《化工过程流体机械》网张课件第5章

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

2006.9化工过程流体机械1§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§5离心机5.1离心机的典型结构及工作原理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-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）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§5离心机

§5.1离心机的典型结构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↑（＞102μm）（沉降）离心机

悬浮液，固相含量↓（＜

3％）、颗粒↓（＜10

μm）

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§5离心机

§5.1离心机的典型结构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离心机

§5.1离心机的典型结构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：①.Fr↑→离心力

/

重力↑→重力影响忽略②.增大分离因数↑途径：

转速

n↑（角速度ω↑）、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＞

50000～250000，转速

＞

50000r/min）§5离心机

§5.1离心机的典型结构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①.转鼓中间有液，二次回转曲面（抛物曲面）（图5-4）②.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，m③.转速ω↑↑（极大）（中空）圆柱回转曲面（最大半径）r1≈

r0（最小半径）§5离心机

§5.1离心机的典型结构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

ρ

——物料密度，kg/m3

ω

——转鼓角速度（ω＝2πn

/

30），1/s

R

——转鼓内表面半径，m

r1

——转鼓内物料环内表面半径，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§5离心机

§5.1离心机的典型结构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

uφ(液体相对转鼓)流动状态

①“活塞式”

（5-16）uz＝umur＝uφ全截面均匀流动

②层流长转鼓内轴对称（5-17）ur＝0uφ＝0

(无滞后)(5-18)uφ≠0

(有滞后)稳定流动

②层流有螺旋长转鼓内轴对称（5-22）（5-24）（5-21）（5-23）其它③表面层、④流线理论§5离心机

§5.1离心机的典型结构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

uφ≠

0

和

uφ＝

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ω0↓→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

uφ→

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）§5离心机

§5.1离心机的典型结构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

υ

——液体运动粘度

α

——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）§5离心机

§5.1离心机的典型结构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）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；ρ2、ρ1

——固相和液相密度，kg/m3ω

——液相回转角速度，1/s；r——粒子所在处回转半径，mμ

——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：de

——非球形粒子当量直径（表5-1），mρ2、ρ1

——固相和液相密度，kg/m3；μ——液体动力粘度，Pa

•

s§5离心机

§5.1离心机的典型结构12§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①：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②：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

dl(μm)（5-46）式中：T

——绝对温度，K；Δρ

——固液相密度差

ω

——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，μm§5离心机

§5.1离心机的典型结构13§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＝v0Σ(m3/s)（5-49）式中：v0

——重力沉降速度，m/s

Σ

——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Σ

为：

(m/s)（5-61）式中：dc

——物料临界直径，m

(m2)（5-64）式中：ω——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

α——蝶片母线与轴线夹角，度§5离心机

§5.1离心机的典型结构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，蝶片式离心机的生产能力为什么与蝶片数有关？说明：①.（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Σ

有关，vg↑、Σ↑→qV↑；②.（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

∆ρ和液体动力粘度μ有关

dc（de

）↑、Δρ↑、μ↓→qV↑③.（5-50式～5-53式）当量沉降面积Σ

与转鼓形状结构（柱、锥、柱锥形）有关④.（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Δρ

液相回转角速度ω、蝶片数

z、蝶片最大和最小半径

rmax

、rmin

液体动力粘度μ、蝶片母线与轴线夹角等有关

dc↑、Δρ↑、ω↑、z↑、rmax↑、rmin↓、μ↓、α↓→

qV↑⑤.（图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↑⑥.（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μ、滤饼阻力α•

m、过滤介质阻力

Rm

有关

压力

p2↑、面积

A↑、粘度μ↓、阻力(α•

m＋Rm)↓→生产能力

qV↑§5离心机

§5.1离心机的典型结构15§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

——滤饼表观流速；p2——滤饼上游表面处压力

μ

——液体粘度；α

——平均滤饼比阻

m

——单位面积滤渣重；（α•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μ↓、阻力（α•

m＋Rm）↓→流速（滤液量）q↑§5离心机

§5.1离心机的典型结构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/(Pa•s)；h

——转鼓圆柱部分高度，m

γ1

——液体密度ρ与重力加速度

g

乘积，N/m3

ω

——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§5离心机

§5.1离心机的典型结构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）①.离心机

转鼓（回转半径

R、回转角速度ω）→分离因数

Fr（工作能力判别数）②.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）③.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④.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（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）⑤.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⑥.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）§5离心机

§5.1离心机的典型结构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5-3)(人工卸料)离心机手工、滤袋、刮刀间歇-人工400～1300255～2000(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)200～2000240～3000虹吸刮刀卸料离心机自动，刮刀(虹吸过滤)自动连续400～2000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200～1200152～1400离心力卸料离心力卸料离心机自动，离心力自动连续2100～1600500～1020振动和进动卸料振动卸料离心机自动，往复振动自动连续75～150500～1500进动离心机自动，振动进动400～1200§5离心机

