环境化工第六章沉降第一讲讲稿

2020/7/171第二篇分离过程原理环境领域：哪些问题涉及分离？2020/7/172•给水工艺•大气烟尘净化•污水处理•土壤净化•空气净化•……混合体系沉降过滤吸收吸附萃取气浮结晶膜分离污染物污染介质其他污染物2020/7/173混合物均相混合物非均相混合物物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。例如：混合气体及互溶溶液物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。例如固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液不互溶液体构成的乳浊液液体颗粒和气体构成的含雾气体混合体系2020/7/174分离就是将污染物与污染介质或其他污染物分开，达到去除污染物或回收有用物质的目的。机械分离传质分离2020/7/175机械分离分离的原理分离对象是由两相以上所组成的混合物，其目的只是简单地将各相加以分离。例如：过滤、沉降、离心分离、旋风分离和静电除尘等。沉降过滤发生相对运动的方式分散相和连续相2020/7/176122沉淀池2020/7/177平流式沉淀池示意图2020/7/178平流式沉淀池教学图2020/7/179传质分离用于各种均相混合物的分离特点：是有质量传递现象发生分类：按所依据的物理化学原理不同，可分为两大类：平衡分离和速率分离。分离的原理2020/7/1710平衡分离过程分类：(根据两相状态不同)气液传质过程:如吸收、气体的增湿和减湿。汽液传质过程:如液体的蒸馏和精馏。液液传质过程:如萃取。液固传质过程:如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、参数泵分离等。气固传质过程:如固体干燥、吸附等。2020/7/17112020/7/1712（二）速率分离过程借助浓度差压力差温度差电位差……中某种推动力的作用特点：所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成的差别。利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。2020/7/1713速率分离可分为膜分离和场分离两大类。1、膜分离(反渗透，渗透蒸发，纳滤）膜分离是利用液体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜形态：可以是固态或液态处理对象：流体（可以是气体或液体）过程推动力：可以是压力差、浓度差或电位差。2020/7/17142020/7/17152、场分离电泳以温度梯度为推动力,在均匀的气体或液体混合物中出现分子量较小的分子(或离子)向热端漂移的现象,建立起浓度梯度,以达到组分分离的目的。热扩散高梯度磁力分离2020/7/1716第六章沉降一、沉降速度1、球形颗粒的自由沉降2、阻力系数3、影响沉降速度的因素4、沉降速度的计算5、分级沉降二、降尘室1、降尘室的结构2、降尘室的生产能力第一讲重力沉降2020/7/1717在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。一、沉降作用力重力惯性离心力重力沉降离心沉降1、沉降速度1）球形颗粒的自由沉降设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ，沉降2020/7/1718重力gdFsg36浮力gdFb36而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照流体流动阻力的计算式写为：22uACFdd22,4mdA对球形颗粒2422udCFddmaFFFdbg阻力系数，无因次dCsmu/降落速度，颗粒相对于流体的—2020/7/1719gds36(a)颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a最大颗粒开始沉降后，u↑→Fd↑；u→ut时，a=0。等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut称为沉降速度当a=0时，u=ut，代入（a）式024662233tdsudCgdgd3)(4dstCdgu——沉降速度表达式gd362422udCdads36maFFFdbg2020/7/17202、阻力系数CdCd值是颗粒形状和颗粒与流体相对运动时的雷诺数Ret的函数。tRe24Cd182stgdu——斯托克斯(stokes)公式udtRe对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：a)滞流区或斯托克斯(stokes)定律区（10–4＜Ret1）Cd是无因次物理量2020/7/17216.0dRe5.18Ct6.0Re269.0tgdgust——艾伦公式c)滞流区或牛顿定律区（Newton）（103＜Ret＜2×105）44.0Cdgdust74.1——牛顿公式b)过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret103）2020/7/1722(Cd也称为曳力系数）阻力系数—tReCd2020/7/17233、影响沉降速度的因素1）颗粒的体积浓度在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适用。2）器壁效应当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）容器效应可忽略，否则需加以考虑。Dduutt1.21'2020/7/17243）颗粒形状的影响psSS球形度对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度φs值愈低。对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代替。peVd3636PeVd颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数Cd愈大但φs值对Cd的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种影响变大。