化工原理第三章离心沉降

化工原理第三章离心沉降2023/4/27第1页，共71页，2023年，2月20日，星期一【定义】在离心力场中，利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。一、概述1、什么是离心沉降？【工业应用】适用于分离两相密度差较小，颗粒粒度较小的非均相物系。2023/4/27第2页，共71页，2023年，2月20日，星期一2、惯性离心力场与重力场的区别重力场离心力场力场强度重力加速度（g）离心加速度（ut2/r）方向指向地心沿旋转半径从中心指向外周作用力Fg=mgFc＝mut2/r2023/4/27第3页，共71页，2023年，2月20日，星期一惯性离心力＝向心力（浮力）＝阻力=

二、离心沉降速度1、离心沉降速度（ur）的基本计算式颗粒在离心力场中所受到的作用力：2023/4/27第4页，共71页，2023年，2月20日，星期一当三力达到平衡时，则：【定义】颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度。可推得：——离心沉降速度基本计算式切向速度径向速度2023/4/27第5页，共71页，2023年，2月20日，星期一2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较【表达式】重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度；【数值】重力沉降速度为颗粒运动的绝对速度，基本上为定值；离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在离心力场中的位置（r）而变。2023/4/27第6页，共71页，2023年，2月20日，星期一【说明】离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在离心力场中的位置（r）而变。2023/4/27第7页，共71页，2023年，2月20日，星期一3、层流区的离心沉降

在沉降分离中，沉降速度较小的颗粒才考虑用离心沉降。故离心沉降的计算一般为小颗粒。而小颗粒沉降时所受到的阻力一般处于层流（斯托克斯）区，即：代入到离心沉降速度基本计算式中，可得：——层流区离心沉降速度计算式2023/4/27第8页，共71页，2023年，2月20日，星期一【定义】同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值。【作用】Kc是表示离心力大小的指标。Kc越大，表明离心分离设备性能越好。4、离心分离因数——离心分离因数2023/4/27第9页，共71页，2023年，2月20日，星期一【例】当旋转半径r=0.4m，切向速度ut

=20m/s时，求离心分离因数。结果表明：在离心力场中的沉降速度是重力沉降速度的102倍。离心分离因素越大，固体颗粒在离心力场中的沉降速度越大，越容易被分离，因此，离心分离设备的性能越好。

有关说明2023/4/27第10页，共71页，2023年，2月20日，星期一三、旋风分离器（旋风除尘器）1、旋风分离器的构造（1）进气口（2）圆筒（3）圆锥体（4）中央排气管（5）排尘（灰）管2023/4/27第11页，共71页，2023年，2月20日，星期一中央排气管进气口圆筒圆锥体排尘管2023/4/27第12页，共71页，2023年，2月20日，星期一旋风分离器实物图2023/4/27第13页，共71页，2023年，2月20日，星期一2、旋风分离器的尺寸特点（1）旋风分离器各部分的尺寸都有一定的比例；（2）只要规定出其中一个主要尺寸，如圆筒直径（D）或进气口宽度（b），则其它各部分的尺寸亦确定。

2023/4/27第14页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第15页，共71页，2023年，2月20日，星期一3、旋风分离器的工作原理含尘气体从切线方向进入，进口的气速约为15～20m/s。气体在器内按螺旋形路线向器底旋转，到达底部后折而向上，成为内层的上旋的气流，称为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气体中所夹带的尘粒逐渐沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。2023/4/27第16页，共71页，2023年，2月20日，星期一旋风分离器工作原理示意图外旋气流气芯2023/4/27第17页，共71页，2023年，2月20日，星期一

喷雾干燥流程图

2023/4/27第18页，共71页，2023年，2月20日，星期一流化床干燥器干料2023/4/27第19页，共71页，2023年，2月20日，星期一4、旋风分离器的性能旋风分离器性能的主要操作参数为：（1）气体处理量；（2）临界粒径；（3）分离效率；（4）气体通过旋风分离器的压强降。2023/4/27第20页，共71页，2023年，2月20日，星期一气体处理量计算关系式：（1）气体处理量——表明设备生产能力的参数①旋风分离器的处理量由旋风分离器的尺寸（大小）以及入口的气速决定；②进口的气速一般为15～20m/s（否则产生的阻力太大），因此，欲增大生产能力，只有增大设备的尺寸。有关说明2023/4/27第21页，共71页，2023年，2月20日，星期一（2）临界粒径【定义】理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径，用dpc表示，表明设备的分离效果。【计算公式】对于一定的设备，某尺寸的颗粒所需的沉降时间τt恰好等于停留时间τ

