第6章 環(huán)境工程原理沉降

1、1第第 II 篇篇分離過程原理分離過程原理仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系環(huán)環(huán)境科學(xué)與工程系環(huán)2第第II篇篇 分離過程原理分離過程原理為什么要學(xué)習(xí)分離過程？在環(huán)境領(lǐng)域哪些問題涉及分離過程？分離都有什么手段？本篇主要講授內(nèi)容？3第第II篇篇 分離過程原理分離過程原理 問題的出現(xiàn)？自然界是混合體系。在生活和生產(chǎn)過程中常常會(huì)遇到對(duì)混合體系中的物質(zhì)進(jìn)行分離的問題。在環(huán)境污染防治領(lǐng)域，研究對(duì)象都是混合體系（非均相和均相）混合體系4第第II篇篇 分離過程原理分離過程原理 分離在環(huán)境污染防治中的作用將污染物與污染介質(zhì)或其他污染物分離開來，從而達(dá)到去除污染物或回收利用的目的。如在給水處理中需要

2、從水源水中分離去除各種濁度物質(zhì)、細(xì)菌等。在廢氣凈化中，也需要分離廢氣中的粉塵等。5第第II篇篇 分離過程原理分離過程原理 分離過程的分類？分離過程的分類？機(jī)械分離：機(jī)械分離：非均相混合體系（兩相以上所組成的混合物） 傳質(zhì)分離：傳質(zhì)分離：均相混合體系平衡分離過程（借助分離媒介，如溶劑或吸附劑等，使均相混合體系變成兩相系統(tǒng)）速率分離過程（在某種推動(dòng)力下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)組分分離）6第第II篇篇 分離過程分離過程本篇的主要內(nèi)容第六章沉降第七章過濾第八章吸收第九章吸附第十章其他分離過程7第六章 沉降 第六章第六章沉降沉降本章主要內(nèi)容第一節(jié) 沉降分離的基本概念第二節(jié) 重力沉降第三節(jié) 離心沉降

3、第四節(jié) 其他沉降8第一節(jié) 沉降分離的基本概念 第一節(jié)沉降分離的基本概念第一節(jié)沉降分離的基本概念本節(jié)的主要內(nèi)容一、沉降分離的一般原理和類型二、流體阻力與阻力系數(shù)9第一節(jié) 沉降分離的基本概念一、沉降分離的一般原理和類型一、沉降分離的一般原理和類型 相對(duì)運(yùn)動(dòng)流體：液體氣體固體顆粒物液珠重力場(chǎng)離心力場(chǎng)電場(chǎng)慣性力場(chǎng)沉降表面：器底、器壁或其他表面重力沉降離心沉降電沉降慣性沉降擴(kuò)散沉降10第一節(jié) 沉降分離的基本概念 沉降過程類型與作用力沉降過程作用力特 征重力沉降重力沉降速度小，適用于較大顆粒分離離心沉降離心力適用于不同大小顆粒的分離電沉降電場(chǎng)力帶電微細(xì)顆粒（0.1m）的分離慣性沉降慣性力適用于1020m以

4、上粉塵的分離擴(kuò)散沉降熱運(yùn)動(dòng)微細(xì)粒子（0.01m）的分離11第一節(jié) 沉降分離的基本概念 水與廢水處理：水與廢水處理：各種顆粒物（無機(jī)砂粒、有機(jī)絮體）的沉降比重較小絮體的上浮油珠的上浮 氣體凈化：氣體凈化：粉塵、液珠12第一節(jié) 沉降分離的基本概念二、流體阻力與阻力系數(shù)二、流體阻力與阻力系數(shù) 當(dāng)某一顆粒在不可壓縮的連續(xù)流體中做穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，顆粒會(huì)受到來自流體的阻力。 該阻力由兩部分組成：形狀阻力和摩擦阻力。 流體阻力的方向與顆粒物在流體中運(yùn)動(dòng)的方向相反，其大小與流體和顆粒物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度u、流體的密度、黏度以及顆粒物的大小、形狀有關(guān)。 對(duì)于非球形顆粒物，這種關(guān)系非常復(fù)雜。13第一節(jié) 沉降分離的基本

