课件过程流体机械5离心机

5.离心机教学要求：1、掌握沉降、过滤、分离因数等的概念；2、掌握典型离心沉降和离心过滤机的工作原理、结构特点及适用范围；3、理解离心机的选型原则及基本方法。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一、混合物

均相混合物—（均一系）

非均相混合物—（非均一系）物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。

离心机是利用离心力场的作用来分离非均匀物系(液—固、液—液等）的一种通用机械。与其它分离机械相比，离心机具有分离效率高、体积小、密封可靠、附属设备少等优点。

对非均一系混合物的分离，一般采用机械方法，其基本原理是将混合物置于一定的力场中，利用各项在其中受到的不同力,从而得到较大相重差（或密度差）使其分离。分离机械的分离目的主要包括液相澄清和固相回收。

二、分离形式液体非均一系按照分离机理的不同一般分为两种：

主要有：过滤式离心机、沉降式离心机和分离机三大类。三、离心机的典型结构

过滤—混合物在多孔材料层装置中，由于受力场作用，液体通过多孔材料层流出形成滤液，固体被留在材料层上形成滤渣而实现的分离过程称为过滤。

沉降—混合物在某种装置中，由于两相在力场中所受的力的大小不同而沉淀分层，轻相在上（或在内）层形成澄清液，重相在下（或在外）层形成沉淀物而实现分离称为沉降。

（1）过滤式离心机（转鼓有孔）

在离心力场作用下，悬浮液通过多孔介质达到固液分离的过程称为离心过滤。实现离心过滤的机器称为过滤离心机。主要用于分离含固量较多，固体颗粒较大的悬浮液。常见机型：三足式、上悬式、活塞卸料式、离心卸料式等。（2）沉降式离心机（转鼓无孔）

利用两相物料的密度不同，在离心力场的作用下，使密度小的在内密度大的在外来完成的分离称为离心沉降。利用离心沉降分离悬浮液的机器称为沉降式离心机。常见机型：卧式螺旋卸料、三足式、刮刀卸料沉降等。主要用于分离含固体量较少，固体颗粒较细的悬浮液。（3）离心分离

在离心力场作用下，分离液态非均匀混合物的过程称为离心分离。离心分离主要用于分离乳浊液，相应的机器称为分离机。

专指分离两互不相溶的乳浊液或含微量固体的乳浊液。

5.1.2分离因数和离心液压一、离心机的分离因数

（1）分离因数（Fr）：它是离心力场中物料所受的离心力与重力之比。用来表征离心机分离能力的主要参数。（2）提高分离因数的方法：增加转鼓的旋转速度；增加转鼓的旋转半径。分离因数的极限取决于制造离心机转鼓材料的强度及密度。二、离心液压式中pc

—离心液压，N/m2

；

r1

—转鼓内物料环的内表面半径，m；

R—转鼓内表面半径，m。

离心机工作时，处于转鼓中的液体和固体物料层，在离心力场的作用下，将给转鼓内壁比较大的压力，该压力称为离心液压。计算公式为：

显然，离心液压对转鼓壁面的作用不可忽视，在计算转鼓强度时要给以考虑。（1）按分离因数分类

常速离心机（Fr＜3500）：转速低，转鼓直径大；高速离心机（Fr=3500～50000）：转速高，转鼓直径小；超高速离心机（Fr＞50000）：转速更高，转鼓细长管状。三、离心机的分类（2）按分离过程分类过滤式离心机：三足式、上旋式及刮刀卸料式等；沉降式离心机：螺旋式、碟片式等；分离机：管式和室式等。（3）按分离机械操作方式分类间歇式和连续式操作离心机。（4）按卸料方式分类人工、刮刀、活塞推料以及螺旋卸料等。四、离心机的型号（1）型式：用汉语拼音字母表示，如三足式用“s”

表示；（2）卸料方式：用汉语拼音字母表示，如上部卸料用“s”表示；（3）工艺用途：用汉语拼音字母表示，如过滤用“L”

表示；（4）特殊操作和使用特点：用汉语拼音字母表示，如密闭用“B”

表示；加压用“Y”

表示等；（5）转鼓直径：用数字表示，单位为毫米；（6）修改和变形设计：用汉语拼音字母顺序表示。

表示卧式螺旋卸料，要求密闭，具有沉降式转鼓，转鼓大端直径为400mm的离心机。例WLB—4001.基本方程5.1.3沉降离心机流体动力学基本方程及沉降分离过程连续方程、欧拉方程、纳维-斯托克斯方程等。2.沉降离心机转鼓内的流体流动

