《化工過程流體機(jī)械》網(wǎng)頁課件第5章

1、 化工過程流體機(jī)械 教 學(xué) 課 件第五章中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院化工裝備與控制工程系 2006.91. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.1 非均一系的分離及離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu) 5.1.2 分離因數(shù)和離心力場(chǎng)的特點(diǎn) 5.1.3 沉降離心機(jī)流體動(dòng)力學(xué)基本方程及沉降分離過程 5.1.4 過濾離心機(jī)的有關(guān)計(jì)算5.2 過濾離心機(jī)與沉降離心機(jī) 5.2.1 過濾離心機(jī) 5.2.2 沉降離心機(jī)5.3 離心機(jī)的選型 5.3.1 選型的原則 5.3.2 選型的依據(jù) 5.3.3 選型的基本方法2. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 離心機(jī)：利用離心力分離液相非均一系（液-液、液-

2、固、液-液-固） 混合物的通用機(jī)械（化工機(jī)器）5.1.1 非均一系的分離及離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu) 混合物分離：均一系，相間轉(zhuǎn)移、傳質(zhì)分離 非均一系（非均相），相重力差（場(chǎng)外力差）、機(jī)械分離 主要固-液、液-液（含懸浮液、乳濁液）；其他氣-液、氣-固 分離機(jī)理：沉降型（質(zhì)量差別，上層澄清液、下層沉淀物） 重力、離心、浮選、磁力、重介質(zhì)沉降 過濾型（材料阻滯，內(nèi)層濾渣、外層濾液） 篩分、重力、加壓、真空、離心過濾 壓榨型（間歇、連續(xù)），螺旋、輥式、帶式壓榨 分離推動(dòng)力（場(chǎng)外力）： 重力（自然重力場(chǎng)，或浮力、磁力）：速度、時(shí)間 加壓或真空（人工壓差力場(chǎng)）：沉降無效（等強(qiáng)度力場(chǎng)） 過濾速度、效果（濾渣干燥）

3、差 離心分離（人工離心力場(chǎng)）：沉降、過濾有效 速度、效果，控制難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜3. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.1 非均一系的分離及離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu) 離心機(jī) 過濾（離心）機(jī) 懸浮液，固相含量（ 8 ）、顆粒（ 102 m） （沉降）離心機(jī) 懸浮液，固相含量（ 3 ）、顆粒（ 10 m） 分離（離心）機(jī) 乳濁液，二種質(zhì)量不同液體混合或含微量固體顆粒 高分離因數(shù)管、室、碟式沉降離心機(jī) 分離目的 澄清（產(chǎn)液脫固）、濃縮（產(chǎn)液少固）、分離（產(chǎn)液脫液） 脫水（產(chǎn)固脫液）、分級(jí)（產(chǎn)固分固） 分離應(yīng)用：石化產(chǎn)品精制、潤滑燃油提純 水洗煤粉回收、鉆井泥漿凈化 鈾同位素濃縮、藥品制劑提取

4、 食品油脂提取、污泥濃縮脫水 生物制品分離、超細(xì)粉料分級(jí)等4. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.1 非均一系的分離及離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu) 離心機(jī)結(jié)構(gòu)離心機(jī)沉降機(jī)（分離機(jī)）過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓示意圖柱型錐型錐柱型轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)鼓（底、壁、攔液板）液流方向軸向進(jìn)出軸向進(jìn) 徑向出轉(zhuǎn)鼓壁無孔 無濾網(wǎng) 固相沉降 液相經(jīng)過有孔 有濾網(wǎng) 固相滯留 液相排出轉(zhuǎn)鼓內(nèi)卸料裝置（沉降機(jī)）旋轉(zhuǎn)碟片組（分離機(jī)）卸料裝置（刮刀、螺旋等）5. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.2 分離因數(shù)和離心力場(chǎng)的特點(diǎn)思考題 5.1 什么是分離因數(shù)？提高分離因數(shù)的主要途徑是什么？ 分離因數(shù) Fr 離心