5、概念對(duì)于球形顆粒，流體阻力的計(jì)算方程：(Re )DPCfPPudRe顆粒的雷諾數(shù) CD：阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)的函數(shù)。AP：顆粒的投影面積22DDPuFC A（6.1.10）（6.1.11）14第一節(jié) 沉降分離的基本概念層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)15第一節(jié) 沉降分離的基本概念本節(jié)思考題本節(jié)思考題 簡述沉降分離的原理、類型和各類型的主要特征。 簡要說明環(huán)境工程領(lǐng)域哪些處理單元涉及沉降分離過程。 顆粒的幾何特性如何影響顆粒在流體中受到的阻力。 不同流態(tài)區(qū)，顆粒受到的流體阻力不同的原因是什么。 顆粒和流體的哪些性質(zhì)會(huì)影響到顆粒所受到的流體阻力，怎么影響。16第二節(jié) 重力沉降第二節(jié)第二節(jié) 重力沉

6、降重力沉降本節(jié)的主要內(nèi)容 一、重力場(chǎng)中顆粒的沉降過程 二、沉降速度的計(jì)算 三、沉降分離設(shè)備17第二節(jié) 重力沉降一、重力場(chǎng)中顆粒的沉降過程假設(shè)球形顆粒粒徑為dP、質(zhì)量為m。沉速如何計(jì)算？浮力Fb重力Fg阻力（曳力）FD22uACFPDDgdFPb36（6.2.2）gdFPPg36（6.2.1）dtdumFFbg根據(jù)牛頓第二定律，顆粒將產(chǎn)生向下運(yùn)行的加速度 （6.2.3）18第二節(jié) 重力沉降達(dá)到平衡時(shí)：0DbgFFF0)2(4662233tPDPPPudCgdgdut顆粒終端沉降速度（terminal velocity） （1）層流區(qū)：ReP2 CD=24/ReP DPPtCgdu3)(4(6.2

7、.5)2181PPtgdu斯托克斯（Stokes）公式 (6.2.6)19第二節(jié) 重力沉降 （2）過渡區(qū)：2ReP103 （3）湍流區(qū)：103ReP，所以，所以由式（由式（6.2.6）得：）得： 26252700 9.8140 100.131818 1.81 10PPtgdu28第二節(jié) 重力沉降檢驗(yàn)：檢驗(yàn)：所以在層流區(qū)，與假設(shè)相符，計(jì)算正確。所以在層流區(qū)，與假設(shè)相符，計(jì)算正確。 （2）摩擦數(shù)群法 首先計(jì)算摩擦數(shù)群CDRep2 6540 100.13 1.205Re0.34621.81 10PtPd u3632225440 101.205 2700 9.814Re8.31331.81 10PPD

8、pdgC 3632225440 101.205 2700 9.814Re8.31331.81 10PPDpdgC 29第二節(jié) 重力沉降假設(shè)顆粒的球形度為1，則由CDRep2與Rep的關(guān)系曲線，可以查得Rep為0.32。因此，可得由于查圖得到的誤差較大，所以可以作為判斷顆粒沉降所處區(qū)域的依據(jù)，而的計(jì)算仍然采用式（6.2.6）56Re0.3 1.81 100.12540 101.205ptpud26252700 9.8140 100.131818 1.81 10PPtgdum/s m/s 30第二節(jié) 重力沉降（3）判據(jù)法計(jì)算 K 判據(jù)得所以可判斷沉降位于層流區(qū)，由斯托克斯公式，可得： 363225

