chapter1 离心沉降规律及其设备

3.液态悬浮物系在器旋离心力场中的运动
(1)转鼓内液体的自由表面 离心机开动后，因转鼓的带动，使液体在受重力作用的 同时，还受到离心力的作用，形成一个旋转的自由表面。
a.静止 b.低速
c.高速 d.忽略重力
dl C dm ⋅ r 0 ⋅ ω 2 ω 2 tgβ = = = = r0 d r0 G dm ⋅ g g
(4)离心沉降分离的极限 当颗粒比较小 ( 譬如几个 μm 以下 ) 时，布朗运动不可忽 略。如果还用Σ理论，就可能高估离心机的分离性能。甚至当 颗粒小到一定程度，在一定的离心力场作用用Σ理论预测可以 被分离，但因颗粒布朗运动引起的扩散作用，颗粒将可能长期 保持悬浮状态而不能被分离。 这种现象称为离心沉降分离的极限，对应的颗粒直径称 为极限颗粒直径，用 xmin (μm) 表示。
图为处理轧钢废水的周 边配水式旋流沉淀池。废水 利用进、出口的水位差压 力，经进水管沿切线方向进 入旋流器底部形成旋流，并 以螺线形上升，在重力和离 心力作用下，水中的悬浮颗 粒被抛向池壁并滑向器底， 定期由抓斗卸出。 上升的废水绕过挡油 板，经溢流堰排至环形集水 井，并由吸水泵输出。
(2)设计计算 周边配水式水力旋流沉淀池的计算方法有经验公式计算 法和表面负荷计算法两种。 ①经验公式计算法
此外还有，液-液分离、气-固分离，以热门的
含油废水分离为例：
1-入流；2-一次涡流；3-二次涡流；4零锥面；5-空气涡流柱
图 1-6-5 物料在水力旋流器内的流动情况
(2)设计与计算 首先确定各部结构尺寸，然后求出处理水量和极限粒径， 最后根据处理水量确定设备台数。 ①确定各部结构尺寸 一般以圆筒直径 D 和锥体锥角θ作为基本尺寸，再按一 些经验比例关系确定其它尺寸。 为保持空气柱内稳定的真空度，出水管不能满流工作， 并在器顶设置通气管，以平衡器内压力和破坏可能发生满流 时的虹吸作用；排渣口径宜取小值，以提高浓缩液浓度；进 口易被磨损，应用耐磨材料制作，且能快速更换，以便调节 口径和检修。
u = B (30.5 − 5 lg 0.134Q ) × (1 + 12 ∆ E s )
求得水流上升速度u值后，按A=Q/u 计算沉淀池面积A， 再按前图的比例确定其余各部结构尺寸。 ② 表面负荷计算法 取表面负荷q值为25～30m3/(m2·h)，再按A=Q/q计算表面 积A。
三、离心机
离心机是一种利用转鼓带动物料高速旋转产生的离心力 来强化分离过程的分离设备，可用于澄清、增浓、脱水、洗 涤或分级。
离心机的类型可按分离因数、转鼓形状、转鼓数 目、操作原理、卸料 ( 渣 ) 方式、操作方式等加以分类。
如下表所示， 按分离因数大小可将离心机分为低速离心机 (Kc=1000 ～ 1500) 、中速离心机 (Kc=1500 ～ 3000) 、高速离心机 (3000<Kc <50000)和超速离心机(Kc＞50000)。
由于悬浮颗粒直径的性质千差万别，计算极限粒径的经 验公式很多，计算结果相差亦较大。应进行可行性试验。 当悬浮固体颗粒以较小的速度 (Re＜1) 作径向运动时，被 分离颗粒的极限直径 dc (cm)可由下式计算：
d c = 0.75
d
2 1
ϕ
0.1πµ Qh( ρ s − ρ1)
当固体颗粒以较大的速度(Re=1～30)运动且空气柱直径为 d(cm)时，dc 值可按下式计算：
1.压力式水力旋流器(pressure hydrocyclone)
(1)结构与工作原理 形状细长、直径小，圆锥部分 长；上部是直径为 D 的圆筒，下部 是锥角为θ的截头圆锥体，进水管 以渐收方式与圆筒以切向连接。
1- 圆 筒 ； 2- 圆 锥 体 ； 3- 进 液 管； 4- 溢流管； 5- 排渣口； 6通气管；7-溢流筒；8-出液管
1.过滤式离心机(filtration centrifuge)
过滤式离心机转鼓上有孔，鼓内覆盖以滤布或其他过 滤介质，当转鼓高速旋转时(>1000rpm)，鼓内料液在离心力 的作用下，透过过滤介质(滤布、滤网等)，而固体颗粒则被 截留在过滤介质上，完成固液分离。
