过程流体机械课件

过程流体机械5-12012.03过程流体机械5-1概论分离过程、用途及分类分离过程从液相均匀物系或非均匀物系中，分离出各个组分有很多方法，有物理方法、化学方法、电化学方法等概论分离过程、用途及分类物理方法中有蒸馏、机械分离等，化学方法有萃取等，这些都是化工原理中所介绍过的。

本课程讨论的是机械分离方法，即从液相非均匀的混合物中（液-固相、液-液相、液-液-固相）分离出各组分的过程物理方法中有蒸馏、机械分离等，化学方法有萃取等，这些都是机械分离的用途获得有用的固相，排掉液相获得有用的液相，排掉固相获得有用的固相和液相，或液相和液相分离固相和液相，但均不回收机械分离的用途机械分离的分类机械分离浮选沉降筛分过滤重力沉降离心沉降真空过滤加压过滤离心过滤深层过滤脱水振动筛机械分离的分类机械分离浮选沉降筛分过滤重力沉降离心沉降真空过浮选浮选沉降沉降过滤过滤筛分筛分分离物料的特性悬浮液特性悬浮液是由液体（连续相）和悬浮于其中的固体颗粒（分散相）组成的系统。悬浮颗粒的大小、粒度分布和浓度，颗粒的聚集状态，静电力的作用，液相的物理性质会影响分离分离物料的特性利用机械分离方法分离固液悬浮液（固-液分离）时，对分离后的产品，需考虑以下三点：滤液或分离液的澄清度滤饼或沉渣的湿含量滤饼或沉渣中的可溶性物质（即杂质）利用机械分离方法分离固液悬浮液（固-液分离）时，对分离后乳浊液的特性乳浊液是由液体和悬浮于其中的一种或数种其它液体所组成的系统。即是说乳浊液是一多相体系，其中至少有一种液体以液珠形式均匀地分散于一个不和它互溶的液体之中。以液珠形式存在的叫做分散相，另一相称为连续相乳浊液的特性乳浊液和悬浮液的重要区别是乳浊液内由于两相浓度的变化可能发生两相的转换，即分散相变成连续相，连续相变成分散相分离乳浊液一般采用高转速的离心分离机——液-液分离乳浊液和悬浮液的重要区别是乳浊液内由于两相浓度的变化可能固体颗粒的特性颗粒尺寸——粒径（粒度）粒度分布颗粒的形状固体颗粒的特性过程流体机械课件5.1离心机的典型结构和工作原理离心机的分类和典型结构离心机的分类过滤式离心机（固液分离）沉降式离心机（固液分离）离心分离机（液液分离）5.1离心机的典型结构和工作原理离心机的分类和典型结构过滤式三足式上悬式进动卸料卧式刮刀卸料卧式活塞卸料振动卸料离心卸料螺旋卸料螺旋卸料沉降-过滤式多级双级单级机械卸料重力卸料上部卸料下部卸料虹吸离心机平板离心机过滤式三足式上悬式进动卸料卧式刮刀卸料卧式活塞卸料振动卸料离沉降式螺旋卸料圆柱形柱锥形圆锥形三足式卧式刮刀管式分离机室式分离机碟式分离机螺旋卸料沉降-过滤式人工排渣活塞排渣喷嘴排渣澄清型分离型分离机沉降式螺旋卸料圆柱形柱锥形圆锥形三足式卧式刮刀管式分离机室式离心机的典型结构离心机的典型结构过程流体机械课件过程流体机械课件分离因数和离心力场的特点分离因数表示离心惯性力与重力之比，即重力的倍数分离因数和离心力场的特点分离因数表示离心力场的特性，是代表离心机性能的重要参数。分离因数越大，离心机的分离能力越大最新型的高速离心机的分离因数可达1,000,000分离因数表示离心力场的特性，是代表离心机性能的重要参数。分离转鼓内液体的回转表面转鼓内液体的回转表面过程流体机械课件液面上任一质点所受到的力有离心力Fc和重力G，其合力方向与液面垂直，因此有液面上任一质点所受到的力有离心力Fc和重力G，其合力方向当回转速度很大时，根号中的第二项接近于零，故有r1≈r0

