第6章环境工程原理沉降

1第II篇分离过程原理仲恺农业技术学院环境科学与工程系环2第II篇分离过程原理为什么要学习分离过程？在环境领域哪些问题涉及分离过程？分离都有什么手段？本篇主要讲授内容？3第II篇分离过程原理问题的出现？自然界是混合体系。在生活和生产过程中常常会遇到对混合体系中的物质进行分离的问题。在环境污染防治领域，研究对象都是混合体系（非均相和均相）混合体系4第II篇分离过程原理分离在环境污染防治中的作用将污染物与污染介质或其他污染物分离开来，从而达到去除污染物或回收利用的目的。如在给水处理中需要从水源水中分离去除各种浊度物质、细菌等。在废气净化中，也需要分离废气中的粉尘等。5第II篇分离过程原理分离过程的分类？机械分离：非均相混合体系（两相以上所组成的混合物）传质分离：均相混合体系平衡分离过程（借助分离媒介，如溶剂或吸附剂等，使均相混合体系变成两相系统）速率分离过程（在某种推动力下，利用各组分扩散速率的差异实现组分分离）6第II篇分离过程本篇的主要内容第六章沉降第七章过滤第八章吸收第九章吸附第十章其他分离过程7第六章沉降第六章沉降本章主要内容第一节沉降分离的基本概念第二节重力沉降第三节离心沉降第四节其他沉降8第一节沉降分离的基本概念第一节沉降分离的基本概念本节的主要内容一、沉降分离的一般原理和类型二、流体阻力与阻力系数9第一节沉降分离的基本概念一、沉降分离的一般原理和类型相对运动流体：液体气体固体颗粒物液珠重力场离心力场电场惯性力场沉降表面：器底、器壁或其他表面重力沉降离心沉降电沉降惯性沉降扩散沉降10第一节沉降分离的基本概念沉降过程类型与作用力沉降过程作用力特征重力沉降重力沉降速度小，适用于较大颗粒分离离心沉降离心力适用于不同大小颗粒的分离电沉降电场力带电微细颗粒（0.1m）的分离惯性沉降惯性力适用于10~20m以上粉尘的分离扩散沉降热运动微细粒子（0.01m）的分离11第一节沉降分离的基本概念水与废水处理：各种颗粒物（无机砂粒、有机絮体……）的沉降比重较小絮体的上浮油珠的上浮气体净化：粉尘、液珠……12第一节沉降分离的基本概念二、流体阻力与阻力系数当某一颗粒在不可压缩的连续流体中做稳定运行时，颗粒会受到来自流体的阻力。该阻力由两部分组成：形状阻力和摩擦阻力。流体阻力的方向与颗粒物在流体中运动的方向相反，其大小与流体和颗粒物之间的相对运动速度u、流体的密度、黏度以及颗粒物的大小、形状有关。对于非球形颗粒物，这种关系非常复杂。13第一节沉降分离的基本概念对于球形颗粒，流体阻力的计算方程：(Re)DPCfPPudRe…颗粒的雷诺数CD：阻力系数，是雷诺数的函数。AP：颗粒的投影面积22DDPuFCA（6.1.10）（6.1.11）14第一节沉降分离的基本概念层流区过渡区湍流区15第一节沉降分离的基本概念本节思考题简述沉降分离的原理、类型和各类型的主要特征。简要说明环境工程领域哪些处理单元涉及沉降分离过程。颗粒的几何特性如何影响颗粒在流体中受到的阻力。不同流态区，颗粒受到的流体阻力不同的原因是什么。颗粒和流体的哪些性质会影响到颗粒所受到的流体阻力，怎么影响。16第二节重力沉降第二节重力沉降本节的主要内容一、重力场中颗粒的沉降过程二、沉降速度的计算三、沉降分离设备17第二节重力沉降一、重力场中颗粒的沉降过程假设球形颗粒粒径为dP、质量为m。沉速如何计算？