5.颗粒的沉降
5.1 概述
5.2颗粒的沉降运动
5.3沉降分离设备
5.1 概述本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的相对运动。在流固两相物系中，不论作为连续相的流体处于静止还是作莫种运动，只要固体颗粒的密度 大于流体的密度,那么在重力场中,固体颗粒将在重力方向上与流体做相对运动，在离心力场中，则与流体作离心力方向上的相对运动。
5.2 颗粒的沉降运动
5.2.1 流体对固体颗粒的绕流
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三种情况：
① 颗粒静止,流体对其做绕流；
② 流体静止,颗粒作沉降运动；
③ 颗粒与流体都运动,但保持一定的相对运动 。
5.2.1 流体对固体颗粒的绕流
（ 1）两种曳力 — 表面曳力和形体曳力回 顾第 1章流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：表皮阻力 （ 即表面摩擦阻力 ） 和形体阻力 （ 边界层分离产生旋涡 ）,绕流时颗粒受到流体的总曳力,
（ 1）两种曳力 — 表面曳力和形体曳力
FD与流体,,相对流速 有关，而且受颗粒的形状与定向的影响，问题较为 复杂。至今，只有几何形状简单的少数情况才可以得到 FD的理论计算式。例如，粘性流体对球体的低速绕流（也称爬流）时 FD的理论式即斯托克律（ Stokes） 定律为：
当流速较高时,Stokes定律不成立。因此，对一般流动条件下的球形颗粒及其其他形状的颗粒,FD的数值尚需通过实验解决。
u
udF pD 3
（ 2）曳力（阻力）系数对球形颗粒,
用因次分析并整理后可得：
),,,(= pDudFF
)(R e P
ud p
PRe?
2
PD 2
1 uAF
球形颗粒 的曲线在不同的雷诺数范围内可用公式表示如下：)1(
，层流区,Sokes定律区：2Re
P?
PRe
24
，过渡区,Allen定律区：500Re2 P
6.0
PRe
5.18
，湍流区,Newton定律区：5
P 102Re5 0 0 44.0
（ 2）曳力（阻力）系数?
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（ 1）沉降的加速段将一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体中,若,颗粒在重力的作用下沿重力方向作沉降运动,此时颗粒受到哪些力的作用呢？
gdmgF g P3P6
gdF Pb 36?
222
2
1
42
1 uduAF
PPD?
根据牛顿第二定律得,
d
dududgdgdmaFFFF
PPPPPPDbg
32233
62
1
466
或者,
2
4
3)( u
dgd
du
PPP
P
开始瞬间，,最大，颗粒作加速运动。0?u?ddu
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（ 2）沉降的等速阶段随,,到某一数值 时,式 （ 5-16） 右边等于零,此时,颗粒将以恒定不变的速度 维持下降 。 此 称为颗粒的沉降速度或造端速度 。 对小颗粒,沉降的加速段很短,加速度所经历的距离也很小 。 因此,对小颗粒沉降的加速度可以忽略,而近似认为颗粒始终以 下降 。
uFd
tu
0ddu tu tu
tu
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（ 3）颗粒的沉降速度对球形颗粒,当 时,可得0?
d
du
3
)(4 PP gdu
t
式中,)()( R e P
P?
ud
因 与 有关,也与 有关,将不同区域的与的关系式 （ 5-6） — 式
（ 5-8） 分别带入上式,整理得：
tu? PRe
，层流区（ Sokes区）2Re?P
18
)(2 gdu PP
t
，过渡区（ Allen区）500Re2 P 7 1 4.0
6.04.0
6.1 )(
781.0 gdu PPt
，湍流区（ Newton区）5102Re5 0 0
P?
gdu PP
t
)(74.1
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（ 4）其他因素对沉降速度的影响
①干扰沉降
② 端效应
③ 分子运动
④非球形颗粒
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
5.3沉降分离设备
5.3.1重力沉降设备
5.3.2离心沉降设备
5.3.1重力沉降设备
（ 1）降尘室停留时间,
沉降时间,
V
r q
AH
t
t u
H
，至少 所以,（降尘室的设计原理）tr tr
tV u
H
q
AH?
tV Auq?
— 含尘气体体积流量,。气速,一般 应 <1,实际上为避免已沉下的尘粒重新被扬起,往往取更低 。降尘室一般用于分离 的粗颗粒。
Vq sm /3 BHqu V? u sm/
u smu /5.0?
mdP?50?
— 降尘室底面积,。A 2m BLA?