过滤式离心机对颗粒和液体的密度差没有要求，但不宜 于小颗粒、纤维状或胶体可压缩固体物质的分离 ( 例如废水 中污泥的处理)，因为这些物质会堵塞过滤介质； 只适用于悬浮液浓度较高(可达50%～60%)、粒度适中 以及母液较粘的场合，如用于结晶类食品(如砂糖)的精制、 脱水蔬菜制造的预脱水过程、淀粉的脱水，也用于水果蔬菜 的榨汁、回收植物蛋白及冷冻浓缩的冰晶分离等。 最常用的间歇式操作离心机有三足式、上悬式和卧式刮 刀卸料式离心机；而连续操作的离心机有卧式活塞推料和离 心力卸料离心分离机，后者适用于固体粒子较粗的物料。
2006/4/5
NO. 7a 讲 授 提 纲
§1.6 离心沉降规律及其设备
物体高速旋转能够产生离心力场，离心力的大小取决于 该质点的质量和向心加速度。
按照产生离心力的方式不同，离心分离设备可分为 水旋和器旋两类 。前者如水力旋流器、旋流沉淀池，其 特点是器体固定不动，而由沿切向高速进入器内的物料 产生离心力；后者指各种离心机，其特点是由高速旋转 的转鼓带动物料产生离心力。
一、离心分离的理论基础
1.离心沉降速度
如果球形颗粒的直径为dp、密度为ρp、流体密度为ρ， 则与颗粒在重力场中的受力情况相似，在惯性离心力场中颗 粒在径向上也受到离心惯性力、向心力及阻力三个力作用。 后两个力均沿着半径方向指向旋转中心，与颗粒径向运动的 方向相反。 当三个力达到平衡时，可得到颗粒在径向相对于流体的 运动速度ur (即颗粒在此位置上的离心沉降速度)，
环保设备原理与设计环保设备原理与设计环保设备原理与设计环保设备原理与设计多媒媒媒媒体多多多体体体教教教教案案案案北京石油化工学院北京石油化工学院北京石油化工学院北京石油化工学院陈陈陈陈家家家家庆庆庆庆教授教授教授教授第第第第1111章章章章不溶态污染物的分离技术与设备不溶态污染物的分离技术与设备不溶态污染物的分离技术与设备不溶态污染物的分离技术与设备11111111预处理设备预处理设备预处理设备预处理设备拦污拦污拦污拦污12121212预处理设备预处理设备预处理设备预处理设备沉砂沉砂沉砂沉砂13131313重力沉降规律及其设备重力沉降规律及其设备重力沉降规律及其设备重力沉降规律及其设备14141414浮力浮上法分离原理与设备浮力浮上法分离原理与设备浮力浮上法分离原理与设备浮力浮上法分离原理与设备15151515过滤分离机理及其设备设计过滤分离机理及其设备设计过滤分离机理及其设备设计过滤分离机理及其设备设计16161616离心沉降规律及其设备离心沉降规律及其设备离心沉降规律及其设备离心沉降规律及其设备2006来自5200645nol=
ω
2
2g
r + l0
2 0
由此可见，液体的自由表面为一旋转抛物面。 当转速增大时，抛物面逐渐下凹，甚至可能露出底面； 同时，周围液体上升。因此实践中为防止液体溢出，转鼓顶 部应设一定高度的溢流堰只让一定量的液体溢出。 当转速极大，以至于重力相对于离心力可以忽略不计 时，则自由液面趋近于圆柱面。
(2)转鼓内液体的压力
当物料借水泵提供的能量 ( 压力不超过 0.40MPa) 以 6 ～ 10m/s的流速切向进入圆筒后，沿器壁形成向下作螺旋运动的 一次涡流 ，其中直径和比重较大的悬浮固体颗粒被甩向器 壁，并在下旋水流推动和重力作用下沿器壁下滑，在锥底形 成浓缩液连续排除。 其余液流则在向下旋流至一定程 度后，便在愈来愈窄的锥壁反向压力 作用下改变方向，由锥底向上作螺旋 形运动，形成 二次涡流 ，经溢流管进 入溢流筒后，从出水管排除。另外， 在水力旋流器的中心，还形成一束绕 轴线分布的自下而上的空气涡流柱。
在旋转半径 r 一定时，Kc 值随转速n的平方急剧增大，例如， 当r=0.2m、n=500rpm时， Kc≈56；而当n=3000rpm时，则 Kc ≈2000 。离心力对悬浮颗粒的作用远远超过了重力，从而极 大地强化了分离过程。 影响离心分离的因素有： (1)分离因数，分离因数越高，分离性能越好。 (2)水中悬浮物的性能。 (3)离心分离装置的直径，直径越小，则分离过程越快， 所需的分离时间越短，然而分离性能变差。 (4)进水流量和水在离心分离装置中的停留时间等。
转鼓内物料中任一微元体
(3)颗粒在转鼓离心力场中的运动 研究颗粒从起始径向位 研究 置 r 走完分离区全长(轴 向)，刚好能沉降(径向)到达 鼓壁的临界条件。
V 2ω Vτ50 Q= = = 2τ50gΣ = 2utgΣ 2 2R t ln 2 2 R + R0
2
转鼓内颗粒的沉降示意图
Σ理论可用来预测离心机的性能，即处理量或分割粒度。 利用 Σ 常数，可对几何和动力相似的离心机 (如同一类型的离 心机)进行操作性能比较，或对同类性离心机作比例放大。