§5.2过滤离心机与沉降19§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§5离心机

§5.2过滤离心机与沉降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500～4000160～1600(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6000～9000150～1200环阀(活塞)排渣式自动间歇5500～7500管式分离机停机人工卸料人工间歇12000～6000075～142多室式分离机停机人工卸料人工间歇4000～8000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～～§5离心机

§5.2过滤离心机与沉降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§5离心机

§5.2过滤离心机与沉降22§5离心机

§5.3离心机的选型

5.3.1选型的原则①.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）②.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③.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；④.经济性设备可获得性、附属装置

价格、质量、可靠性维修管理运转费用等，多机型选择§5离心机

§5.3离心机的选型23§5离心机

§5.3离心机的选型

5.3.2选型的依据①.分离任务（图5-49）

9

种a～i

处理量：a

大（100m3/h）、b

中（10m3/h）、c

小（1m3/h）

操作方式：d

间歇、e

连续

分离目的：f

液相澄清、固相回收（g

无处理、h

洗涤、i

干燥）②.物料特性

物料沉降特性（图5-50）

8

种A～H

沉降速率：A

低（＜0.1cm/s）、B

中（0.1～5cm/s）、C

高（＞5cm/s）

澄清度：D

差、E

好

沉渣比例：F低（＜2％体积）；G

中（2％～20％体积）

H

高（＞20％体积）

物料过滤特性（图5-51）：4

级I～L

滤饼生成速率：I

无滤饼、J

慢（cm/h，预处理调质）

K

中（cm/min）、L

快（cm/s）§5离心机

§5.3离心机的选型24§5离心机

§5.3离心机的选型

5.3.3选型的基本方法表格法（表5-6）：根据分离机械适应范围选型图表法（表5-7、图5-54和图5-55）根据悬浮液固相浓度和固相颗粒尺寸选型§5离心机

§5.3离心机的选型25§5离心机

§5.3离心机的选型

5.3.3选型的基本方法综合选型及各机种联用

机种联用：材料性质特殊（浓度、粒度）

特殊分离要求（干燥、杂质）

物料条件要求（浓度、浓缩）

综合选型：（表5-9《离心机综合选用表》）

用途（澄清、液-液分离、沉降浓缩、脱液）

生产能力（干渣、悬浮液）

料液物性（固相浓度、固相粒度、两相相对密度差）

分离效果、洗涤效果、晶粒破碎度代表性分离物料等国外计算机选型等§5离心机

§5.3离心机的选型26化工过程流体机械

课程结束化工过程流体机械课程结束27

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

2006.9化工过程流体机械28§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§5离心机5.1离心机的典型结构及工作原理29§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-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）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§5离心机

§5.1离心机的典型结构30§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↑（＞102μm）（沉降）离心机

悬浮液，固相含量↓（＜

3％）、颗粒↓（＜10

μm）

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§5离心机

§5.1离心机的典型结构31§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离心机

§5.1离心机的典型结构32§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：①.Fr↑→离心力

/

重力↑→重力影响忽略②.增大分离因数↑途径：

转速

n↑（角速度ω↑）、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＞

50000～250000，转速

＞

50000r/min）§5离心机

§5.1离心机的典型结构33§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①.转鼓中间有液，二次回转曲面（抛物曲面）（图5-4）②.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，m③.转速ω↑↑（极大）（中空）圆柱回转曲面（最大半径）r1≈

r0（最小半径）§5离心机

§5.1离心机的典型结构34§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

ρ

——物料密度，kg/m3

ω

——转鼓角速度（ω＝2πn

/

30），1/s

R

——转鼓内表面半径，m

r1

——转鼓内物料环内表面半径，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§5离心机

§5.1离心机的典型结构35§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

uφ(液体相对转鼓)流动状态

①“活塞式”

（5-16）uz＝umur＝uφ全截面均匀流动

②层流长转鼓内轴对称（5-17）ur＝0uφ＝0

(无滞后)(5-18)uφ≠0

(有滞后)稳定流动

②层流有螺旋长转鼓内轴对称（5-22）（5-24）（5-21）（5-23）其它③表面层、④流线理论§5离心机

§5.1离心机的典型结构36§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

uφ≠

0

和

uφ＝

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ω0↓→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

uφ→

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）§5离心机

§5.1离心机的典型结构37§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碟片间隙内的流体流动

表征数式中：h

——碟片间距离

υ

——液体运动粘度

α

——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）§5离心机

§5.1离心机的典型结构38§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）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；ρ2、ρ1

——固相和液相密度，kg/m3ω

——液相回转角速度，1/s；r——粒子所在处回转半径，mμ

——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：de

——非球形粒子当量直径（表5-1），mρ2、ρ1

——固相和液相密度，kg/m3；μ——液体动力粘度，Pa

•

s§5离心机

§5.1离心机的典型结构39§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①：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②：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

dl(μm)（5-46）式中：T

——绝对温度，K；Δρ

——固液相密度差

ω

——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，μm§5离心机

§5.1离心机的典型结构40