浮力Fb重力Fg阻力（曳力）FD22uACFPDDgdFPb36（6.2.2）gdFPPg36（6.2.1）dtdumFFbg根据牛顿第二定律，颗粒将产生向下运行的加速度（6.2.3）18第二节重力沉降达到平衡时：0DbgFFF0)2(4662233tPDPPPudCgdgdut——颗粒终端沉降速度（terminalvelocity）（1）层流区：ReP2CD=24/RePDPPtCgdu3)(4(6.2.5)2181PPtgdu斯托克斯（Stokes）公式(6.2.6)19第二节重力沉降（2）过渡区：2ReP103（3）湍流区：103ReP2105CD=0.446.0Re)(27.0PPPtgdu……艾仑(Allen)公式PPtgdu)(74.1……牛顿（Newton）公式6.0Re5.18PDC（6.2.7）（6.2.8）20第二节重力沉降上述式子有何意义？了解影响颗粒沉速的因素（颗粒粒径……）在已知的颗粒粒径条件下求沉降速度由颗粒沉降速度求颗粒粒径……水处理中的沉降实验由颗粒沉降速度求液体黏度……落球法测定黏度21第二节重力沉降二、沉降速度的计算1.试差法假设沉降属于某一区域——计算颗粒沉速——按求出的颗粒沉降速度ut计算ReP，验证ReP是否在所属的假设区域。如果在，假设正确；否则，需要重新假设和试算。2.磨擦数群法CD与ReP的关系曲线中，由于两坐标都含有未知数ut，进行适当的转换，使其两坐标之一变成不包含ut的已知数群，则可以直接求解ut。22第二节重力沉降将颗粒沉速计算式（6.2.5)进行变换得到CD计算式：ReP2ReP223)(4tPPDugdCtPPudReCD与ReP的关系曲线转换成CDReP2与ReP的关系曲线。3224()Re3PPDPdgC（6.2.9）不包含沉降速度ut的摩擦数群。无因次，也是ReP的函数。23第二节重力沉降24第二节重力沉降由颗粒直径计算沉降速度由颗粒直径和其他参数，计算摩擦数群。由左图CDReP2－ReP的关系曲线，查出相应的ReP值。如何由沉降速度计算颗粒直径？根据ReP的定义反算出utPPtduRe（6.2.10）25第二节重力沉降3.无因次判据K用K判别沉降属于什么区域？层流区：上限是ReP＝236K（6.2.11）218118Re232ppppptppgdgddud26第二节重力沉降紊流区：下限是ReP为100032()Re1.74()1.741.741000PPPPPPddgdgK5103.3K（6.2.12）K27第二节重力沉降例6.2.1：求直径为40m，密度为2700kg/m3的固体颗粒在20℃的常压空气中的自由沉降速度。已知20℃，常压状态下空气密度为1.205kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s。解：（1）试差法假设颗粒的沉降处于层流区，并且由于p，所以由式（6.2.6）得：262527009.8140100.1318181.8110PPtgdu28第二节重力沉降检验：所以在层流区，与假设相符，计算正确。（2）摩擦数群法首先计算摩擦数群CDRep26540100.131.205Re0.34621.8110PtPdu3632225440101.20527009.814Re8.31331.8110PPDpdgC3632225440101.20527009.814Re8.31331.8110PPDpdgC29第二节重力沉降假设颗粒的球形度为1，则由CDRep2与Rep的关系曲线，可以查得Rep为0.32。因此，可得由于查图得到的误差较大，所以可以作为判断颗粒沉降所处区域的依据，而的计算仍然采用式（6.2.6）56Re0.31.81100.12540101.205ptpud262527009.8140100.1318181.8110PPtgdum/sm/s30第二节重力沉降（3）判据法计算K判据得所以可判断沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：36322540109.811.20527006.24361.8110PPdgK262527009.8140100.1318181.8110PPtgdum/s31第二节重力沉降三、沉降分离设备水处理：平流沉淀池32第二节重力沉降气净化：降尘室33第二节重力沉降沉淀池或降尘室工作过程示意图净化气体净化液体含尘气体含悬浮物液体uibhdcl34第二节重力沉降位于沉淀池（降尘室）最高点的颗粒沉降至池底需要的时间为：流体通过沉淀池（降尘室）的时间为：为满足除尘或悬浮物要求，t停t沉，即：上式为流体中直径为dc的颗粒完全去除的条件。