2011.4第一节：沉降分离原理及设备
沉降离心机工作原理
沉降离心机工作原理
简介：
沉降式离心机主要用于化工原料中固相颗粒分离，废液处
理回收，颗粒物去水干燥或结晶提纯，当矿浆或悬浮液从进料口导入
螺旋内腔后，主电机通过带传动使得沉降转鼓高速旋转，在差速器的
作用下，使得螺旋输送器与转鼓做...
沉降式离心机主要用于化工原料中固相颗粒分离，废液处理回收，颗
粒物去水干燥或结晶提纯，当矿浆或悬浮液从进料口导入螺旋内腔后，主电机通过带传动使得沉降转鼓高速旋转，在差速器的作用下，使得
螺旋输送器与转鼓做同向转动，但是由于转动速度的差异，使得水分
与固相颗粒分离，在离心力的作用下使得固体颗粒从液体当中分离开来，并开始沉降在转鼓的内壁上；最后经过脱水处理后的固相颗粒在
螺旋输送器的作用下进入过滤转鼓之中，在离心力的作用下将水分排出。
由此可见离心机的分离效果最终取决于固相的干燥度。
重力沉降规律及设备
重力沉降规律及其设备摘要：介绍了重力沉降的规律以及重力沉降的四种类型，对一些常用的重力沉降设备进行了总结。
关键词：重力沉降规律；设备1.重力沉降利用分散介质与分散物密度的差异，在重力作用下，使之得到分离的过程。
重力沉降原理：固体颗粒在做同一水平运动的同时做向下的沉降运动，由于颗粒密度的不同，导致沉降速度不同。
密度大的先沉降，密度小的后沉降，因此使之分离。
沉降类型有自由沉降、絮凝沉降、成层沉降和压缩沉降。
1.1自由沉降废水中的悬浮固体浓度不高，而且凝聚性时发生自由沉降。
固体颗粒不改变形状和尺寸，不互相粘和，各自独立地完成沉降过程。
发生自由沉降的颗粒的沉降速度在经过一定的沉降时间后保持不变，现象是水从上到下逐步变清。
在沉砂池和初沉池的初期沉降类型是自由沉降。
1.2絮凝沉降固体浓度也不高（ss为50-100mg/L），但具有凝聚性时发生絮凝沉降。
在发生絮凝沉降的过程中，颗粒互相碰撞、粘合，结合成较大的絮凝体而沉降；沉降的过程中颗粒尺寸不断变化；颗粒的沉降速度是变化的。
水是逐步变清的，但可观察到颗粒的絮凝现象。
在初沉池的后期和二沉池的初期沉降类型为絮凝沉降。
1.3成层沉降废水中的悬浮颗粒物的浓度提高到一定程度时（ss大于500mg/L）发生成层沉降。
沉降过程中每个颗粒的沉降将受到其周围颗粒存在的干扰，沉降有所降低，在聚合力的作用下，颗粒群结合成为一个整体，各自保持相对不变的位置共同下沉。
可观察到水与颗粒群之间有明显的分界面，沉降的过程实际上是该界面下沉的过程。
在二沉池的后期和浓缩池的初期发生成层沉降。
1.4压缩沉降废水中悬浮物的浓度很高时发生压缩沉降。
沉降时固体颗粒互相接触，互相支撑，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的液体被挤出界面，固体颗粒群被浓缩。
颗粒群与水之间有明显的界面，但颗粒群部分比成层沉降时密集，界面的沉降速度很慢。
在浓缩池的后期发生压缩沉降。
四种沉降类型与固体浓度和凝聚性的关系如下图所示：2.沉降设备2.1沉砂池位于泵站之前或初沉池之前用以分离水中较大位于泵站之前或初沉池之前用以分离水中较大的无机颗粒。
沉降分离原理及方法
沉降分离原理及方法沉降分离是一种常用的物理分离方法，主要用于将混合物中的固体颗粒或浮游生物从液体中分离出来。
沉降分离原理基于不同物质的密度差异，通过重力作用使得较重的固体或浮游生物颗粒沉降到液体底部，从而实现分离的目的。
下面将详细介绍沉降分离的原理和常用的方法。
1.原理：沉降分离的原理是基于斯托克斯定律，即在流体中，一个颗粒的沉降速度与其体积、形状、密度以及流体的粘度和密度有关。
根据斯托克斯定律，一个颗粒在一定重力下的沉降速度可以用以下公式表示：v=(2g(ρp-ρm)r^2)/(9η)其中，v代表沉降速度，g代表重力加速度，ρp代表颗粒的密度，ρm代表流体的密度，r代表颗粒的半径，η代表流体的粘度。
根据上述公式可以看出，颗粒的沉降速度与颗粒的体积、密度以及流体的粘度有关。
通常情况下，沉降速度较慢的颗粒会更容易分离出来。
