化工原料核心第1頁/共28頁4顆粒沉降（Sedimentation）

根據沉降作用力可分為：重力沉降、離心沉降根據沉降粒子間相互影響程度可分為：自由沉降和干擾沉降4.1重力沉降（Gravitationalsedimentation）

（1）球形顆粒的自由沉降速度

以重力的方向為正方向Fb

浮力Fd

阻力

Fg

重力什么情況下顆粒在流體中會發生沉降過程？

第2頁/共28頁4.1重力沉降（Gravitationalsedimentation）

直徑為d、顆粒密度為ρs的球形顆粒在密度為流體中的重力和浮力分別為：

重力：（N）浮力：（N）

t

u

u0加速段勻速段

顆粒做勻速運動，沉降速度恒定不變，該速度稱為自由沉降速度。達到恒定的沉降速度時，合力為：

阻力：（N）阻力系數第3頁/共28頁4.1重力沉降（Gravitationalsedimentation）（球形顆粒的自由沉降速度）（2）阻力（曳力）系數（Dragcoefficient）

與流體的流動阻力系數類似，阻力（曳力）系數與顆粒沉降雷諾數有關，即注意：其中d為顆粒直徑，u0為顆粒的沉降速度，ρ、μ分別為流體的密度與粘度。第4頁/共28頁4.1重力沉降（Gravitationalsedimentation）

通過實驗得到曳力系數與雷諾數的關系繪成算圖,將他們回歸成關聯式為：

②過渡區（Allen區，2<Re0<500）

③湍流區（牛頓區，500<Re0<200000）④Re0>200000后，ζ驟然下降，在Re0=(3~10)×105范圍內可近似取ζ=0.1。

①層流區（Stokes區，Re0<2或0.3）

（Stokes定律）第5頁/共28頁4.1重力沉降（Gravitationalsedimentation）補充：我國的陳文清發現，在氣流干燥、噴霧干燥器內，1<Re0<500都在阿侖區，但將實驗值代入阿侖公式，發現其平均誤差高達15.5%，他將實驗值擬合成式中R0=0.9178336，R1=-0.0782483，R2=2.894×10-3，R3=9.547178×10-3，R4=1.347719×10-3，R5=-6.945255×10-3第6頁/共28頁4.1重力沉降（Gravitationalsedimentation）（3）沉降速度（Settlingvelocity）的計算圖解法：由于沉降速度未知，雷諾數無法計算，因此圖解法需要試差計算。公式法：將以上阻力系數關系式代入自由沉降速度的計算式中可得到計算沉降速度的公式。由于沉降速度未知，雷諾數無法計算，因此公式法也需要試差計算。計算過程：假設沉降處于層流區Stokes定律求u0核算Re0若Re0<2，則假設成立若Re0>2，則用相應的公式求u0核算Re0第7頁/共28頁4.1重力沉降（Gravitationalsedimentation）因次分析法：通過實驗整理數據得到：阿基米德準數

Ar與沉降顆粒和流體的性質、分離要求有關，根據已知條件計算Ar，然后由上式計算Re0

，由Re0直接計算沉降速度u0

，不需要試差和校核。第8頁/共28頁4.1重力沉降（Gravitationalsedimentation）（4）其它因素對沉降速度的影響以上的沉降過程為在重力作用下球形顆粒的自由沉降：①顆粒為球形；②顆粒沉降時彼此相距較遠，互不干擾；③容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略；④顆粒直徑不能小到受流體分子運動的影響。在實際情況中還需考慮以下因素的影響：①干擾沉降；②端效應；③分子運動；④非球形；⑤液滴或氣泡的運動。第9頁/共28頁4.2降塵室

B

Vs

u0

uL

H顆粒在降塵室中的運動

顆粒能夠沉降到集塵斗中有什么條件呢？顆粒在降塵室中的沉降時間小于停留時間時，顆粒在流體離開降塵室前即可沉降到降塵室的底部。其中：停留時間：氣流速度m/s氣流流率m3/sθt與設備尺寸及處理量有關，與顆粒性質無關；

沉降時間

θ0與流體、顆粒的性質、分離要求及降塵室的高度有關。

第10頁/共28頁4.2降塵室

注意：當某直徑的顆粒滿足θt≥θ0時，它能夠被完全（100%）地分離；當某直徑的顆粒滿足θt<θ0時，它不是不能被分離，仍然可以被分離，只不過是不能被完全分離。討論：（1）降塵室的生產能力：

停留時間最短為θt=θ0=H/u0，即最大生產能力為Vs=BLu0

；故生產能力與降塵室的底面積BL有關而與降塵室的高度無關，因此，降塵室多制成扁平型或多層。（2）降塵室生產能力與設備高度無關，那么降塵室的高度是否越小越好呢？第11頁/共28頁4.2降塵室H↓時，根據

①若u不變，則L↓，生產能力Vs=BLu0↓；為保證生產能力不變，必須B↑；降塵室變得短而寬，氣體進入降塵室還未穩定就離開降塵室了，氣體在降塵室內的分布不均勻造成分離能力下降；所以在降塵室的前后均有漸縮和漸擴裝置；

②若L不變，u↑，生產能力不變；若流速太大，則沉降后的顆粒被重新揚起，分離效率↓，故應保證氣體流動維持層流狀態，一般u<3m/s，易揚起的物料u<1.5m/s。（3）重力沉降中沉降速度無法提高，重力沉降的效果有限，一般重力沉降能分離的顆粒直徑為>10μm（>75μm效果較好）。第12頁/共28頁4.2降塵室