“活塞式”理论认为转鼓内液体像“活塞式”地整个向前运动，鼓内液环在整个截面上的流动是均匀的，新进入转鼓的液体将转鼓内原有液体进行全置换。

层流理论的概念是液体在鼓内呈层状流动状态。连续性方程：质量守恒定律在流体力学中的表达式。欧拉方程：流体力学中的牛顿第二定律的表达式。（对无粘流体）。纳维-斯托克斯方程:流体力学中描述粘性流体的运动特性的方程。流体在沉降离心机中的流动应遵循上述的基本方程。自由沉降：固相浓度低于此极限时，粗细粒子的沉降速度各不相同，不出现上述明显的分界线，称为自由沉降，这种极限浓度值与物料的种类、性质、粒度分布等性质有关。集团沉降：固相浓度超过一定极限而且固相的分散性较均匀(即粒度分布区域较窄)，可能出现集团沉降(又称阻滞沉降现象)，沉降固相与其上层沉清液之间有明显界限；3.离心沉降的三个物理过程离心沉降的三个物理过程是：

固体的沉降、沉渣的压实和从沉渣中排出部分由分子力所保持的液体。

固相粒子的沉降情况有两种：层流区：式中：d—

粒子直径m；

Δρ—固、液密度差kg/m3；

μ—液相黏度kg/（m·s）通过实验研究和准数分析，可得到不同流动区域的球形粒子自由沉降速度：悬浮的固体颗粒在离心力场中受到三种力的作用：即惯性力、浮力和阻力。球形粒子所受的推动力为惯性力与浮力之差：粒子的沉降运动方程为所受阻力为：其中（1）悬浮液中单分散颗粒的沉降规律。（自由沉降）注：计算沉降速度时，应先判断该运动状况所处区域，再决定用公式计算。

在离心力场中，当固体颗粒小到某一尺寸而不能被离心分离时，称为离心沉降分离的极限，这时的粒子直径称为极限粒子直径，用dl表示。一般离心力越大，相应的dl值越小。dl的确定可以采用布朗运动和扩散现象的规律。极限粒子一般均很小。（2）离心力场中沉降分离的极限

在实际生产中，一般根据待分离的最小粒子直径来确定所必须的最小分离因数，进而确定机型。

生产能力：是指单位时间内机器所分离的物料量。m3/s或m3/h4.沉降离心机的生产能力

沉降离心的生产能力是将所需分离的最小固相粒子沉降在鼓内，而不致随分离液带出的最大悬浮液流量。

生产能力与物料的性质、分离过程、机器的结构如转鼓的转速、半径等密切相关，一般采用简化计算。(1）离心沉降时固体颗粒的运动①轴向运动速度uz（假定与液相运动速度相同）式中：qv悬浮液流量m3/s；r2转鼓内半径m；r1溢流口半径m。②固体颗粒径向运动速度vr③固体颗粒运行时间t2为液相在转鼓内的轴向运动时间设t1为颗粒径向沉降时间；（2）沉降式离心机的生产能力①圆筒形转鼓理想状态下的生产能力qv②将lnr1/r2用无穷级数展开并取首项③实际生产能力④碟片式离心机a.离心澄清生产能力的计算

要保证在液体流出碟片间隙时，在下碟片上表面的固体颗粒沉降到上碟片下表面上。式中b—碟片轴向间距；z—碟片数。如图取r处的微环容积：碟片间隙内，沉降固粒径向移动距离s：设分离悬浮液在转鼓dΩ内的停留时间为dT：设碟片内外半径为rmin、rmax，积分得：vc——粒径为dc的固粒沉降速度；vg—重力场中，粒径为dc的固粒沉降速度。则：生产能力同样表示为：b.离心分离生产能力的计算要求按轻液区（rm-rmin）、重液区（rman-rm）分别求出。对轻液区：对重液区：⑤实际生产能力的修正系数1、过滤机理三个主要阶段——滤渣的形成、压紧和机械干燥。5.1.4过滤离心机的有关计算2、过滤离心机的操作循环主要有七个阶段——加速、加料、再加速、洗涤、甩干、减速和卸料等。

3、过滤离心机生产能力

假定过滤介质无阻力；转鼓为圆柱形多次加料有规律；互无影响等。按蔡特斯奇法可得下列计算：(1)过滤速率：(2)过滤时间：

由此可见过滤时间与转鼓的结构参数有关如转速、半径；滤饼层的固有渗透率等有关。5.2过滤离心机与沉降离心机5.2.1过滤离心机5.2.1.1三足式离心机

三足式过滤离心机广泛应用于广泛适用于化学、食品、制药和纺织印染等行业。用作分离悬浮液或成件、成束的纤维物料的脱水。我国该机的性能结构参数一般为：转鼓直径：335～2000mm；主轴转速：600～3350r/min；分离因数：400～21200；转鼓容积：7.5～1800L。

（1）工作原理：正常运转时，从顶部加料管进入物料，物料在离心力场的作用下，均匀分布于转鼓内壁，液体穿过过滤网经转鼓滤孔而泄出，固体则被截留在转鼓的内壁滤网的滤布内，当达到分离要求后，关闭电机，制动停机，由人工把物料从该机上部卸出。操作特点：间歇式

