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。

气态空气、天然气

均相

液态乙醇一水、石油

烟道气

混气一固

气泡一液体

合

气一液雾滴一气体

物非均相

液一固泥水、硫钺+母液

液一液牛奶、油一水

固一固煤肝石、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

自由沉降气一固、液一固

重力场重力沉降

干扰沉降气一液、液一液

离心力场离心沉降同上

电除尘器

电场电沉降颗粒极微者

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。

一沉降速度

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PS＞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Ps、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）：

后一吟哼

三力之和，使颗粒产生加速度：Q=du/d。

图4-1受力分析

随时间变化情况

见下表：uFda

0

000max

t□tFdt,净力Ia逐渐1加速段

ttUtFd=Fg-Fb0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,

\用/广加:“.[4dgg-0)

%V3〃

7nF"a(3-2)

上式显示：(Ps-P)t>dt—utto

㈡阻力系数C

g也是雷诺数Ret(Ret=dutP/u)的函数:

1.滞流区(斯托克斯定律区，10-4<Ret<l)

€=24/Ret

(3-3)

2.过渡区(艾伦区,l<Ret<103)

1=18.5/

06

(Ret)(3-4)

3.湍流区(牛顿定律区，103(Rct〈2X105)

€=0.44

(3-5)

4.湍流边界层区(Re->2X105)

€=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(Ps-P)g/18u

0.

2.过渡区

(3-6)

Yd太小会产生布朗运动，

・・・当d<0.5um时不宜使用自由沉降速度计算式。R&>10-4可忽略布朗运动。

另外，对于分散相：如果Ps>P,颗粒作沉降运动；如果Ps〈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。

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：

一町f

代入得：

二沉降室

含尘气体在管道中流动，因气速较大，尘粒来大及沉降；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：Ot=H/ut

气体通过降尘室需用时间：。二L/u理论上，凡0tWO的颗粒都能落到室底。即气体

在降尘室的速度：

u=Vs/(Hb),满足uWLutWH条件的、气速对应为ut的颗粒能被分离。

对应上式可改写为：Vs/(Hb)WLut/H。

由此可见，降尘室的生产能力Vs二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'I-Otl减少，受尘面积t。

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

等因素的影响一一干扰沉降一一“沉聚过程”。

均

匀

悬

潭

液

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，utf-

与周围流体间的相对速度u较d小的大些一阻力t,反使utI。

（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ut、P

t的流体。在这种流体中的沉降显然使utI。而d小却被d大向下拖曳使utt；絮凝现象

使颗粒的有效尺寸增大，utto

综上所述，d大的utl,d小的utt。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2.5-401）,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（小槽大槽

0.Ir/min）的耙把浓浆中的液体挤出去，并把沉渣娶

拢到锥底的中央排渣口，以“底流”排出。清漫向上流动，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%o

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

【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ur有关，即

(UT2/R)——也称离心加速度，随uTt和RI(定3f,Rt,uTt)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，Ps>P,颗粒必向外圆飞去。同时受到三个力的作

用：

惯性离心力二(n/6)d3ps(UT2/R)指向外圆

向心力二-(兀/6)d3P(UT2/R)指向圆心

阻力=-1(冗/4)d‘(PUr2/2)指向圆心

二力达平衡(£F=0),ur——颗粒在R点的离心沉降速度。

〃_14dg一扇

，q-3^―

(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g=24/Ret

%■-------------

18〃R

(3-8)

/g”)g

-18^

(3-6)

两种沉降速度之比：

2

u,/ut=(UT/R)

/g=Kc(3-9)

Kc一一离心分离因数

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=O.4叫uT=20m/s时:

KC=207(0.4X9.81)=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”一离心力场。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de

de指理论上能完全被分离下来的最小颗粒直径，[m]o

de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二进口速

度ui=Vs/Bho(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：

22

颗粒到达器壁的时间0t=B/ur=18BuRm/(dpsUi)

气流在器中停留的时间0=2JTRM/U

依de定义，其(3-10)

VB=D/4,ADtfdef-*nI。

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一般为0.5〜

3.0,标准系列旋风分离器Ne=5。

㈡分离效率

1.总效率Ho=c-c2)

心(3-11)

C1:进气含尘浓度，g/m3；

C2：出气含尘浓度，g/m3；

2.粒级效率npi(Cli-C2i)

/CH(3-12)

粒级效率nP与颗粒直径出的对应关系

ICTP

图4-6粒级效率曲线图4-7n0〜d/ck曲线

理论上，凡直径大于de的颗粒，其粒级效率都应等于100%,小于de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de的颗粒也有可观的分离效果，而大于de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np〜d/d50曲线。

标准旋风分离器的d50估算式:

13)

xi:i粒级所占质量%

㈢压强降

△p二；Pui2/2；——标准系列，其值为8。

旋风分离器的一般为500-2000Pao

影响旋风分离器性能的因素：

Ps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下降；

3.ui增大则ur增大则nO增大，然而，搅起涡流，使Ap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

的结构型式见下表。

结构示意

CLT/A型结构示意图CLP型结构示意图扩散式