第06章沉降

第II篇分离过程原理•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。分离在环境污染防治中的作用第II篇分离过程原理第六章沉降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第II篇分离过程原理本篇的主要内容第六章沉降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本章主要内容一、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第一节沉降分离的基本概念沉降过程作用力特征重力沉降离心沉降电沉降惯性沉降扩散沉降重力离心力电场力惯性力热运动沉降速率小，适用于较大颗粒分离适用于不同大小颗粒的分离带电微细颗粒（0.1m）的分离适用于10～20m以上粉尘的分离微细粒子（0.01m）的分离沉降过程类型与作用力第一节沉降分离的基本概念在环境领域沉降原理如何利用？•水与废水处理：各种颗粒物（无机砂粒、有机絮体……）的沉降密度较小絮体的上浮油珠的上浮•气体净化：粉尘、液珠……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。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：DP()CfRePPudRe颗粒的雷诺数CD:阻力系数，是雷诺数的函数。AP：颗粒的投影面积第一节沉降分离的基本概念2DDP2uFCA（6.1.10）（6.1.11）（一）单颗粒的几何特性参数1、颗粒的当量直径1）等体积当量直径：deV2）等表面积当量直径：deS1）等比表面积当量直径：dea2、颗粒的形状系数例题•石英的密度为2650kg/m3，求与直径为1mm石英球形颗粒等体积的正方体石英颗粒的球形度ψ。•颗粒球形度ψ=与非球形颗粒体积相同的球形颗粒的表面积非球形颗粒表面积层流区过渡区湍流区第一节沉降分离的基本概念2468一、重力场中颗粒的沉降过程二、沉降速度的计算三、沉降分离设备本节的主要内容第二节重力沉降一、重力场中颗粒的沉降过程浮力Fb重力Fg假设球形颗粒粒径为dP、质量为m。沉速如何计算？阻力（曳力）FD2DDP2uFCA第二节重力沉降3bPπ6Fdg（6.2.2）3gPPπ6Fdg（6.2.1）gbdduFFmt根据牛顿第二定律，颗粒将产生向下运行的加速度（6.2.3）阻力FD达到平衡时：gbD0FFF2332tPPPDPπππ()06642udgdgCdut——颗粒终端沉降速度（terminalvelocity）（1）层流区：ReP2CD=24/RePPPtD4()3dguC(6.2.5)第二节重力沉降2PtP118ugd斯托克斯（Stokes）公式(6.2.6)（2）过渡区：2ReP1030.6PPPt()0.27gdReu艾仑(Allen)公式PPt()1.74gdu（3）湍流区：103ReP2105CD=0.44牛顿（Newton）公式D0.6P18.5CRe第二节重力沉降（6.2.7）（6.2.8）二、沉降速度的计算1.试差法2.摩擦数群法3.无因次判据K第二节重力沉降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.摩擦数群法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。二、沉降速度的计算第二节重力沉降CDRe2PCDReP－1（不包含颗粒直径的摩擦数群）由颗粒直径和其他参数，计算摩擦数群。由左图-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？由颗粒直径计算沉降速度第二节重力沉降根据ReP的定义反算出utPtPReud（6.2.10）2DPCRe32PPDP24()Re3dgCPPPP3PP2()1.74()1.741.741000ddgRedgK2PtPPPP3PP2()18()1218duddgRedg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＝2湍流区：下限是ReP为1000第二节重力沉降36K（6.2.11）5103.3K（6.2.12）例题6.2.2，最大值最小值的问题水处理：平流沉淀池气净化：降尘室三、沉降分离设备第二节重力沉降净化气体净化液体含尘气体含悬浮物液体uilbh沉淀池或降尘室工作过程示意图dc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：ttVVuqulbh流体中直径为dc的颗粒完全去除的条件。第二节重力沉降thtu沉iVlVtuq停第三节离心沉降一、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本节的主要内容一、离心力场中颗粒的沉降分析r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22DDPπ42uFCd第三节离心沉降浮力(向心力)Fb32bP1π6Fdr（6.3.2）惯性离心力Fc232cPP1π6Fmrdr（6.3.1）如果这三项力能达到平衡du/dt=0重力沉降PPtD4()3dguC•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。•离心沉降速率在数值上远大于重力沉降速率。