— 颗粒的沉降速度,。 应根据要分离的最小颗粒直径 决定。tusm/tu min,Pd
5.3.1重力沉降设备对一定物系,一定,降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积,而与高度 无关,故降尘室应设计成扁平形状,或在室内设置多层水平隔板 。
tu A
H
①设计型计算已知,,,,,计算 。Vq P? min,Pd A
② 操作型计算已知,,,,,核算 ；A P?
min,Pd Vq
或已知,,,,,求 。A Vq P?
min,Pd
5.3.1重力沉降设备
（ 2）增稠器分离悬浮液,在中心距液面下
0.3～ 1 处连续加料,清液往上走,
稠液往下走,锥形底部有一缓慢旋转的齿耙把沉渣慢慢移至下部中心,稠浆从底部出口出去 。 （ 内部沉降分为上部自由沉降和下部干扰沉降 ）
m
大的增稠器直径可达 10～ 100,
深 2.5～ 4 （ 为什么？ ） 。 它一般用于大流量,低浓度悬浮液的处理,常见的污水处理就是一例 。
m
m
5.3.1重力沉降设备
（ 3）分级器利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器 。
将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走分出。若有密度不同的 a,b两种颗粒要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速度，使两者不能完全分离。
5.3.1重力沉降设备
1818
22 gdgd
bbaa
2/1
b
a
a
b
d
d
上式表明,不同直径的颗粒因为密度不同而具有相同的沉降速度,该式代表了具有相同沉降速度的两种颗粒的直径比 。
5.3.1重力沉降设备
5.3.2离心沉降设备对于两相密度差较小,颗粒粒度较细的非均相物系,可利用颗粒作圆周运动时的离心力以加快沉降过程 。 定义同一颗粒所受的离心力与重力之比为离心分离因数?
gr
u
g
r
mg
mr
F
F
g
c
222
式中 为流体和颗粒的切线速度,； 为旋转半径,； 为旋转角速度,。
ru? sm/ r m?
sra d /(弧度）
数值的大小是反映离心分离设备性能的重要指标。若,则说明同一颗粒在离心力场中受到的离心力 是在重力场中受到的重力 的 1000倍，
当然大大加快沉降分离过程。
1000
cF gF
旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备 。 如图所示,上部为圆筒形,下部为圆锥形；含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以切线方向进入,
藉此来获得器内的旋转运动 。 气体在器内按螺旋形路线向器底旋转,到达底部后折而向上,成为内层的上旋的气流,称为气芯,然后从顶部的中央排气管排出 。
气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中,由于密度较大,受离心力的作用逐渐沉降到器壁,碰到器壁后落下,滑向出灰口 。
旋风分离器的构造简单，没有运动部件（设备不动，离心力是由切线进入的气流产生旋转运动造成的），操作不受温度、压强的限制。一般其分离因数
，可分离气体中 直径的粒子。 用降尘室分离
（经济）,可用袋式除尘器,用静电除尘器。
2 5 0 0~5 m?75~5 mdP?75?
mdm P 51.0 md P?1.0?
5.3.2离心沉降设备
5.3.2离心沉降设备旋风分离器各部分的尺寸都有一定的比例,只要规定出其中一个主要尺寸,如圆筒直径 D或进气口宽度 B,则其它各部分的尺寸亦确定 。
评价旋风分离器性能指标，我们的教材上介绍两个：
1） 旋风分离器的分离效率
①总效率
0?
进出进
C
CC
0?
式中,分别为进出旋风分离器气体颗粒的质量浓度,。进C 出C 3/mg
总效率并不能准确地代表旋风分离器的分离性能 。 因为气体中颗粒大小不等,
各种颗粒被除下的比例也不相同 。 颗粒的尺寸越小,所受的离心力越小,沉降速度也越小,所以能被除下的比例也越小 。 因此,总效率相同的两台旋风分离器其分离性能却可能相差很大,这是因为被分离的颗粒具有不同粒度分布的缘故 。
5.3.2离心沉降设备
②粒级效率进出进
i
ii
C
CC
0?
式中,分别为进出旋风分离器气体中粒径为 的颗粒的质量浓度,。进iC 出iC Pid 3/mg
总效率与粒级效率的关系为：
iix0
式中 为进口气体中粒径为 颗粒的质量分率。ix Pid
通常将经过旋风分离器后能被除下 50%的颗粒直径 称为分割直径,某些高效旋风分离器的分割直径可小至 。不同粒径 的粒级分离效率 不同 。
Pcd
m?10~3 Pid i?