thtu沉ivlVtuq停tVtVuqulbh35第二节重力沉降本节思考题(1)简要分析颗粒在重力沉降过程中的受力情况。(2)层流区颗粒的重力沉降速度主要受哪些因素影响。(3)影响层流区和湍流区颗粒沉降速度的因素有何不同，原因何在。(4)流体温度对颗粒沉降的主要影响是什么。(5)列出你所知道的环境工程领域的重力沉降过程。(6)分析说明决定降尘室除尘能力的主要因素是什么。(7)通过重力沉降过程可以测定颗粒和流体的哪些物性参数，请你设计一些测定方法。36第三节离心沉降第三节离心沉降本节的主要内容一、离心力场中颗粒的沉降分析二、旋流器工作原理三、离心沉降机工作原理37第三节离心沉降一、离心力场中颗粒的沉降分析浮力(向心力)Fb：惯性离心力Fc：颗粒与流体之间产生相对运动，颗粒还会受到来自流体的阻力（曳力）FD的作用。CD与Re有关2361rdFPb（6.3.2）23261rdmrFPPc（6.3.1）2242DDPuFCdr38第三节离心沉降三个力的合力为：如果这三项力能达到平衡，du/dt=0，颗粒在此位置上的离心沉降速度：23221()642cbDPPDPFFFFudrCddumdt（6.3.3）DPPtcCrdu3)(42（6.3.4）重力沉降DPPtCgdu3)(439第三节离心沉降离心沉降方向不是向下，而是向外，即背离旋转中心。由于离心力随旋转半径而变化，致使离心沉降速度也随粒径所处的位置而变。离心沉降速度在数值上远大于重力沉降速度。离心分离因素离心加速度与重力加速度的比值Kc大小可以人为调节。grKc2（6.3.5）40第三节离心沉降离心沉降分离设备有两种型式：旋流器和离心沉降机旋流器的特点：设备静止，流体在设备中作旋转运行而产生离心作用。Kc一般在几十～数百离心沉降机的特点：装有液体混合物的设备本身高速旋转并带动液体一起旋转，从而产生离心作用。Kc可以高达数十万。41第三节离心沉降二、旋流器工作原理旋风分离器：用于气体非均相混合物分离旋流分离器：用于液体非均相混合物分离（一）旋风分离器旋风分离器在工业上的应用已有近百年的历史。旋风分离器结构简单、操作方便，在环境工程领域也应用广泛。在大气污染控制工程中，作为一种常用的除尘装置，主要用于去除大气中的粉尘，常称为旋风除尘器。42第三节离心沉降1.基本操作原理旋风分离器中的惯性离心力是由气体进入口的切向速度ui产生的。离心加速度为rm2＝ui2/rm，其中rm为平均旋转半径。分离因数为：其大小为5～2500，一般可分离气体中直径为5～75m的粉尘。uimiPPmcrudmrF/61232grugrKmimc2243第三节离心沉降2.主要分离性能指标临界直径、分离效率(1)临界直径临界直径是指在旋风分离器中能够从气体中全部分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。①三条假设：气体进入旋风分离器后，规则地在筒内旋转N圈后进入排气筒，旋转的平均切线速度等于入口气体速度ui。44第三节离心沉降颗粒在筒内与气体之间的相对运动为层流。颗粒在沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进气口宽度B。②公式推导根据颗粒离心沉降速度方程式，假设气体密度颗粒密度P，相应于临界直径dc的颗粒沉降速度为：micPPmPtru