沉降速度固體顆粒

在石油開采過程中存在著許多固、液多相流問題。固體顆粒在液體中的阻力系數(shù)和沉降速度是有關(guān)工程設(shè)計的重要技術(shù)參數(shù)。在固、液多相流計算中普遍采用漂移流動模型，固相在靜止液體中的沉降速度是建立漂移流動模型的基礎(chǔ)。當(dāng)濃度很小時，顆粒在沉降過程中彼此干擾很少，可看成是自由沉降。當(dāng)濃度達(dá)一定程度后，顆粒之間的相互干擾漸趨嚴(yán)重，就成為干涉沉降。

沉降速度與沉降系數(shù)

沉降速度，是指在離心力的作用下，物質(zhì)粒子在單位時間內(nèi)沿離心力方向移動的距離。沉降系數(shù)是指在單位離心場中顆粒的沉降速度，受介質(zhì)（溶劑）密度和粘度的影響。

重力沉降速度

顆粒在靜止流體中沉降時，不受其他顆粒的干擾及器壁的影響，稱為自由沉降。例如較稀的混懸液或者含塵氣體固體顆粒的沉降可視為自由沉降。單個球形顆粒在重力沉降過程中受3個力的作用：重力、浮力和阻力。表面光滑的剛性球形顆粒置于靜止的流體介質(zhì)中，當(dāng)顆粒密度大于流體密度時，顆粒將下沉。顆粒開始沉降的瞬間，速度為0，加速度為最大值。顆粒開始沉降以后，隨著速度的增加，阻力也隨之增大，直到速度增大到一定值后，重力、浮力、阻力三者達(dá)到平衡，加速度等于0，顆粒作勻速沉降運動。此時顆粒（分散相）相對于連續(xù)相的運動速度稱為沉降速度或終端速度。

泥沙在靜止的清水中等速下沉?xí)r的速度，稱為泥沙的沉降速度（或簡稱泥沙沉速），它是泥沙的重要水力特性之一。在各種沉淀池的設(shè)計計算和生產(chǎn)運用中，在河流、渠道的各種泥沙問題中，泥沙的沉降速度都是一個最重要的、也是一個最基本的參數(shù)。

影響泥沙沉速的因素很多，如含沙量大到一定程度之后，沉速計算公式必須考慮含沙量的影響。這種影響與泥沙粒徑的粗細(xì)關(guān)系甚大；而對于d<0.01mm的細(xì)顆粒泥沙而言，水質(zhì)對泥沙沉速的影響是不容忽視的。在此范圍內(nèi)，含沙量對沉速的影響，是和水質(zhì)對沉速的影響結(jié)合在一起而通過絮凝起作用的。由此可見，絮凝作用也是影響泥沙沉速的重要因素。

對于處在分散狀態(tài)的粗顆粒泥沙，由于不存在絮凝現(xiàn)象，當(dāng)含沙量從零開始逐漸增大時，沉速將從清水單顆粒沉速開始，逐漸減小。而對于可能發(fā)生絮凝現(xiàn)象的細(xì)顆粒泥沙則不然，當(dāng)含沙量從零開始逐漸增大時，沉速將從清水單顆粒沉速開始逐漸增大，當(dāng)沉速達(dá)到一個峰值之后，則將隨含沙量的增大而逐漸減小，一直到小于清水單顆粒沉速之后，還繼續(xù)減小。沉速大于清水單顆粒沉速的階段，屬于絮凝起主導(dǎo)作用的階段；而沉速小于清水單顆粒沉速的階段，屬于其它幾種因素起主導(dǎo)作用的階段。含沙量的進(jìn)一步增加，絮凝結(jié)構(gòu)將充分發(fā)展和迅速擴大，最后形成一個整體絮凝體的下沉。此外，向上的補償水流將穿過絮凝結(jié)構(gòu)中的極不規(guī)則縫隙曲折上行，使阻力加大，而沉速將進(jìn)一步減小。這種情況的沉降特點為，只要粒徑差別不大，沙粒將被絮凝結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在一起，以同一速度下沉。這一階段可被認(rèn)為是絮凝再一次起主導(dǎo)作用的階段。對于粗細(xì)顆粒的混合沙，細(xì)顆粒的沉降規(guī)律和前面講的基本一致；粗顆粒的沉降規(guī)律和前面講的略有不同。盡管粗顆粒本身在含沙量不是十分大時仍然處于分散狀態(tài)，但因是在細(xì)顆粒構(gòu)成的介質(zhì)中下沉，將間接受到渾水粘度的改變及絮凝結(jié)構(gòu)的影響。 2100433B

