《化工过程流体机械》网页课件第5章

1、 化工过程流体机械 教 学 课 件第五章中国石油大学机电工程学院化工装备与控制工程系 2006.91. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.1 非均一系的分离及离心机的典型结构 5.1.2 分离因数和离心力场的特点 5.1.3 沉降离心机流体动力学基本方程及沉降分离过程 5.1.4 过滤离心机的有关计算5.2 过滤离心机与沉降离心机 5.2.1 过滤离心机 5.2.2 沉降离心机5.3 离心机的选型 5.3.1 选型的原则 5.3.2 选型的依据 5.3.3 选型的基本方法2. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 离心机：利用离心力分离液相非均一系（液-液、液-

2、固、液-液-固） 混合物的通用机械（化工机器）5.1.1 非均一系的分离及离心机的典型结构 混合物分离：均一系，相间转移、传质分离 非均一系（非均相），相重力差（场外力差）、机械分离 主要固-液、液-液（含悬浮液、乳浊液）；其他气-液、气-固 分离机理：沉降型（质量差别，上层澄清液、下层沉淀物） 重力、离心、浮选、磁力、重介质沉降 过滤型（材料阻滞，内层滤渣、外层滤液） 筛分、重力、加压、真空、离心过滤 压榨型（间歇、连续），螺旋、辊式、带式压榨 分离推动力（场外力）： 重力（自然重力场，或浮力、磁力）：速度、时间 加压或真空（人工压差力场）：沉降无效（等强度力场） 过滤速度、效果（滤渣干燥）

3、差 离心分离（人工离心力场）：沉降、过滤有效 速度、效果，控制难、结构复杂3. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.1 非均一系的分离及离心机的典型结构 离心机 过滤（离心）机 悬浮液，固相含量（ 8 ）、颗粒（ 102 m） （沉降）离心机 悬浮液，固相含量（ 3 ）、颗粒（ 10 m） 分离（离心）机 乳浊液，二种质量不同液体混合或含微量固体颗粒 高分离因数管、室、碟式沉降离心机 分离目的 澄清（产液脱固）、浓缩（产液少固）、分离（产液脱液） 脱水（产固脱液）、分级（产固分固） 分离应用：石化产品精制、润滑燃油提纯 水洗煤粉回收、钻井泥浆净化 铀同位素浓缩、药品制剂提取

4、 食品油脂提取、污泥浓缩脱水 生物制品分离、超细粉料分级等4. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.1 非均一系的分离及离心机的典型结构 离心机结构离心机沉降机（分离机）过滤机转鼓示意图柱型锥型锥柱型转鼓结构回转轴、转鼓（底、壁、拦液板）液流方向轴向进出轴向进 径向出转鼓壁无孔 无滤网 固相沉降 液相经过有孔 有滤网 固相滞留 液相排出转鼓内卸料装置（沉降机）旋转碟片组（分离机）卸料装置（刮刀、螺旋等）5. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.2 分离因数和离心力场的特点思考题 5.1 什么是分离因数？提高分离因数的主要途径是什么？ 分离因数 Fr 离心

5、力 / 重力 （5-1） 式中：Fr 分离因数 m 质量，kg R 转鼓回转半径，m 说明：. Fr 离心力 / 重力 重力影响忽略 . 增大分离因数途径： 转速 n（角速度）、回转半径 R（转鼓强度限制） 分类：常速（Fr 3500） 高速（Fr 3500 50000） 超高速（Fr 50000250000，转速 50000 r/min）6. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.2 分离因数和离心力场的特点 回转表面（离心力作用形成转鼓内液体表面） （5-3, 4） 式中：y 液体高度 r、r0 液体回转半径和最小（转鼓中间无液）回转半径，m 说明：液面三种情况 . 转鼓