ur
=
d 2 (ρ p − ρ ) p
18µ
×
u t2
r
=
ω2 r d 2 (ρ p − ρ ) p
18µ
上式中，当 ρp >ρ 时， ur 为正值，颗粒被抛向周边；当 ρp <ρ时，颗粒被推向中心。故在离心分离设备中，能进行 离心沉降和离心浮上两种操作。
2.分离因数
分离因数 Kc 为同一颗粒在同种流体介质中离心沉降速度 与重力沉降速度的比值，在Stokes区内的表达式为，
u ω = Kc = g rg
2 t
2
也可以理解为颗粒所受净离心力与净重力之比，或颗粒 所在位置上的离心惯性力场强度与重力场强度之比。若以n 表示转速(r/min)，并将ω=2πn/60 代入上式，则有，
r r nπ 2 r n 2 ω = ( ) ≈ Kc = 900 g g 30
2
分离因数 Kc 是衡量离心设备分离性能的基本参数。
物料中任一径向位置都会因离心作用而产生离心压 力 ；在水平面内，离心压力是径向位置的函数，在鼓壁处达
到最大值：
1 Pf = ρ f ω 2 ( R 2 − r02 ) 2
计算离心压力 的意义在于确定转 鼓的离心应力，同 时，由于离心压力 是离心过滤操作的 驱动力，故离心压 力也是离心过滤操 作的设计基础。
由于离心力与旋转 半径呈反比例关系，故 其直径受到一定限制， 一 般 不 超 过 500mm ； 如 果处理水量较大，应设 多台并联使用。
③被分离颗粒的极限粒径 水力旋流器的分离效率与设备结构、颗粒性质、进水水 压及粘度等一系列因素有关。其它条件不变时，分离效率随 颗粒直径的增大而急剧增大：颗粒直径≥ 20μm 时，分离效 率接近100%；颗粒直径为8μm时，分离效率只有50%。 一般将分离效率为 50%的颗粒直径称为极限 粒径，它是判断水力旋流 器分离程度的主要参数之 一。极限粒径愈小，说明 分离效果愈好，达到一定 分离效率时的处理水量也 愈大。
x min
1 T = 1.732( ) 4 2 ∆ρrω
二、水力旋流器
根据主体介质的不同，旋流分离技术分为干法与湿法 两大类，前者为旋风分离，后者为旋液分离，相应的关键设 备为旋风分离器(cyclone)和旋液分离器(hydrocyclone)。 旋液分离器经常也被称为水力旋流器 ，自从美国学者 Bradley 于 1891 年注册旋液分离器的第一个专利以来，旋液 分离器已有一个多世纪的历史。 水力旋流器有压力式和重力式两种，通常所说的水力旋 流器是指压力式水力旋流器，重力式水力旋流器又称旋流沉 淀池。
ur =
4d ( ρ p − ρ ) u t2 3ρξ r
与重力沉降速度vc 的区别与联系？ v c =
4d ( ρ p − ρ ) 3ρξ
g
离心沉降同样存在三种区域内的沉降流型，各区的阻力 系数仍然可按§1.3来计算。对于Stokes区( Re < 1 )，离心沉降 速度 ur (或称稳定分离速度)可以表示为，
离心分离的方法常用于废水，可以分离水中的悬 浮物(固体颗粒和油滴)，也可用于污泥脱水。
一、离心分离的理论基础 1.离心沉降速度 2.分离因数 3.液态悬浮物系在器旋离心力场中的运动 二、水力旋流器 1.压力式水力旋流器(pressure hydrocyclone) 2.重力式水力旋流器(gravity hydrocyclone) 三、离心机 1.过滤式离心机(filtration centrifuge) 2.沉降离心机(sedimentation centirfuge) 3.离心机转鼓的强度计算理论
环保设备原理与设计
多 媒 体 教 案
北京石油化工学院 陈 家 庆 教授
第1章 不溶态污染物的分离技术与设备
§1.1 预处理设备(拦污) §1.2 预处理设备(沉砂) §1.3 重力沉降规律及其设备 §1.4 浮力浮上法分离原理与设备 §1.5 过滤分离机理及其设备设计 §1.6 离心沉降规律及其设备
5/3 5/3 0 .1 d 8 µ ρ l 0.83 d0 − d × dc = 4 h ϕ Q ( ρ s − ρ1) d0 − d
2.重力式水力旋流器(gravity hydrocyclone)
(1)结构与工作原理 用 重力式水力旋流器 ( 又称水力旋流沉淀池 ) 处理废水 时，废水也是借助进、出水的压力差在器内作旋转运动。 但在这种旋流器中，离心力的作用并不重要，颗粒的分 离基本上由重力决定。 旋流沉淀池有周边旋流配水和中心筒旋流配水两种。