沉降过程与操作Word文件下载.docx
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均相物系的分离属于传质内容，均相物系中的“固一固”物系不在讨论之列；
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p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）。
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
气一固、液一固气一液、液一液
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
固一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。
沉降速度
㈠球形颗粒的自由沉降
自由沉降一一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pS＞液体的p,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ps、d和p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）：
j
图4-1受力分析
三力之和，使颗粒产生加速度：
a=du/d0
随时间变化情况见下表:
9
u
Fd
a
max
f
uf
Fdf,净力J
a逐渐J
加速段
ff
ut
Fd=Fg-Fb
等速段
整理后得：
「一」I
（3-1）
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0.99ut需时很短，固可
以忽略加速段，认为颗粒始终在等速Ut下运动。
尹*-必■尹右詈。
ui
4起（口-Q）
（3-2）
上式显示：
（ps-p）f、df
Utf。
在a=0,u=ut,
E也是雷诺数Re（Ret=dutp/卩）的函数：
1.滞流区（斯托克斯定律区，10-4<
Re<
1）
E=24/Ret
（3-3）
3
2.过渡区（艾伦区，1<
10）
E=18.5/
（Ret06）（3-4）
3.湍流区（牛顿定律区，103<
2X105）
E=0.44
（3-5）
4.湍流边界层区（Re>
E=0.10
将（3-3）至（3-5）代入（3-2），得到不同Re区域相应ut的计算式:
1.湍流区ut=d2（ps-p）g/18卩
萨0已匡—）时
2.过渡区'
『'
片“74运亟
3.湍流区J’
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（ut）。
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（Ut2）。
⑶过渡区介于滞、湍流间，粘、形阻均不可忽略。
⑷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E突然下降。
⑸重力沉降时：
小颗粒一一斯托克斯区；
粒径大些的一一艾伦区；
能到牛顿区的情况已很少见。
㈢影响ut的因素
自由
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Ut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Ut变慢。
当沉降处于斯托克斯区，修正：
ut'
=ut/（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EhfJ;
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：
0s=s/sp
S球体表面积，mi;
Sp颗粒的表面积，mi
颗粒形状越不规则，其球形度越小。
非球形颗粒的Ret中的d用当量直径de：
（3-6）
•••d太小会产生布朗运动，
•••当d<
0.5卩m时不宜使用自由沉降速度计算式。
Ret>
10-4可忽略布朗运动。
另外，对于分散相：
如果ps>
p，颗粒作沉降运动；
如果ps<
p，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Re中的ut。
无需试差，但离不开图，该法便于计算非球形的ut。
3.
K判据求ut:
此法无需试差，但使用时须知d。
令：
沉降室
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'
0tJ减少，受尘面积f。
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
向上流动等因素的影响一一干扰沉降一一“沉聚过程
2.5〜4m）,料
（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，ut与
周围流体间的相对速度u较d小的大些t阻力f，反使utJ。
（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卩f、Pf的流体。
在这种流体中的沉降显然使utJ。
而d小却被d大向下拖曳使utf;
絮凝现象使颗粒的有效尺寸增大，utf。
综上所述，d大的utJ,d小的utf。
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
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
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。
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Ur有关，即（ut2/R）
――也称离心加速度，随UTf和RJ（定3f,RT,utT）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，ps>
p,颗粒必向外圆飞去。
同时受到三个力的作
用：
32..
惯性离心力=（n/6）dps（ut/R）指向外圆
向心力=-（n/6）d3p（ut2/R）指向圆心阻力=-E（n/4）d2（pUr2/2）指向圆心三力达平衡（刀F=0）,Ur――颗粒在R点的离心沉降速度。
山=（口-歴
（3-7）
阵H亟
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E=24/Ret
_，（口-P）錯
18/fR
（3-8）
_d\p5-p）g
#
18^
两种沉降速度之比:
Ur/Ut=（Ut/R）
/g=Kc
Kc——离心分离因数
Kc可达数十万；
一般旋风（液）
Kc是离心分离设备的重要指标。
某些高速离心机的分离器的Kc值在5〜2500之间。
女口：
R=0.4m,UT=20m/s时：
2
Kc=20/（0.4X9.81）=102
旋风分离器的操作原理
分离器结构如图。
图4-5旋风分离器工作原理
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一一内螺旋，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。
三旋风分离器的性能
㈠临界粒径dc
dc指理论上能完全被分离下来的最小颗粒直径，[m]。
dc的计算式由下面的简化条件推导出来：
⑴进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路线作等速运动，其切向速度UT=进口速
度Ui=VS/Bh。
（B为进口气体宽度）
⑵颗粒向器壁沉降时，都要穿过厚度为B的气流层才能到达壁面。
⑶颗粒在滞流情况下作自由沉降，其径向沉降速度可用（3-8）计算。
简化成：
颗粒到达器壁的时间
耳
22
0t=B/u「=18B^R7（dpsui）
气流在器中停留的时间0=2nRnNs/ui
依de定义，0t=0其
（3-10）
TB=D/4,二DffdenJ。
1.
总效率
n0=（
/C1
C1：
进气含尘浓度，
g/m3;
（3-11）
C2：
出气含尘浓度，
2.
粒级效
率
npi=
/C1i
（3-12）
C-C2
Ci-C2i
粒级效率np与颗粒直径di的对应关系
3.0，标准系列旋风分离器Ne=5。
㈡分离效率
理论上，凡直径大于de的颗粒，其粒级效率都应等于100%,小于de的颗粒效率为零。
如图示：
实际上，分离曲线却是一条曲线，小于de的颗粒也有可观的分离效果，而大于de的颗
粒还有部分未分离下来。
前者可能是因为本身离器壁近或聚集增大了直径得以分离，后者可能受气流涡动影响未及器壁。
对于同一型式（如标准型）且尺寸比例相同的旋风分离器，不论尺寸大小都可以用同一条np〜d/d50曲线。
标准旋风分离器的d50估算式：
购=Y伽
i-L
xi:
i粒级所占质量%
13）
㈢压强降
△p=EpUi2/2E――标准系列，其值为8。
旋风分离器的△p一般为500〜2000Pa。
影响旋风分离器性能的因素：
ps增大，d增大，粉尘浓度升高，则有利于分离，这是因为：
密度升高，直径增大对于分离的影响很明显，而含尘浓度高则是：
1.聚集使d增大；
2.抑制涡流随阻力下降△p下降；
3.Ui增大则Ur增大则no增大，然而，搅起涡流，使厶p升高。
合适的进气速度为10〜25m/s。
㈣旋风分离器的结构型式与选用
旋风分离器的分离效率不仅与含尘的物理性质、含尘浓度、粒度分布及操作的影响，而且还与设备的结构尺寸密切相关。
合理的结构尺寸是提高分离效率、降低压强降的基础。
几种化工中常见的旋风分离器
结构示意图
CLP型
扩散式
图
V
带有旁室结构，蜗壳式进气口，可聚结被上旋流带到定部的细粒。
E=4.8〜5.8
1
结构上小下大，下设挡灰盘，可有效防止已沉降的细粒被重新卷起。
CLT/A型
倾斜螺旋口减小
低,E=5〜5.5
结构示意
的结构型式见下表。
通常，对于不同旋风分离器的选择应首先根据系统的物性与任务要求，结合各型设备的特点，选定分离器型式，计算决定所用尺寸及台数。
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