因此，在进行沉降分离时，可以通过控制颗粒的大小、密度以及流体的粘度来实现理想的分离效果。
2.方法：沉降分离的方法有许多种，下面介绍其中几种常见的方法。
（1）重力沉降：重力沉降是最基本也是最常用的沉降分离方法。
它利用物体在重力作用下向下沉降的特性，将混合物在重力的作用下静置一段时间，使得较重的固体颗粒沉降到液体底部。
然后通过倾倒或抽取的方式将上层液体倒掉，即可将固体与液体分离。
（2）离心沉降：离心沉降是通过离心力的作用加速沉降的过程。
离心沉降可以将颗粒分离得更彻底，分离速度更快。
离心沉降是利用离心机的转速和半径控制离心力的大小，通过调整离心机的参数，可以实现对不同颗粒的分离。
（3）沉降澄清：沉降澄清是通过调控液体的流速和流向，使颗粒在液体中进行不同速度的沉降，从而实现分离。
沉降澄清通常使用的装置是沉降澄清池或沉降澄清罐。
在这些装置中，通过设计合理的流场，使得颗粒在不同区域以不同的速度沉降，最终实现分离。
（4）浮选法：浮选法是通过将颗粒与空气或气泡结合在一起，使得颗粒浮在液体表面或高于液体表面，实现沉降分离的一种方法。
3.1沉降分离原理及设备
11
3.1.2 颗粒及颗粒群的特性
2. 颗粒的平均直径
根据比表面积相等的原则 比表面积平均直径
颗粒的平均直径
长度平均直径
d am
1 xi
di
d Lm
xi
d
2 i
/
xi
d
3 i
表面积平均直径
d Am
xi di
/
xi
d
3 i
体积平均直径
故降低粘度对操作有利。
Ø 对悬浮液的沉降过程应设法提高温度， Ø 对含尘气体的沉降应降低气体温度。
u 颗粒的体积分数
当颗粒的体积分数小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内。 当颗粒体积分数较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降。
22
3.2.1 重力沉降（Gravity Settling）
《化工原理》
第3章 非均相物系分离
绪论与沉降分离
Settlement Separation
3.1 概述
Ø 学习目的与要求 u 掌握沉降、过滤等过程的原理和计算方法 u 了解典型设备的结构特性 u 能够根据生产工艺的要求，合理选择设备。
2
3.1.1 非均相混合物的分离方法
Ø 分类
混合物
均相混合物
溶液 混合气体
标系中，
如 P215 图3－3所示。
26
3.2.1 重力沉降（Gravity Settling）
u 无量纲数群判别法
(1)已知d求ut
令K 3
d3 (s )g 2
滞流区：Re t
du t
化工原理11沉降分离原理及设备
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化工原理11沉降分离原理及设备
•第三章、非均相混合物 分离及固体流态化
•3.1 沉降分离原理及设备 •3.1.1 颗粒相对于流体的运动
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•一、颗粒的特性
•1. 球形颗粒：球形颗粒的尺寸由直径d确定。
体 积 表面 积 比表面 积
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•二、重力沉降设备
• 位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为
•气体通过降尘室的时间为
•降尘室 高
•沉降速 度
•降尘室 长
欲使颗粒被分离出来，则
•气流水平通 过降尘室速
度
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或
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•二、重力沉降设备
根据降尘室的生产能力，气体在降尘室内的水平 通过速度为
•降尘室生 产能力
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•概述
