喷砂机旋风分离器.do

(1)旋风分离器（cyclone separator）

旋风分离器构造如图所示，主要为一下半部呈锥形的圆筒。操作时，气体由圆筒上方以切线方向进入筒内，速度约达30m/s，在筒内作回旋运动，使气流中的固粒产生离心力拋向筒壁，而掉落至锥形底部排出。

旋风分离器对40微米以上颗粒有99％的集尘效率，10微米左右颗粒也有70～85％的集尘效率，是使用最广的集尘器。

(2)袋滤器（bag filter）

袋滤器的构造如图15-15所示，有一直立的方形滤箱，箱内垂直并立数十支圆筒状的布袋。操作时，含尘气体先引导至布袋内，利用压差使净化空气渗透过布袋，由管道排出；灰尘则被阻挡于布袋内侧，由于布袋的摇动，使灰尘自布袋中掉落至贮料斗。袋滤器可有效的排除０．１微米以上的灰尘，工业上常与旋风分离器连接使用，以提高经济效率。

实验三筛析与旋风分离

(Screen Analysis and Cyclone Separator)

一、目的

1. 学习标准筛(Sieve)及筛振荡机(Sieve shaker)之使用方法。

2. 利用筛析法来测定粉粒体之粒径分布。

3. 测定风速对旋风之分离效率之影响。

4. 测定风速对旋风分离压降之影响。

二、原理

2.1 筛析

筛析在化工厂中常用于控制与分析固体颗粒之大小，粉粒体粒径大小以通过标准筛之网眼大小来决定。筛网每边长一吋所含之筛孔数为网目(mesh)及筛号，现今最通用者为泰勒(Tyler)标准筛，其线径有一定的规定，例如泰勒200号筛，每边长一吋有筛孔200个，线径为0.0021吋，因此筛孔长度为0.005吋扣除0.0021吋，孔径大小即0.0029吋(0.074 mm)。粒径分布表示法常以累积分布曲线、

频率分布曲线、R-R-S 分布曲线表示。

(1)累积分布曲线：包括残留率曲线(R)及通过率曲线(D)

残留率指累积残留在筛网之粒子重，占全部试料重的百分比R(%)，数学式如式（1），以筛网孔径代表粒径D p ，以R 对D p 做图，即为残留率曲线。

)D (d )D (f R p D D p max

,P P

?=

（1）

对第i 筛网而言，残留率为：

1000

?∑=

W W R i

（2）

式中，R 为 累积残留率(%)，

D P 为 粒子直径(μm)， D P, max 为 最大粒子之直径(μm)， f(D P )为 粒径频率分布，

ΣW i 为 累积在第i 层及更上层筛网之试料总重(kg)， W 0为 总试料重(kg)

通过率即累积通过筛网之试料重，占试料总重量之百分比D(%)，以D 对D p

做图，即为通过率曲线。数学式表示为：

)D (d )D (f D p D D

p P

m ax

,P ?=

（3）

对第i 筛网而言，其对应之粒径为(2

1

-+Pi Pi D D )，而通过率为：

1000

1?∑+=

W i W D

（4）

式中，1+∑i W ：累积在第i+1层及更下层筛网之试料总重

D ：累积通过率(%)

残留率与通过率之关系为

D+R=100

（5）

(2)频率分布曲线(f)：各筛上粒子重占试料总重之百分比对平均粒径作图。

图3-1 粒径分布曲线图

(3)R-R-S 分布曲线(Rosin-Rammler Size distribution)：

以方程式表示累积分布状态如下：

)n P

bD exp(R -=100 （6）

其中b 、n 为常数，此方程式适合于以球磨机处理之情况。n 值对于大多数之矿物而言约为 1 。将上式取两次对数，得

log (2-log R) = log(b log e)+ n log D P

（7）

以 2-log R 对 D P 在全对数纸上作图，或直接以log (2-log R) 对log D P 作图，可得斜率n ，截距为log(b log e)。

2.2 旋风分离器

旋风分离器是利用粒子在气流中做高速旋转时，离心力远大于重力，且因速度愈大，粒子所获得之离心沉降速度也愈大，使固体与气体达到分离的目的，其标准形式如图3-2。含固态粒子之气体自圆筒导入管沿切线方向，以10 ~ 20 m/s 之速度送入锤型圆筒中，此时气流碰撞器壁，旋转下降至集尘袋中而气体则沿中央上升气流自圆筒上不排出。集尘粒径范围10 ~ 200 μm ，性能较佳者可处理至5 μm 。