这时，转鼓内流体的表面变为接近和转鼓壁内表面同心的圆柱面当回转速度很大时，根号中的第二项接近于零，故有r1≈r离心液压离心机在运行时，转鼓中物料的液相会对转鼓内壁作用一个压力，称为离心液压，其按下式计算离心液压哥氏力哥氏加速度是哥氏力的来源。哥氏加速度是由于质点不仅作圆周运动，而且也作径向运动或周向相对运动所产生的。在匀角速度场中质点以回转方向垂直方向运动引起的哥氏力为哥氏力筛网重量对转鼓内表面的压力对于过滤式离心机，转鼓内装有筛网，随转鼓一起旋转，产生的惯性力作用在转鼓壁上，相当于转鼓受内压筛网重量对转鼓内表面的压力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假定液体作定常（稳态）不可压缩流动，则沉降离心机流体动力学基本方程及沉降分离过程对于轴对称情况，轴向变化率可以为零，则有对于轴对称情况，轴向变化率可以为零，则有欧拉方程欧拉方程纳维-斯托克斯方程纳维-斯托克斯方程沉降离心机转鼓内的流体流动流体在沉降离心机转鼓内的流动状态和流速分布，对离心机的生产能力，悬浮液的分离效率以及技术参数的选择有决定性的影响“活塞式”理论

uz=um沉降离心机转鼓内的流体流动层流流动状态层流流动状态液体相对于转鼓有周向滞后的现象，即液体的周向速度滞后于转鼓的周向速度

由实验可知，转鼓内流量和液层深度越大，角加速度不均匀程度也随之加大，滞后现象也越严重，这种滞后现象对悬浮液中固相粒子的沉降分离效果有较大的影响液体相对于转鼓有周向滞后的现象，即液体的周向速度滞后于转表面层理论转鼓内轴向的流动只在距自由表面很近的一层中进行，而大部分区域内的流体只有周向速度流体在转鼓内沿着流线流动，除了有周向速度外，既有轴向速度，又有径向速度，比较真实地反映了流体的流动表面层理论有螺旋时长转鼓内轴对称稳定流动状态液体沿螺旋流道流动模型液体沿转鼓流动并考虑螺旋的影响的模型有螺旋时长转鼓内轴对称稳定流动状态碟片间隙内的流体流动碟片间隙内液体质点的运动轨迹碟片间粘性液体运动具有两个速度分量的特点，即沿碟片母线方向的径向速度及由哥氏力所引起的相对周向速度碟片间隙内的流体流动液体在碟片间运动过程中，各种因素互相制约地起作用。一方面液体离开表面远，摩擦力减小，这有可能增加液体相对于碟片的位移，即增加液体的径向相对速度；另一方面，液体离开表面远，离心力减弱，这又使径向速度相对减小。哥氏力使液体质点绝对周向速度降低，即液体质点要滞后于碟片液体在碟片间运动过程中，各种因素互相制约地起作用。一方面液体的速度图形有较大变化，液体质点的运动轨迹不平行于碟片母线。碟片间隙内液体质点的运动轨迹可以用一个类似于雷诺数的l数来表征液体的速度图形有较大变化，液体质点的运动轨迹不平行于碟片在不同的l

值下，液体质点的平均运动轨迹曲线不同，随着l

增大，液体质点偏离母线程度增加在不同的l值下，液体质点的平均运动轨迹曲线不同，随着l碟片间液体层流流动速度分析碟片间液体层流流动速度分析碟片间液流的这种特点，是由于角速度大，碟片间距小及液体粘附碟片表面的结果。过度增加l