5、力 / 重力 （5-1） 式中：Fr 分離因數(shù) m 質(zhì)量，kg R 轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)半徑，m 說明：. Fr 離心力 / 重力 重力影響忽略 . 增大分離因數(shù)途徑： 轉(zhuǎn)速 n（角速度）、回轉(zhuǎn)半徑 R（轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度限制） 分類：常速（Fr 3500） 高速（Fr 3500 50000） 超高速（Fr 50000250000，轉(zhuǎn)速 50000 r/min）6. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.2 分離因數(shù)和離心力場(chǎng)的特點(diǎn) 回轉(zhuǎn)表面（離心力作用形成轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體表面） （5-3, 4） 式中：y 液體高度 r、r0 液體回轉(zhuǎn)半徑和最小（轉(zhuǎn)鼓中間無液）回轉(zhuǎn)半徑，m 說明：液面三種情況 . 轉(zhuǎn)鼓

6、中間有液，二次回轉(zhuǎn)曲面（拋物曲面）（圖 5-4） . 轉(zhuǎn)鼓中間無液，（中空）二次回轉(zhuǎn)曲面（拋物曲面）（圖 5-5） 液體最大回轉(zhuǎn)半徑 （5-5）式中：r1 液體最大 （轉(zhuǎn)鼓中間無液）回轉(zhuǎn)半徑 H 轉(zhuǎn)鼓高度，m . 轉(zhuǎn)速（極大） （中空）圓柱回轉(zhuǎn)曲面 （最大半徑）r1 r0（最小半徑）7. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.2 分離因數(shù)和離心力場(chǎng)的特點(diǎn) 離心液壓 pc 液體在離心力作用下對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁壓力，轉(zhuǎn)鼓頂蓋和鼓底同時(shí)受壓 （5-6） 式中：pc 離心液壓，N/m2 物料密度，kg/m3 轉(zhuǎn)鼓角速度（2n / 30），1/s R 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面半徑，m r1 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料環(huán)內(nèi)表

7、面半徑，m （練習(xí)題 5-1） 哥氏力 質(zhì)點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng) 徑向或周向運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生哥氏加速度和哥氏力，對(duì)轉(zhuǎn)鼓離心力場(chǎng)有影響8. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.3 沉降離心機(jī)流體動(dòng)力學(xué)基本方程及沉降分離過程 基本方程 連續(xù)方程（5-8）、歐拉方程（5-9、5-10、5-11） E - S（納維-斯托克斯）方程（5-13、5-14、5-15） 沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流體流動(dòng)（層流狀態(tài)） 平均軸向流速 （5-16） 式中：qV 離心機(jī)容積生產(chǎn)能力，m3/s，r2、r1 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑和自由液面半徑，m流動(dòng)理論軸向流速 uz徑向流速 ur周向流速 u (液體相對(duì)轉(zhuǎn)鼓)流動(dòng)狀態(tài) “ 活塞式

8、” （5-16）uzumur u全截面均勻流動(dòng) 層流 長轉(zhuǎn)鼓內(nèi)軸對(duì)稱（5-17）ur 0u 0 (無滯后)(5-18) u 0 (有滯后)穩(wěn)定流動(dòng) 層流有螺旋長轉(zhuǎn)鼓內(nèi)軸對(duì)稱（5-22）（5-24）（5-21）（5-23）其它 表面層、 流線理論9. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.3 沉降離心機(jī)流體動(dòng)力學(xué)基本方程及沉降分離過程 沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流體流動(dòng) 軸向流速 （5-17） 式中： ；k r / r2 ；k0 r1 / r2 （練習(xí)題 5-4）思考題 5.3 在離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓中, 懸浮流相對(duì)轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生周向速度時(shí), 對(duì)懸浮流的軸向速度和顆粒的沉降速度影響如何? 周向速度 u

9、 0 和 u 0，軸向流速 uz 同為(5-17)式，影響不大(教材200頁1行) 顆粒沉降速度有影響。一般懸浮流相對(duì)轉(zhuǎn)鼓周向運(yùn)動(dòng)滯后， 絕對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度0沉降速度 v0 應(yīng)思考題 5.4 離心機(jī)對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)的基本要求是什么 ？ 認(rèn)為離心機(jī)應(yīng)要求周向速度 u 0 （離心作用，無周向運(yùn)動(dòng)滯后，忽略重力作用）；(圖 5-1、圖 5-3) 沉降要求軸向流速 uz（生產(chǎn)能力，但應(yīng)保證沉降效果） 徑向速度 ur 0（繞流損失，層流沉降） 過濾要求徑向速度 ur（生產(chǎn)能力，但應(yīng)保證過濾效果） 軸向流速 uz 0（分流損失，徑流過濾）10. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.3 沉降離

