按照分离原理不同，沉降分离可分为重力沉降、离心沉降和电沉降。重力沉降、离心沉降是利用颗粒与流体的密度不同，在重力或离心力的作用下颗粒与流体产生相对运动；而电沉降则是使颗粒带电并利用电场的作用使颗粒与流体产生相对运动。
一、重力沉降原理
重力沉降是指非均相物系中，流动中的颗粒受重力作用慢慢降落而从流体中分离出来的过程。在实际生产中，固体微粒在流体（气体或液体）中受到重力作用时，粒子与流体之间产生相对运动的情况很多。如图6-6所示，泥浆中沙、土的沉降过程即沙和土的小颗粒从水中逐渐分离的过程。
1.沉降速度
为什么沙土颗粒能沉到容器的底部并从水中分离出来呢？
图6-6 泥浆中沙、土的沉降过程示意图
沙土颗粒能从水中分离出来的先决条件是沙土颗粒与水之间存在密度差。颗粒在连续相中的沉降过程可以分为自由沉降和干扰沉降。在沉降系统中，颗粒之间的距离足够大，任一颗粒的沉降不因其他颗粒存在而受到干扰，同时又可忽略容器壁面的影响，则称为自由沉降；反之则称为干扰沉降或受阻沉降。液态非均相物系中，当分散相浓度过高时，往往发生干扰沉降。由于干扰沉降较复杂，这里我们讨论的是自由沉降。
流体与粒子间的相对运动有三种情况：流体静止，颗粒作沉降或浮生运动；颗粒静止，流体对颗粒做绕流；流体和颗粒都运动，但在重力场中二者保持一定的相对运动速度。颗粒在流体中降落，受到重力、流体浮力以及摩擦阻力的共同作用，经历加速、匀速、减速三个过程，习惯上将匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度，用ut表示，又称为“终端速度”。假设表面光滑的刚性球形颗粒在沉降中不受其他任何因素的影响，该沉降为自由沉降，沉降速度称为自由沉降速度，这时的沉降过程是在理想状态下进行的。流体在流动过程中存在滞流、湍流及过渡流等三种状态，表面光滑的刚性球形颗粒在相应各区的自由沉降速度公式如下：
滞流区
过渡区
湍流区
式中 ut——颗粒的自由沉降速度，m/s
d——颗粒直径，m
μ——流体的黏度，Pa·s
Ret——雷诺准数
ρs，ρ——分别为颗粒和流体的密度，kg/m3
g——重力加速度，m/s2
式（6-1）至式（6-3）分别称为斯托克斯（Stokes）公式、艾仑（Allen）公式和牛顿（Newton）公式。各公式的使用范围是以雷诺准数进行划分的，斯托克斯公式适用范围为滞留区（10-4＜Ret＜1）；艾仑公式适用范围为过渡区（1＜Ret＜103）；牛顿公式适用范围为湍流区（103＜Ret＜2 ×105）。球形颗粒在流体中的沉降速度可根据不同流型，分别选用上述三式进行计算。由于沉降操作中涉及的颗粒直径都较小，操作通常处于滞流区，因此，斯托克斯公式应用较多。
2.影响沉降速度的因素
【例6-1】在两个500mL烧杯中加入400mL水，然后分别加入10g的400目和1250目的碳酸钙，搅拌均匀后静置，放置1h后比较沉降的结果。从图6-7中可以看出，400目的碳酸钙沉降速度大于1250目的碳酸钙，这是什么原因呢？
图6-7 不同粒径的碳酸钙沉降过程对比
沉降速度与颗粒自身的性质如粒径、密度、形状、运动方向等有关，此外，还要受到流体的性质如密度、黏度以及沉降环境如容器的大小、材质等的影响。
公式（6-1）到公式（6-3）是表面光滑的刚性球形颗粒在流体中作自由沉降时的速度计算式，这些公式的前提条件是在理想状态下。实际中重力沉降要复杂些，当流体中颗粒的含量很低，颗粒之间距离足够大，并且容器壁面的影响可以忽略时可假定为理想状态。单个颗粒在大空间中的沉降或气态非均相物系中颗粒的沉降都可视为自由沉降。相反，如果分散相的体积分率较高，颗粒间有明显的相互作用，容器壁面对颗粒沉降的影响不可忽略，这时的沉降为干扰沉降。液态非均相物系中，当分散相浓度较高时，往往发生干扰沉降。在干扰沉降操作中，影响沉降速度的因素有：
（1）流体的黏度。在滞流沉降区内，由流体黏性引起的表面摩擦力占主要地位。在湍流区内，流体黏性对沉降速度已无明显影响，而是流体在颗粒后半部出现的边界层分离所引起的形体阻力占主要地位。在过渡区，则表面摩擦阻力和形体阻力都不可忽略。在整个范围内，随雷诺准数Ret的增大，表面摩擦阻力的作用逐渐减弱，形体阻力的作用逐渐增强。当雷诺准数Ret超过2 ×105时，出现湍流边界层，此时边界层分离的现象减弱，但在沉降操作中很少达到这个区域。