非球形颗粒的表面积的球形颗粒的表面积与非球形颗粒体积相同12020/7/17254、沉降速度的计算1）试差法假设沉降属于层流区方法：182stgduutdutReRetRet＜1ut为所求Ret＞1艾伦公式求ut判断……公式适用为止2)摩擦数群法dC34stdgu由得2d34Ctsudg流体粘度2020/7/172622222Rettud232d34ReCgdst32gdKs令32d34ReCKt因Cd是Ret的已知函数，CdRet2必然也是Ret的已知函数，Cd～Ret曲线便可转化成CdRet2～Ret曲线。计算ut时，先由已知数据算出CdRet2的值，再由CdRet2～Ret曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut。duttRe2020/7/1727P2172RetdC1RetdC2020/7/1728计算在一定流体介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径，令Cd与Ret-1相乘，221d3)(4ReCtstugCdRet-1～Ret关系绘成曲线，由CdRet-1值查得Ret的值，再根据沉降速度ut值计算d。ttudRe3)无因次数群K也可以判别流型(无量纲判据Ｋ）182gdust2318Regdst183K32gdKs2020/7/1729当Ret=1时K=2.61，此值即为斯托克斯区的上限牛顿定律区的下限K值为69.1例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。解：1）在20℃水中的沉降。用试差法计算先假设颗粒在滞流区内沉降，182gdust附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s2020/7/173032610005.11881.92.99830001095tusm/10797.93核算流型ttduRe33610005.12.99810797.910959244.01＜原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。2）20℃的空气中的沉降速度用摩擦数群法计算20℃空气：ρ=⒈205kg/m3，μ=⒈81×10-5Pa.s根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型2020/7/173132gdKs31081.181.9205.13000205.1109525652.42.61＜K69.1，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。4.16.04.14.04.114.16.14.11154.0stdgusm/619.05、分级沉降含有两种直径不同或密度不同的混合物，也可用沉降方法加以分离。2020/7/1732例：本题附图所示为一双锥分级器，利用它可将密度不同或尺寸不同的粒子混合物分开。混合粒子由上部加入，水经可调锥与外壁的环形间隙向上流过。沉降速度大于水在环隙处上升流速的颗粒进入底流，而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢流带出。2020/7/1733利用此双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子混合物分离。已知：粒子形状正方体粒子尺寸棱长为0.08~0.7mm方铅矿密度ρs1=7500kg/m3石英密度ρs2=2650kg/m320℃水的密度和粘度ρ=998.2kg/m3μ=1.005×10-3Pa·s假定粒子在上升水流中作自由沉降，试求：1）欲得纯方铅矿粒，水的上升流速至少应取多少m/s？2）所得纯方铅矿粒的尺寸范围。2020/7/1734解：1)水的上升流速为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出，应按最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速。对于正方体颗粒，先算出其当量直径和球形度。设l代表棱长，Vp代表一个颗粒的体积。36peVd336lm4310685.8)107.0(36psSS226lde806.0)107.0(610685.82342020/7/1735用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度22223)(4RegdCsetd14000)10005.1(381.92.998)2.9982650()10685.8(42334φs=0.806，查图6.2.2的，Ret=60，则：ettduRe4310685.82.99810005.160sm/0696.02020/7/17362）纯方铅矿的尺寸范围所得到的纯方铅矿粒尺寸最小的沉降速度应等于0.0696m/s用摩擦数群法计算该粒子的当量直径。32113)(4RetstdugC2544.0)0696.0(2.998381.9)2.9987500(10005.14323φs=0.806，查图6.2.2的，Ret=22，则：2020/7/1737tteudRe0696.02.99810005.1223m410182.3与此当量直径相对应的正方体的棱长为：36edl34610182.3m410565.2所得方铅矿的棱长范围为0.2565~0.7mm。2020/7/1738二、降尘室1、降尘室的结构2、降尘室的生产能力降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流量，用Vs表示，m3/s。降尘室内的颗粒运动以速度u随气体流动以速度ut作沉降运动utu2020/7/17392020/7/1740颗粒在降尘室的停留时间ul颗粒沉降到室底所需的时间ttuHt为了满足除尘要求tuHul——降尘室使颗粒沉降的条件HbVusssVlHbHbVlultsuHVlHbtsbluV——降尘室的生产能力,(即含尘气通过降尘室的体积流量，m3/s)降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积bl和颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关。2020/7/1741多层降尘室•提高沉降室的捕集效率方法:①降低室内气流速度；②降低沉降室高度,增加层数；③增大沉降室长度。•由于除尘室的沉降能力与沉降速度以及沉降室底面积成正比，因此增加底面积有利于提高沉降能力。2020/7/17423、降尘室的计算降尘室的计算设计型操作型已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