若以上述沉降過程產(chǎn)生的交界面1-1的高度為縱坐標(biāo)，沉淀時間為橫坐標(biāo)，可得交界面沉降過程曲線，如圖3中(f)所示。各區(qū)的沉降速度可由沉降曲線上各點的切線斜率繪出。

（1） 曲線a-b′段的上凸曲線可解釋為沉淀初期由于顆粒間的絮凝導(dǎo)致顆粒凝聚變大，沉降速度逐漸變大。

（2） b'-b段為直線，表明交界面等速下降。a-b′段一般較短，有時不甚明顯，可以作為b'-b直線段的延伸。

（3） 曲線b-c段為下凹的曲線，表明交界面的下降速度逐漸減小。B區(qū)和C區(qū)消失的C點即為臨界沉降點。

（4） c-d段表示臨界沉降點之后壓實區(qū)沉淀物的壓實過程，壓實區(qū)最終高度為H_∞。

濃度為C_t的懸浮液交界面下沉速度V_t可按如下公式計算：

V_t=

式中：V_t— 濃度為C_t的懸浮液交界面下沉速度，m/s；

H_t— 在b-d段任何一點t（C_t>C₀）作切線與縱坐標(biāo)交于a′點，所得高度即為H_t，m。

H— b-d段在t點的高度，m。

對于固定的懸浮體系，有以下結(jié)論：

1、懸浮物的顆粒越大，沉降速度越快；

2、懸浮物與流體的密度差越大，沉降速度越快；

3、流體黏度越小，沉降速度越快。

在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，在懸浮液中添加適量的凝聚劑或絮凝劑使得分散的細(xì)顆粒凝集成為較大的顆粒集團，增大固相顆粒的沉降速度，以提高沉降分離的速度和分離效率，這是提高沉降效果的通行做法。

沉降速度法是分析溶液中大分子的大小、形狀、多組分成份行之有效的方法。它是在強離心力場作用下通過測量大分子層的移動速度來測量大分子的沉降系數(shù)（S），該系數(shù)可以表示為顆粒沉降速度與重力場的比率

但對于復(fù)雜的相互作用系統(tǒng)，例如蛋白質(zhì)寡聚作用、核酸雜交、蛋白核酸相互作用、受體配體與抗原抗體識別、分子組裝、拆卸等體系，由于濃度梯度引起的擴散作用將掩蔽存在的多組分成份，通過單點或二階巨分析得到的是整個系統(tǒng)的平均S值，而不是實際存在的S值分布。這些技術(shù)在應(yīng)用上有一定趨限性。然而 ，近年來沉降速度法在數(shù)據(jù)分析方面取得了舉世矚目的進(jìn)展，沉降速度數(shù)據(jù)與LAMM方程直接擬合揭示了移動分界面許多生物信息，該技術(shù)在我們了解活體內(nèi)大分子的行為中起著舉足輕重的作用。

在十分強大的離心力場中使溶質(zhì)沉降，對沉降狀態(tài)進(jìn)行觀測。從沉降速度測定求得的高分子沉降系數(shù)，除分子量外還受分子形狀等的影響，但沉降系數(shù)作為表示高分子的特征是非常重要的。此值與用其他方法求得的擴散系數(shù)相配合就可以算出分子量。另外，對沉降系數(shù)不同成分的混合物進(jìn)行分析，也可用沉降速度法，同時，也是對提純高分子樣品純度檢驗的重要方法之一。這些測定中雖很多是利用分析用的超速離心機，但用密度梯度離心法和使用分離用超速離心機也是可以的。