机械分离方法，即利用非均相混合物中两 相的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等） 的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。
机械分离方法
沉降 过滤
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化工原理11沉降分离原理及设备
•概述
•非均相混和物分离的应用： •（1）收集分散物质。 •（2）净化分散介质。 •（3）环境保护。
•三、 阻力系数（曳力系数）
•滞流区 •过渡区 •湍流区
•表面摩擦阻力 •形体阻力
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化工原理11沉降分离原理及设备
•四、 影响沉降速度的因素
•自由沉降
• 沉降过程中，任一颗粒的沉降不因其它颗 粒的存在而受到干扰 •干扰沉降
• 如果分散相的体积分率较高，颗粒间有明 显的相互作用，容器壁面对颗粒沉降的影响不可 忽略，这时的沉降称为干扰沉降或受阻沉降。
沉降分离原理及方法
第二节 沉降分离原理及方法3.2.1 重力沉降一、球形颗粒的自由沉降工业上沉降操作所处理的颗粒甚小，因而颗粒与流体间的接触表面相对甚大，故阻力速度增长很快,可在短暂时间内与颗粒所受到的净重力达到平衡，所以重力沉降过程中，加速度阶段常可忽略不计。
ma F F F d b g =-- 22u AF d ρζ=或a d u d g d g d s s ρπρπζρπρπ3223362466=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--当颗粒开始沉降的瞬间：0=u 因为0=d F a 最大↑u ↑d F ↓a当0=at u u =——沉降速度“终端速度”推导得()ρζρρ34-=s t gd u0=a()ρρπρπζ-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛s g d u d 322624式中：t u ——球形颗粒的自由沉降速度，[]s m ;d——颗粒直径，[]m ; s ρ——颗粒密度，[]3m kg ;ρ——流体密度，[]3m kg ;g ——重力加速度[]2s m ;ζ——阻力系数，无因次， ()et s R f .φζ= s φ——球形度 ps s s=φ综合实验结果，上式为表面光滑的球形颗粒在流体中的自由沉降公式。
滞留区 1Re 104<<-tRe24=ζ ()μρρ182g d u s t -= 斯托克斯公式过渡区 310Re 1<<t 6.0Re5.18=ζ ()27.06.0Re t s tg d u ρρρ-= 艾仑公式湍流区 53102Re 10⨯<<t 44.0=ζ ()ρρρgd u s t -=74.1 牛顿公式μρt t du =Re该计算公式（自由沉降公式）有两个条件：1.容器的尺寸要远远大于颗粒尺寸（譬如100倍以上）否则器壁会对颗粒的沉降有显著的阻滞作用，（自由沉降—是指任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰。
自由沉降发生在流体中颗粒稀松的情况下，否则颗粒之间便会发生相互影响，使沉降的速度不同于自由沉降速度，这时的沉降称为干扰沉降。
简述离心沉降与离心分离的原理和主要设备。
简述离心沉降与离心分离的原理和主要设备。
离心沉降和离心分离是常用的分离技术，它们广泛应用于生物化学、环境工程、制药、食品工业等领域。
本文将分别介绍离心沉降和离心分离的原理及主要设备。
一、离心沉降的原理和设备离心沉降是利用物质不同密度和形态的差异，在离心力的作用下使其沉降速度不同，从而实现分离的过程。
常用的离心沉降设备有旋转式离心机和管式离心机。
旋转式离心机是利用来自电机的动力旋转离心轴，产生离心力将样品沉淀预处理和离心分离，从而获得相应分离物的仪器设备。