6、中间有液，二次回转曲面（抛物曲面）（图 5-4） . 转鼓中间无液，（中空）二次回转曲面（抛物曲面）（图 5-5） 液体最大回转半径 （5-5）式中：r1 液体最大 （转鼓中间无液）回转半径 H 转鼓高度，m . 转速（极大） （中空）圆柱回转曲面 （最大半径）r1 r0（最小半径）7. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.2 分离因数和离心力场的特点 离心液压 pc 液体在离心力作用下对转鼓内壁压力，转鼓顶盖和鼓底同时受压 （5-6） 式中：pc 离心液压，N/m2 物料密度，kg/m3 转鼓角速度（2n / 30），1/s R 转鼓内表面半径，m r1 转鼓内物料环内表

7、面半径，m （练习题 5-1） 哥氏力 质点作圆周运动 径向或周向运动 产生哥氏加速度和哥氏力，对转鼓离心力场有影响8. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.3 沉降离心机流体动力学基本方程及沉降分离过程 基本方程 连续方程（5-8）、欧拉方程（5-9、5-10、5-11） E - S（纳维-斯托克斯）方程（5-13、5-14、5-15） 沉降离心机转鼓内的流体流动（层流状态） 平均轴向流速 （5-16） 式中：qV 离心机容积生产能力，m3/s，r2、r1 转鼓内半径和自由液面半径，m流动理论轴向流速 uz径向流速 ur周向流速 u (液体相对转鼓)流动状态 “ 活塞式

8、” （5-16）uzumur u全截面均匀流动 层流 长转鼓内轴对称（5-17）ur 0u 0 (无滞后)(5-18) u 0 (有滞后)稳定流动 层流有螺旋长转鼓内轴对称（5-22）（5-24）（5-21）（5-23）其它 表面层、 流线理论9. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.3 沉降离心机流体动力学基本方程及沉降分离过程 沉降离心机转鼓内的流体流动 轴向流速 （5-17） 式中： ；k r / r2 ；k0 r1 / r2 （练习题 5-4）思考题 5.3 在离心机转鼓中, 悬浮流相对转鼓产生周向速度时, 对悬浮流的轴向速度和颗粒的沉降速度影响如何? 周向速度 u

9、 0 和 u 0，轴向流速 uz 同为(5-17)式，影响不大(教材200页1行) 颗粒沉降速度有影响。一般悬浮流相对转鼓周向运动滞后， 绝对运动角速度0沉降速度 v0 应思考题 5.4 离心机对流体流动状态的基本要求是什么 ？ 认为离心机应要求周向速度 u 0 （离心作用，无周向运动滞后，忽略重力作用）；(图 5-1、图 5-3) 沉降要求轴向流速 uz（生产能力，但应保证沉降效果） 径向速度 ur 0（绕流损失，层流沉降） 过滤要求径向速度 ur（生产能力，但应保证过滤效果） 轴向流速 uz 0（分流损失，径流过滤）10. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.3 沉降离

10、心机流体动力学基本方程及沉降分离过程 碟片间隙内的流体流动 表征数 式中：h 碟片间距离 液体运动粘度 碟片母线对转轴夹角 流体质点轨迹：图 5-12 径向速度（碟片母线方向） 相对周向速度（哥氏力作用） 离表面摩擦力（相对径向速度） 离心力（相对径向速度） 层流流速分布：图5-14 径向速度（碟片母线方向） 相对周向速度（哥氏力作用）11. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.3 沉降离心机流体动力学基本方程及沉降分离过程 沉降分离原理 物理过程：固体沉降（运动阻力）沉渣压实（分散物系力学规律） 排出液体（沉渣中分子力保持） 层流区、过渡区、湍流区，仅考虑层流区 （层流区

11、）球形粒子自由沉降速度 v（离心力场中惯性力与浮力作用） （5-33） 式中：d 粒子直径，m； 2、1 固相和液相密度，kg/m3 液相回转角速度，1/s； r 粒子所在处回转半径，m 液体动力粘度，Pa s （层流区）非球形粒子重力沉降速度 v0 （5-41） 式中：d e 非球形粒子当量直径（表 5-1），m 2、1 固相和液相密度，kg/m3；液体动力粘度，Pa s12. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.3 沉降离心机流体动力学基本方程及沉降分离过程 沉降分离原理思考题 5.5 在一定的转速条件下，给定的沉降离心机对悬浮液中固体颗粒为什么有一个分离极限 ？ 解释