（2）颗粒的体积浓度。当颗粒的体积浓度小于0.2%时，前述各种沉降速度关系式的计算偏差在1%以内。当颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降。
（3）器壁效应。容器的壁面和底面会对沉降的颗粒产生曳力，使颗粒的实际沉降速度低于自由沉降速度。当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时（例如100倍以上），器壁效应可以忽略，否则，应考虑容器壁效应对沉降速度的影响。
（4）颗粒形状的影响。同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积的非球形颗粒的沉降要快一些。非球形颗粒的形状及其投影面积A均对沉降速度有影响。
（5）颗粒的最小尺寸。上述自由沉降速度公式不适用于非常细微颗粒（如＜0.5mm）的沉降计算，这是因为流体分子热运动使得颗粒发生布朗运动。当Ret＞10-4时，布朗运动的影响可不考虑。
实际上悬浮的粒子多不是球形，也不一定光滑，因此，沉降速度比计算值低。此外，液滴和气泡的运动规律与刚性颗粒的运动规律也不尽相同。
重力沉降是最简单的沉降分离方法，它既可以用于分离气体非均相混合物，也可以用于分离液体非均相混合物；既可以用于将混合物中的颗粒与流体分开，也可以用来使不同大小与密度不同的颗粒分开。一般重力沉降适用于分离较大的固体颗粒。
二、重力沉降设备
重力沉降设备是指依据重力沉降原理分离非均相混合物的设备。在重力沉降过程中，非均相混合物，沿一定途径从沉降设备入口流向出口，在此过程中颗粒与流体间产生相对运动，颗粒向器底（或其他沉积表面）沉降，如果在流体流出设备以前，颗粒能沉到器底，则颗粒就能留在器中而与流体分开，否则仍随流体流出而不能分离。混合物从设备入口流到出口的时间称为停留时间t停，颗粒从设备入口所处位置沉降到器底（沉积表面）的时间称为沉降时间t沉，所以停留时间大于或等于颗粒的沉降时间，颗粒就能够分离出来，停留时间小于沉降时间，则该颗粒不能除掉而随流体流出。因此用沉降方法使颗粒分离出来的条件可表示为：t停≥t沉。
常用的重力沉降设备主要有除尘室、烟道除尘器、湍球塔除尘器、文丘里除尘器及沉降槽等。
（一）除尘室
除尘室是依靠重力沉降从气流中分离出尘粒的设备，其形状类似于立方体形的房子。
1.单层除尘室
常见的除尘室示意图如图6-8所示。含尘气体进入沉降室后，颗粒随气流有一水平向前的运动速度u，同时，在重力作用下，以沉降速度ut向下沉降。只要颗粒能够在气体通过除尘室的时间降至室底，便可从气流中分离出来。
图6-8 除尘室示意图
对于指定粒径的颗粒能够被分离出来的必要条件是气体在降尘室内的停留时间等于或大于颗粒从设备最高处降至底部所需要的时间。
设降尘室的长度为l（m）；宽度为b（m）；高度为H（m）；降尘室的生产能力（即含尘气通过降尘室的体积流量）为Vs（m3/s）；气体在降尘室内的水平通过速度为u（m/s）；则位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为(www.xing528.com)
气体通过降尘室的时间为
若使颗粒被分离出来，则气体在降尘室内的停留时间至少需等于颗粒的沉降时间，即
根据降尘室的生产能力，气体在降尘室内的水平通过速度为
将此式代入式（6-6）并整理得
2.多层除尘室
式（6-7a）表明，理论上除尘室的生产能力只与其沉降面积bl及颗粒的沉降速度ut有关，而与除尘室高度H无关。所以除尘室一般设计成扁平形，或在室内均匀设置多层水平隔板，构成多层除尘室，如图6-9所示。通常隔板间距为40～100mm。
图6-9 多层除尘室
1—隔板 2，6—调节闸阀 3—气体分配道4—气体聚集道 5—气道 6—清灰口
若除尘室内设置多层水平隔板，则多层除尘室的生产能力变为
除尘室高度的选取还应考虑气体通过除尘室的速度不应过高，一般应保证气体流动的雷诺准数处于层流状态，气速过高会干扰颗粒的沉降或将已沉降的颗粒重新扬起。
通常，被处理的含尘气体中的颗粒大小不均，沉降速度ut应根据需完全分离的最小颗粒尺寸计算。
除尘室结构简单，流体阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常只适用于分离粒度大于50mm的粗粒，一般作为预除尘使用。多层除尘室虽能分离较细的颗粒且节省占地面积，但清灰比较麻烦。
3.其他除尘室
在除尘室中增加折流挡板，可以提高除尘效果，结构如图6-10所示。
图6-10 带折流板的除尘室
