和選礦。但
此時的水利旋流器還主要用於液固分離。1943年，美國原子能委員會的Tepe
和
Woods
將水力旋流器用於乙醚‐水繫統的分離。1953年，Van
Rossum
將水力旋流
器用於脫出油中的水分。水力旋流器開始進入了液液分離的階段，其研究引起了
越來越多人的重視，同時，旋流器的應用範圍也越來越廣泛。開始的研究主要集中
在關聯操作性能以及在各種分離過程中的應用，而在後續的研究中纔比較多地考
慮流體力學原理及其分析方法。當時，水力旋流器已經成為一種標準的固液分離
設備。
20
世紀60
年代以後，人們開始將水力旋流器用於實驗設備以及其他更廣泛
的工業領域，主要有礦冶行業中的顆粒分級，礦物質回收與水處理，化學工業中液
液萃取、固‐液濾取和結晶，空間技術中的零重力場分離，機械加工行業中回收潤滑
油及貴重金屬，電子工業中回收稀有金屬，生物化學工程中酶和微生物的回收，食
品與發酵工業中的澱粉、果汁、酵母等與水的分離，石油工業中的油‐水分離，油‐水
氣分離與油‐水‐泥分離等。
水力旋流器應用包括固液分離、液氣分離、固固分離（分選）、液液分離、液氣固
三相同時分離及其他應用。此外，水力旋流器還可作為一種高效的分選設備，對固
體顆粒進行分級。單個水力旋流器的直徑一般為0.01～
2.5m
，大部分固體顆粒的
分離粒度可以小至
2～
3μm
。單個水力旋流器處理能力的範圍一般為0.
1
～
7200m3/
h
，其操作壓力一般在0.034～
0.6MPa
。目前，許多國家的油田，尤其是在
海洋鑽井平臺上，由於空間的限制，大量使用水力旋流器作為原油脫水或生產用水
的水處理設備。根據目前20
多個國家的統計，每天用水力旋流器處理的生產用水
在140
萬
t
以上。
近二三十年來，水力旋流分離技術的理論研究有了迅速的發展。隨著電測和
光測技術的進步，不少研究人員對水力旋流器內的流場進行了研究，對旋流器內流
體的三維速度進行了測定，對分散相物體（固體顆粒或液滴）在連續相液體中的受
力狀況進行了分析，掌握了顆粒在連續相液體中的運動規律，並建立了數學模型。
比較而言，由於歷史的原因，目前對液固分離的水力旋流器研究較為深入，而液液
分離的水力旋流器，由於出現時間較短，液滴運動規律較為復雜，且測試手段仍受
一定的局限，所以其理論研究仍需進一步深入開展。
2.1流體的基本物理性質
2.1.1流體的密度和重度
2.1.1.1流體的密度
密度是表征某一流體慣性大小的物理量，慣性是物體維持原有運動狀態的能
力的性質。對於均質流體，單位體積的流體所具有的質量稱為密度，以ρ表示
：
M
ρ＝V
（2‐1）
式中：
ρ
——
流體的密度，kg/m3；
M
——
流體的質量，kg；
V
——
該質量流體的體積，m3。
對於非均質流體，由於各點的密度不同，要確定空間某點流體的密度，可在該
點周圍體積ΔV
，其密度的定義式為
在流體力學中，密度ρ不僅是流體慣性的量度，也描述了流體在流場中分布的
疏密程度，特別在可壓縮氣體流動中，它是反映流體質點運動狀態的參數之一。
2.1.1.2流體的重度
密度ρ和重力加速度
g
的乘積ρg
稱為重度或容重，用符號“γ”表示。對於均
質流體，重度的定義為單位體積的流體所具有的重力，其定義式為
在國際單位制中，密度的單位為kg/m3
重度的單位為N/m3。在工程單位制
中，密度的單位為kgf
2.1.2流體的壓縮性和膨脹性
流體受壓，體積縮小、密度增大的性質稱為流體的壓縮性；流體受熱，體積膨
脹、密度減小的性質稱為流體的膨脹性。
2.1.2.1液體的壓縮性和膨脹性
液體的壓縮性，是指當壓強增加一個單位時液體體積的相對減少值，通常用壓
縮繫數β來表示。設
V
為液體原有體積，如壓強增加d
p
後，體積減少dV
，則壓縮
繫數為
β值越大，則流體的壓縮性越大，β的單位是壓強單位的倒數，即m2/N。