5.3.2离心沉降设备
2）旋风分离器的压降气体经过旋风分离器时,由于进气管和排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力,
流动时的局部阻力以及气体旋转运动所产生的能量损失等,都将造成气体的压力降 。 旋风分离器的压降大小是评价其性能好坏的重要指标 。 气体通过旋风分离器的压降应尽可能小 。 通常压降用入口气体动能的倍数来表示：
2
2
iup
除了上述两个性能指标外,有的教材还介绍了另外一个性能指标,即 临界直径,指旋风分离器能够分离的最小颗粒直径 。cd cd
5.3.2离心沉降设备实验结果表明：,,锥体长度,。 粗短形旋风分离器在一定时,处理量大；细长形旋风分离器,但,从经济角度看一般可取进口气速 。 若处理量大,则可采用多个小尺寸的旋风分离器并联操作,这较用一个大尺寸的旋风分离器可望获得更高的效率,同样原因,投入使用的旋风分离器处于低气体负荷下操作是不适宜的 。
D?u?2H
p?
p
smu /25~15?
旋风分离器的内旋气流在底部旋转上升时，会在锥底成升力。即使在常压下操作，出口气体直接排入大气，也会在锥底造成显著的负压。如果锥底集尘室密封不良，少量空气串入器内将使分离效率严重下降。故出灰口的密封问题非常重要。
5.3.2离心沉降设备下面介绍旋风分离器的改型问题：
底部旋转上升会将已沉下的部分颗粒重新卷起,这是影响旋风分离器分离效率的重要因素之一 。 为抑制这一不利因素而设计了一种扩散式旋风分离器,它具有上小下大的外壳,这种分离器底部设有中央带孔的锥形分割屏,气流在分割屏上部转向排气管,少量气体在分割屏与外锥体之间的环隙进入底部集尘斗,再从中央小孔上升 。 这样就减少了已沉下的粉粒重新被卷起的可能性 。
因此,扩散式旋风分离器分离效率提高,宜用于净化颗粒浓度较高的气体 。
5.3.2离心沉降设备
5.3.2离心沉降设备靠近旋风分离器排气管的顶部旋涡中带有不少细小粉粒,在进口主气流干扰下较易窜入排气口逃逸 。 提高分离效率的另一途径是移去顶部旋涡造成的粉尘环,为此而设计的 XLV/B型旋风分离器 见图 。 此种旋风分离器的结构特点是进气口低于器顶下一小段距离,且在圆柱壳体的上部切向开有狭槽,用旁通管将带粉粒的顶旋涡引至分离器下部锥体内 。 不但提高了分离效率,还降低了旋风分离器的阻力 。 若没有旁路,有人做过实验,堵死旁路 20%。
还有旋液分离器是用于分离悬浮液，其结构特点与旋风分离器类似。
5.3.2离心沉降设备
5.1 概述
5.2颗粒的沉降运动
5.3沉降分离设备
5.1 概述本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的相对运动。在流固两相物系中，不论作为连续相的流体处于静止还是作莫种运动，只要固体颗粒的密度 大于流体的密度,那么在重力场中,固体颗粒将在重力方向上与流体做相对运动，在离心力场中，则与流体作离心力方向上的相对运动。
5.2 颗粒的沉降运动
5.2.1 流体对固体颗粒的绕流
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三种情况：
① 颗粒静止,流体对其做绕流；
② 流体静止,颗粒作沉降运动；
③ 颗粒与流体都运动,但保持一定的相对运动 。
5.2.1 流体对固体颗粒的绕流
（ 1）两种曳力 — 表面曳力和形体曳力回 顾第 1章流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：表皮阻力 （ 即表面摩擦阻力 ） 和形体阻力 （ 边界层分离产生旋涡 ）,绕流时颗粒受到流体的总曳力,
（ 1）两种曳力 — 表面曳力和形体曳力
FD与流体,,相对流速 有关，而且受颗粒的形状与定向的影响，问题较为 复杂。至今，只有几何形状简单的少数情况才可以得到 FD的理论计算式。例如，粘性流体对球体的低速绕流（也称爬流）时 FD的理论式即斯托克律（ Stokes） 定律为：
当流速较高时,Stokes定律不成立。因此，对一般流动条件下的球形颗粒及其其他形状的颗粒,FD的数值尚需通过实验解决。
u
udF pD 3
（ 2）曳力（阻力）系数对球形颗粒,
用因次分析并整理后可得：
),,,(= pDudFF
)(R e P
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2
PD 2
1 uAF
球形颗粒 的曲线在不同的雷诺数范围内可用公式表示如下：)1(
，层流区,Sokes定律区：2Re
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24
，过渡区,Allen定律区：500Re2 P
6.0
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5.18
，湍流区,Newton定律区：5
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（ 2）曳力（阻力）系数?