1.旋风机之分离效率

η＝〔被分离出来之粉粒重〕/〔总粉粒重〕×100%

（8）

旋风机的分离效率，视粉体的粒径分布而异，通常皆以Stokes 定律计算最小粒径D P,min ，大于此粒径的粒子之集尘效率为100 %，小于此粒径之粒子则无法全部被收集。依据Stokes 定律，最小粒径为

()()

ρρπμ--=

s a min ,P D N u B D B D 9 （9）

式中，D P, min 为 可百分之百被分离之最小粒径(μm)，

μ为 空气之黏度 (kg/m ?s)，

B 为 旋风机入口之宽度(m)， N 为 气体在旋风机内之回旋次数， u a 为 旋风机入口之速度 (m/s)，

ρs 为 粒子之密度(kg /m 3)， ρ为 运送气体的密度(kg /m 3)。

气体的回流数N 依旋风机的几何形状及内表面光滑的程度及流体的性质而异，标准旋风机约为N=2。就经济观点，旋风机的入口速度愈大，D P,min 愈小，分离的效率越佳，设计时一般皆定在15 ~ 20 m/s ，不宜低于10 m/s 以下，此乃通过旋风分离器的压力降落与入口速度的平方成正比之故。又入口宽度 B 越小则 D P,min 越小，小型的旋风机之分离效率较佳。

2.旋风分离器所产生之压降

一般工业上所采用的旋风分离器，其压降约在 50 ~ 200 mm 水柱高的经济范围内。压降可由白努利(Bernoulli)方程式求得：

022

2=+-+-wf a

b a b l P P

c g U U ρ

（10）

则压降?P 为：

???

? ??+-=-=22

2212a c wf b a c a a b U g l )A A (g U P P ρ?P （11）

如以水柱高?H 表示压降，则得：

???

? ??+-==222212a c wf b a c a U g l )A A (g U H ρP ?ρ? （12）

旋风分离器压降系数F 定义如下，其值通常在4 ~ 10之间。定义实验压降系数F ：

c

2a

c

g 2U g g h F O

2H

ρρ??

?≡

（13）

上式中，?h 系由旋风分离器出入口接上一U 型管差压计所测出之水柱差。 另旋风分离器之压降系数F 也可由本身之尺寸决定，即理论压降系数F 值：

H

L d

D A K F 2

+=

（14）

图3-2 旋风分离机内部图

其中

K ：

常数(其值约为30) A ： 旋风分离器入口截面积＝π(2

W )2 (m 2

)

d ： 出口导管直径(m)

L ： 旋风分离器圆筒部份高度(m) D ： 旋风分离器圆筒部份直径(m) H ： 旋风分离器圆锥部份高度(m) U a ： 进入旋风分离器气体之速度(m/s)

3.皮托管风速之计算

皮托管为测点速度的流量计，构造如图3-3，套管的内管截面积与流体的流向互相垂直，可测流体的动压；外管前端钻有固定口径的小孔，藉以测定静止流体所具有压力，即静压(Static Pressure)。静压之测定面应与流动方向水平；动压(Dynamic Pressure)则为垂直方向。依白努利方程式：

2

222

222111

u P u P +

=+ρρ （14）

因为u 2＝0，P 2＞P 1，所以得

()

ρ

1212P P u -=

（15）

若用一差压计量测其流速，则为

ρ

ρρgh

C u m p

)(21-= （16）

其中C

皮托管流量系数

p：

ρm：差压计内封液密度(kg/m3)

h：皮托管差压计读数(m)