会加大速度梯度，导致液流失去稳定，引起湍流，影响分离碟片间液流的这种特点，是由于角速度大，碟片间距小及液体粘沉降分离原理离心沉降一般有三个物理过程组成：固体沉降，按介质对其中物体运动阻力的流体力学进行沉渣的压实，按照分散物系的力学规律进行从沉渣中排出部分由分子力所保持的液体沉降分离原理固相粒子的沉降情况：阻滞沉降（集团沉降），由于固相浓度超过一定极限，使固相颗粒的分散性较均匀造成沉降固相与其上层澄清液之间有明显界限的现象自由沉降，固相颗粒浓度很低时，相互之间的影响可忽略不计，各种尺寸的颗粒按自己的沉降速度下沉的现象固相粒子的沉降情况：悬浮液中单颗粒自由沉降在重力场中自由沉降的颗粒受到的力：重力，由地心引力引起浮力，由液体的压差力引起阻力，由于固相颗粒在液体中产生相对滑移引起的

当以上作用力达到平衡时，固相颗粒以匀速沉降悬浮液中单颗粒自由沉降在离心力场中固相颗粒所受到的惯性力与浮力之差为所受的阻力为在离心力场中固相颗粒所受到的惯性力与浮力之差为所受的阻力固相颗粒的沉降运动方程此式适用于静止液体中自由沉降现象。阻力系数与雷诺数有关，雷诺数又与沉降速度有关，因此求解比较困难，采用实验方法，可得出不同流动状态下的计算公式固相颗粒的沉降运动方程此式适用于静止液体中自由沉降现象。层流区，Re<1.6过渡区，1.6<Re<420湍流区，Re>420

层流区，Re<1.6用雷诺数判断固相颗粒运动状态不是很方便，因为雷诺数与沉降速度有关。用Ar数判断比较合适层流区，Ar<28.8过渡区，28.8<Ar<57600湍流区，Ar>57600j=w2r用雷诺数判断固相颗粒运动状态不是很方便，因为雷诺数与沉降较高浓度非球形颗粒在液体中的沉降速度前述公式没有考虑颗粒浓度和形状的影响，对于非球形颗粒阻力一般较大，因而沉降速度也较慢，常用当量直径代入前述公式计算，当量直径的计算公式为表5-1较高浓度非球形颗粒在液体中的沉降速度表5-1对于较高固相浓度，固相颗粒的沉降速度较自由沉降速度小，并随浓度增加迅速降低，一般用阻滞沉降系数h1来修正

v=h1v0

这时v

在不同区域的计算式层流区

对于较高固相浓度，固相颗粒的沉降速度较自由沉降速度小，并过渡区湍流区过渡区注意：在计算Ar值来判断固相颗粒的运动状态时，可用转鼓内径r2

代替r计算离心力场中沉降分离的极限固液相密度差不小于100kg/m3在一定的离心力场下，当固相颗粒小到某一尺寸而不能被离心分离时，称为离心沉降的分离极限，对应的粒径称为极限粒子直注意：在计算Ar值来判断固相颗粒的运动状态时，可用转径dl。离心力越大，相应的极限粒子直径越小，其计算公式为反之，可用待分离的最小颗粒直径来确定所必需的最小分离因数径dl。离心力越大，相应的极限粒子直径越小，其计算公式沉降离心机的生产能力悬浮液自进料口进入旋转的沉降转鼓后，液相眼转鼓轴向流动至溢流口处溢流出转鼓外，其中的固相粒子的运动可分解随液相作轴向运动在离心惯性力作用下沿径向沉降运动沉降离心机的生产能力固相粒子沿轴向的速度决定了其在转鼓内的停留时间固相粒子的径向沉降速度决定了其沉降到转鼓内壁所需的沉降时间

如果较细固相粒子在转鼓内的停留时间少于沉降所需时间，则其不能被分离，不会留在转鼓内固相粒子沿轴向的速度决定了其在转鼓内的停留时间沉降离心机的生产能力指能将所所需分离的最小固相粒子沉降到转鼓内，而不致随分离液带出的最大悬浮液流量对分离因数一定的同一台离心机，处理的物料不同或同一物料分离要求不同，生产能力也将是不同的沉降离心机的生产能力以下介绍按“活塞”理论计算的生产能力，假定要分离的粒子直径已知柱形转鼓离心机（图5-16a）设粒子的沉降过程处于层流区，则其沉降速度为以下介绍按“活塞”理论计算的生产能力，假定要分离的粒子直沉降时间沉降时间设粒子与液体在轴向运动过程中无相对滑移，即粒子的周向速度等于液体的轴向速度设粒子与液体在轴向运动过程中无相对滑移，即粒子的周向速度等于根据分离条件离心机生产能力根据分离条件离心机生产能力或者令

