离心机

Exit第五章离心机离心机是利用离心力来分离液相非均一系（液-液、液-固、液-液-固）混合物的一种通用机械，在分离设备中，它具有结构紧凑、体积小、分离效率高、生产能力大、附属设备少等优点，从而广泛应用于开发资源、化工生产、三废处理和国防工业等部门。离心机工作原理Exit重点分离介质的分类，分离机械的种类、结构、工作原理及应用。难点分离机械种类较多结构复杂，应用面广。本章重点和难点Exit5.1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（1）离心分离过程我们已知离心机是利用离心力来分离液相非均一系混合物的一种通用机械，那么这里所要讲述的离心分离过程也就是液相非均一系混合物的分离过程。离心分离过程一般可分为离心过滤、离心沉降和离心分离三种。Exit离心过滤通常用于固相含量较高、颗粒较大的悬浮液的分离，过滤式离心机转鼓壁上有孔，一般转鼓内壁上衬有金属底网及滤网。转鼓回转时，液体因离心力的作用透过滤渣、过滤介质（滤网）、底网及转鼓小孔甩出鼓外，固体被截留在转鼓内的过滤介质上形成滤渣。离心沉降用于固相含量较少，颗粒较细的悬浮液的分离。沉降式离心机的转鼓壁无孔，当悬浮液随着转鼓一起回转时，由于离心力的作用，固体颗粒因重度较液相大而向鼓壁沉降。此过程按悬浮液中含固体量的多Exit少分别称为离心脱水和离心澄清过程离心分离习惯上是指两种重度不同的液体所形成的乳浊液或含有微量固体的乳浊液（液-液-固）的分离。在离心力作用下，液体按重度不同分为里外两层，重度大的（重相）在外层，重度小的（轻相）在里层，固相（重度较两种液相较大）沉于鼓壁，通过一定的装置分别引出。用于这种分离过程的离心机常称为分离机，其转鼓也是无孔的。Exit（2）离心机的典型结构①离心沉降首先必须有一个承放物料的圆筒形装置称为转鼓：其次转鼓必须回转而需要转轴来传动，称为回转轴；最后，为了使物料能够处在对称的力场中，且使物料不要甩出来，再加上其他基本的结构，其装置如图5—l所示。Exit转鼓高速旋转时，其中物料运转在一个轴对称的离心场中，物料中各相由于位置比重不同受到不同的场外力作用而分层沉淀，质量最大，颗粒最粗的分布在转鼓最外层。质量最小，颗粒最细的聚集到转鼓内层、澄清液则从机上溢流。离心沉降主要是用于分离含固体量较少，固体颗粒较细的悬浮液。乳浊液的分离也属于沉降式的。但习惯上常叫做离心分离，相应的机器目前常叫做分离机。主要是在无孔转鼓中放置碟片构成。在离心力作用，液体按Exit重度不同分为里外两层，重量大的在外层，重量小的在里层，固相沉于鼓壁通过一定的装置分别引出。分离机的模式如图5—2所示②离心过滤在这种分离方式中，滤液要从转鼓排出去，所以这种装置的转鼓上必须开孔。其次为了不致使固体Exit颗粒漏出来，转鼓内必须设有网状结构的材料层称其为滤网或滤布。转轴等则与离心沉降装置类同，如图5—3所示。转鼓旋转时，液体由于离心力的作用，透过有孔鼓壁而泄出，固体则留在转鼓壁上，可见，离心过滤主要可用来分离含固体量较多．固体颗粒较大的悬Exit浮液。5.1.2分离因数和离心力场的特点（1）分离因数质量为m（㎏）的物料，旋转时产生的离心惯性力Fc（N）为：式中：r为旋转半径，ω为转鼓的回转角速度。分离因数表示分离物料在离心力场中所受的离心惯性力与其重力的比值2cFmrExit离心机的分离因数是指离心机转鼓内壁半径处的值，它是离心机分离能力的主要指标，分离因数越大，分离效果越好。现代工业离心机，分离因数可达几百、几千、甚至上万的数值，超高速离心机中，分离因数可大于五万。分离因数与离心机的转鼓半径成正比，与转速的平方也成正比，为了提高分离机的分离效果和生产能力，一般超高速离心机采用小直径、高转速、长转鼓的结构。