（二）烟道除尘器
烟道气是指煤等化石燃料燃烧时所产生的气态物质，属于气态非均相物系，主要成分为氮气、二氧化碳、氧、水蒸气和硫化物等，还含有少量的灰尘、粉渣等固体颗粒。如果直接将烟道气排放到大气中将造成严重的环境污染，因此，在排放烟道气之前需要净化除尘。烟道气的处理包括除尘、脱硫、脱硝等工艺过程，一般除尘过程采用的是依据重力沉降原理进行气固分离的除尘室。氨洗涤法的脱硫工艺是工业上常用的一种烟道气处理方法，其流程如图6-11所示。具体工艺过程描述如下：由静电集尘器和吸引风机出来的烟道气通过鼓风机进入气/气再热器；然后进入预洗涤器，在预洗涤器中，烟道气与循环硫酸铵稀浆相接触；烟道气被冷却，并被水蒸气饱和；处于饱和状态的烟道气穿过除雾器离开预洗涤器，然后进入吸收器；吸收器中，用过饱和硫酸铵溶液对烟道气进行洗涤，从烟道气中脱除所要求的SO2量；在吸收器顶部，烟道气通过两级除雾器除去悬浮的水滴。
图6-11 烟道气脱硫工业流程图
（三）湍球塔除尘器
如图6-12所示，塔内放有一定量的聚乙烯球形填料，气速达到一定值时，小球悬浮并剧烈翻腾旋转和相互碰撞，达到传质和除尘的效果。
图6-12 湍球塔除尘器
（四）文丘里除尘器
文丘里除尘器是一种高效湿式洗涤器，其结构如图6-13所示，由收缩管、喉管和扩散管组成。含尘气体以高速进入收缩管，通过喉口，水从八个小孔以高速进入喉管，与高速气体相撞形成雾滴，而粉尘与雾滴撞击形成大颗粒被沉降下来，由旋风分离器使气体净化。这种除尘器结构简单，对0.5～5μm的尘粒除尘效率可达99%以上，但其费用较高。该除尘器常用于高温烟气降温和除尘，也可用于吸收气体污染物，在环保领域具有重要的应用。图6-14是文丘里除尘器使用工艺流程图。
（五）沉降槽
沉降槽是利用重力沉降原理来分离悬浮液的设备，用于低浓度悬浮液分离以得到澄清液时称为澄清器；用于中等浓度悬浮液分离提高悬浮液浓度时也称为浓缩器、增稠器等。按照操作过程可分为间歇沉降槽和连续沉降槽。
图6-13 文丘里除尘器
1.间歇沉降槽
间歇沉降槽通常是个较大的池子，常用建筑材料砌成或用金属材料加工而成，可以是圆形，也可以是方形等，如图6-15所示。
需要处理的悬浮液在槽内静置足够时间后，增浓的沉渣由槽底排出，清液则由槽上部排出管抽出。间歇式沉降槽可用于炼油后的污水处理、工业氧化铝的生产过程、电泳废水的处理等领域。
图6-14 文丘里除尘器使用工艺流程图
2.连续沉降槽
化工生产中常用的是连续沉降槽，如图6-16所示，是底部略成圆锥状的大直径浅槽，槽内装有转速为0.5～8mHz的耙集桨，桨上固定有钢耙。悬浮液经中央进料口送到液面以下，在尽可能减小扰动的情况下，迅速分散到整个横截面上，液体向上流动，清夜经由槽顶端四周的溢流堰连续流出，称为溢流；固体颗粒下沉至底部，槽底有徐徐旋转的耙将沉渣缓慢地聚拢到底部中央的排渣口连续排出，排出的稠浆称为底流。
图6-15 间歇沉降槽
图6-16 连续沉降槽结构示意图
1—进料槽道 2—转动机构 3—料井4—溢流槽 5—溢流管 6—叶片 7—转耙
连续沉降槽的直径，小者为数米，大者可达数百米；高度为2.5～4m。有时将数个沉降槽垂直叠放，共用一根中心竖轴带动各槽的转耙。这种多层沉降槽可以节省地面，但操作控制较为复杂。
连续沉降槽适合于处理量大，浓度不高，颗粒不太细的悬浮液，常见的污水处理就是一例。经沉降槽处理后的沉渣内仍有约50%的液体。
沉降槽有澄清液体和增浓悬浮液的双重功能。为了获得澄清液体，沉降槽必须有足够大的横截面积，以保证任何瞬间液体向上的速度小于颗粒的沉降速度。为了把沉渣增浓到指定的稠度，要求颗粒在槽中有足够的停留时间。所以沉降槽的加料口以下的增浓段必须有足够的高度，以保证压紧沉渣所需要的时间。在沉降槽的增浓段中，大都发生颗粒的干扰沉降，所进行的过程称为沉聚过程。
为了在给定尺寸的沉降槽内获得最大可能的生产能力，应尽可能提高沉降速度。向悬浮液中添加少量电解质或表面活性剂，使颗粒发生“凝聚”或“絮凝”；改变一些物理条件（如加热、冷冻或震动），使颗粒的粒度或相界面积发生变化，都有利于提高沉降速度；沉降槽中的装置搅拌耙，除能把沉渣导向排出口外，还能减低非牛顿型悬浮物物系的表观黏度，并能促使沉淀物的压紧，从而加速沉聚过程。搅拌耙的转速应选择适当，通常小槽耙的转速为1r/min，大槽的在0.1r/min左右。
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