h=r2–r1，l=h/r2，D=2r2或者令h=r2–r1，l=h/r2，D=2式中式中当量沉降面积的另一种求法——积分平均法对于柱形转鼓一般，l=0.1~0.3当量沉降面积的另一种求法——积分平均法对于柱形转鼓一般，l锥形转鼓离心机（图5-16b）锥形转鼓离心机（图5-16b）当量沉降面积在同样的转鼓直径、沉降区长度和液层深度情况下，柱形转鼓的当量沉降面积S比锥形转鼓的大当量沉降面积在同样的转鼓直径、沉降区长度和液层深度情况下，柱柱锥形转鼓离心机（图5-16c）

当量沉降面积是前两种形状转鼓之和式中，L=L1+L2柱锥形转鼓离心机（图5-16c）式中，L=L1+L2碟片式离心机离心澄清生产能力计算

dW=2prdr·z·b式中，W——转鼓的工作容积

b——碟片的轴向间距

z——碟片数drb碟片式离心机drb分离悬浮液在转鼓微分容积内的停留时间在该停留时间内，碟片间隙中沉降粒子的径向移动距离

ds=vdt分离悬浮液在转鼓微分容积内的停留时间在该停留时间内，碟片间隙积分得积分得考虑到s/b=tga，则分离机的生产能力考虑到s/b=tga，则分离机的生产能力离心分离机生产能力计算rminrmaxrmhxy离心分离机生产能力计算rminrmaxrmhxy式中，dc2——轻液中重组分质点的 临界直径

rm——中性层半径

m1——轻液动力粘度式中，dc2——轻液中重组分质点的 式中，dc1——重液中轻组分质点的 临界直径式中，dc1——重液中轻组分质点的 对轻液区对重液区对轻液区对重液区生产能力计算公式的修正系数按“活塞式”理论计算的生产能力比实际的大，因此在使用时必须加以修正对于碟片离心机生产能力计算公式的修正系数对于碟片离心机对于刮刀卸料离心机和管式高速离心机对于螺旋沉降离心机对于刮刀卸料离心机和管式高速离心机对于螺旋沉降离心机过滤离心机的有关计算过滤离心机的转速一般不高

细颗粒物料在离心过滤后其含湿量通常在5%~40%

中、粗颗粒物料在离心过滤后其含湿量通常在0.5%~5%过滤离心机的有关计算过滤机理滤饼中存在着不规则的形状各异的通道，构成了许多毛细管

滤饼中的液体由于表面张力的作用，形成毛细管形液体

离心过滤一般分为三个阶段：滤饼的形成——在粒子沉降和液体输运的双重作用下形成过滤机理滤饼的压紧——在液体的离心液压和滤饼自身离心惯性力作用下压紧，同时完成过滤的第一阶段滤饼的甩干——离心惯性力的作用下液体被甩出，最终达到李新惯性力与表面张力平衡，完成过滤的第二阶段滤饼的压紧——在液体的离心液压和滤饼自身离心惯性力作用下压紧过滤计算过滤计算过滤的基本方程过滤的推动力——离心液压p2取决于液层高度、分离因数、转鼓转速和液体密度过滤的基本方程过滤的推动力——离心液压p2取决于液层高度、

