16 沉降運(yùn)動(dòng) 沉降分離

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1、動(dòng)量傳遞篇——非均相分離第十六講沉降運(yùn)動(dòng)沉降分離一、概述（一）流體的管流與繞流（二）混合物的機(jī)械分離與傳質(zhì)分離二、沉降運(yùn)動(dòng)理論（一）固體顆粒沉降中的曳力系數(shù)（二）顆粒的沉降速度7/15/20211沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離流體與固體顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)需要：①二者之間有密度差；②外力場(chǎng)(如重力場(chǎng)或離心力場(chǎng))。密度差越大，力場(chǎng)越強(qiáng)，沉降過程越有效。從固體粒子受力角度，沉降可以分為重力沉降與離心沉降。從原理上看，流體流動(dòng)篇中著重研究的是單相流體的管流問題，流體與固粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)是流體力學(xué)的繞流問題；二者的著眼點(diǎn)不同，前者在流體，而后者在固體顆粒，圖16-1是管流與繞流的示意圖。物理學(xué)討論過的自由落

2、體運(yùn)動(dòng)雖也是流體與固體相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但與沉降運(yùn)動(dòng)的區(qū)別是自由落體運(yùn)動(dòng)并不考慮流體阻力的作用。一、概述（一）流體的管流與繞流7/15/20212沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離非均相均相混合物的分離操作()非均相混合物的分離：如沉降與過濾等，對(duì)物系作功，利用混合物密度、尺寸等物性差異將其分離。均相混合物的分離：加入熱量和溶劑使其成為兩相共存，利用混合物組分在兩相中性質(zhì)上的差異(如溶解度、揮發(fā)度等)使組分在相間轉(zhuǎn)移，從而將其分離。篩分沉降過濾液體蒸餾氣體吸收液液萃取從熱力學(xué)原理知道，混合物的分離過程，即為非自發(fā)的降熵過程。為使分離過程進(jìn)行，必須外界干預(yù)——或?qū)ξ锵底龉Γ蚣尤敕蛛x介質(zhì)(溶劑)，或加入

3、能量(熱或功)。機(jī)械分離S-S(氣相分隔)，S-L(懸浮液)，S-G(含塵氣體)L-L(乳濁液)，L-G(含霧氣體)，S-L-G(三相)傳質(zhì)分離（二）混合物的機(jī)械分離與傳質(zhì)分離7/15/20213沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離粘性引起的表面曳力表面壓差引起的形體曳力二、沉降運(yùn)動(dòng)理論（一）固體顆粒沉降中的阻力——曳力系數(shù)流體與固體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有三種情況：①固粒靜止，流體對(duì)其作繞流運(yùn)動(dòng)；②流體靜止，固粒作沉降運(yùn)動(dòng)；③兩者都運(yùn)動(dòng)，但保證一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從流體對(duì)固粒的作用力角度看，只要相對(duì)速度相同，上面三種情況無(wú)本質(zhì)區(qū)別。因此，為討論簡(jiǎn)單，以①?zèng)r為例，分析固體所受的阻力或曳力。流體作用于固體上的總

4、曳力FD＝表面曳力＋形體曳力從流體流動(dòng)篇知：流體對(duì)固體表面的作用力FD7/15/20214沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離這種繞流問題比較復(fù)雜，只有特殊情況，如球形顆粒在粘性流體中的低速繞流(爬流)，可以由Navier-Stokes方程理論解出為：(16-1)微元dA同時(shí)受到兩個(gè)力的作用表面曳力形體曳力P——凈壓力——浮力當(dāng)顆粒與流體無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則不存在表面曳力和形體曳力，但浮力始終存在。7/15/20215沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離式（16-4）可以看作ζ的定義式。關(guān)系可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出，圖16-2是用實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)繪出的關(guān)聯(lián)圖。（16-4）或?qū)懽鞔私Y(jié)果稱為Stokes定律。一般情況下，曳力數(shù)值要由實(shí)

5、驗(yàn)確定。如對(duì)光滑圓球，據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以寫出下面函數(shù)式：（16-2）通過因次分析可得（16-3）其中顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積，m2；—曳力系數(shù)，因次為一；為顆粒的直徑，m。7/15/20216沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離圖16-2曳力系數(shù)與顆粒雷諾數(shù)的關(guān)系圓盤形顆粒球形顆粒7/15/20217沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離對(duì)非球形顆粒，可以用球形度表示其形狀的影響，其實(shí)測(cè)的關(guān)系也可以標(biāo)繪在圖上以供查用。使用時(shí)注意，應(yīng)為顆粒的最大投影面積，則取等體積球形顆粒的當(dāng)量直徑。將圖16-2簡(jiǎn)化如下0.100.44層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)極速區(qū)7/15/20218沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離①層流區(qū)()－Stokes區(qū)②過渡區(qū)()－

6、Allen區(qū)③湍流區(qū)()－Newton區(qū)將層流區(qū)代入曳力系數(shù)定義可得這從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了曳力FD的Stokes理論解析式。可見，該區(qū)為一次方區(qū)。隨Rep增大，發(fā)生邊界層脫體(脫體角)，產(chǎn)生尾流旋渦，使形體阻力增大。當(dāng)后，表面曳力較形體曳力小得多，可以忽略，此時(shí)ζ不再隨而變化()，該區(qū)服從平方定律。④當(dāng)時(shí)，邊界層內(nèi)流體由層流變?yōu)橥牧?，由于流體動(dòng)量加大，使脫體點(diǎn)后移至處，尾流區(qū)變小，曳力突然下降，使ζ由0.44突然降到0.1左右。7/15/20219沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離（二）顆粒的沉降速度1重力沉降速度（1）靜止流體中球形顆粒的自由沉降速度下面的討論限于單個(gè)顆粒在靜止流體中的沉降運(yùn)動(dòng)——自

7、由沉降。凈重力場(chǎng)力——浮力——曳力——據(jù)牛頓第二定律，對(duì)上述沉降過程可寫為對(duì)圓球顆粒代入?yún)?shù)整理得7/15/202110沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分離時(shí)對(duì)應(yīng)的相對(duì)速度即為沉降速度，以u(píng)t表示。對(duì)顆粒較小的沉降過程，加速段很小，可以認(rèn)為顆粒始終以沉降。這樣，為掌握流體-固體相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，主要在確定。（16-5）以上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，不同區(qū)內(nèi)的ζ關(guān)聯(lián)式代入式(16-5)，可得到該區(qū)等速階段的沉降速度。如當(dāng)較小時(shí)，一般處于Stokes區(qū)。過渡區(qū)湍流區(qū)層流區(qū)——Stokes定律7/15/202111沉降運(yùn)動(dòng)與沉降分