（4）θt≥θ0在設計中是確定降塵室主要結構尺寸的依據，在操作中是確定所能完全分離最小顆粒直徑的判據。當Stoches定律適用時，顆粒在降塵室中作自由沉降，處理量為Vs時能分離出的顆粒的最小直徑dmin為：降塵室底面積第13頁/共28頁4.3懸浮液的沉聚過程

懸浮液的沉聚過程一般出現：清液區、等濃度區、變濃度區和沉聚區。若顆粒不均勻，則不出現等濃度區。懸浮液的沉聚過程各個區的濃度增大，顆粒間沉降的相互干擾作用也增大。由于濃度增大，顆粒相互間絮凝成絮狀下沉，沉降速度增大，屬于干擾沉降，無法從理論上計算沉降速度、沉降時間，只能由實驗來測定。第14頁/共28頁4.4沉降槽（Settlingtank）

第15頁/共28頁4.4沉降槽（Settlingtank）

用于分離懸浮液，連續操作。其生產能力與降塵室一樣與底面積有關，與沉降槽高度無關。懸浮液中加入電解質、絮凝劑等添加劑有利于絮凝現象的發生，提高沉降速度；另外，提高懸浮液溫度也可提高沉降速度。不論是降塵室還是沉降槽，都是利用重力作用的原理達到分離的目的，對一定的分離體系，分離要求一定，則沉降速度確定，其分離能力有限，分離直徑大于10μm的顆粒較為適合，但對小于10μm顆粒的分離重力沉降無法實現，則改用離心沉降。第16頁/共28頁4.5離心沉降（Centrifugalsedimentation）r1r2ArCBuruut顆粒在旋轉流體中的運動顆粒的切線速度旋轉半徑離心加速度若顆粒為球形：顆粒密度流體密度當作用力等于阻力時，可得離心沉降速度ur第17頁/共28頁4.5離心沉降（Centrifugalsedimentation）r=0.5m，ut=10m/s時，

注意：離心沉降與重力沉降的類比。顆粒離心沉降的速度方向是由圓心沿徑向指向外周，但由于顆粒和流體同時做圓周運動，顆粒的實際運動軌跡是一個半徑逐漸擴大的螺旋線。離心沉降速度并不是顆粒的實際運動速度，只是其在徑向上的分量。旋風分離器用于分離氣體中的固體顆粒旋液分離器用于分離液體中的固體顆粒

重力沉降

離心沉降

降塵室用于分離氣體中的固體顆粒沉降槽用于分離液體中的固體顆粒

第18頁/共28頁4.6旋風分離器（Cycloneseparators）

（1）結構與工作原理

第19頁/共28頁4.6旋風分離器（Cycloneseparators）（2）分離性能

旋風分離器能夠分離出的顆粒大小是它的主要性能之一。①臨界直徑dc（Criticaldiameter）

假設：

a、顆粒與氣體在旋風分離器內的切線速度ut恒定，與所在位置無關，且等于進口處的速度ui；

b、顆粒沉降過程中所穿過的氣流最大厚度等于進口寬度B；

c、顆粒與氣流的相對運動為層流。顆粒在旋風分離器中能被完全分離，其沉降時間必須不大于停留時間停留時間沉降時間第20頁/共28頁

臨界直徑：當沉降時間與停留時間相等時所能完全分離的顆粒直徑為最小直徑。

4.6旋風分離器（Cycloneseparators）離心沉降時間為：

旋轉半徑的平均值停留時間：第21頁/共28頁4.6旋風分離器（Cycloneseparators）討論：

ⅰB↓，D↓，dc↓，效率↑；在生產能力相同條件下，有一臺大旋風分離器和若干臺小旋風分離器（進口氣速一樣），應采用哪種方案？

ⅱui↑，dc↓，效率↑，但阻力↑；旋風分離器的進口氣速應適當選擇，不宜太高也不宜太低。

ⅲdc不僅與顆粒和氣體的性質有關，而且與旋風分離器的結構和處理量有關。處理量越大、顆粒密度越大、進口越窄、長徑比越大（N越大），則臨界直徑越小，分離性能越好。第22頁/共28頁4.6旋風分離器（Cycloneseparators）

②分離效率——粒級效率、總效率含塵氣體中所有顆粒經分離器后被分離出的質量百分數η0

，稱為總效率

:

含塵氣體中某一粒徑的顆粒經分離器后被分離出的質量百分數ηpi

，稱為粒級效率:其中c為質量含量，g/m3；i表示直徑為di的顆粒。

第23頁/共28頁4.6旋風分離器（Cycloneseparators）討論：

ⅰ若兩臺旋風分離器的總效率相同，他們的分離性能是否相同？含塵氣體中顆粒的大小范圍不同，臨界直徑不同，因此采用粒級效率才能更準確地評價分離器的效率。

ⅱd>dc時，ηpi=100%，d<dc的顆粒能否被分離？能，不能被完全分離即ηpi<100%

。ⅲηpi與η0的關系

第24頁/共28頁4.6旋風分離器（Cycloneseparators）③壓力降（阻力損失）通常壓降用入口氣體動能的倍數來表示：

對標準型旋風分離器

處理量越大、顆粒密度越大、進口越窄、長徑比越大、減小排氣管直徑、縮小旋風分離器直徑等等均能提高分離性能，但同時也增加的阻力損失，在旋風分離器的選型上應充分考慮阻力的影響。第25頁/共28頁4.7旋液分離器

旋液分離器的工作原理及計算與旋風分離器類似。與旋風分離器相比，旋液分離器的直徑較小？較大？氣固密度差大而液固密度差較小，為獲得較高的離心力，旋液分離器的直徑通常較