粘度m——受温度和压力的影响，在压力不高的场合，受温度影响较大。粘度越大，过滤速率越小，反之亦然

过滤介质阻力Rm——取决于过滤介质本身，初始阻力与过滤速率有关粘度m——受温度和压力的影响，在压力不高的场合，受温度

滤饼比阻a——取决于固相粒子的粒度、粒度分布、形状、刚度、进料固相浓度、过滤初速度，可压缩滤饼还受到离心压力的影响滤饼比阻a——取决于固相粒子的粒度、粒度分布、形状、刚

a0——单位压力的滤饼比阻

n——压缩性系数

n的取值范围：0~1

高压缩性物料如氢氧化物取值：0.9

低压缩性物料如碳酸钙、硅藻土取值：0.01~0.15a0——单位压力的滤饼比阻过滤比阻与滤饼的孔隙率密切相关。对于球形颗粒组成的滤饼，过滤比阻的计算式为孔隙率越大，过滤比阻越小过滤比阻与滤饼的孔隙率密切相关。对于球形颗粒组成的滤饼，过程流体机械课件过滤基本方程应用条件假设滤液容积基本等于进料悬浮液容积，这对于低浓度料浆是合理的假设过滤面积不变，这对于平面过滤介质是合理的，对于圆筒形过滤介质，滤饼较厚而圆筒直径较小，此假设不适用过滤基本方程应用条件假设在滤饼的两侧，液体流进和流出的速度向等。实际上料浆浓度高时，常有流出速度低于流入速度假设过滤介质阻力Rm可以忽略不计。一般情况下，滤饼阻力项远大于过滤介质阻力时，可以忽略不计后者假设在滤饼的两侧，液体流进和流出的速度向等。实际上料浆浓度高过程流体机械课件过滤离心机的操作循环以三足式过滤离心机为例启动阶段操作循环的第一阶段。即使转鼓加速到加料所需要的转速加料阶段通过进料管向转鼓加料，直到达到规定的负荷为止过滤离心机的操作循环加料阶段已经开始过滤并不断生成滤饼，加料阶段结束时，滤饼厚度几乎不变第二加速阶段（过滤、脱水）在加料停止后，加速转鼓，使其达到最大转速（工作转速），开始过滤第一阶段，即液体液位下降到滤饼表面的阶段；然后进行脱水阶段（过滤第二阶段）加料阶段已经开始过滤并不断生成滤饼，加料阶段结束时，滤饼洗涤阶段加洗水，洗掉滤饼中的可溶性杂质（操作属于过滤第一阶段）甩干阶段尽量把洗水甩出离心机，获得含湿量较低的滤饼（操作属于过滤第二阶段）洗涤阶段

离心过滤或洗涤后得到的干滤饼一般含有残液，用含湿量表示。可用南尼格-斯托罗公式计算

极限含湿量

S∞指滤饼在很长时间甩干后的含液体量，以单位体积滤饼所含液体体积表示离心过滤或洗涤后得到的干滤饼一般含有残液，用含湿量表示。有限时间甩干后，滤饼的含湿量计算公式m的取值： 不可压缩滤饼， m=0.8可压缩滤饼， m=0.5n的取值范围：

n=0.3~0.5有限时间甩干后，滤饼的含湿量计算公式m的取值：减速阶段降低转鼓转速，以便卸料卸料阶段用刮刀卸出转鼓内的滤饼，由于刮刀与过滤介质之间预留有间隙，故存在残余滤饼层，其厚度等于该间隙

过滤操作的总时间等于各工序所需时间之和减速阶段过程流体机械课件过滤离心机的生产能力过滤离心机的生产能力生产能力=过滤操作的总时间过滤、脱水工序所得滤液体积生产能力=过滤操作的总时间过滤、脱水工序所得滤液体积过滤第一阶段固相粒子沉降到转鼓壁形成滤饼后，液面从

r1下降到滤饼表面r2阶段过滤第一阶段过程流体机械课件式中，ak

——

滤饼比阻，m/m

hk

——

滤饼层厚度，mag

——

残余滤饼层比阻

hg

——

残余滤饼层厚度式中，ak——滤饼比阻，m/m其中其中过程流体机械课件式中式中由边界条件由边界条件积分得积分得式中式中过滤第二阶段液面从

滤饼表面（r2）下降到残余滤饼层表面（rg）阶段。同理可得（注意液体只存在于孔隙中）过滤第二阶段过程流体机械课件式中，ak

——

滤饼比阻，m/m

hk

——

滤饼层厚度，mag