（2）特点：结构简单，性能可靠，操作维修方便，过滤时间可随时掌握，滤渣能够充分洗涤等。①启动转鼓（第一个加速周期）到一个中等值；②加料阶段，速度为固定值；③分离阶段，转鼓加速；④脱水阶段，转鼓以较高转速脱水；⑤洗涤阶段，用漂清液喷撒到滤饼上；⑥甩干阶段；⑦刹车；⑧卸料。卸料形式：机械：液压驱动刮刀、气力提升、螺旋提升等人工：人手、吊袋、手动刮刀等5.2.1.2卧式刮刀卸料离心机(1）结构主轴、外壳、转鼓、刮刀机构、加料管等。(2）原理

空载起动到工作转速，进料液沿进料管进入转鼓内，液体经过转鼓甩出，从机壳的排液口排出。当滤渣到达一定厚度时，停止进料，进行洗涤和甩干等过程。(3）特点和用途

采用电气—液压联合自动控制系统,可远距遥控操作，能在主机全速运转下根据物料和使用要求所规定范围内进行调节。

适用于中、细粒度为0.05～1mm的固相，浓度在20～80％悬浮液的分离。广泛用于化工、制药等多种固相／液相混合物料的分离或脱水。5.2.1.3活塞推料离心机

悬浮液进入分配盘均匀的分布在内转鼓的板网上，液相经网隙和过滤孔泄出，固相则形成环状滤渣层。内转鼓往复运动，将滤渣沿转鼓轴向向前推动，经集料槽卸出。(2）原理

主要由泵组合、推料机构、机座、轴承组合、转鼓、筛网、机壳及电控箱等零部件组成。(1）结构(3）特点

在全速下完成所有的操作工序。具有自动连续操作、连续排渣、耐腐蚀性能好等。另外还具有高滤渣生产量；高固体回收率；低滤渣含湿量；低能量消耗；效率高,适用范围广等特点。但结构复杂，不宜分离胶状等物料。活塞卸料过滤离心机

转鼓带动差速器外壳旋转，螺旋推料器以一定的差速与转鼓同向旋转。悬浮液经初步加速后经料盒出口进入转鼓。固相沉积在转鼓壁上形成沉渣层；液相则形成内环分离液层。在螺旋推料器的作用下，沉渣被推送到锥段进一步脱水后经出渣口排出，分离液从大端溢流孔排出或采用向心泵排出。5.2.2沉降离心机5.2.2.1螺旋卸料离心机(1）结构由转鼓、螺旋推料器、行星差速器、机壳和机座等组成。(2）原理

具有自动、连续操作，无滤网和滤布，能长期运转,维修方便；能分离含更细颗粒的悬浮液，它广泛应用于合成纤维树脂、聚氯乙烯、碳酸钙、滑石粉、淀粉生产和污水处理等生产过程；对物料的适应性较大，结构紧凑，易于密封；单机生产能力大。(3）特点(4）技术参数固相粒度：0.005～2mm悬浮液容积浓度：1％～50％生产能力最大可达：190m3／h(悬浮液)转鼓直径：160～1600mm转鼓长径比：1～4.2转鼓与螺旋的转差：转鼓转速的0.2％～3％5.2.2.2碟式分离机分离乳浊液时，往往包含着液—液—固三相分离。碟式分离机由于生产能力大，能自动连续操作，并可制成密闭、防爆型式，因此应用很广。转鼓直径150～1000mm，最大达1200mm；转速6000～10000r/min，最高者达12000r/min；分离因数5000～14000；生产能力最大达100m3/h。分离型主要特点：分离能力强，分离因数在5000～10000之间，生产能力大，最高可达10m3/h，结构简单,操作维修方便，价格便宜。澄清型主要特点：分离能力强，分离因数为10300，可实现液—液—固三相分离，该机可实现自动、手动或远距离自动操作，机器结构简单，维修方便。

转鼓绕高速回转时，料液由上部中心进料管流至转鼓底部，经碟片座下面的分流孔趋向转鼓壁。固相物沉向转鼓内壁形成沉渣，待停机后人工卸除。轻液沿锥形碟片外(上)锥面向轴心流动至上部经轻液向心泵，由轻液出口排出。重液沿碟片内(下)锥面趋向鼓壁，然后向上流经重液出口排出，从而完成重液与轻液的分离。1）分离型主要用途：用于乳浊液及固形物含量为1％～5％的悬浮液的分离，如燃料油、胶乳分离，硝化甘油、树胶、萃取青霉素、乳品的分离等。2）澄清型适用范围：广泛应用于医药、化工、乳品、饮料、生物等多种行业。

电机驱动转鼓高速旋转，料液从上部中心进料管流至转鼓底部，经碟片座下面分流孔分流。