沉降速度

沉降速度是指悬浮液或浆料中的颗粒在重力或离心力作用下沉降的速率。当颗粒悬浮在液体介质中时，它们会由于重力或离心机等机器施加的离心力而表现出沉降的趋势。沉降速度取决于多种因素，包括颗粒的大小、密度、形状和液体的粘度。

 

影响沉降速度的因素

 

颗粒大小和形状

颗粒越大、密度越大，由于作用于其上的重力越大，通常会沉降得更快。颗粒的形状也起着一定的作用。球形颗粒比不规则形状的颗粒沉降得更快。这是因为与非球形颗粒相比，球形颗粒面临的阻力更小，使其能够在流体中更快地移动。

 

液体粘度

较高粘度的流体会对颗粒运动产生更大的阻力，从而降低沉降速度。在工业过程中，选择合适的粘度是优化分离过程和实现所需沉降速率的关键。

 

温度

液体的温度会影响液体的粘度和颗粒的沉降行为。较高的温度通常会降低粘度，从而提高沉降速度。

 

离心力

在离心过程中，施加强大的外力来提高沉降速度。离心机的转速、重力场（G力）和旋转半径都会影响颗粒在离心分离器中的沉降速度。通过控制这些参数，可以显著提高沉降速率，使离心分离成为一种有效的快速分离方法。

 

分离过程中的沉降速度

 

沉降是最古老、最直接的分离技术之一。它依赖于固体颗粒和液相之间的密度差异。这种密度差异使颗粒向下移动并沉降到容器底部，而液相则停留在容器上方。沉降速度直接影响分离的效率和所需时间。

 

在工业分离中，提高沉降速度可以加快处理速度并提高分离效率。在废水处理等需要去除大量污泥的工艺中，较高的沉降速度可确保污染物在短时间内有效地从水中分离出来。

 

离心分离是食品生产和制药等行业中常用的工艺，在这些行业中，高速旋转力的作用可以显著提高沉降速度。使用离心分离机可以加快分离过程，而这些过程在正常重力条件下通常需要更长时间。

 

沉降过程中作用于颗粒的力

 

沉降过程中，有几种力作用于颗粒，决定了它们的沉降速度：

重力（重量）：地球引力将颗粒向下拉的力，与其质量成正比。

浮力：流体施加的抵抗重力的向上的力。根据阿基米德原理，该力等于被排开流体的重量。

曳力（阻力）：颗粒在流体中移动时所受到的阻力。该力取决于颗粒的大小、形状和流体的粘度。斯托克斯定律通常用于描述小颗粒的曳力。

这些力之间的平衡决定了沉降速度。当重力等于浮力和曳力时，颗粒达到其终端速度，或沉降速度。

 

沉降速度的计算

 

对于粘性流体中的小球形颗粒，沉降速度（或称终端速度）可利用斯托克斯定律计算：

 

其中：

v 为沉降速度（单位：米/秒），

r 为颗粒半径（单位：米），

ρparticle 为颗粒密度（单位：千克/立方米），

ρfluid 为流体密度（单位：千克/立方米），

η 为流体动态粘度（单位：帕斯卡秒），

g 为重力加速度 (9.81 米/秒²)。

 

该方程适用于低速（低雷诺数）运动的小球形颗粒。对于非球形颗粒或更高的速度，则需要更复杂的模型。

 

参考文献

• Rausch, W. (2016). Particle Separation Technologies in the Chemical and Pharmaceutical Industries. Springer International Publishing.
• Flottweg SE. (n.d.). Sedimentation Speed – Overview and Calculation. Retrieved from Flottweg Separation Technology Wiki
• Lowenberg, A. (2009). Fundamentals of Centrifugation: Part 2 – Sedimentation. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
• Kuno, H. (2001). Introduction to the Theory of Particle Movement in Fluids. MIT Press.

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