沉降过程与操作Word格式.docx
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非均相：
由具有不同物理性质（如密度和粒径）的分散物质和连续介质所组成的物系称非均相物系。
均相物系的分离属于传质内容，均相物系中的“固—固”物系不在讨论之列；
非均相物系可以借助沉降、过滤、筛分等手段，利用物系中两相间的物性（如ρ或d）差，实现两相间的相对运动达到分离的目的。
这些属于机械分离，操作遵循流体力学的基本规律。
在非均相物系中，处于分散状态的物质称“分散相”；
包围它的物质称“连续相”（即分散介质）。
179
沉降是将混合物置于力场中，在力场作用下，使分散相与连续相发生相对运动，密度大的物质定向地移向收集面，实现分离。
力场
沉降类型
物系
重力场
重力沉降
自由沉降
气—固、液—固气—液、液—液
干扰沉降
离心力场
离心沉降
同上
电场
电沉降
电除尘器
颗粒极微者
电捕焦油器
固—固物系往往要借助流体，使固固两相间的运动产生速度差。
在这里我们重点学习重力沉降，其沉降方向垂直向下。
一沉降速度
㈠球形颗粒的自由沉降
自由沉降——颗粒沉降中不受外界的任何影响。
将一粒表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体中，颗粒ρs>
液体的ρ，于是颗粒受到的力分别为：
重力Fg、浮力Fb、阻力Fd，其作用方向如图示。
当颗粒和流体的种类确定后，仅于ρs、d和ρ有关的重力及浮力便为常量；
阻力则随着颗粒运动的速度的变化而变化。
直径为d的颗粒，所受三力表示为（向下为正）：
三力之和，使颗粒产生加速度：
α=du/dθ
图4-1受力分析
180
-4
3
5
随时间变化情况见下表：
θ
u
Fd
a
max
↑
u↑
Fd↑,净力↓
a逐渐↓
加速段
↑↑
t
Fd=Fg-Fb
等速段
1）
整理后得：
从颗粒沉降达到等速阶段，理论上讲需要很长的时间，但达到0.99u
（3-
需时很短，固
可以忽略加速段，认为颗粒始终在等速u
下运动。
在a=0，u=u
，
2）
上式显示：
（ρs-ρ）↑、d↑→ut↑。
㈡阻力系数ξ
ξ也是雷诺数Re
（Re
=du
ρ/μ）的函数：
1.滞流区（斯托克斯定律区，10<
Re
<
3）
ξ=24/Re
2.过渡区（艾伦区，1<
10）
ξ=18.5/（Re
0.6
）（3-
4）
3.湍流区（牛顿定律区，10
Ret<
2×
10
）
ξ=0.44（3-
5）
4.湍流边界层区（Re
>
ξ=0.10
将（3-3）至（3-5）代入（3-2），得到不同Re
区域相应u
的计算式：
1.湍流区u
=d2（ρ
s
-ρ）g/18μ
2.过渡区
181
2
3.湍流区
不同ut下，流体对颗粒产生的流阻会有不同的影响：
⑴滞流区：
因为在颗粒表面形成很薄的滞流边界层，且不发生边界层分离，所以只
存在流体的粘性阻力=f（u
）。
⑵湍流区：
虽然边界层仍为滞流，但其分离引起的形阻已占主导地位，流阻
=f（u
3过渡区介于滞、湍流间，粘、形阻均不可忽略。
4湍流边界层区：
此时，由于流体主体中的能量与边界层中的能量交换强度增加，反而使边界层的分离困难起来。
形阻下降使ξ突然下降。
5重力沉降时：
小颗粒——斯托克斯区；
粒径大些的——艾伦区；
能到牛顿区的情况已很少见。
㈢影响ut的因素
只有连续相为气态的物系或单个颗粒在大空间的沉降中，颗粒的沉降才能视为“自由沉降”。
当连续相为液体、物系中颗粒的体积分率较高时，颗粒之间相互干扰称干扰沉降。
此
时影响u
的因素有：
1．颗粒的体积浓度
当体积浓度<
0.2%，各ut的理论计算值偏差<
1%；
体积浓度较高时发生干扰沉降。
2．器壁效应
当颗粒离器壁较近时，颗粒沉降迫使连续相也有一定的流动，而不动的器壁又阻滞着
这种流动，结果显示u
变慢。
当沉降处于斯托克斯区，修正：
′=u
/（1+2.1（d/D））
当D>
100d时，器壁效应可忽略。
3.颗粒形状
已知管壁ξ↑→hf↓；
同样，颗粒形状越偏离球形，沉降时阻力也越大。
用球形度标识：
φs=s/s
p
S——球体表面积，m；
sp——颗粒的表面积，m
颗粒形状越不规则，其球形度越小。
非球形颗粒的Re
中的d用当量直径de：
6）
182
∵d太小会产生布朗运动，
∴当d<
0.5μm时不宜使用自由沉降速度计算式。
Ret>
可忽略布朗运动。
另外，对于分散相：
如果ρs>
ρ，颗粒作沉降运动；
如果ρs<
ρ，颗粒作升浮运动。
连续相有静止和流动两种情况。
流动的连续相又分为与颗粒同向不同速的、与颗粒反向的及流态化状态。
㈣沉降速度的计算
因为计算ut时，要通过Ret确定使用哪一个公式,所以有ut=f（Ret）。
可以采用如下方法进行计算。
1.试差法：
当求出的ut与假设的ut在同一个Ret范围内，求出的ut有效。
2.摩擦数群法：
可由d求ut，或反求。
设法消去Ret中的ut。
