离心原理及设备

卧螺离心机的特点
①应用范围广。 ②对物料的适应性较大。 ③能自动、连续、长期运转，维修方便，
能够进行封闭操作。 ④单机生产能力大，结构紧凑，占地小，
操作费用低。 ⑤固相沉渣的含混量一般比过滤离心机
高，大致接近于真空过滤机。 ⑥固相沉渣的洗涤效果差。
复习题
1.离心机的分离因数的定义和意义。 2.悬浮液在离心机中能够被分离的


ds2
(s 18
)g

•

2 lr122
g

其中l为套管高度。
式中第一项表示重力沉降速度，只与料液本 身性质有关，第二项则是离心机特性的函 数。
（二）离心机的分离因数
• 离心分离因数是指离心力与重力 的比值，或离心加速度与重力加 速度的比值。
物料在离心机中所受到的离心力为：
条件是什么？
Q 2 • r • • v • Z
式中 Q ——碟片离心机生产能力。m3/s δ——碟片间隙，m； n ——碟片数目。
若在 dt 时间内，液体流过碟片的流量为
dv，有
Q dv dt
且 dv 2 dr • h• Z
所以 dt 2 rhZdr
Q
若在 dt 时间内，颗粒在水平方向以 vs 离心 沉降速度移动距离为 ds，则：
离心分离因数f
f FP rn2 m 900
或： f vT2
gr
且： vT 2 rn / 60
式中 n——转鼓角速度，rad／s。
• 离心分离因数是反映离心机分离能力的重 要指标。
• 它表示，在离心力场中，微粒可以获得比在
重力场中大 f 倍的作用力。
• f 值愈大，表示离心力愈大，其分离能力愈
强。
• 由上式知，离心机的转鼓直径大，则分离因
数大，但 r 的增大对转鼓的强度有影响。
• 高速离心机的特点是转鼓直径小，转速可达 15000r/min。
（三）离心分离设备分两类
1. 按操作原理分类：
• 一类是过滤式离心分离设备，习惯 上称为离心澄清机；
• 另一类是沉降式离心分离设备，又 称离心沉降机。
• 碟式离心机分离条件：颗粒在运动中达到 上一层碟片的内腹面。
Q

2
54


2
Z
(r23
tg
r13 )

•

(
s

)ds2

4. 螺旋卸料离心机
• 可分为卧式螺旋卸料沉降离心机、立 式螺旋卸料沉降离心机和卧式螺旋卸 料沉降/过滤复合离心机等机型。以卧 式螺旋卸料沉降离心机应用最为广泛
等：r12 rl2
ln(r1 / rl )

(r1 rl )(r1 rl ln[1 (r1 rl ) /
) rl
]

r1 rl r1 r1 rl / rl
rl
...
rl (r1 rl ) 2r12
故：
V

2 lr12
•
ds2 (s ) 2 18
D D1 18
1800
所以，管式离心机的生产能力为：
Q 3600 D1hn2 2 • ds2 (s ) A 900(D D1) 18
即： Q 4D1hn2 2 • ds2 (s ) • A
(D D1)
18
式中 Q——管式离心机生产能力，m3/h；
n ——离心机转速，r/min。
（三）碟式离心机的结构及操作
• 碟式离心机是生物工业中应用最为广 泛的一种离心机。
• 如果采用转速较低而直径较大的转鼓， 就必须将液流分成若干薄层，既加长 了液流行程，又避免了分离后再混合， 从而提高了分离效果，这就是碟式离 心分离机的由来。
碟 式 离 心 机
• 碟式离心机是在管式离心机的基础上 发展起来的，它具有密闭的转鼓，在 转鼓中加入了许多重迭的碟片(锥角 为60°～120°) ，缩短了颗粒的沉 降距离，提高了分离效率。
dr dr / dt ds2 s r2 r12 rl2
dZ dZ / dt
18
V
对上式积分，r从rl→r1，Z从0→l, 有：