旋转离心机适用于离心样品量小，操作简便，但离心速度和离心时间比较低，难以获得高分离效率。
管式离心机是在旋转离心机的基础上发展而来，由储液离心、分离离心和预冷离心三部分构成。
离心样品在离心过程中，通过离心管与离心机离心转子的分类，得到不同的离心位置与离心堆积痕迹。
同时该设备离心放大比例可高达20000倍，非常适用于样品的分离、纯化与富集。
二、离心分离的原理和设备离心分离是指根据不同物质的离心系数不同，在离心力的作用下使样品中的物质分离开来，从而实现纯化、富集和分析的一种方法。
常用的离心分离设备有密度梯度离心机和磁珠分离离心机。
密度梯度离心机利用高分子、高糖等某种材料，根据其密度差异构成了密度梯度离心分离设备，便于不同物质在不同密度梯度中进行分离与纯化，从而实现了单细胞分离和混合杂交。
磁珠分离离心机是利用磁性材料的特性，配合外加磁场实现离心分离的一种方法。
它是以磁性材料与样品中特定成分的磁性微珠结合后，利用磁珠在离心过程中的可控性和特殊结构，从而实现离心分离的一种设备。
离心沉降和离心分离的原理都是基于材料的密度、形态、尺寸等因素对离心力的差异响应分离方法，虽然两种设备的使用场景、原理、特点不同，但在样品分离方面都发挥着重要作用。
离心沉降和离心分离广泛应用于生物化学、生物医学、制药、食品工业、环境工程等领域。
下面分别从这几个领域具体涉及的离心沉降和离心分离的实际应用进行简要介绍：1. 生物化学领域离心沉降技术在生物化学领域中的一个重要应用是蛋白质分离。
沉降分离 原理
沉降分离原理沉降分离是一种物质分离的基本原理之一，它利用不同物质在溶液或混合物中的密度差异，通过重力作用使其沉降从而实现分离。
沉降分离的原理可以通过斯托克斯定律来描述。
斯托克斯定律表明，在一个粒径为 d、密度为ρ、粘度为η 的球形粒子在一种流体中由于重力而受到的附加阻力 F，与粒子直径的平方、密度差和粘度成正比。
即F = 6πηdv其中，v为粒子的沉降速度。
由于重力对物体的作用力与物体的质量成正比，且物体的质量等于其体积乘以其密度，因此可以得到F = 6πηdv = 4/3πd^3ρg其中，g为重力加速度。
根据以上公式，可以推导得到v = 2/9(d^2ρg)/η该公式表明，在给定的实验条件下，粒子的沉降速度与粒子直径的平方、密度差和重力加速度成正比，与液体的粘度成反比。
根据沉降分离的原理，我们可以通过调节实验条件中的因素来实现对混合物中不同物质的分离。
其中，影响沉降速度的关键因素有下列几个：1. 粒子直径：根据斯托克斯定律，粒子直径的平方与沉降速度成正比。
因此，粒子直径越大，其沉降速度越大，分离速度也就越快。
2. 物质密度：物质的密度差决定了沉降速度的大小，密度差越大，沉降速度越大，分离速度也就越快。
3. 液体粘度：液体粘度决定了粒子受到的阻力大小，粘度越小，阻力越小，沉降速度越大，分离速度也就越快。
4. 重力加速度：在地球上，重力加速度的大小是一个常数。
但是，如果在实验条件下使用其他较小或较大的重力加速度，也可以影响沉降速度和分离速度。
综上所述，沉降分离通过利用不同物质在溶液或混合物中的密度差异，通过调节实验条件中的因素来实现对混合物中不同物质的分离。
这一分离原理为许多实际应用和实验分析提供了基础。
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沉降体系一定，数群ξRet-1只和沉降速度一一对应 ξRet-1～Ret 关系绘成曲线 ， 由ξRet-1值查得Ret的值， 再根据沉 降速度ut的值计算d。
2013-11-2
R et d ut
3）：沉降速度的计算——无因次判据法 滞流区沉降速度
ut
3
d 2 s g 18
de
3
6
VP
颗粒的 φs 愈小，对应于同一 Ret 值的阻力系 数 ξ 愈大（思考：？）；但 φs 值对 ξ 的影响在滞 流区并不显著（思考：？） ，随着Ret的增大，这
种影响变大（思考：？） 。
2013-11-2
二：重力沉降
1：沉降速度的计算
1）：沉降速度的计算——试差法 假设沉降属 于层流区