9、40 109.81 1.205 27006.24361.81 10PPdgK 26252700 9.8140 100.131818 1.81 10PPtgdum/s 31第二節(jié) 重力沉降三、沉降分離設(shè)備水處理：平流沉淀池32第二節(jié) 重力沉降氣凈化：降塵室33第二節(jié) 重力沉降 沉淀池或降塵室工作過程示意圖凈化氣體凈化液體含塵氣體含懸浮物液體uibhdcl34第二節(jié) 重力沉降位于沉淀池（降塵室）最高點(diǎn)的顆粒沉降至池底需要的時(shí)間為 ： 流體通過沉淀池（降塵室）的時(shí)間為：為滿足除塵或懸浮物要求， t停t沉，即：上式為流體中直徑為dc的顆粒完全去除的條件。 thtu沉ivlVtuq停tVtVuqu lb

10、h35第二節(jié) 重力沉降本節(jié)思考題(1)簡要分析顆粒在重力沉降過程中的受力情況。(2)層流區(qū)顆粒的重力沉降速度主要受哪些因素影響。(3)影響層流區(qū)和湍流區(qū)顆粒沉降速度的因素有何不同，原因何在。(4)流體溫度對(duì)顆粒沉降的主要影響是什么。(5)列出你所知道的環(huán)境工程領(lǐng)域的重力沉降過程。(6)分析說明決定降塵室除塵能力的主要因素是什么。(7)通過重力沉降過程可以測(cè)定顆粒和流體的哪些物性參數(shù)，請(qǐng)你設(shè)計(jì)一些測(cè)定方法。36第三節(jié) 離心沉降第三節(jié)第三節(jié) 離心沉降離心沉降本節(jié)的主要內(nèi)容 一、離心力場(chǎng)中顆粒的沉降分析 二、旋流器工作原理 三、離心沉降機(jī)工作原理37第三節(jié) 離心沉降一、離心力場(chǎng)中顆粒的沉降分析一、離

11、心力場(chǎng)中顆粒的沉降分析浮力(向心力)Fb：慣性離心力Fc：顆粒與流體之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，顆粒還會(huì)受到來自流體的阻力（曳力）FD的作用。 CD與Re有關(guān) 2361rdFPb（6.3.2）23261rdmrFPPc（6.3.1）2242DDPuFCd r38第三節(jié) 離心沉降三個(gè)力的合力為：如果這三項(xiàng)力能達(dá)到平衡，du/dt=0，顆粒在此位置上的離心沉降速度：23221()642cbDPPDPFFFFudrCddumdt （6.3.3）DPPtcCrdu3)(42（6.3.4）重力沉降DPPtCgdu3)(439第三節(jié) 離心沉降離心沉降方向不是向下，而是向外，即背離旋轉(zhuǎn)中心。由于離心力隨旋轉(zhuǎn)半徑而變化

12、，致使離心沉降速度也隨粒徑所處的位置而變。離心沉降速度在數(shù)值上遠(yuǎn)大于重力沉降速度。 離心分離因素離心加速度與重力加速度的比值 Kc 大小可以人為調(diào)節(jié)。grKc2（6.3.5）40第三節(jié) 離心沉降 離心沉降分離設(shè)備有兩種型式：旋流器和離心沉降機(jī) 旋流器的特點(diǎn)：設(shè)備靜止，流體在設(shè)備中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)行而產(chǎn)生離心作用。Kc 一般在幾十?dāng)?shù)百 離心沉降機(jī)的特點(diǎn)：裝有液體混合物的設(shè)備本身高速旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)液體一起旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生離心作用。Kc可以高達(dá)數(shù)十萬。 41第三節(jié) 離心沉降二、旋流器工作原理二、旋流器工作原理 旋風(fēng)分離器：用于氣體非均相混合物分離 旋流分離器：用于液體非均相混合物分離（一）旋風(fēng)分離器 旋風(fēng)分離器在