无需试差，但离不开图，
该法便于计算非球形的u
。
3.K判据求u
：
此法无需试差，但使用时须知d。
令：
代入
得：
二沉降室
含尘气体在管道中流动，因气速较大，尘粒来不及沉降；
进入突然扩大的流道——沉降室，气速u显著减少。
那些在流体离开降尘室之前落到室底的颗粒便与流体分离了。
位于室内最高点的颗粒降至室底需用
时间：
=H/u
气体通过降尘室需用时间：
θ=L/u理论上，凡θt≤θ的颗粒都能落到室底。
即气体在降尘室的速度：
u=Vs/（Hb），满足u≤Lut≤H条件的、
气速对应为u
的颗粒能被分离。
对应上式可改写为：
Vs/（Hb）
≤Lu
/H。
图4-2沉降室
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由此可见，降尘室的生产能力Vs=bLut与高度H无关，但H与u大小有关。
采用多层水平隔板，既保证H不变（Vs不变），又使隔板间距H'
↓→θt↓减少，受尘面积↑。
切记：
为不使已沉降的灰尘被卷扬，u要处于滞流区。
且降尘室的进、出口应采用渐变流道。
三浓悬浮液的沉聚过程
浓悬浮液中颗粒的沉降要受到A、其它颗粒；
B、器壁；
C、被颗粒取代其空间的流体向上流动等因素的影响——干扰沉降——“沉聚过程”。
图4-3间歇沉降实验
（1）随着固相浓度的增大，液体从颗粒间向上流动的速度也增大。
使颗粒在实际上
是处于向上流动的液体中沉降。
比在静止的、自由沉降时受到的阻力大得多。
d
大
↑→与周围流体间的相对速度u较d
小
的大些→阻力↑，反使u
↓。
（2）悬浮液中，颗粒的粒级分布很宽。
对d大而言，细小颗粒与液体混成了
μ↑、ρ↑的流体。
在这种流体中的沉降显然使u
而d
却被d
向下拖曳使u
↑；
絮凝现象使颗粒的有效尺寸增大，ut↑。
综上所述，d大的ut↓，d小的ut↑。
实验证明，在粒度范围<
6/1时，颗粒的ut相接近。
四沉降槽的结构与操作
沉降槽的构造如图。
既可间歇操作，亦可连续操作。
间歇操作的时间可以根据底流浓度调整；
连续操作的设备则要实验数据设计尺寸。
连续沉降槽是底部略成锥形的大直径（数米～百米以上）浅槽（高度2.5～4m），料
浆从中央进料口送入液面下0.3～1.0m处，以尽可能小的扰动迅速分散到整个横截面上，颗粒下沉，从等浓区进入变浓区最后进入沉聚区；
在槽底徐徐转动（小槽1r/min；
大槽0.1r/min）的耙把浓浆中的液体挤出去，并把沉渣聚
184
32
拢到锥底的中央排渣口，以“底流”排出。
清液向上流动，即使夹带粒子，颗粒在澄清区还是有机会再沉降，使“溢流”的液体保持清洁。
连续沉降槽适用于量大、浓度不高且颗粒不太细微的悬浮料浆，如污水、煤泥水等。
构造
其沉渣含液量约50%。
提高沉降速度的办法有：
添加少量电解质或表面活性剂，使细粒凝聚或絮聚；
改变操作条件，如：
加热、冷冻或震动，使颗粒的粒度或相界面积发生变化，提高沉降速度。
学习情境4.2旋风分离器的沉降操作
一惯性离心力作用下的沉降速度
惯性离心力场的强度与力场距中心轴距离R及R所在圆的圆周速度u
r
有关，即
（u
T
/R）——也称离心加速度，随u
↑和R↓（定ω↑，R↑，u
↑）显著增强（g为常
数），方向沿直径指向外圆周。
含固体颗粒的流体进入离心力场时，ρs>
ρ,颗粒必向外圆飞去。
同时受到三个力的作用：
惯性离心力=（π/6）dρs（uT/R）指向外圆
向心力=-（π/6）dρ（u
/R）指向圆心
阻力=-ξ（π/4）d（ρu
/2）指向圆心
三力达平衡（∑F=0），u
——颗粒在R点的离心沉降速度。
7）
比较重力场和离心力场的沉降速度计算式，只在力场强度上同。
若离心沉降时，颗粒
与流体的相对速度属于滞流，则ξ=24/Re
（3-8）
185
（3-6）
两种沉降速度之比：
/u
=（u
/R）/g=Kc
（3-9）
Kc——离心分离因数
Kc是离心分离设备的重要指标。
某些高速离心机的Kc可达数十万；
一般旋风（液）分离器的Kc值在5～2500之间。
如：
R=0.4m，u
=20m/s时：
Kc=20
/（0.4×
9.81）=102
二旋风分离器的操作原理
分离器结构如图。
含尘气流从切向进入圆筒后，在筒壁的约束和后继气体的推动下，形成“外螺旋运动”→离心力场。
颗粒被抛向筒壁，借重力沿壁面落至锥形筒底部的排灰口。
颗粒向器壁运动使气体向旋转中心聚集，仍然保持
着与外螺旋同方向的旋转运动——内螺旋，并从下向上从出气口排出。
∵它的R小，∴仍具有可观的力场强度。
旋风分离器的静压强分布：
1.径向器壁附近静压强大，向旋转中心逐渐降低，
在排气口附近与口外侧压强持平。
2.轴向沿轴向，从上至下静压强逐渐降低。
若排气口直通大气
（或连引风机），则器底部轴心处形成负压，排灰口密封不严会已落入底部的尘埃卷起。
三
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