第6章环境工程原理沉降

1、1第第 II 篇篇分离过程原理分离过程原理仲恺农业技术学院仲恺农业技术学院环境科学与工程系环环境科学与工程系环2第第II篇篇 分离过程原理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第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理 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第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理 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

2、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第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理 分离过程的分类？分离过程的分类？机械分离：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：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第第II篇篇 分离过程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 第六章第六章沉降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

3、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（0.1m）的分离惯性沉降惯性力适用于1020m以

4、上粉尘的分离扩散沉降热运动微细粒子（0.01m）的分离11第一节 沉降分离的基本概念 水与废水处理：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：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

5、概念对于球形颗粒，流体阻力的计算方程：(Re )DPCfPPudRe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22DDPuFC A（6.1.10）（6.1.11）14第一节 沉降分离的基本概念层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区15第一节 沉降分离的基本概念本节思考题本节思考题 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 重力沉降第二节第二节 重力沉

6、降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）FD22uACFPDDgdFPb36（6.2.2）gdFPPg36（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：0DbgFFF0)2(4662233tPDPPPudCgdgdut颗粒终端沉降速度（terminal velocity） （1）层流区：ReP2 CD=24/ReP DPPtCgdu3)(4(6.2

7、.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：103ReP，所以，所以由式（由式（6.2.6）得：）得： 26252700 9.8140 100.131818 1.81 10PPtgdu28第二节 重力沉降检验：检验：所以在层流区，与假设相符，计算正确。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）56Re0.3 1.81 100.12540 101.205ptpud26252700 9.8140 100.131818 1.81 10PPtgdum/s m/s 30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： 363225

9、40 109.81 1.205 27006.24361.81 10PPdgK 26252700 9.8140 100.131818 1.81 10PPtgdum/s 31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tVtVuqu lb

10、h35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 离心沉降第三节第三节 离心沉降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一、离

11、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 2361rdFPb（6.3.2）23261rdmrFPPc（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）DPPtcCrdu3)(42（6.3.4）重力沉降DPPtCgdu3)(439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

12、，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

13、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rm2ui2/rm，其中rm为平均旋转半径。分离因数为：其大小为52500，一般可分离气体中直径为575m的粉尘。uimiPPmcrudmrF/61232grugrKmimc2243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

14、的直径，用dc表示。 三条假设三条假设： 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。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： micPPmPtruddru181812222（6.3.6）45第三节 离心沉降根据第三条假设，颗粒最大沉降时间为： 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2rmN，故气体在筒内的停留时间为令t沉=t停，得：2218iPcmtud

15、BruBt沉（6.3.7）imuNrt2停（6.3.8）NuBdPic9（6.3.9）46第三节 离心沉降一般旋风分离器以圆筒直径D为参数，其它参数与D 成比例，B=D/4。D 增加，dc 增大，分离效率减少。(2) 分离效率总效率：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率。1， 2分别为旋风分离器入出口气体中的总含尘量1201100%（6.3.10）47第三节 离心沉降粒级效率：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率。 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率 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

16、器的分离效率。121100%iiii（6.3.11）0miix48第三节 离心沉降 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49第三节 离心沉降例 6.3.1已知某标准型旋风分离器的圆筒部分直径D=400 mm，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1000 m3/h，气体的密度为0.6 kg/m3，黏度为3.010-5Pas，气体中粉尘的密度为4500 kg/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

17、速度）为 1000360013.90.2 0.1ViiquBhm/s 50第三节 离心沉降将=3.010-5Pas，B=0.1m，N=5，P=4500 kg/m3，ui=13.9 m/s，代入式（6-3-9），得检验： 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第三节 离心沉降（二）旋流分流器旋流分离器用于分离悬浮液，在结构和操作原理上与旋风分离器类似。 旋流分离

18、器的特点： 形状细长，直径小，圆锥部分长，有利于颗粒分离。 中心经常有一个处于负压的气柱，有利提高分离效果。在水处理中，旋流分离器又称为水力旋流器，可用于高浊水泥沙的分离、暴雨径流泥沙分离、矿厂废水矿渣的分离等。 52第三节 离心沉降三、离心沉降机工作原理三、离心沉降机工作原理根据离心沉降机的分离因素 Kc 的大小，离心机可分为： 常速离心机：Kc3000 高速离心机：3000Kc5000053第三节 离心沉降离心机工作原理示意图 r2rr1hui悬浮液悬浮液54第三节 离心沉降离心沉降机主要用于悬浮液的固液分离。在离心沉降机中离心力是靠设备本身的旋转而产生的。假设某一粒径为dc的颗粒的临界沉

19、降轨迹如图所示。dc 为可以完全分离的最小颗粒粒径。23261rdmrFPPcui55第三节 离心沉降假设层流，在距离中心为r处的颗粒的沉降速度为：颗粒在筒内的沉降时间为从r1到r2所需的时间，对上式进行积分。2218)(rddtdruPctrdrddtPc22)(18（6.3.14）1222ln)(18rrdtPc沉（6.3.15）56第三节 离心沉降流体在筒内的停留时间t停为：式中： qV为悬浮液的体积流量（m3/s）。令 t沉t停 2221()iVrrhhtuq停（6.3.16）222221118ln()()VcPqrdhrrr （6.3.17）57第三节 离心沉降例6.3.3 密度为2

20、000 kg/m3，直径为40m的球状颗粒在20的水中沉降，求在半径为5cm，转速为1000 r/min的离心机中的沉降速度。解：20水的物性参数如下：密度为998.2 kg/m3，黏度为1.005 mPas。离心机的角速度为： 假设沉降位于层流区，根据斯托克斯公式4.8410-2m/s 1000 233.360rad/s 2262232000998.20.0533.340 101818 1.005 10PPtrdu58第三节 离心沉降 检验：所以假设正确，颗粒的离心沉降速度为： ut=4.8410-2 m/s 。同时，颗粒在重力中的沉降速度为62340 104.84 10998.21.921

21、.005 10PtePd uRm/s1068. 81842pptgdu7 .552grKc59第三节 离心沉降本节思考题(1) 简要分析颗粒在离心沉降过程中的受力情况。(2) 比较离心沉降和重力沉降的主要区别。(3) 同一颗粒的重力沉降和离心沉降速度的关系如何。(4) 简要说明旋风分离器的主要分离性能指标。(5) 标准旋风分离器各部位尺寸有什么关系。(6) 旋风分离器和旋流分离器特点有何不同。(7) 离心沉降机和旋流分离器的主要区别是什么。(8) 在环境工程领域有哪些离心沉降过程。60第四节 其它沉降第四节第四节 其它沉降其它沉降本节的主要内容一、电沉降 二、惯性沉降61第四节 其它沉降一、电沉降一、电沉降在电场中，荷电颗粒将会受到静电力Fe的作用： q颗粒的荷