沉降过程与操作

学习情境4沉降过程与操作
学习要求
知识目标：
1. 了解重力沉降及离心沉降基本知识。

2. 掌握旋风分离器、油水分离设备工作原理。

能力目标：
1. 能使旋风分离器平稳运行。

2. 能使油水分离设备平稳运行。

学习情境4.1常压塔顶回流罐的油水分离
【教学内容】
化工生产中需要将混合物加以分离的情况横多，大致说来，混合物可分为两大类，即均相混合物和非均相混合物，详细内容下表。

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“固一固”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p S＞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p s、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
三力之和，使颗粒产生加速度： a =du/d 0
图4-1受力分析
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 t 需时很短，固可
以忽略加速段，认为颗粒始终在等速
U t 下运动。

在 a=0, u=u t ,
E 也是雷诺数 Re （ Re t =du t p /卩）的函数：
1. 滞流区（斯托克斯定律区，
10-4
<Re<1）
E =24/Re t
（3-3）
3
2. 过渡区（艾伦区，1<Re<10 ）
E =18.5/
（Re t 06
）
（3-4 ）
3. 湍流区（牛顿定律区，103
<Re<2X 105
）
E =0.44
（3-5 ）
4. 湍流边界层区（Re>2X 105
）
E =0.10
将（3-3 ）至（3-5 ）代入（3-2 ），得到不同Re 区域相应u t 的计算式:
1. 湍流区 u t =d2 （ p s - p ） g/18 卩
萨0已匡—）时
2. 过渡区
'
『'
片“74运亟
3. 湍流区
J ’
不同u t 下，流体对颗粒产生的流阻会有不同的影响：
整理后得：「一」I
(3-1 )
尹*-必■尹右詈。

u i
4 起（口 - Q ）
(3-2 )
上式显示：（p s- p ） f 、d f U t f 。

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 t )。

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 t 2
)。

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
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U t 的因素有：
1颗粒的体积浓度
当体积浓度<0.2%，各U t 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 t
变慢。

当沉降处于斯托克斯区，修正：
u t ' =u t / (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E h f J ;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：
0 s=s/s p
S --- 球体表面积，m i ; S P --- 颗粒的表面积，m i
颗粒形状越不规则，其球形度越小。

非球形颗粒的
Re t 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。

Re t >10-4
可忽略布朗运动。

另外，对于分散相：如果
p s >p ，颗粒作沉降运动；如果 p s <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。

自由
㈣沉降速度的计算
因为计算u t时，要通过Re t确定使用哪一个公式，所以有u t=f(Re t)。

可以采用如下方法进行计算。

1. 试差法：当求出的u t与假设的u t在同一个Re t范围内，求出的u t有效。

2. 摩擦数群法：可由d求u t，或反求。

设法消去Re中的u t。

无需试差，但离不开图，该法便于计算非球形的u t。

3. K判据求u t :此法无需试差，但使用时须知d。

令：
盘=$砲(亿-e
代入」二得:
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一一沉降室，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：0 t=H/u t
气体通过降尘室需用时间：0 =L/u理论含尘气v3f m7h
上，凡01 < 0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 w Lu t < H 条件的、气
速对应为u t的颗粒能被分离。

对应上式可改写为：Vs/ ( Hb)
w Lu t/H。

图4-2沉降室
由此可见，降尘室的生产能力Vs=bLu t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' 0 t J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。

向上流动等因素的影响一一干扰沉降一一“沉聚过程
（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，u t
与
周围流体间的相对速度 u 较d 小的大些T 阻力f ，反使u t J 。

（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 、 P f 的流体。

在这种
流体中的沉降显然使 u t J 。

而d 小却被d 大向下拖曳使u t f ;絮凝现象 使颗粒的有效尺寸增大，u t f 。

综上所述，d 大的u t J , d 小的u t f 。

实验证明，在粒度范围 <6/1时，颗粒的u t 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
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
均匀悬淳液
清液区
等 浓 区 变浓区 沉聚区
压紧B t t
压紧区
2.5 〜4m),料
増浓区
•戢
图4-3间歇沉降实验
3
图4-4沉降槽构造
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
【教学内容】
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 T2/R)
――也称离心加速度，随U T f和RJ (定3 f , R T , U T T )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，p s>p ,颗粒必向外圆飞去。

同时受到三个力的作
用：
3 2 . .
惯性离心力=(n /6 ) d p s ( U T/R )指向外圆
向心力=-(n /6 ) d3p ( U T2/R )指向圆心阻力=-E ( n /4 ) d2( p U r2/2 )指向圆心三力达平衡(刀F=0), U r――颗粒在R点的离心沉降速度。

山=(口- 歴
(3-7 )
阵H亟
(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 E =24/Re t
_，(口 - P)錯
----------
18/f R
(3-8)
_d\p5-p)g
# ------
18^
(3-6)
两种沉降速度之比:
U r/U t= ( U T /R )
/g=Kc
Kc——离心分离因数
Kc是离心分离设备的重要指标。

某些高速离心机的分离器的Kc
值在5〜2500之间。

女口：R=0.4m, U T=20m/s 时：
2
Kc=20 / （0.4 X 9.81 ）=102
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
d c指理论上能完全被分离下来的最小颗粒直径，[m]。

d c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U T=进口速
度U i=V S/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 ---- ----------------
2 2
0 t=B/u「=18B^ R7 (d p s u i )
Kc可达数十万；一般旋风（液）
图4-5旋风分离器工作原理
气流在器中停留的时间0 =2 n RnNs/u i
(3-10 )
T B=D/4,二 Dff d e
n J 。

3.0，标准系列旋风分离器
Ne=5。

理论上，凡直径大于 d e 的颗粒，其粒级效率都应等于 100%,小于d e 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
d e 的颗粒也有可观的分离效果，而大于
d e 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n p 〜d/d 50曲线。

标准旋风分离器的d 50估算式：
依 d e 定义， 0 t= 0 其
尽管假设与实际相差较大，但选择适宜的
Ne 值使（3-10 ）可以使用。

Ne —般为0.5
1.
总 效 率
n 0=
( /C 1
C 1：进气含尘浓度， g/m 3; (3-11 )
C 2：出气含尘浓度，
g/m 3;
2.
粒
级 效
率
n pi =
/C 1i
(3-12 )
C-C 2
C i -C 2i
图4-7 n p 〜d/d 50曲线
㈡分离效率
c
50
图4-6粒级效率曲线
粒级效率n p 与颗粒直径d i 的对应关系
㈢压强降 △ p=E p U i 2
/2
E ――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：
p s 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. U i 增大则U r 增大则n o 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
13)
d i0 - 0.21
购=
Y 伽
i-L
x i : i 粒级所占质量%
结构示意图
CLP 型
结构示意图
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
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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