重力沉降及设备：化工单元过程与操作

在重力作用下使流体与颗粒之间发生相对运动而得以分离的操作，称为重力沉降。重力沉降既可分离含尘气体，也可分离悬浮液。

( 一) 重力沉降速度

1.自由沉降与自由沉降速度 根据颗粒在沉降过程中是否受到其他粒子、流体运动及器壁的影响，可将沉降分为自由沉降和干扰沉降。颗粒在沉降过程中不受周围颗粒、流体及器壁影响的沉降称为自由沉降，否则称为干扰沉降。颗粒的沉降可分为两个阶段: 加速沉降阶段和恒速沉降阶段。对于细小颗粒，沉降的加速阶段很短，加速沉降阶段沉降的距离也很短。因此，加速沉降阶段可以忽略，近似认为颗粒始终以ut 恒速沉降，此速度称为颗粒的沉降速度，对于自由沉降，则称为自由沉降速度。

将直径为d，密度为ρs 的光滑球形颗粒置于密度为ρ 的静止流体中，由于所受重力的差异，颗粒将在流体中降落。在垂直方向上，颗粒将受到3 个力的作用，即向下的重力Fg，向上的浮力Fb 和与颗粒运动方向相反的阻力Fd。对于一定的颗粒与流体，重力、浮力恒定不变，阻力则随颗粒的降落速度而变。当降落速度增至某一值时，三力达到平衡，即合力为零。此时，加速度等于零，颗粒便以恒定速度ut 继续下降，则:

式中:ut——自由沉降速度，m/s。

在上式中，阻力系数是颗粒与流体相对运动时的雷诺数的函数，即:ζ=f( Ret) 。

沉降速度不仅与雷诺数有关，还与颗粒的球形度有关。人们通过大量的实验找到了各种情况时ζ 与Ret的经验公式，对于球形颗粒有:

层流区:10-4 ＜Ret≤2

过渡区:2 ＜Ret≤103

湍流区:103≤Ret ＜2 ×105

要计算沉降速度ut，必须先确定沉降区域，但由于ut 待求，则Ret未知，沉降区域无法确定。为此，需采用试差法，先假设颗粒处于某一沉降区域，按该区公式求得ut，然后算出Ret，如果在所设范围内，则计算结果有效; 否则，需另选一区域重新计算，直至算得Ret与所设范围相符为止。由于沉降操作中所处理的颗粒一般粒径较小，沉降过程大多属于层流区，因此，进行试差时，通常先假设在层流区。

【例1 -18】试计算直径d 为90μm，密度ρs 为3000kg/m3 的固体颗粒在20℃的水中的自由沉降速度。

解:查附录三得20℃水:μ=1.005 ×10-3Pa·s，ρ=998.2kg/m3

假设沉降区域在层流区，沉降速度可用斯托克斯公式计算。即:

∴ ut = 8．79 ×10-3 m/s

2.实际沉降及其影响因素 颗粒在沉降过程中将受到周围颗粒、流体、器壁等因素的影响，一般来说，实际沉降速度小于自由沉降速度。实际沉降速度的主要影响以下几个方面，见表1-15。(www.xing528.com)

表1-15　实际沉降速度的影响因素

需要指出的是，为简化计算，实际沉降可近似按自由沉降处理，由此引起的误差在工程上是可以接受的。只有当颗粒含量很大时，才需要考虑颗粒之间的相互干扰。

( 二) 降尘室

含尘气体沿水平方向缓慢通过如图1 -53 所示的降尘室，气流中的尘粒除了与气体一样具有水平速度u 外，受重力作用，还具有向下的沉降速度ut。如图1 -54 所示，设含尘气体的流量为Vs( m3/s) ，降尘室的高为h，长为l，宽为b，三者的单位均为m。若气流在整个流动截面上分布均匀，则流体在降尘室的平均停留时间为:

图1-53　降尘室

图1-54　尘粒在降尘室中的运动

若要使气流中直径大于等于d 的颗粒全部除去，则需在气流离开设备前，使直径为d 的颗粒全部沉降至器底。气流中位于降尘室顶部的颗粒沉降至底部所需时间最长，因此，沉降所需时间θt 应以顶部颗粒计算。

很显然，要达到沉降要求，停留时间必须大于或至少等于沉降时间，即θ≥θt，即:

由上式可知，降尘室的生产能力( 达到一定沉降要求单位时间所能处理的含尘气体量) 只取决于降尘室的沉降面积( bl) ，而与其高度( h) 无关。因此，降尘室一般都设计成扁平形状，或设置多层水平隔板，称为多层降尘室。隔板间距一般为40 ～100mm。

若降尘室内共设置n 层水平隔板，则多层降尘室的生产能力为:

降尘室结构简单，但体积大，分离效果不理想，即使采用多层结构可提高分离效果，也有清灰不便等问题。通常只能作为预除尘设备使用，一般只能除去直径大于50μm 的颗粒。

另外，ut 应根据需要分离下来的最小颗粒尺寸计算，且气体在降尘室内的流动速度不能过高，一般应使气流速度＜1.5m/s，以免干扰颗粒的沉降或将已沉降的尘粒重新卷起。