10、心機(jī)流體動(dòng)力學(xué)基本方程及沉降分離過程 碟片間隙內(nèi)的流體流動(dòng) 表征數(shù) 式中：h 碟片間距離 液體運(yùn)動(dòng)粘度 碟片母線對(duì)轉(zhuǎn)軸夾角 流體質(zhì)點(diǎn)軌跡：圖 5-12 徑向速度（碟片母線方向） 相對(duì)周向速度（哥氏力作用） 離表面摩擦力（相對(duì)徑向速度） 離心力（相對(duì)徑向速度） 層流流速分布：圖5-14 徑向速度（碟片母線方向） 相對(duì)周向速度（哥氏力作用）11. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.3 沉降離心機(jī)流體動(dòng)力學(xué)基本方程及沉降分離過程 沉降分離原理 物理過程：固體沉降（運(yùn)動(dòng)阻力）沉渣壓實(shí)（分散物系力學(xué)規(guī)律） 排出液體（沉渣中分子力保持） 層流區(qū)、過渡區(qū)、湍流區(qū)，僅考慮層流區(qū) （層流區(qū)

11、）球形粒子自由沉降速度 v（離心力場(chǎng)中慣性力與浮力作用） （5-33） 式中：d 粒子直徑，m； 2、1 固相和液相密度，kg/m3 液相回轉(zhuǎn)角速度，1/s； r 粒子所在處回轉(zhuǎn)半徑，m 液體動(dòng)力粘度，Pa s （層流區(qū)）非球形粒子重力沉降速度 v0 （5-41） 式中：d e 非球形粒子當(dāng)量直徑（表 5-1），m 2、1 固相和液相密度，kg/m3；液體動(dòng)力粘度，Pa s12. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.3 沉降離心機(jī)流體動(dòng)力學(xué)基本方程及沉降分離過程 沉降分離原理思考題 5.5 在一定的轉(zhuǎn)速條件下，給定的沉降離心機(jī)對(duì)懸浮液中固體顆粒為什么有一個(gè)分離極限 ？ 解釋

12、：液體濃度梯度作用力限制 高分散細(xì)粒子上作用的離心力“滲透”壓力（濃度梯度產(chǎn)生） 某瞬間沉降質(zhì)量(單位面積)反方向運(yùn)動(dòng)質(zhì)量(濃度梯度產(chǎn)生) 解釋：粒子布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散距離 h（作用力）限制（5-44 式） 細(xì)粒子布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散距離 極限粒子直徑 d l ( m ) （5-46） 式中：T 絕對(duì)溫度，K； 固液相密度差 液相回轉(zhuǎn)角速度； r 粒子處回轉(zhuǎn)半徑，m 最小分離因數(shù) Fr （5-47） 式中：d 待分離最小粒子直徑，m13. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.3 沉降離心機(jī)流體動(dòng)力學(xué)基本方程及沉降分離過程 沉降離心機(jī)的生產(chǎn)能力 qV v0 ( m3/s ) （5-49）

13、式中：v0 重力沉降速度，m/s 當(dāng)量沉降面積（離心機(jī)生產(chǎn)能力指數(shù)），m2 蝶片式離心機(jī)生產(chǎn)能力（練習(xí)題 5-2） ( m3/s ) （5-62） 式中重力場(chǎng)中固粒沉降速度 vg 和當(dāng)量沉降面積 為： ( m/s ) （5-61） 式中：dc 物料臨界直徑，m ( m2 ) （5-64） 式中： 液相回轉(zhuǎn)角速度，1/s；z 蝶片數(shù)，片 rmax 、rmin 蝶片最大和最小半徑，m 蝶片母線與軸線夾角，度14. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.3 沉降離心機(jī)流體動(dòng)力學(xué)基本方程及沉降分離過程 沉降離心機(jī)的生產(chǎn)能力思考題 5.2 離心機(jī)的生產(chǎn)能力與哪些條件有關(guān)，蝶片式離心機(jī)的