2(5-1)crFRFmggExit（2）转鼓内液体的回转表面如图5—4所示、装有流体物料的离心机转鼓，在绕它的转轴回转时，鼓内流体就会受到离心力及重力的作用抛向转鼓内壁，形成液面的中间部分凹陷下去，边缘部分则上升，若在液面上任一质点A，受有离心力Fc及重力G的作用，其合力的方向与液面垂直，因而可得Exit分离变量，积分后可得随着转鼓转速的提高，转鼓底逐渐露出来，以致转鼓中间没有液体，如图5-5所示。此时，r=r0，y=0，由式（5-3）得22(5-3)2yrcg22tan(5-2)dymrrdrmgg2202crgExit将c代入上式，故有：如取r=r1,y=H，则式(5-4)可写成2220()(5-4)2yrrg222102102()22(5-5)HrrggHrrExit由式(5—5)可知，当ω22gH时，根号中的第二项接近于零，故得r1=r0，这时转鼓内流体表面变为接近和转鼓壁相平行的同心圆柱。在这种状态下，由于离心力大大超过重力，因此在设计时重力可以忽略，这样，离心机转鼓轴线在空间可以任意布置，均不影响物料在转鼓内的分布，而主要取决于结构的合理和操作的方便。（3）离心液压离心机工作时，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Exit以相当大的压力，称为离心液压，离心液压的计算公式如下式中：pc为离心液压，N/㎡；ρ为分离物料的密度，㎏/m3；r1为转鼓内物料环的内表面半径，m。离心液压不仅作用在鼓壁上，同时也作用在顶盖和鼓底上。计算转鼓的强度时必须把离心液压考虑进去。()(5-6)1R2222c1r1prdrRr2Exit（4）哥氏力当研究回转运动的特性时，除了离心力，必须注意到可能出现的哥氏力。哥氏加速度是哥氏力的来源，哥氏加速度是出于质点不仅作圆周运动，而且也作径向运动或周向运动所产生的。由理论力学可知，当牵连运动为匀角速度定轴运动时，哥氏力加速度的大小为式中u为质点相对于转鼓的径向速度或周向速度。2kauExitαk方向与u垂直，即相当于u把相对速度矢量按动系的角速度ω的转向转过90°哥氏力按下式确定：如果质点对回转的转鼓无相对运动，或者它的相对位移与回转轴线平行的话，则Fｋ=0。哥氏力在离心机中确实存在，而且对物料在离心力场中的运动状态也有一定的影响，但在一般设计计算中，在影响不大的情况下，常忽略不计。2(5-7)kFmuExit5.1.3沉降离心机液体动力学基本方程及沉降分离过程5.1.3.1基本方程离心力场中流体流动的特性与规律可用一般流体力学的原理和方程求解。不同之处在于必须引入离心力场的特性。联系到离心机转鼓内流体流动的特点，采用随动圆柱坐标系（r、φ、Ｚ）来表示各参变数间的关系。Exit（1）连续方程连续方程式是根据质量守恒的一般原理推导出来的，它说明一个系统内的质量不随时间而改变，或系统内质量如有改变，其值必然等于流进和流出该系统的质量之差。现取离心机的内部流场中圆柱坐标系中三对相邻坐标面所接触的液体体积一微元作为研究系统。如图5-6所示。该元素的体积为流经该元素的液体的流进和流出的液体质量之差为：dVrdrddZ1111ZuurrudrddZrZExit同时该元素的质量变化为：二者应相等，将等式除以后得到连续性方程式如下对于不可压缩流体以及无限小的微体元素，可以认为是一常数，因此上式可写成：1rdrddZtrdrddZ111110ZuurrutrrrZ0rrZuuuurrrZExit式中、、分别为液体速度在坐标轴上的投影；ρ1液体的密度。（2）欧拉方程在流体力学中，牛顿第二定律的表达式对于无粘流体是用欧拉方程。