，该颗粒的直径即临界粒径。据此可推得：——临界粒径的计算式

其中气体在器内旋转圈数n经常取5。

2023/4/27第22页，共71页，2023年，2月20日，星期一（3）推导临界粒径计算公式的几点假设①进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运动，且切线速度恒定，等于进口气速ut=ui；②颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度b；③颗粒在层流区内做自由沉降，径向（沉降）速度可用下式表示：

2023/4/27第23页，共71页，2023年，2月20日，星期一【两点说明】①导出该式的假定很勉强，故只属粗略估算。②在处理量一定的情况下，临界粒径随分离器尺寸的增大而增大，除尘效果随分离器尺寸的增大而减小。所以，当气体处理量很大时，常将若干个小尺寸的旋风分离器并联使用（称为旋风分离器组），以维持较高的除尘效果。2023/4/27第24页，共71页，2023年，2月20日，星期一含尘气体入口净化气体出口2023/4/27第25页，共71页，2023年，2月20日，星期一旋风分离器组的使用2023/4/27第26页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第27页，共71页，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第28页，共71页，2023年，2月20日，星期一【总效率ηo】进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分率：

【粒级效率ηpi】进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的质量分率：式中C1、C2

分别为旋风分离器进、出口颗粒的质量浓度。（3）分离效率2023/4/27第29页，共71页，2023年，2月20日，星期一（1）粒级效率ηpi与颗粒直径di

的对应关系曲线称为粒级效率曲线。（2）由曲线可以看出：粒径越小，效率越低。【粒级效率的表示方法——粒级效率曲线】粒级效率曲线2023/4/27第30页，共71页，2023年，2月20日，星期一（4）气体通过旋风分离器的压强降【定义】气体在旋风分离器的入口与出口的压强差称为气体通过旋风分离器的压强降，用Δp表示，单位为Pa。①气体通过旋风分离器时产生压强降的原因A.由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力；B.气体流动时的局部阻力；C.气体旋转所产生的动能损失。2023/4/27第31页，共71页，2023年，2月20日，星期一②压强降的计算公式【依据】实验发现：气体通过旋风分离器的压力损失与其进口气体的动压头成正比，据此可得：式中ui——入口气速；

ρ——气体密度；

ζ——阻力系数。——压强降的经验计算公式2023/4/27第32页，共71页，2023年，2月20日，星期一③阻力系数ζ的获取

一般情况下，阻力系数要依据不同的设备用实验测定，由生产厂家提供。对于标准型旋风分离器，亦可用经验公式计算：

或2023/4/27第33页，共71页，2023年，2月20日，星期一④压强降的特点由于旋风分离器各部分的尺寸互成比例，故阻力系数与旋风分离器的大小无关。如标准型：只要进口气速ui

相同，不管多大的旋风分离器，其压强降都相同。（据此，旋风分离器往往很大）结论2023/4/27第34页，共71页，2023年，2月20日，星期一规格型号进口风速

m/s风量

m3/h阻力

Pa外形尺寸mm

(长×宽×高)重量

kgCZT-3.911－15790-1080750-1470462×450×175091CZT-5.111－151340-1820750-1470600×480×2140152CZT-5.911－151800-2450750-1470698×670×255180CZT-6.711－152320-3170750-1470790×768×2890253CZT-7.811－153170-4320750-1470920×900×3310338CZT-9.011－154200-5700750-14701062×1040×3750420旋风分离器的技术规格2023/4/27第35页，共71页，2023年，2月20日，星期一大型旋风分离器2023/4/27第36页，共71页，2023年，2月20日，星期一5、旋风分离器的特点（1）结构简单，易于制造、安装和维护管理，设备投资和操作费用都较低。（2）在普通操作条件下，作用于粒子上的离心力是重力的5～2500倍（离心分离因素），所以旋风除尘器的效率显著高于重力沉降室。（3）大多用来去除3μm以上的粒子，并联的多管旋风除尘器装置对3μm的粒子也具有80～85%的除尘效率。