12、：液体浓度梯度作用力限制 高分散细粒子上作用的离心力“渗透”压力（浓度梯度产生） 某瞬间沉降质量(单位面积)反方向运动质量(浓度梯度产生) 解释：粒子布朗运动扩散距离 h（作用力）限制（5-44 式） 细粒子布朗运动扩散距离 极限粒子直径 d l ( m ) （5-46） 式中：T 绝对温度，K； 固液相密度差 液相回转角速度； r 粒子处回转半径，m 最小分离因数 Fr （5-47） 式中：d 待分离最小粒子直径，m13. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.3 沉降离心机流体动力学基本方程及沉降分离过程 沉降离心机的生产能力 qV v0 ( m3/s ) （5-49）

13、式中：v0 重力沉降速度，m/s 当量沉降面积（离心机生产能力指数），m2 蝶片式离心机生产能力（练习题 5-2） ( m3/s ) （5-62） 式中重力场中固粒沉降速度 vg 和当量沉降面积 为： ( m/s ) （5-61） 式中：dc 物料临界直径，m ( m2 ) （5-64） 式中： 液相回转角速度，1/s；z 蝶片数，片 rmax 、rmin 蝶片最大和最小半径，m 蝶片母线与轴线夹角，度14. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.3 沉降离心机流体动力学基本方程及沉降分离过程 沉降离心机的生产能力思考题 5.2 离心机的生产能力与哪些条件有关，蝶片式离心机的

14、生产能力为什么与蝶片数有关 ？说明：.（5-49式）沉降离心机生产能力 qV 与重力沉降速度 vg 和 当量沉降面积 有关，vg、 qV； .（5-41或5-61式）重力沉降速度 vg 或 v0 与固粒当量直径 dc 或 de 固液相密度差 和液体动力粘度有关 dc（de ）、 qV .（5-50式5-53式）当量沉降面积 与转鼓形状结构（柱、锥、柱锥形）有关 .（5-62式）蝶片式离心机生产能力 qV 与物料临界直径 dc 、固液相密度差 液相回转角速度、蝶片数 z、蝶片最大和最小半径 rmax 、rmin 液体动力粘度、蝶片母线与轴线夹角等有关 dc、z、rmax、rmin、 qV .（图

15、 5-17）蝶片式离心机工作容积 （转鼓高度碟片投影面积碟片数）与碟片数有关 碟片数工作容积生产能力 . （5-73式和5-77式）过滤离心机生产能力 qV 与滤饼上游表面处压力 p2 滤饼面积 A、液体粘度、滤饼阻力 m、过滤介质阻力 Rm 有关 压力 p2、面积 A、粘度、阻力( mRm)生产能力 qV15. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.4 过滤离心机的有关计算 过滤机理 离心过程（三阶段）：滤渣形成、滤渣压紧（集聚） 滤渣机械干燥（毛细管力和分子力保持液体） 过滤计算 滤饼过液基本方程（通过滤饼单位面积的体积流量） (m/s ) （5-73） 式中：q 滤饼表

16、观流速； p2 滤饼上游表面处压力 液体粘度； 平均滤饼比阻 m 单位面积滤渣重；（ m） 滤饼阻力 Rm 过滤介质阻力 说明：上式积分得到滤液总容积（一定过滤时间内滤液总通过量） （思考题 5.2） 压力 p2、粘度、阻力（ mRm ） 流速（滤液量）q 16. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 5.1.4 过滤离心机的有关计算 过滤离心机的操作循环（一般 9 或 7 阶段） 第一加速、加料、第二加速、（加料空运转）、洗涤 （洗涤空运转）、甩干、减速、卸料 过滤离心机生产能力 qV（离心过滤速率） ( m3/s ) （5-77） 式中：k 固有渗透率，m2/(Pas)；h 转鼓