经良好设计的皮托管，其C p值几乎为1。

图3-3 皮托管

三、实验设备

适当粒径范围之氧化铝粉粒。

图3-4 旋风分离装置图

图3-5 筛析振荡机及标准筛

四、实验步骤

使用量筒与电子天平，量测氧化铝粉粒之密度。

4.1 第一次筛析

1. 由助教选用未知试料样品，称重约400 ± 10g 。

2. 选择七个筛网，将筛依网目大小依序叠置。

3. 将筛组置于振荡机上振荡约10分钟（至各筛网上重量停止变化止），取出各筛网之物料称重记录之，并测定其频率分布曲线、累积通过率曲线、累积残留率曲线。

4.2 旋风分离

1. 开动鼓风机（抽气式），利用变频器调整在不同变频读数(10 ~ 60)下，利用皮托管流量计测流量及差压计读数，观察纪录所产生之压降与频率。（此时之读数分别表示在不含尘粒之情况下，通过旋风分离器所产生之压降及气体流量）。

2. 取已知粒径分布之粉体试料W in 克（将前述筛析后之试料样品重新混合匀，分成四等份，约100 g ），并将此料倒入送料机中。

3.转动进料阀，进料同时观察差压计压差读数，记录皮托管流量计及压差与频

率。

4.当进料槽之试料完全进入空气管道中后，待三、四分钟即将鼓风机停止。

5.称取旋风分离器下端之集尘室内，所收集之试料重量为W out克。

6.将变频器调至最大，激活鼓风机约2分钟。

7.改变变频器读数(25、35、45、55)，重复步骤4-9。

4.3 第二次筛析

1.将集尘室内收集之四次试料分别再作一次筛析，测定其粒径分布曲线、通过

率曲线、残留率曲线。

五、注意事项

1.务必开启局部抽器装置。

2.确认天平之water level guage（水位仪）水珠是否在圆圈范围内。

3.使用旋风分离机前后均需以最大频率清理之。

4.筛析时，请勿接近振荡机轴中心敲打处，避免危险。

5.为保持一定空气流量，净空旋风分离机之空气入处。

6.清理场地、器材归位方可离开。

六、实验结果

6.1 筛析记录

Sample No.

初始重量：g

6.2 旋风分离器记录

（1）不含粉粒下

（2）含粉粒下（进料后）

6.3 结果整理

1.累积残留率R 曲线、累积通过率D曲线、频率分布曲线f。（参考图3-1）

2. 针对第一次筛析之数据，以 log (2－log R)对 log D p 作图，求得 R-R-S 分布参数值n 、b 与R-R-S 分布实验式。

3. 将旋风分离器各部之尺寸代入计算理论F 值。

4. 以?P(Pa)对入口处之速度高差(Velocity Head)

c I g V 22

ρ作图，可得一直趋势线，由

直线之斜率决定旋风分离器压降系数实验F 值。

5. 承上，假设A a ＝A b ，利用实验F 值，找出摩擦损失l wf 与入口速度U a 之关系。

6. 求出各风速下旋风分离器之D p min 。

7. 以D P,min 对鼓风机频率作图，探讨二者之关系。 8. 以分离效率对空气流速作图，探讨二者之关系。

七、问题与讨论

1. 说明下列三种情况之分离方式：(1)固体与固体；(2)固体与液体；(3)固体与气体。

2. 在做旋风分离进料时，为何不做变频器读数10?

3. 本次实验之粒径主要集中在何范围?

4. 粒子经四种频率旋风分离后，各个频率残留的粒径范围为何？被分离之粒子粒径范围为何？又这些粒子被分离至何处？

5. 说明旋风分离器之基本原理及在工业上应用之范围。

6. 讨论如何设计一高分离效率之旋风分离器。

7. 导出旋风分离器可分离之最小粒径与速度之关系式。

8. 讨论累积残留率R 、累积通过率D 、频率分布曲线f 图形之涵义。 9. 是否分离效率η越佳越能达到分离效果，说明原因。 10. 说明标准筛网之种类与规格。 11. 说明筛网网目（筛号）与孔径之关系。

12. 累积分布状态可以)n

P bD exp(R -=100表示，请将此式推导到式（7）。 13. 何谓回流数N ？本旋风分离机之回流数N 为何？

14. 对此实验之误差分析。