在离心机中，当流体与转鼓之间有相对运动0(5-8)zrruuuzrrrZuuu由于离心机转鼓内流体流动是轴对称的，对的导数应等于零，因而上式变为Exit时，既要考虑重力，还要考虑哥氏力，对于定常流动，在柱坐标系中，这是欧拉方程式的表达如下2211111112(5-9)12(5-10)1(5-11)rrrzuPLururruuPLuurrPLugzExit式中，L1——算子（3）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称为纳维——斯托克斯方程，它可由欧拉方程右端增加表示流体粘性影响的项求得，具体表达如下1(5-12)rzLuuurz222122121221122(5-13)122(5-14)rrrrrruuuPLuruurrrruuuuPLuuurrrrExit式中——流体运动粘度——拉普拉斯算子，对圆柱坐标系为2111()(5-15)zzPLuguz22222222211rrrrzExit5.1.3.2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特性，包括流动状态和流速分布等，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。到目前为止，关于沉降离心机转鼓内的流体动力学方面有关流动特性的理论主要有四种：①“活塞式”理论②层流理论③表面层理论④流线理论（1）“活塞式”理论“活塞式”理论认为转鼓内液体像“活塞式”的整个向前运动，鼓内液体在整个截面上的流动Exit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。在这种流动状态下，轴向流速等于平均轴向流速，即，其值为ruuzmuu222221201(5-16)zmVVuuqrrqrk012/krr其中，式中qv为离心机的容积生产能力，r2,r1分别为转鼓内半径和自由液面半径Exit（2）层流流动状态层流理论的概念是液体在转鼓内呈层流状流动状态，ur=0。在这种情况下可用连续方程和纳维——斯托克斯方程求解及。a.长转鼓内轴对称稳定流动状态：在这种情况下可以认为速度分量，仅与半径r有关，而与,z和时间t无关。这又可以分为以下两种情况①液体相对于转鼓无周向滞后现象：uzuuzuExit设若转鼓进料口处有加速装置，可以认为液体角速度与转鼓相同，无滞后现象，则而可由基本方程加边界条件得到式中按式（5-17）随半径r变化的流速分布情况如图5-7所示。由图可看出，转鼓壁处，在自由液面处最大。2202202(12ln)(5-17)vzqukkkr4240000020121344ln,,kkkkkrrkrr。2max002202(12ln)vzqukkkr（）Exit故自由液面处最大轴向流速于平均轴向流速式（5-16）之比等于此比值随而变化的关系见图5-8，设转鼓液怀层深度为h，则随着h/r2的增大，即k0值的减小，最大流速与平均流速的比值也随之增大，当r1=0，k0=0，h/r2=1时，（uz）max/um=2。说明当液体布满全部转鼓时，中心流速比平均流速大一倍。22max000002(1)(12ln)zmukkkku（）21hrr20/1hrkExitExit②液体相对于转鼓有相对周向滞后现象如果转鼓进料口无加速装置并且液体是加在自由液面上，则会产生液体滞后于转鼓，既相对于转鼓有周向速度。此时有基本方程和边界条件可得而值由实验得出，也可用下列经验公式计算0()(5-18)ur202011(1)(5-19)1kkExit其中b.有螺旋线时，长转鼓内轴对称稳定流动状态。螺旋卸料沉降离心机的广泛使用，导致人们对其转鼓内流体流动特性进行了不少的理论和实验研究。提出了不同的流动状态模型和不同的流速计算公式，现分别介绍其中的两种主要的流动模型。①液体沿螺旋流道流动模型：412012.610)(5-20)(eR20121,,()eVkrrkrrRqrExit如图5-10所示，由沿螺旋