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（ 1）沉降的加速段将一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体中,若,颗粒在重力的作用下沿重力方向作沉降运动,此时颗粒受到哪些力的作用呢？
gdmgF g P3P6
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1
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根据牛顿第二定律得,
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1
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2
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开始瞬间，,最大，颗粒作加速运动。0?u?ddu
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（ 2）沉降的等速阶段随,,到某一数值 时,式 （ 5-16） 右边等于零,此时,颗粒将以恒定不变的速度 维持下降 。 此 称为颗粒的沉降速度或造端速度 。 对小颗粒,沉降的加速段很短,加速度所经历的距离也很小 。 因此,对小颗粒沉降的加速度可以忽略,而近似认为颗粒始终以 下降 。
uFd
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5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（ 3）颗粒的沉降速度对球形颗粒,当 时,可得0?
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3
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式中,)()( R e P
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因 与 有关,也与 有关,将不同区域的与的关系式 （ 5-6） — 式
（ 5-8） 分别带入上式,整理得：
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，层流区（ Sokes区）2Re?P
18
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，湍流区（ Newton区）5102Re5 0 0
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)(74.1
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（ 4）其他因素对沉降速度的影响
①干扰沉降
② 端效应
③ 分子运动
④非球形颗粒
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
5.3沉降分离设备
5.3.1重力沉降设备
5.3.2离心沉降设备
5.3.1重力沉降设备
（ 1）降尘室停留时间,
沉降时间,
V
r q
AH
t
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H
，至少 所以,（降尘室的设计原理）tr tr
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H
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tV Auq?
— 含尘气体体积流量,。气速,一般 应 <1,实际上为避免已沉下的尘粒重新被扬起,往往取更低 。降尘室一般用于分离 的粗颗粒。
Vq sm /3 BHqu V? u sm/
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mdP?50?
— 降尘室底面积,。A 2m BLA?
— 颗粒的沉降速度,。 应根据要分离的最小颗粒直径 决定。tusm/tu min,Pd
5.3.1重力沉降设备对一定物系,一定,降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积,而与高度 无关,故降尘室应设计成扁平形状,或在室内设置多层水平隔板 。
tu A
H
①设计型计算已知,,,,,计算 。Vq P? min,Pd A
② 操作型计算已知,,,,,核算 ；A P?
min,Pd Vq
或已知,,,,,求 。A Vq P?
min,Pd
5.3.1重力沉降设备
（ 2）增稠器分离悬浮液,在中心距液面下
0.3～ 1 处连续加料,清液往上走,
稠液往下走,锥形底部有一缓慢旋转的齿耙把沉渣慢慢移至下部中心,稠浆从底部出口出去 。 （ 内部沉降分为上部自由沉降和下部干扰沉降 ）
m
大的增稠器直径可达 10～ 100,
深 2.5～ 4 （ 为什么？ ） 。 它一般用于大流量,低浓度悬浮液的处理,常见的污水处理就是一例 。
m
m
5.3.1重力沉降设备
（ 3）分级器利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器 。
将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走分出。若有密度不同的 a,b两种颗粒要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速度，使两者不能完全分离。
5.3.1重力沉降设备
1818
22 gdgd
bbaa
2/1
b
a
a
b
d
d
上式表明,不同直径的颗粒因为密度不同而具有相同的沉降速度,该式代表了具有相同沉降速度的两种颗粒的直径比 。
5.3.1重力沉降设备
5.3.2离心沉降设备对于两相密度差较小,颗粒粒度较细的非均相物系,可利用颗粒作圆周运动时的离心力以加快沉降过程 。 定义同一颗粒所受的离心力与重力之比为离心分离因数?
gr
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g
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F
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c
222
式中 为流体和颗粒的切线速度,； 为旋转半径,； 为旋转角速度,。
ru? sm/ r m?
sra d /(弧度）
数值的大小是反映离心分离设备性能的重要指标。若,则说明同一颗粒在离心力场中受到的离心力 是在重力场中受到的重力 的 1000倍，
当然大大加快沉降分离过程。
1000
cF gF
旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备 。 如图所示,上部为圆筒形,下部为圆锥形；含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以切线方向进入,
藉此来获得器内的旋转运动 。 气体在器内按螺旋形路线向器底旋转,到达底部后折而向上,成为内层的上旋的气流,称为气芯,然后从顶部的中央排气管排出 。
气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中,由于密度较大,受离心力的作用逐渐沉降到器壁,碰到器壁后落下,滑向出灰口 。
旋风分离器的构造简单，没有运动部件（设备不动，离心力是由切线进入的气流产生旋转运动造成的），操作不受温度、压强的限制。一般其分离因数
，可分离气体中 直径的粒子。 用降尘室分离
（经济）,可用袋式除尘器,用静电除尘器。
2 5 0 0~5 m?75~5 mdP?75?
mdm P 51.0 md P?1.0?
