環(huán)境工程原理：第6章 沉降

1、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？第第II篇篇 分離過程原理分離過程原理混合體系 自然界是混合體系。在生活和生產(chǎn)過程中常常會遇到對混合體系中的物質(zhì)進(jìn)行分離的問題。 在環(huán)境污染防治領(lǐng)域，研究對象都是混合體系（非均相和均相）第第II篇篇 分離過程原理分離過程原理問題的出現(xiàn)？ 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。 分離在環(huán)境污染防治中的作用第第II篇篇 分離過程原理

2、分離過程原理 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：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（在某種推動力下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實現(xiàn)組分分離）分離過程的分類？第第II篇篇 分離過程原理分離過程原理第六章 沉降第七章 過濾第八章 吸收第九章 吸附第十章 其他分離過程第第II篇篇 分離過程原理分離過程原理本篇的主要內(nèi)容第六章 沉 降 第六章 沉降 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) 離心沉降第四節(jié) 其他沉降本章主要內(nèi)容第一節(jié) 沉降分離的基本概念 一、沉降分離的一般原理和類型二、流體阻力與阻力系

3、數(shù)本節(jié)的主要內(nèi)容一、沉降分離的一般原理和類型 相對運(yùn)動流體：液體氣體固體顆粒物液珠重力場離心力場電場慣性力場沉降表面：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)散沉降第一節(jié) 沉降分離的基本概念 沉降過程作用力特 征重力沉降離心沉降電沉降慣性沉降擴(kuò)散沉降重力離心力電場力慣性力熱運(yùn)動沉降速度小，適用于較大顆粒分離適用于不同大小顆粒的分離帶電微細(xì)顆粒（0.1m）的分離適用于1020m以上粉塵的分離微細(xì)粒子（0.01m）的分離沉降過程類型與作用力 第一節(jié) 沉降分離的基本概念 在環(huán)境領(lǐng)域沉降原理如何利用？ 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

4、化：粉塵、液珠第一節(jié) 沉降分離的基本概念 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，顆粒會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)動的方向相反，其大小與流體和顆粒物之間的相對運(yùn)動速度u、流體的密度、黏度以及顆粒物的大小、形狀有關(guān)。 對于非球形顆粒物，這種關(guān)系非常復(fù)雜。 第一節(jié) 沉降分離的基本概念 對于球形顆粒，流體阻力的計算方程： (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：顆粒的投影面積第一節(jié) 沉降分離的基本概念 22DDPuFC A（6.1.10）（6.1.11）層流區(qū)

5、層流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)第一節(jié) 沉降分離的基本概念 第一節(jié) 反應(yīng)器與反應(yīng)操作(1)簡述沉降分離的原理、類型和各類型的主要特征。(2)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。(3)顆粒的幾何特性如何影響顆粒在流體中受到的阻力。(4)不同流態(tài)區(qū)，顆粒受到的流體阻力不同的原因是什么。(5)顆粒和流體的哪些性質(zhì)會影響到顆粒所受到的流體阻 力，怎么影響。本節(jié)思考題一、重力場中顆粒的沉降過程 二、沉降速度的計算三、沉降分離設(shè)備本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié) 重力沉降一、重力場中顆粒的沉降過程 浮力Fb重力Fg假設(shè)球形顆粒粒徑為dP、質(zhì)量為m。沉速如何計算？ 阻力（曳力）FD22uACFPDD第二節(jié)

6、 重力沉降gdFPb36（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）達(dá)到平衡時：0DbgFFF0)2(4662233tPDPPPudCgdgdut顆粒終端沉降速度（terminal velocity） （1）層流區(qū)：ReP2 CD=24/ReP DPPtCgdu3)(4(6.2.5)第二節(jié) 重力沉降2181PPtgdu斯托克斯（Stokes）公式 (6.2.6)（2）過渡區(qū)：2ReP103 6 . 0Re)(27. 0PPPtgdu艾侖(Allen)公式 PPtgdu)(74. 1（3）湍流區(qū)：103ReP2105