17、圆柱部分高度，m 1 液体密度与重力加速度 g 乘积，N/m3 转鼓角速度，1/s r1 、r2 、r3 液层液面、滤渣层表面和转鼓内壁处半径，m 过滤离心机时间 ( s ) （5-78） 式中符号意义同上17. 5 离心机 5.1 离心机的典型结构及工作原理 总结（结构与工作原理）. 离心机 转鼓（回转半径 R、回转角速度）分离因数 Fr（工作能力判别数）. 转鼓件 鼓壁开孔（滤网） 过滤离心机 鼓壁封闭 沉降离心机（其中高速分离机分离液 - 液）. 内部件 卸料过程：连续、间歇、人工，碟片、螺旋、刮刀或锥篮、振动卸料. 沉降原理 力场中各相质量（比重）差别，运动速度差别分离 影响因素：固相

18、（重液）沉降速度（含推动力和阻力） 液相（轻液）流通面积（当量流通面积）. 过滤原理 力场中各相体积（相态）差别，材料物理滞阻分离 影响因素：固液相推动力和运动阻力（滤饼），固相滞阻、液相通过. 生产能力 分离因数（推动力）、运动阻力（液相粘度或比重差、滤饼阻力） 流通面积（转鼓大小）18. 5 离心机 5.2 过滤离心机与沉降离心机 5.2.1 过滤离心机 三足式离心机；三足式自动卸料离心机；卧式刮刀卸料离心机 离心力卸料离心机；活塞推料离心机；卧式双级活塞推料离心机 虹吸刮刀卸料离心机；振动卸料和进动卸料离心机 过滤离心机(参考表 5-8)卸料方式操作方式分离因数转鼓直径mm三足式(表 5

19、-3)(人工卸料)离心机手工、滤袋、刮刀间歇-人工40013002552000(自动卸料)离心机旋转刮刀、升降刮刀气力输送、刮刀-螺旋间歇-自动刮刀卸料卧式刮刀卸料离心机自动(或手动)卧式刮刀自动间歇(电气-液压联合自控)20020002403000虹吸刮刀卸料离心机自动，刮刀(虹吸过滤)自动连续4002000活塞推料(卧式单多级)活塞推料离心机自动，活塞推动自动连续20012001521400离心力卸料离心力卸料离心机自动，离心力自动连续210016005001020振动和进动卸料振动卸料离心机自动，往复振动自动连续751505001500进动离心机自动，振动进动400120019. 5 离

20、心机 5.2 过滤离心机与沉降离心机 5.2.1 过滤离心机 20. 5 离心机 5.2 过滤离心机与沉降离心机 5.2.2 沉降离心机 螺旋卸料离心机；复合离心机；管式分离机及室式分离机 处理气-液-固三相混合物的沉降式离心机；碟式分离机 沉降离心机(参考表5-8)卸料方式操作方式分离因数转鼓直径mm螺旋卸料离心机（卧螺）螺旋卸料自动连续50040001601600(分离型、澄清型)碟式分离机(人工、喷嘴、环阀排渣式)喷嘴排渣式自动连续600090001501200环阀(活塞)排渣式自动间歇55007500管式分离机停机人工卸料人工间歇120006000075142多室式分离机停机人工卸料人工间歇40008000复合离心机（螺旋或螺 - 碟）沉降螺旋刮送和过滤螺旋推送 处理气-液-固三相混合物的沉降式离心机 21. 5 离心机 5.2 过滤离心机与沉降离心机 5.2.2 沉降离心机 22. 5 离心机 5.3 离心机的选型 5.3.1 选型的原则 . 工艺流程 上游、下游流程；料浆物性变化 前后处理（预处理、预浓缩、后干燥脱水、母液回收等） . 物料特性 料浆或悬浮液固相浓度、颗粒特性、密度 液相粘度、密度、性质(挥发、毒、腐蚀、PH值)等 . 分离任务 处理量、固相或液相回收率、固相含湿或液相含固要求 母液挥发密闭要求等； . 经济性 设备可获得性、附属装置 价格、质