2013-11-2
如降尘室设 臵n层水平隔板，
清洁气流
隔板 含尘气流
则多层降尘室的生
产能力变为
挡板
VV (n 1)blut
多层降沉室
说明：设计时，以所需分离的最小颗粒为基准 气体速度的选取：
一般，u 3m /（多为层流区） s
2013-11-2
例3－2： 用降尘室回收20℃空气中所含的球形固体 颗粒。空气的流量为1m3/s，降尘室底面积为10m2， 宽和高均为2m。已知固体的密度为1800kg/m3，
2013-11-2
影响因素分析及强化措施，降尘室的设计，旋风分 离器的选型。 3：过滤操作的原理，影响因素分析及强化措施，
恒压过滤及其生产能力的计算、过滤常数的测定。
三：学习方法 本章运用流体力学原理解决实际生产中的沉降 、过滤和流态化问题。学习时要注意学会如何对复 杂的工程问题进行简化，使之变成用理论可以解决
2 et
沉降体系一定ξRet2和粒径一一对应
因ξ是Ret的函数，ξRet2必然也是 Ret的函数，ξ
～Ret曲线便可转化成 ξRet2～Ret 曲线。
计算ut时，先由已知数据算出
ξRet2 的值，再由 ξRet2——Ret 曲线
查得Ret值，最后由Ret反算ut
2013-11-2
R et ut d
的问题。
2013-11-2
第 三 章 非均相物系分离
一：颗粒相对于流
体的流动
二：重力沉降
第 一 节 沉降分离原理及设备
三：离心沉降
2013-11-2
混 合 物
均相混合物
不存在相界面的混合物系。 例如：互溶溶液及混合气体
非均相混合物 存在相界面的混合物系。 例如：悬浮液及含尘气体
非 均 相 混 合 物
2013-11-2
阻力和沉降速度的一次方成正比
ut
d 2 s 18
g
——斯托克斯公式
2）： 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103
） ；形体阻力和表面阻力均不可忽略
18.5 0.6 Ret
ut 0.269
阻力和沉降速度的1.4次方成正比
gd s Ret 0.6
dut R et
d
s g
18
2
令 k d 3 s g 2
——沉降体系一定k只 和粒径有关
K3 R et 18
2013-11-2
————无因次数群K也可以判别流型
当Ret =1时，K=2.62，即滞流区的上限 同理，可得湍流区的下限是，K=69.1
6Vp
)
1
3
与该颗粒比表面积相等的球体的直径
6 da a
Sp
③：颗粒的体积、表面积、比表面积：
3 Vp d 6
e
d e2 Sp s
6 a V p s d e
非球形颗粒必须有两个参数才能确定其特征
2013-11-2
2：颗粒的自由沉降 1）：固体球形颗粒在静止流体
中的受力分析
一：沉降
第 三 章 非均相物系分离
二：过滤
三：固体流态化
2013-11-2
一：学习要求 应重点掌握沉降、过滤过程的基本原理、计算 方法、典型设备的结构特性，并且能根据生产工艺
要求，合理选择设备
二：应重点掌握的内容
1：应用流体力学原理分析颗粒相对于流体以及
流体相对于颗粒床层的流动规律。 2：沉降（重力、离心沉降）过程的基本原理、
ut d 2 s 18
g
dut Ret
ut为所求
公 式 适 用 判断流 型 为止
2013-11-2
Ret＜1
艾伦公 式求ut
Ret＞1
2）：沉降速度的计算——摩擦数群法
ut 4 gd s 3
4dg s 3 ut 2
3
2）：颗粒的运动情况 开始沉降的瞬间，u=0， Fd=0，
a→max ；
开始沉降后，u ↑ →Fd ↑（加速，但a逐渐减小） ——加速阶段（加速阶段很短，在整个沉降过 程中可忽略）
a=0 时， u →ut （max)——匀速阶段
2013-11-2
匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut 称 为沉降速度。 3）：自由沉降速度
2013-11-2
例3-1：直径为80μm，密度为3000kg/m3的球球形颗
粒在25℃的水中自由沉降；①：计算其沉降速度？