5.3.2离心沉降设备
5.3.2离心沉降设备旋风分离器各部分的尺寸都有一定的比例,只要规定出其中一个主要尺寸,如圆筒直径 D或进气口宽度 B,则其它各部分的尺寸亦确定 。
评价旋风分离器性能指标，我们的教材上介绍两个：
1） 旋风分离器的分离效率
①总效率
0?
进出进
C
CC
0?
式中,分别为进出旋风分离器气体颗粒的质量浓度,。进C 出C 3/mg
总效率并不能准确地代表旋风分离器的分离性能 。 因为气体中颗粒大小不等,
各种颗粒被除下的比例也不相同 。 颗粒的尺寸越小,所受的离心力越小,沉降速度也越小,所以能被除下的比例也越小 。 因此,总效率相同的两台旋风分离器其分离性能却可能相差很大,这是因为被分离的颗粒具有不同粒度分布的缘故 。
5.3.2离心沉降设备
②粒级效率进出进
i
ii
C
CC
0?
式中,分别为进出旋风分离器气体中粒径为 的颗粒的质量浓度,。进iC 出iC Pid 3/mg
总效率与粒级效率的关系为：
iix0
式中 为进口气体中粒径为 颗粒的质量分率。ix Pid
通常将经过旋风分离器后能被除下 50%的颗粒直径 称为分割直径,某些高效旋风分离器的分割直径可小至 。不同粒径 的粒级分离效率 不同 。
Pcd
m?10~3 Pid i?
5.3.2离心沉降设备
2）旋风分离器的压降气体经过旋风分离器时,由于进气管和排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力,
流动时的局部阻力以及气体旋转运动所产生的能量损失等,都将造成气体的压力降 。 旋风分离器的压降大小是评价其性能好坏的重要指标 。 气体通过旋风分离器的压降应尽可能小 。 通常压降用入口气体动能的倍数来表示：
2
2
iup
除了上述两个性能指标外,有的教材还介绍了另外一个性能指标,即 临界直径,指旋风分离器能够分离的最小颗粒直径 。cd cd
5.3.2离心沉降设备实验结果表明：,,锥体长度,。 粗短形旋风分离器在一定时,处理量大；细长形旋风分离器,但,从经济角度看一般可取进口气速 。 若处理量大,则可采用多个小尺寸的旋风分离器并联操作,这较用一个大尺寸的旋风分离器可望获得更高的效率,同样原因,投入使用的旋风分离器处于低气体负荷下操作是不适宜的 。
D?u?2H
p?
p
smu /25~15?
旋风分离器的内旋气流在底部旋转上升时，会在锥底成升力。即使在常压下操作，出口气体直接排入大气，也会在锥底造成显著的负压。如果锥底集尘室密封不良，少量空气串入器内将使分离效率严重下降。故出灰口的密封问题非常重要。
5.3.2离心沉降设备下面介绍旋风分离器的改型问题：
底部旋转上升会将已沉下的部分颗粒重新卷起,这是影响旋风分离器分离效率的重要因素之一 。 为抑制这一不利因素而设计了一种扩散式旋风分离器,它具有上小下大的外壳,这种分离器底部设有中央带孔的锥形分割屏,气流在分割屏上部转向排气管,少量气体在分割屏与外锥体之间的环隙进入底部集尘斗,再从中央小孔上升 。 这样就减少了已沉下的粉粒重新被卷起的可能性 。
因此,扩散式旋风分离器分离效率提高,宜用于净化颗粒浓度较高的气体 。
5.3.2离心沉降设备
5.3.2离心沉降设备靠近旋风分离器排气管的顶部旋涡中带有不少细小粉粒,在进口主气流干扰下较易窜入排气口逃逸 。 提高分离效率的另一途径是移去顶部旋涡造成的粉尘环,为此而设计的 XLV/B型旋风分离器 见图 。 此种旋风分离器的结构特点是进气口低于器顶下一小段距离,且在圆柱壳体的上部切向开有狭槽,用旁通管将带粉粒的顶旋涡引至分离器下部锥体内 。 不但提高了分离效率,还降低了旋风分离器的阻力 。 若没有旁路,有人做过实验,堵死旁路 20%。
还有旋液分离器是用于分离悬浮液，其结构特点与旋风分离器类似。
5.3.2离心沉降设备