2023/4/27第37页，共71页，2023年，2月20日，星期一四、旋液分离器

【定义】旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备。1、旋液分离器的结构（1）进料管；（2）溢流管；（3）圆筒；（4）锥型筒；（5）底流管。2023/4/27第38页，共71页，2023年，2月20日，星期一旋液分离器实物图圆筒进料管溢流管锥型筒底流管2023/4/27第39页，共71页，2023年，2月20日，星期一2、旋液分离器的工作原理悬浮液经入口管沿切向进入圆筒部分；向下作螺旋形运动，固体颗粒受惯性离心力作用被甩向器壁，随下旋流降至锥底的出口，由底部排出的增浓液称为底流；清液或含有微细颗粒的液体则为上升的内旋流，从顶部的中心管排出，称为溢流。2023/4/27第40页，共71页，2023年，2月20日，星期一工业水送至配碱岗位回收液送盐水工序Ⅲ效蒸发器1台1台2台1台盐碱盐浆碱碱碱碱二次蒸气二次蒸气0.3~0.5Mp饱和水蒸气电解液电解液大罐加料泵螺旋式预热器Ⅰ效蒸发器Ⅱ效蒸发器Ⅲ效蒸发器旋液分离器中间槽Ⅱ段蒸发器浓碱槽冷却器澄清槽高位槽离心机化盐槽加料槽

烧碱生产蒸发流程图

2023/4/27第41页，共71页，2023年，2月20日，星期一安装在管路上的旋液分离器2023/4/27第42页，共71页，2023年，2月20日，星期一结构特点是直径小而圆锥部分长。其原因是：（1）因为液固密度差比气固密度差小，在一定的切线进口速度下，较小的旋转半径可使颗粒受到较大的离心力而提高沉降速度；（2）减少了沉降距离，缩短了沉降时间；（3）锥形部分加长可增大液流的行程，从而延长了悬浮液在器内的停留时间，有利于液固分离。【旋液分离器的结构特点】2023/4/27第43页，共71页，2023年，2月20日，星期一五、沉降式离心机

【定义】利用惯性离心力分离非均相混合物（悬浮液或乳浊液）的机械。【特点】①离心力是由设备（转鼓）本身旋转而产生的。由于离心机可产生很大的离心力，故可用来分离用一般方法难于分离的悬浮液或乳浊液。②沉降式离心机的鼓壁上没有开孔。（鼓壁上开孔的为离心过滤机）

1、什么是沉降式离心机？2023/4/27第44页，共71页，2023年，2月20日，星期一2、沉降式离心机的操作分类【离心沉降机】（1）被处理物料为悬浮液；（2）密度较大的颗粒沉积于转鼓内壁，液体集中于中央并不断引出，此操作为离心沉降；【离心分离机】（1）被处理物料为乳浊液；（2）两种液体按轻、重分层，重者在外，轻者在内，各自从不同的位置引出，此操作为离心分离。2023/4/27第45页，共71页，2023年，2月20日，星期一3、管式离心机①管式离心机的结构驱动装置机架机壳转鼓2023/4/27第46页，共71页，2023年，2月20日，星期一驱动装置机架机壳转鼓2023/4/27第47页，共71页，2023年，2月20日，星期一②管式离心机的分类

【根据分离对象】【GF型】用于处理乳浊液而进行液－液分离操作；【GQ型】用于处理悬浮液而进行液－固分离的澄清操作。【特点】（1）用于液－液分离操作是连续的；（2）用于液－固澄清操作是间歇的；（3）澄清操作时沉积在转鼓壁上的沉渣由人工排除。2023/4/27第48页，共71页，2023年，2月20日，星期一【根据分离因数】（1）常速离心机Kc﹤3×103（一般为600～1200）（2）高速离心机Kc＝3×103～5×104（3）超高速离心机Kc﹥5×104

2023/4/27第49页，共71页，2023年，2月20日，星期一GF型GQ型GQ型上部只有一个液相出口GF型上部两侧有重液相和轻液相出口2023/4/27第50页，共71页，2023年，2月20日，星期一③管式离心机转鼓的结构特点