V
r12 rl2
•
d
2 s

s


2
ln r1 / rl
18
对于大多数管式离心机，rl和r1可认为近似相
连续生产的离心分离机
带控制点的自动除渣离心澄清机工艺流程图
碟片式离心机的选型
一是要了解被分离物料的理化 性质；
二是要了解碟片离心机的特性。
（四）碟片离心机的生产能力
• 颗粒在碟片离 心机中被分离 的条件是颗粒 在运动中达到 上一层碟片的 内腹面。
碟片离心机分离过程
设液体以流速 v 沿碟片流道流动，则生产 能力为：
18Q
3
s h • tg
所以
Q

2
54


2
Z
(r23
tg
r13 )

•

(s
)ds2

上式还可写成：
Q

4 3
27

n2Z (r23
tg
r13 )

•

(s



)d
2 s


离心机的生产能力
• 管式离心机分离条件：料液在转鼓内的停 留时间t应大于或等于颗粒离心沉降所需的 时间Q。 Q 4D1hn2 2 • ds2 (s ) • A (D D1) 18
Q=ω·A
ω—料液在转鼓内的上升速度，m/s；
A—转鼓流通截面积，m2；A


4
(D2

D12
)
D—转鼓直径，m；
D1—进料管直径，m。
• 悬浮液中的颗粒在管式离心机中能 够被分离并沉降至转鼓壁上的条件
是：料液在转鼓内的停留时间 t 应大 于或等于颗粒离心沉降所需的时间T， 即t≥T。
液体在转鼓内的停留时间为t = h/ω；颗粒
ds vs • dt
Байду номын сангаас
又
vs

ds2 (s )r2 18
故
ds

d
2 s
(
s

)r 2
•
2 hZrdr
18
Q

d
2 s
(s


)2
hZ 2r2dr
18Q
积分 且：
s ds 2 hZds22 (s ) r2 r2dr
0
18Q
r1
s 2 hZds2 2 (s ) • r23 r13
• 区别是离心分离机的每只碟片在离开轴线一定 距离的圆周上开有几只对称分布的圆孔，许多 这样的碟片叠置起来时，对应的园孔就形成垂 直的通道。
碟式离心机的分离原理
• 当碟片间的悬浮液随着碟片高速旋 转时，固体颗粒在离心力作用下沉 降于碟片的内腹面，并连续向鼓壁 沉降，澄清液则被迫反方向移动至 转鼓中心的进液管周围，并连续被 排出。
• 碟片之间的间隙用碟片背面的狭条来 控制，一般碟片间的间隙约0.5～ 2.5mm。
碟式离心机
• 碟式离心机分为离心澄清机和离心分离机：
• 藉离心沉降速度的不同将悬浮液中的液、固相 分开的离心机称作离心澄清机。
• 藉离心沉降速度的不同将轻重不同或互不溶解 的两种液体分开的离心机称作离心分离机 。离 心分离机与离心澄清机在构造及分离的机制方 面很相似。
一、离心分离原理与分离因数
• 常用的离心机有管式离心机和 碟式离心机两种，其离心分离原 理基本相同。
（一）管式离心机 中微粒的运动方程
悬浮液从管式离心 机的底部进入后，则 微粒在管内的轴向和 半径方向同时运动。
• 设微粒在t时刻沿轴向运动距离为Z，沿半 径方向运动距离为r。
• 由于微粒在轴向的运动依靠料液的输送， 忽略重力影响时，则运动速度为：
②高速离心机，f=3000～50000。转 鼓直径小，可用于乳浊液的分离。
③超速离心机，f>50000，转速高（可 达 50000r/min），适用于分散度较高 的乳浊液的分离。
3. 按操作方式分类 • 间歇式离心机 • 连续式离心机
二、常用离心机结构及选型
（一）管式离心机的结构及操作
• 管式离心机具有一个细长而高速 旋转的转鼓。
离心沉降所需时间为：T D D1
2t
所以： h D D1 2t