13、工業(yè)上的應(yīng)用已有近百年的歷史。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，在環(huán)境工程領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。在大氣污染控制工程中，作為一種常用的除塵裝置，主要用于去除大氣中的粉塵，常稱為旋風(fēng)除塵器。42第三節(jié) 離心沉降1. 基本操作原理旋風(fēng)分離器中的慣性離心力是由氣體進(jìn)入口的切向速度ui產(chǎn)生的。離心加速度為rm2ui2/rm，其中rm為平均旋轉(zhuǎn)半徑。分離因數(shù)為：其大小為52500，一般可分離氣體中直徑為575m的粉塵。uimiPPmcrudmrF/61232grugrKmimc2243第三節(jié) 離心沉降2. 主要分離性能指標(biāo)臨界直徑、分離效率(1) 臨界直徑臨界直徑是指在旋風(fēng)分離器中能夠從氣體中全部分離出來的最小顆粒

14、的直徑，用dc表示。 三條假設(shè)三條假設(shè)： 氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，規(guī)則地在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)N圈后進(jìn)入排氣筒，旋轉(zhuǎn)的平均切線速度等于入口氣體速度ui。 44第三節(jié) 離心沉降 顆粒在筒內(nèi)與氣體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為層流。 顆粒在沉降過程中所穿過的氣流最大厚度等于進(jìn)氣口寬度B。公式推導(dǎo)根據(jù)顆粒離心沉降速度方程式，假設(shè)氣體密度顆粒密度P，相應(yīng)于臨界直徑dc的顆粒沉降速度為： micPPmPtruddru181812222（6.3.6）45第三節(jié) 離心沉降根據(jù)第三條假設(shè)，顆粒最大沉降時(shí)間為： 若氣體進(jìn)入排氣管之前在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為N，則運(yùn)行的距離為2rmN，故氣體在筒內(nèi)的停留時(shí)間為令t沉=t停，得：2218iPcmtud

15、BruBt沉（6.3.7）imuNrt2停（6.3.8）NuBdPic9（6.3.9）46第三節(jié) 離心沉降一般旋風(fēng)分離器以圓筒直徑D為參數(shù)，其它參數(shù)與D 成比例，B=D/4。D 增加，dc 增大，分離效率減少。(2) 分離效率總效率：指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部粉塵中被分離下來的粉塵的質(zhì)量分率。1， 2分別為旋風(fēng)分離器入出口氣體中的總含塵量1201100%（6.3.10）47第三節(jié) 離心沉降粒級(jí)效率：表示進(jìn)入旋風(fēng)分離器的粒徑為di的顆粒被分離下來的質(zhì)量分率。 總效率與粒級(jí)效率之間的關(guān)系：xi為粒徑di的顆粒占總顆粒的質(zhì)量分率 總效率：表示旋風(fēng)分離器的分離效果，總的除塵效果。但并不能準(zhǔn)確地代表旋風(fēng)分離

16、器的分離效率。121100%iiii（6.3.11）0miix48第三節(jié) 離心沉降 總效率相同的兩臺(tái)旋風(fēng)分離器，其分離性能卻可能相差很大。 粒級(jí)效率更準(zhǔn)確地表示旋風(fēng)分離器的分離效率。粒級(jí)效率曲線：粒級(jí)效率與顆粒粒徑的關(guān)系49第三節(jié) 離心沉降例 6.3.1已知某標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器的圓筒部分直徑D=400 mm，入口高度hi=D/2，入口寬度B=D/4，氣體在旋風(fēng)器內(nèi)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為N=5，分離氣體的體積流量為1000 m3/h，氣體的密度為0.6 kg/m3，黏度為3.010-5Pas，氣體中粉塵的密度為4500 kg/m3，求旋風(fēng)分離器能夠從氣體中分離出粉塵的臨界直徑。 解：氣體的入口速度（平均切線

17、速度）為 1000360013.90.2 0.1ViiquBhm/s 50第三節(jié) 離心沉降將=3.010-5Pas，B=0.1m，N=5，P=4500 kg/m3，ui=13.9 m/s，代入式（6-3-9），得檢驗(yàn)： 569 3 100.15.2 105 13.9 4500cd m=5.2m 30.1528mDBrDm2622255.2 104500 13.90.291818 3 100.15cPitmduur m/s 655.2 100.29 0.6Re0.0323 10ctPd u51第三節(jié) 離心沉降（二）旋流分流器旋流分離器用于分離懸浮液，在結(jié)構(gòu)和操作原理上與旋風(fēng)分離器類似。 旋流分離

