沉降过程与操作Word下载.docx

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牛奶、油—水

固—固

煤矸石、金属矿

均相：

内部各处均匀不存在相界面的物系称为均相物系。

如溶液、混合气体及少量混合液体。

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）。

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

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

↑↑

ut

Fd=Fg-Fb

等速段

整理后得：

（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。

在a=0，u=ut，

（3-2）

上式显示：

（ρs-ρ）↑、d↑→ut↑。

㈡阻力系数ξ

ξ也是雷诺数Ret（Ret=dutρ/μ）的函数：

1.滞流区（斯托克斯定律区，10-4<

Ret<

1）

ξ=24/Ret 

（3-3）

2.过渡区（艾伦区，1<

103）

ξ=18.5/（Ret0.6） 

（3-4）

3.湍流区（牛顿定律区，103<

2×

105）

ξ=0.44 

（3-5）

4.湍流边界层区（Ret>

ξ=0.10

将（3-3）至（3-5）代入（3-2），得到不同Ret区域相应ut的计算式：

1.湍流区 

ut=d2（ρs-ρ）g/18μ

2.过渡区 

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（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ξ突然下降。

⑸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/sp

S——球体表面积，m2；

sp——颗粒的表面积，m2

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<

0.5μm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ut。

3.K判据求ut：

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：

θt=H/ut

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ut的颗粒能被分离。

图4-2沉降室

对应上式可改写为：

Vs/（Hb）≤Lut/H。

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，ut↑→与周围流体间的相对速度u较d小的大些→阻力↑，反使ut↓。

（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ut↓。

而d小却被d大向下拖曳使ut↑；

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

图4-4沉降槽构造

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uT↑和R↓（定ω↑，R↑，uT↑）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）d3ρs（uT2/R）指向外圆

向心力=-（π/6）d3ρ（uT2/R）指向圆心

阻力=-ξ（π/4）d2（ρur2/2）指向圆心

三力达平衡（∑F=0），ur——颗粒在R点的离心沉降速度。

（3-7）

（3-2）

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/Ret

（3-8）

两种沉降速度之比：

ur/ut=（uT2/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，uT=20m/s时：

Kc=202/（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。

图4-5旋风分离器工作原理

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：