14、生產(chǎn)能力為什么與蝶片數(shù)有關(guān) ？說明：.（5-49式）沉降離心機(jī)生產(chǎn)能力 qV 與重力沉降速度 vg 和 當(dāng)量沉降面積 有關(guān)，vg、 qV； .（5-41或5-61式）重力沉降速度 vg 或 v0 與固粒當(dāng)量直徑 dc 或 de 固液相密度差 和液體動(dòng)力粘度有關(guān) dc（de ）、 qV .（5-50式5-53式）當(dāng)量沉降面積 與轉(zhuǎn)鼓形狀結(jié)構(gòu)（柱、錐、柱錐形）有關(guān) .（5-62式）蝶片式離心機(jī)生產(chǎn)能力 qV 與物料臨界直徑 dc 、固液相密度差 液相回轉(zhuǎn)角速度、蝶片數(shù) z、蝶片最大和最小半徑 rmax 、rmin 液體動(dòng)力粘度、蝶片母線與軸線夾角等有關(guān) dc、z、rmax、rmin、 qV .（圖

15、 5-17）蝶片式離心機(jī)工作容積 （轉(zhuǎn)鼓高度碟片投影面積碟片數(shù)）與碟片數(shù)有關(guān) 碟片數(shù)工作容積生產(chǎn)能力 . （5-73式和5-77式）過濾離心機(jī)生產(chǎn)能力 qV 與濾餅上游表面處壓力 p2 濾餅面積 A、液體粘度、濾餅阻力 m、過濾介質(zhì)阻力 Rm 有關(guān) 壓力 p2、面積 A、粘度、阻力( mRm)生產(chǎn)能力 qV15. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.4 過濾離心機(jī)的有關(guān)計(jì)算 過濾機(jī)理 離心過程（三階段）：濾渣形成、濾渣壓緊（集聚） 濾渣機(jī)械干燥（毛細(xì)管力和分子力保持液體） 過濾計(jì)算 濾餅過液基本方程（通過濾餅單位面積的體積流量） (m/s ) （5-73） 式中：q 濾餅表

16、觀流速； p2 濾餅上游表面處壓力 液體粘度； 平均濾餅比阻 m 單位面積濾渣重；（ m） 濾餅阻力 Rm 過濾介質(zhì)阻力 說明：上式積分得到濾液總?cè)莘e（一定過濾時(shí)間內(nèi)濾液總通過量） （思考題 5.2） 壓力 p2、粘度、阻力（ mRm ） 流速（濾液量）q 16. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 5.1.4 過濾離心機(jī)的有關(guān)計(jì)算 過濾離心機(jī)的操作循環(huán)（一般 9 或 7 階段） 第一加速、加料、第二加速、（加料空運(yùn)轉(zhuǎn)）、洗滌 （洗滌空運(yùn)轉(zhuǎn)）、甩干、減速、卸料 過濾離心機(jī)生產(chǎn)能力 qV（離心過濾速率） ( m3/s ) （5-77） 式中：k 固有滲透率，m2/(Pas)；h 轉(zhuǎn)鼓

17、圓柱部分高度，m 1 液體密度與重力加速度 g 乘積，N/m3 轉(zhuǎn)鼓角速度，1/s r1 、r2 、r3 液層液面、濾渣層表面和轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁處半徑，m 過濾離心機(jī)時(shí)間 ( s ) （5-78） 式中符號(hào)意義同上17. 5 離心機(jī) 5.1 離心機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理 總結(jié)（結(jié)構(gòu)與工作原理）. 離心機(jī) 轉(zhuǎn)鼓（回轉(zhuǎn)半徑 R、回轉(zhuǎn)角速度）分離因數(shù) Fr（工作能力判別數(shù)）. 轉(zhuǎn)鼓件 鼓壁開孔（濾網(wǎng)） 過濾離心機(jī) 鼓壁封閉 沉降離心機(jī)（其中高速分離機(jī)分離液 - 液）. 內(nèi)部件 卸料過程：連續(xù)、間歇、人工，碟片、螺旋、刮刀或錐籃、振動(dòng)卸料. 沉降原理 力場(chǎng)中各相質(zhì)量（比重）差別，運(yùn)動(dòng)速度差別分離 影響因素：固相