②：如密度为1600kg/m3的球球形颗粒在25℃的水中
以相同速度自由沉降，颗粒的直径应是多少？ 25℃ 水ρ=996.9kg/m3，µ =0.8973×10-3Pas 分析① 三种方法均可计算ut，无因此判据法简便
计算无因次数群K值，判别颗粒沉降的流型
s g K d3 2
2013-11-2
80 10
6
996.9 3000 996.9 9.81
3
0.8973 10
3 2
k 2.32
d 2 s 18
2.62
(80 106 )2 3000 996.9 9.81 18 0.8973 103
其它条件相同时，小颗粒后沉降。
2013-11-2
2）： 流体密度
，则ut
其它条件相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。 3）： 颗粒密度
s ，则ut
其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。 4）：颗粒的体积浓度 上述各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓度小 于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒 浓度较高时，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不 再适用。
qV H b u
颗粒的停留时间
L LHb u qV
含尘气体
净化气体
ut
u
H 颗粒的沉降时间 t ut ②：颗粒分离(沉降)条件
L H 即： u ut
停留时间 沉降时间t
qV blut
LHb H qV ut
③：生产能力：由底面积、沉降速度决定，与降尘 室高度无关；多用扁平形状或多层降尘室(层高40100mm)
与颗粒等体积的球形颗粒的表面积 球形度 s 颗粒的表面积
S s Sp
球形颗粒Φs=1
非球形颗粒Φs＜1； Φs ↑，则颗粒越接近于球形
②：颗粒的当量直径：
体积当量直径de
比表面积当量直径da
2013-11-2
A：体积当量直径de 与该颗粒体积相等的球体的直径 B：比表面积当量直径da
de (
15.09
2013-11-2
球形颗粒Φs=1
由
R
1 et
查得 R et 1.26
R e t 1.26 0.8973 103 d 1.457 104 m 0.146mm 996.9 7.786 103 ut
2：重力沉降设备 1）：降尘室
气体入口
20℃空气ρ=1.205kg/m3，µ =1.81×10-5Pa.s；。
求：（1）理论上能完全除去的最小颗粒直径？ （2）粒径为40m的颗粒的回收百分率？ （3）在原降尘室内设臵20层水平隔板后， 可分离的最小颗粒直径？； （4）如欲完全回收直径为10m的尘粒，在原降 尘室内需设臵多少层水平隔板？
A：已知颗粒直径求沉降速度 使等式的一边消去ut
R
2 et
d ut
2 2
2
2
R
2 et
4d s g
3
3
2
沉降体系一定数群ξRet2只和粒径有关
2013-11-2
令 k d 3 s g 2
ห้องสมุดไป่ตู้
——沉降体系一定k只和粒径有关
4 3 R k 3
——艾伦公式
2013-11-2
3）： 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105） ；只有形体阻力，无表面阻力
0.44
ut 1.74
阻力和沉降速度的二次方成正比
d s g
——牛顿公式
3：影响沉降速度的因素
1）： 颗粒直径
d s ，则ut
3
沉降在层流区。用斯托克斯公式计算沉降速度。
ut g
7.786 10 m / s
分析②
1 t
知ut，求粒径用无因次数群法
4 ( s ) g 4 0.8973 103 (1600 996.9) 9.81 Re 2 2 3 ut 996.92 (7.786 103 ) 2
2013-11-2
分散相 分散(物)质 连续相 分散(相)介质 处于分散状态的物质 如： 包围着分散相物质且处于