2h D D1
t
式中 h——转鼓高度，m；
ωt——颗粒离心沉降速度，m/s。
t

d
2 s
(
s

)r 2
18

d
2 s
(
s

)
•

2 D1n2
18
1800
代入上式， 2h • ds2(s ) • 2D1n2
• 对于过滤式离心分离设备，分离操作 的推动力为惯性离心力，常采用滤布 作为过滤介质。
• 沉降式离心分离设备适用于含高浓度 悬浮固形物发酵醪的固液分离，有的 机型也可用于固形、水相和溶媒的分 离。
2. 根据离心分离因数大小分类：
①普通离心机，f＜3000，一般为 600～1200，转鼓直径大，转速低，可 用于分离0.01～1.0mm固体颗粒。
• 加长转鼓长度的目的在于增加物 料在转鼓内的停留时间。
• 这类离心机分两种：
• 一种是GF型，用于处理乳浊液而进行 液—液分离操作；
• 另一种是GQ型，用于处理悬浮液而进 行液—固分离的澄清操作。
• 用于液—液分离操作是连续的，而用 于澄清操作是间歇的。
• 离心机的转鼓由三部分组成，顶盖、 带空心轴的底盖和管状转筒。
dZ V
dt r12 rl2
式中 V——悬浮液流量，m3/s； r1——套管半径，m； rl——套管内液膜半径，m。
微粒在r方向的运动速度为：
dr ds2 s • r •2
dt 18 式中 ds——微粒的粒径，m；
ρs——微粒密度，kg/m3； ρ——液体密度，kg/m3； μ——液体粘度，Pa·s； ω——旋转角速度，rad/s；
管 式 离 心 机 结 构
管式离心机
用于液-液分离时
用于液-固分离时
• 管式离心机转鼓直径小，转速高， 一般为15000r/min，分离因数大， 可达50000，为普通离心机的8～ 24倍。
• 分离强度高，可用于液—液分离和 微粒较小的悬浮液的澄清。
（二）管式离心机的生产能力
管式离心机的生产能力可由下式计算：
离心澄清机 离心分离机
• 简单的碟式离心机没有自动排渣装置只能 间歇操作，待沉渣积累到一定厚度后，停 机打开转鼓清除沉渣。
• 要求悬浮液中固体含量不超过1％为好，以 免经常拆卸除渣。
• 自动除渣碟式离心机是在有特殊形状内壁 的转鼓壁上开设若干喷嘴（或活门），喷 嘴数一般是8～24个，孔径0.75～2mm， 喷嘴总截面积取决于悬浮液中固体的含量。
喷嘴连续排渣碟片式离心机
• 由于喷嘴始终是开启的，常使连续排出 的残渣中含有较多的水分而成浆状。
• 如喷嘴以活门取代，则活门平时是关闭 的，当鼓壁上积累一定量的沉渣后，活 门在沉渣的推力下被打开而排出沉渣。
• 自动排渣离心机适合处理较高固体含量 的料液，其分离因数一般为6000～ 11000，能分离的最小微粒为0.5μm。
第三节 离心分离设备
离心分离：利用离心力来达到悬浮液及乳
浊液中固－液、液－液分离的方法通称离 心分离。
• 悬浮液是由液体和悬浮于其中的固体颗粒 组成的系统。
• 乳浊液是由液体和悬浮于其中的一种或数 种其他液体所组成的系统，其中至少有一 种液体是以液珠的形式，均匀地分散于一 个不和它互溶的液体之中。
FP

m g
•
vT2 r
式中
FP——物料所受到的离心力，N； m——物料质量，kg； g——重力加速度，m/s2； r——转鼓半径，m； vT——圆周线速度，m/s，vT=2πrn/60 n——转鼓转速，r/min
上式可写成：
FP

m 2rn2
900g

mrn2 900
增加转速来增大离心力比增加转鼓直径更有效。