18、（重液）沉降速度（含推動(dòng)力和阻力） 液相（輕液）流通面積（當(dāng)量流通面積）. 過濾原理 力場(chǎng)中各相體積（相態(tài)）差別，材料物理滯阻分離 影響因素：固液相推動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)阻力（濾餅），固相滯阻、液相通過. 生產(chǎn)能力 分離因數(shù)（推動(dòng)力）、運(yùn)動(dòng)阻力（液相粘度或比重差、濾餅阻力） 流通面積（轉(zhuǎn)鼓大?。?8. 5 離心機(jī) 5.2 過濾離心機(jī)與沉降離心機(jī) 5.2.1 過濾離心機(jī) 三足式離心機(jī)；三足式自動(dòng)卸料離心機(jī)；臥式刮刀卸料離心機(jī) 離心力卸料離心機(jī)；活塞推料離心機(jī)；臥式雙級(jí)活塞推料離心機(jī) 虹吸刮刀卸料離心機(jī)；振動(dòng)卸料和進(jìn)動(dòng)卸料離心機(jī) 過濾離心機(jī)(參考表 5-8)卸料方式操作方式分離因數(shù)轉(zhuǎn)鼓直徑mm三足式(表 5

19、-3)(人工卸料)離心機(jī)手工、濾袋、刮刀間歇-人工40013002552000(自動(dòng)卸料)離心機(jī)旋轉(zhuǎn)刮刀、升降刮刀氣力輸送、刮刀-螺旋間歇-自動(dòng)刮刀卸料臥式刮刀卸料離心機(jī)自動(dòng)(或手動(dòng))臥式刮刀自動(dòng)間歇(電氣-液壓聯(lián)合自控)20020002403000虹吸刮刀卸料離心機(jī)自動(dòng)，刮刀(虹吸過濾)自動(dòng)連續(xù)4002000活塞推料(臥式單多級(jí))活塞推料離心機(jī)自動(dòng)，活塞推動(dòng)自動(dòng)連續(xù)20012001521400離心力卸料離心力卸料離心機(jī)自動(dòng)，離心力自動(dòng)連續(xù)210016005001020振動(dòng)和進(jìn)動(dòng)卸料振動(dòng)卸料離心機(jī)自動(dòng)，往復(fù)振動(dòng)自動(dòng)連續(xù)751505001500進(jìn)動(dòng)離心機(jī)自動(dòng)，振動(dòng)進(jìn)動(dòng)400120019. 5 離

20、心機(jī) 5.2 過濾離心機(jī)與沉降離心機(jī) 5.2.1 過濾離心機(jī) 20. 5 離心機(jī) 5.2 過濾離心機(jī)與沉降離心機(jī) 5.2.2 沉降離心機(jī) 螺旋卸料離心機(jī)；復(fù)合離心機(jī)；管式分離機(jī)及室式分離機(jī) 處理氣-液-固三相混合物的沉降式離心機(jī)；碟式分離機(jī) 沉降離心機(jī)(參考表5-8)卸料方式操作方式分離因數(shù)轉(zhuǎn)鼓直徑mm螺旋卸料離心機(jī)（臥螺）螺旋卸料自動(dòng)連續(xù)50040001601600(分離型、澄清型)碟式分離機(jī)(人工、噴嘴、環(huán)閥排渣式)噴嘴排渣式自動(dòng)連續(xù)600090001501200環(huán)閥(活塞)排渣式自動(dòng)間歇55007500管式分離機(jī)停機(jī)人工卸料人工間歇120006000075142多室式分離機(jī)停機(jī)人工卸料人工間歇40008000復(fù)合離心機(jī)（螺旋或螺 - 碟）沉降螺旋刮送和過濾螺旋推送 處理氣-液-固三相混合物的沉降式離心機(jī) 21. 5 離心機(jī) 5.2 過濾離心機(jī)與沉降離心機(jī) 5.2.2 沉降離心機(jī) 22. 5 離心機(jī) 5.3 離心機(jī)的選型 5.3.1 選型的原則 . 工藝流程 上游、下游流程；料漿物性變化 前后處理（預(yù)處理、預(yù)濃縮、后干燥脫水、母液回收等） . 物料特性 料漿或懸浮液固相濃度、顆粒特性、密度 液相粘度、密度、性質(zhì)(揮發(fā)、毒、腐蝕、PH值)等 . 分離任務(wù) 處理量、固相或液相回收率、固相含濕或液相含固要求 母液揮發(fā)密閉要求等； . 經(jīng)濟(jì)性 設(shè)備可獲得性、附屬裝置 價(jià)格、質(zhì)