cbD2322PPDP1ππ()642ddFFFFudrCdumt（6.3.3）2PPtcD4()3druC颗粒在此位置上的离心沉降速度：（6.3.4）第三节离心沉降离心加速度与重力加速度的比值（离心分离因素）Kc2crKg大小可以人为调节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一般在几十到数百之间。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。第三节离心沉降（6.3.5）•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。二、旋流器工作原理第三节离心沉降(一）旋风分离器第三节离心沉降1.基本操作原理ui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。232cmPPim1π/6Fmrdur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。22mcmiurKgrg2.主要分离性能指标表示旋风分离器的分离性能的主要指标有临界直径和分离效率。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。为分析简单，对气体和颗粒在筒内的运动作如下假设：①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。②颗粒在筒内与气体之间的相对运动为层流。③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。第三节离心沉降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：2222PciPtmPm11818duurdr根据假设③，颗粒最大沉降时间为：m22tcP18irBBtudu沉第三节离心沉降（6.3.6）（6.3.7）所穿过的气流最大厚度若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为N，则运行的距离为2rmN，故气体在筒内的停留时间为mi2πrNtu停一般旋风分离器以圆筒直径D为参数，其他参数与D成比例，B=D/4。D增加，dc增大，分离效率减少。第三节离心沉降（6.3.8）t沉≤t停，得：ciP9πBduN（6.3.9）完全去除的最小颗粒粒径：0miix总效率与粒级效率之间的关系：xi为粒径di的颗粒占总颗粒的质量分数2)分离效率（1）总效率：指进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分数。1，2分别为旋风分离器入口和出口气体中的总含尘量1201100%（6.3.10）（2）粒级效率：表示进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的质量分数。i1i2ii1100%（6.3.11）第三节离心沉降总效率表示旋风分离器的分离效果，总的除尘效果。但并不能准确地代表旋风分离器的分离效率。总效率相同的两台旋风分离器，其分离性能却可能相差很大。粒级效率更能准确地表示旋风分离器的分离效率。粒级效率曲线：粒级效率与颗粒粒径的关系第三节离心沉降第三节离心沉降【例题6.3.1】已知某标准型旋风分离器的圆筒部分直径D=400mm，入口高度hi=D/2，入口宽度B=D/4，气体在旋风器内旋转的圈数为N=5，分离气体的体积流量为1000m3/h，气体的密度为0.6kg/m3，黏度为3.0×10-5Pa·s，气体中粉尘的密度为4500kg/m3，求旋风分离器能够从气体中分离出粉尘的临界直径。解：气体的入口速度（平均切线速度）为ii1000360013.90.20.1VquBhm/s将μ=3.0×10-5Pa·s，B=0.1m，N=5，ρP=4500kg/m3，ui=13.9m/s，代入式（6.3.9），得56c93100.15.210π513.94500dm5.2m【例题6.3.1】已知某标准型旋风分离器的圆筒部分直径D=400mm，入口高度hi=D/2，入口宽度B=D/4，气体在旋风器内旋转的圈数为N=5，分离气体的体积流量为1000m3/h，气体的密度为0.6kg/m3，黏度为3.0×10-5Pa·s，气体中粉尘的密度为4500kg/m3，求旋风分离器能够从气体中分离出粉尘的临界直径。解：气体的入口速度（平均切线速度）为ii1000360013.90.20.1VquBhm/s将μ=3.0×10-5Pa·s，B=0.1m，N=5，ρP=4500kg/m3，ui=13.9m/s，代入式（6.3.9），得56c93100.15.210π513.94500dm5.2mciP9πBduN【例题6.3.1】已知某标准型旋风分离器的圆筒部分直径D=400mm，入口高度hi=D/2，入口宽度B=D/4，气体在旋风器内旋转的圈数为N=5，分离气体的体积流量为1000m3/h，气体的密度为0.6kg/m3，黏度为3.0×10-5Pa·s，气体中粉尘的密度为4500kg/m3，求旋风分离器能够从气体中分离出粉尘的临界直径。解：气体的入口速度（平均切线速度）为ii1000360013.90.20.1VquBhm/s将μ=3.0×10-5Pa·s，B=0.1m，N=5，ρP=4500kg/m3，ui=13.9m/s，代入式（6.3.9），得56c93100.15.210π513.94500dm5.2m【例题6.3.1】已知某标准型旋风分离器的圆筒部分直径D=400m