7、CD = 0.44牛頓（Newton）公式 6 . 0Re5 .18PDC第二節(jié) 重力沉降（6.2.7）（6.2.8） 了解影響顆粒沉速的因素（顆粒粒徑） 在已知的顆粒粒徑條件下求沉降速度 由顆粒沉降速度求顆粒粒徑水處理中的沉降實驗 由顆粒沉降速度求液體黏度 落球法測定黏度上述式子有何意義？第二節(jié) 重力沉降1.試差法 假設(shè)沉降屬于某一區(qū)域計算顆粒沉速按求出的顆粒沉降速度ut計算ReP，驗證ReP是否在所屬的假設(shè)區(qū)域。如果在，假設(shè)正確；否則，需要重新假設(shè)和試算。2. 磨擦數(shù)群法 CD與ReP的關(guān)系曲線中，由于兩坐標(biāo)都含有未知數(shù)ut， 進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，使其兩坐標(biāo)之一變成不包含ut的已知數(shù)群，則可以

8、直接求解ut。 二、沉降速度的計算第二節(jié) 重力沉降將顆粒沉速計算式（6.2.5)進(jìn)行變換得到CD計算式：ReP2 ReP223)(4tPPDugdCtPPudRe3224()Re3PPDPdgC 不包含沉降速度ut的摩擦數(shù)群。無因次，也是ReP的函數(shù)。 CD與ReP的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換成CDReP2與ReP的關(guān)系曲線。 第二節(jié) 重力沉降（6.2.9）CDReP2CDReP1（不包含顆粒直徑的摩擦群數(shù)）由顆粒直徑和其他參數(shù)，計算摩擦數(shù)群。 由左圖CDReP2ReP的關(guān)系曲線，查出相應(yīng)的ReP值。 如何由沉降速度計算顆粒直徑？ 由顆粒直徑計算沉降速度 第二節(jié) 重力沉降根據(jù)ReP的定義反算出ut PPtd

9、uRe（6.2.10）32()Re1.74()1.741.741000PPPPPPddgdgK 232()Re18()1218PPtPPPpPduddgdg 3. 無因次判據(jù)K用K判別沉降屬于什么區(qū)域？層流區(qū)：上限是ReP2 紊流區(qū)：下限是ReP為1000 第二節(jié) 重力沉降36K （6.2.11）5103 . 3K（6.2.12）第二節(jié) 重力沉降第二節(jié) 重力沉降第二節(jié) 重力沉降（3）判據(jù)法 計算K判據(jù)得 36322540 109.81 1.205 27006.24361.81 10PPd gK 所以可判斷沉降位于層流區(qū)，由斯托克斯公式，可得： 26252700 9.8140 100.13181

10、8 1.81 10PPtgdum/s 水處理：平流沉淀池氣凈化：降塵室三、沉降分離設(shè)備第二節(jié) 重力沉降凈化氣體凈化液體含塵氣體含懸浮物液體uilbh沉淀池或降塵室工作過程示意圖dc位于沉淀池（降塵室）最高點(diǎn)的顆粒沉降至池底需要的時間為 ： 流體通過沉淀池（降塵室）的時間為: 為滿足除塵或懸浮物要求， t停t沉即：tVtVuqu lbh流體中直徑為dc的顆粒完全去除的條件。 第二節(jié) 重力沉降thtu沉ivlVtuq停(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)流體溫度對顆粒沉降

11、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。本節(jié)思考題第二節(jié) 重力沉降(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定顆粒和流體的哪些物性參數(shù)，請你設(shè)計一些測定方法。本節(jié)思考題第二節(jié) 重力沉降第三節(jié) 離心沉降 一、離心力場中顆粒的沉降分析 二、旋流器工作原理三、離心沉降機(jī)工作原理本節(jié)的主要內(nèi)容一、離心力場中顆粒的沉降分析 r顆粒與流體之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，顆粒還會受到來自流體的阻力（曳力）FD的作用。 CD與Re有關(guān) 2242DDPuFCd第三節(jié) 離心沉降 浮力(向心力)Fb2361rdFPb（6.3.2）慣性離心力Fc23261rdmrFPP

12、c（6.3.1）gdFPb36gdFPPg36如果這三項力能達(dá)到平衡du/dt=0 重力沉降DPPtCgdu3)(4 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，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。23221()642cbDPPDPFFFFudrCddumdt（6.3.3）DPPtcCrdu3)(42顆粒在此位置上的離心沉降速度： （6.3.4）第三節(jié) 離心沉降 離心加速度與重力加速度的比值（離心分離因數(shù)）Kc grKc2大小可以人為調(diào)節(jié)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

13、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。 第三節(jié) 離心沉降 （6.3.5）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。 二、旋流器工作原理第三節(jié) 離心沉降 第三節(jié) 離心沉降 1. 基本操作原理 ui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)

