16 沉降运动 沉降分离

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1、动量传递篇——非均相分离第十六讲沉降运动沉降分离一、概述（一）流体的管流与绕流（二）混合物的机械分离与传质分离二、沉降运动理论（一）固体颗粒沉降中的曳力系数（二）颗粒的沉降速度7/15/20211沉降运动与沉降分离流体与固体颗粒间的相对运动需要：①二者之间有密度差；②外力场(如重力场或离心力场)。密度差越大，力场越强，沉降过程越有效。从固体粒子受力角度，沉降可以分为重力沉降与离心沉降。从原理上看，流体流动篇中着重研究的是单相流体的管流问题，流体与固粒相对运动是流体力学的绕流问题；二者的着眼点不同，前者在流体，而后者在固体颗粒，图16-1是管流与绕流的示意图。物理学讨论过的自由落

2、体运动虽也是流体与固体相对运动，但与沉降运动的区别是自由落体运动并不考虑流体阻力的作用。一、概述（一）流体的管流与绕流7/15/20212沉降运动与沉降分离非均相均相混合物的分离操作()非均相混合物的分离：如沉降与过滤等，对物系作功，利用混合物密度、尺寸等物性差异将其分离。均相混合物的分离：加入热量和溶剂使其成为两相共存，利用混合物组分在两相中性质上的差异(如溶解度、挥发度等)使组分在相间转移，从而将其分离。筛分沉降过滤液体蒸馏气体吸收液液萃取从热力学原理知道，混合物的分离过程，即为非自发的降熵过程。为使分离过程进行，必须外界干预——或对物系做功，或加入分离介质(溶剂)，或加入

3、能量(热或功)。机械分离S-S(气相分隔)，S-L(悬浮液)，S-G(含尘气体)L-L(乳浊液)，L-G(含雾气体)，S-L-G(三相)传质分离（二）混合物的机械分离与传质分离7/15/20213沉降运动与沉降分离粘性引起的表面曳力表面压差引起的形体曳力二、沉降运动理论（一）固体颗粒沉降中的阻力——曳力系数流体与固体间的相对运动有三种情况：①固粒静止，流体对其作绕流运动；②流体静止，固粒作沉降运动；③两者都运动，但保证一定的相对运动。从流体对固粒的作用力角度看，只要相对速度相同，上面三种情况无本质区别。因此，为讨论简单，以①况为例，分析固体所受的阻力或曳力。流体作用于固体上的总

4、曳力FD＝表面曳力＋形体曳力从流体流动篇知：流体对固体表面的作用力FD7/15/20214沉降运动与沉降分离这种绕流问题比较复杂，只有特殊情况，如球形颗粒在粘性流体中的低速绕流(爬流)，可以由Navier-Stokes方程理论解出为：(16-1)微元dA同时受到两个力的作用表面曳力形体曳力P——净压力——浮力当颗粒与流体无相对运动时，则不存在表面曳力和形体曳力，但浮力始终存在。7/15/20215沉降运动与沉降分离式（16-4）可以看作ζ的定义式。关系可以通过实验测出，图16-2是用实验结果标绘出的关联图。（16-4）或写作此结果称为Stokes定律。一般情况下，曳力数值要由实

5、验确定。如对光滑圆球，据经验可以写出下面函数式：（16-2）通过因次分析可得（16-3）其中颗粒在运动方向上的投影面积，m2；—曳力系数，因次为一；为颗粒的直径，m。7/15/20216沉降运动与沉降分离图16-2曳力系数与颗粒雷诺数的关系圆盘形颗粒球形颗粒7/15/20217沉降运动与沉降分离对非球形颗粒，可以用球形度表示其形状的影响，其实测的关系也可以标绘在图上以供查用。使用时注意，应为颗粒的最大投影面积，则取等体积球形颗粒的当量直径。将图16-2简化如下0.100.44层流区过渡区湍流区极速区7/15/20218沉降运动与沉降分离①层流区()－Stokes区②过渡区()－

6、Allen区③湍流区()－Newton区将层流区代入曳力系数定义可得这从实验验证了曳力FD的Stokes理论解析式。可见，该区为一次方区。随Rep增大，发生边界层脱体(脱体角)，产生尾流旋涡，使形体阻力增大。当后，表面曳力较形体曳力小得多，可以忽略，此时ζ不再随而变化()，该区服从平方定律。④当时，边界层内流体由层流变为湍流，由于流体动量加大，使脱体点后移至处，尾流区变小，曳力突然下降，使ζ由0.44突然降到0.1左右。7/15/20219沉降运动与沉降分离（二）颗粒的沉降速度1重力沉降速度（1）静止流体中球形颗粒的自由沉降速度下面的讨论限于单个颗粒在静止流体中的沉降运动——自

7、由沉降。净重力场力——浮力——曳力——据牛顿第二定律，对上述沉降过程可写为对圆球颗粒代入参数整理得7/15/202110沉降运动与沉降分离时对应的相对速度即为沉降速度，以ut表示。对颗粒较小的沉降过程，加速段很小，可以认为颗粒始终以沉降。这样，为掌握流体-固体相对运动规律，主要在确定。（16-5）以上面实验结果中，不同区内的ζ关联式代入式(16-5)，可得到该区等速阶段的沉降速度。如当较小时，一般处于Stokes区。过渡区湍流区层流区——Stokes定律7/15/202111沉降运动与沉降分