【结构】离心机的转鼓由三部分组成，即：（1）顶盖；（2）带空心轴的底盖；（3）管状转筒。顶盖管状转筒底盖空心轴2023/4/27第51页，共71页，2023年，2月20日，星期一（1）管状转筒为细长型。加长转鼓长度的目的在于增加物料在转鼓内的停留时间。（2）管内有三叶板，带动混合物旋转；（3）转鼓通常悬挂于离心机上端的挠性驱动轴上，其下部有进料口（底盖的空心轴）。【特点】2023/4/27第52页，共71页，2023年，2月20日，星期一【说明】GF型顶盖有重液相和轻液相出口，GQ型顶盖只有一个液相出口。数值表示转筒直径2023/4/27第53页，共71页，2023年，2月20日，星期一轻液出口在内重液出口在外GF型顶盖局部放大图2023/4/27第54页，共71页，2023年，2月20日，星期一乳浊液在表压0.025～0.03MPa作用下，由底盖的空心轴送入转鼓。轻液出口在内，重液出口在外。④管式离心机的工作原理2023/4/27第55页，共71页，2023年，2月20日，星期一悬浮液在表压0.025～0.03MPa作用下，由底盖的空心轴送入转鼓。液体自顶盖出口流出微粒附着于鼓壁上，一定时间后停车取出2023/4/27第56页，共71页，2023年，2月20日，星期一（1）管式离心机转鼓直径小，转速高，一般为15000r／min；（2）分离因数大，可达50000，为普通离心机的8～24倍。因此分离强度高，可用于液－液分离和微粒较小的悬浮液的澄清。⑤管式离心机的技术特点2023/4/27第57页，共71页，2023年，2月20日，星期一管式离心机的技术规格型号名称GF-105型GF-150转鼓直径／mm105150高／mm750750转速／(r／min)1500013500液面上沉降面积／m20.0710.118液面处分离因数1300015835鼓壁处分离因数37805400转鼓壁厚／mm57.5操作体积／L6.311装卸限度/kg1015电机功率/kW2.87分离乳浊液连续操作连续操作分离悬浮液间歇操作间歇操作2023/4/27第58页，共71页，2023年，2月20日，星期一①碟式离心机的结构【特点】（1）碟式分离机是立式离心机；（2）转鼓装在立轴上端，通过传动装置由电动机驱动而高速旋转。电动机转鼓传动轴机壳4、碟式离心机2023/4/27第59页，共71页，2023年，2月20日，星期一②碟式离心机的分类蝶式离心机蝶式离心分离机——用于分离乳浊液。蝶式离心澄清机——用于分离悬浮液。2023/4/27第60页，共71页，2023年，2月20日，星期一碟式离心机电动机机壳2023/4/27第61页，共71页，2023年，2月20日，星期一③碟式离心机转鼓的结构机壳碟片【说明】机壳内有30～150个形状和尺寸相同的锥形碟片；（2）锥角为60°～120°、直径为200～800mm；（3）碟片之间的间隙用碟片背面的狭条来控制，一般碟片的间隙约0.15～1.3mm。2023/4/27第62页，共71页，2023年，2月20日，星期一【离心分离机】（1）每只碟片在离开轴线一定距离的圆周上开有许多对称分布的圆孔；（2）碟片叠置起来时，对应的园孔就形成垂直的通道；（3）在转鼓的上方有轻、重液出口；【离心澄清机】（1）碟片上没有圆孔；（2）在转鼓的上方只有澄清液出口，侧面开有沉渣排出口。④离心分离机与离心澄清机的结构区别2023/4/27第63页，共71页，2023年，2月20日，星期一离心澄清机【特点】离心澄清机转鼓的上方只有澄清液出口，侧面开有沉渣排出口。悬浮液进口管澄清液出口管沉渣排出管2023/4/27第64页，共71页，2023年，2月20日，星期一离心分离机【特点】离心分离机转鼓的上方有轻、重液出口。乳浊液进口管轻、重液出口管2023/4/27第65页，共71页，2023年，2月20日，星期一离心分离机的转鼓结构圆孔垂直通道轻液出口在内重液出口在外乳浊液入口【说明】离心澄清机的碟片上没有圆孔。2023/4/27第66页，共71页，2023年，2月20日，星期一锥形碟片圆孔定距狭条【碟片数据】锥角为60°～12