18、器的特點(diǎn)： 形狀細(xì)長，直徑小，圓錐部分長，有利于顆粒分離。 中心經(jīng)常有一個(gè)處于負(fù)壓的氣柱，有利提高分離效果。在水處理中，旋流分離器又稱為水力旋流器，可用于高濁水泥沙的分離、暴雨徑流泥沙分離、礦廠廢水礦渣的分離等。 52第三節(jié) 離心沉降三、離心沉降機(jī)工作原理三、離心沉降機(jī)工作原理根據(jù)離心沉降機(jī)的分離因素 Kc 的大小，離心機(jī)可分為： 常速離心機(jī)：Kc3000 高速離心機(jī)：3000Kc5000053第三節(jié) 離心沉降離心機(jī)工作原理示意圖 r2rr1hui懸浮液懸浮液54第三節(jié) 離心沉降離心沉降機(jī)主要用于懸浮液的固液分離。在離心沉降機(jī)中離心力是靠設(shè)備本身的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。假設(shè)某一粒徑為dc的顆粒的臨界沉

19、降軌跡如圖所示。dc 為可以完全分離的最小顆粒粒徑。23261rdmrFPPcui55第三節(jié) 離心沉降假設(shè)層流，在距離中心為r處的顆粒的沉降速度為：顆粒在筒內(nèi)的沉降時(shí)間為從r1到r2所需的時(shí)間，對(duì)上式進(jìn)行積分。2218)(rddtdruPctrdrddtPc22)(18（6.3.14）1222ln)(18rrdtPc沉（6.3.15）56第三節(jié) 離心沉降流體在筒內(nèi)的停留時(shí)間t停為：式中： qV為懸浮液的體積流量（m3/s）。令 t沉t停 2221()iVrrhhtuq停（6.3.16）222221118ln()()VcPqrdhrrr （6.3.17）57第三節(jié) 離心沉降例6.3.3 密度為2

20、000 kg/m3，直徑為40m的球狀顆粒在20的水中沉降，求在半徑為5cm，轉(zhuǎn)速為1000 r/min的離心機(jī)中的沉降速度。解：20水的物性參數(shù)如下：密度為998.2 kg/m3，黏度為1.005 mPas。離心機(jī)的角速度為： 假設(shè)沉降位于層流區(qū)，根據(jù)斯托克斯公式4.8410-2m/s 1000 233.360rad/s 2262232000998.20.0533.340 101818 1.005 10PPtrdu58第三節(jié) 離心沉降 檢驗(yàn)：所以假設(shè)正確，顆粒的離心沉降速度為： ut=4.8410-2 m/s 。同時(shí)，顆粒在重力中的沉降速度為62340 104.84 10998.21.921

21、.005 10PtePd uRm/s1068. 81842pptgdu7 .552grKc59第三節(jié) 離心沉降本節(jié)思考題(1) 簡要分析顆粒在離心沉降過程中的受力情況。(2) 比較離心沉降和重力沉降的主要區(qū)別。(3) 同一顆粒的重力沉降和離心沉降速度的關(guān)系如何。(4) 簡要說明旋風(fēng)分離器的主要分離性能指標(biāo)。(5) 標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器各部位尺寸有什么關(guān)系。(6) 旋風(fēng)分離器和旋流分離器特點(diǎn)有何不同。(7) 離心沉降機(jī)和旋流分離器的主要區(qū)別是什么。(8) 在環(huán)境工程領(lǐng)域有哪些離心沉降過程。60第四節(jié) 其它沉降第四節(jié)第四節(jié) 其它沉降其它沉降本節(jié)的主要內(nèi)容一、電沉降 二、慣性沉降61第四節(jié) 其它沉降一、電沉降一、電沉降在電場(chǎng)中，荷電顆粒將會(huì)受到靜電力Fe的作用： q顆粒的荷