化工原理第三章离心沉降.ppt

2019/8/8,第三节 离心沉降 一、概述 二、离心沉降速度 三、离心分离设备,第三章 沉降与过滤,2019/8/8,【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。,2019/8/8,2、惯性离心力场与重力场的区别,2019/8/8,二、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：,2019/8/8,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：,2019/8/8,2、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。,2019/8/8,【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。,2019/8/8,3、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,2019/8/8,【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,2019/8/8,【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。,2019/8/8,三、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,2019/8/8,中央排气管,进气口,圆筒,圆锥体,排尘管,2019/8/8,旋风分离器实物图,2019/8/8,2、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。,2019/8/8,2019/8/8,3、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1520m/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。,2019/8/8,旋风分离器工作原理示意图,外旋气流,气芯,2019/8/8,喷雾干燥流程图,2019/8/8,流化床干燥器,干料,2019/8/8,4、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。,2019/8/8,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,2019/8/8,（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t恰好等于停留时间 ，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。,2019/8/8,（3）推导临界粒径计算公式的几点假设,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； 颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度b； 颗粒在层流区内做自由沉降，径向（沉降）速度可用下式表示：,2019/8/8,【两点说明】,导出该式的假定很勉强，故只属粗略估算。 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。,2019/8/8,含尘气体入口,净化气体出口,2019/8/8,旋风分离器组的使用,2019/8/8,2019/8/8,2019/8/8,【总效率o】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pi】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,2019/8/8,（1）粒级效率pi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,2019/8/8,（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p表示，单位为Pa。 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。,2019/8/8,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； 气体密度； 阻力系数。,压强降的经验计算公式,2019/8/8,阻力系数的获取,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,2019/8/8,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：,2019/8/8,旋风分离器的技术规格,2019/8/8,大型旋风分离器,2019/8/8,5、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52500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3m以上的粒子，并联的多管旋风除尘器装置对3m的粒子也具有8085%的除尘效率。,2019/8/8,四、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。,2019/8/8,旋液分离器实物图,圆筒,进料管,溢流管,锥型筒,底流管,2019/8/8,2、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。,2019/8/8,烧碱生产蒸发流程图,2019/8/8,安装在管路上的旋液分离器,2019/8/8,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】,2019/8/8,五、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】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。 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？,2019/8/8,2、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。,2019/8/8,3、管式离心机,管式离心机的结构,2019/8/8,驱动装置,机架,机壳,转鼓,2019/8/8,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。,2019/8/8,【根据分离因数】,（1）常速离心机 Kc3103（一般为6001200） （2）高速离心机 Kc31035104 （3）超高速离心机 Kc5104,2019/8/8,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,2019/8/8,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。,2019/8/8,（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】,2019/8/8,【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,2019/8/8,轻液出口在内,重液出口在外,GF型顶盖局部放大图,2019/8/8,管式离心机的工作原理,2019/8/8,悬浮液在表压0.0250.03MPa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,2019/8/8,（1）管式离心机转鼓直径小，转速高，一般为15000rmin； （2）分离因数大，可达50000，为普通离心机的824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。,管式离心机的技术特点,2019/8/8,管式离心机的技术规格,2019/8/8,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。,4、碟式离心机,2019/8/8,碟式离心机的分类,2019/8/8,碟式离心机,电动机,机壳,2019/8/8,碟式离心机转鼓的结构,【说明】机壳内有30150个形状和尺寸相同的锥形碟片； （2）锥角为60120、直径为200800mm； （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0.151.3mm。,2019/8/8,【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。,离心分离机与离心澄清机的结构区别,2019/8/8,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,2019/8/8,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,2019/8/8,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。,2019/8/8,锥形碟片,圆孔,定距狭条,【碟片数据】 锥角为60120； 直径为200800mm； 间隙约0.151.3mm； 数目30150个。,2019/8/8,离心澄清机的工作原理,具有一定压力和流速的悬浮液进入离心澄清机后，从碟片组外缘进入各相邻碟片间的薄层隙道中，被带着高速旋转。,固体颗粒获得的离心沉降速度大于后续液体的流速，则向外运动，经排渣口排出。,液体获得的离心沉降速度小于后续液体的流速，则在后续液体的推动下被迫反方向向轴心方向流动，经液相出口排出。,2019/8/8,离心分离机的工作原理,具有一定压力和流速的乳浊液进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道进入碟片间的隙道后，被带着高速旋转。,密度大的液体获得的离心沉降速度大于后续液体的流速，向外运动，连续向鼓壁沉降，经汇集后由重液出口连续排出。,密度小的液体获得的离心沉降速度小于后续液体的流速，向轴心方向流动，连续由轻液出口被排出。,2019/8/8,碟式分离机主要应用领域,（1）矿物油行业：船舶主机、陆用柴油机、电站等燃油和润滑油的净化； （2）乳制品行业：鲜牛乳的澄清和净化、脱脂； （3）植物油行业：棕榈油的净化和澄清，植物油