14、生的。 miPPmcrudmrF/61232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。 grugrKmimc222. 主要分離性能指標(biāo)表示旋風(fēng)分離器的分離性能的主要指標(biāo)有臨界直徑和分離效率。(1) 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的直徑，用dc表示。分離器能夠分離器能夠100100除去的最小粒徑除去的最小粒徑。為分析簡單，對氣體和顆粒在筒內(nèi)的運(yùn)動作如下假設(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。 顆粒在筒內(nèi)與氣體之間的相對

15、運(yùn)動為層流。顆粒的沉降運(yùn)動服顆粒的沉降運(yùn)動服從斯托克斯定律從斯托克斯定律 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。進(jìn)入分離器進(jìn)入分離器顆粒顆粒在器內(nèi)按入口形狀在器內(nèi)按入口形狀( (即寬度為即寬度為B)B)沿圓筒旋轉(zhuǎn)沿圓筒旋轉(zhuǎn) N N圈，沉降距離為圈，沉降距離為B B，即由內(nèi)旋轉(zhuǎn)半徑，即由內(nèi)旋轉(zhuǎn)半徑r r(0.5D-B)(0.5D-B)沉降到沉降到0 0.5D D處處； 第三節(jié) 離心沉降 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根據(jù)假設(shè)，顆粒最大沉降時間為： 2218iPcmtudBru

16、Bt沉第三節(jié) 離心沉降 （6.3.6）（6.3.7）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)的停留時間為 imuNrt2停一般旋風(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。第三節(jié) 離心沉降 （6.3.8）令t沉=t停，得： NuBdPic9（6.3.9）顯然顯然, dc愈小愈小, 分離效率愈高。采用若干個小旋風(fēng)分離器并聯(lián)操作分離效率愈高。采用若干個小旋風(fēng)分離器并聯(lián)操作(稱旋風(fēng)分離器組稱旋風(fēng)分離器組)、降低氣體溫度（減小粘度、降低氣體溫度（減小粘度）、適當(dāng)提高入）、適當(dāng)提高入口氣速，均有利于提高分離效率。口氣速，

17、均有利于提高分離效率。0miix總效率與粒級效率之間的關(guān)系：xmi為粒徑di的顆粒占總顆粒的質(zhì)量分率 (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)分離器入口和出口氣體中的總含塵量 1201100%（6.3.10）粒級效率：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。 121100%iiii（6.3.11）第三節(jié) 離心沉降 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)分離器的分離效率?？傂氏嗤膬膳_旋風(fēng)分離器，其分離性能卻可能相差很大。粒級效率更能準(zhǔn)確地表示旋風(fēng)分離器的分離效率。粒級效率曲線：粒級效率與

18、顆粒粒徑的關(guān)系(見p227228)第三節(jié) 離心沉降 第三節(jié) 離心沉降 第三節(jié) 離心沉降 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。 （二）旋流分流器第三節(jié) 離心沉降 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：(1)常速離心機(jī)：Kc3000 (2)高速離心機(jī)：3000Kc50000第三節(jié) 離心沉降 r2rr1h離心機(jī)工作原理示意

19、圖 ui懸浮液懸浮液第三節(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)層流，在距離中心為r處的顆粒的沉降速度為：23261rdmrFPPcui假設(shè)某一粒徑為dc的顆粒的臨界沉降軌跡如圖所示。dc 為可以完全分離的最小顆粒粒徑。第三節(jié) 離心沉降 2218)(rddtdruPctrdrddtPc22)(18（6.3.14）1222ln)(18rrdtPc沉又，流體在筒內(nèi)的停留時間t停為式中qV為懸浮液的體積流量（m3/s）。令t沉t停 顆粒在筒內(nèi)的沉降時間為從r1到r2所需的時間，對上式進(jìn)行積分。 2221()iVrrhhtuq停222221

20、118ln()()VcPqrdhrrr 第三節(jié) 離心沉降 （6.3.15）（6.3.16）（6.3.17）第三節(jié) 離心沉降 第三節(jié) 離心沉降 (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。本節(jié)思考題第三節(jié) 離心沉降 (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。本節(jié)思考題第三節(jié) 離心沉降 一、電沉降 二、慣性沉降本節(jié)的主要內(nèi)容第四節(jié) 其它沉降如果電場強(qiáng)度很強(qiáng)，重力或慣性力可以忽略不計，荷電顆粒所受的作用力主要是靜電力和流體阻力。當(dāng)在層流條件下，應(yīng)用(6.1.10)和(6.1.1