环境工程原理第五章沉降

1、第五章 沉 降 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二、流体阻力与阻力系数本节的主要内容一、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1020 m以上粉尘的分离

2、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

3、力的计算方程： DP()Cf RePPudRe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 2DDP2uFC A层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区第一节 沉降分离的基本概念 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）FD2DDP2uFC A第二节 重力沉降3bP6Fdg3gPP6FdggbdduFFmt根据牛顿第二定律，颗粒将产生向下运行的加速度 达到平衡时：gbD0FFF2332tPPPD

4、P()06642udgdgCdut颗粒终端沉降速度（terminal velocity） （1）层流区：ReP2 CD=24/ReP PPtD4()3d guC第二节 重力沉降2PtP118ugd斯托克斯（Stokes）公式 （2）过渡区：2ReP103 0.6PPPt()0.27gd Reu艾仑(Allen)公式 PPt()1.74gdu（3）湍流区：103ReP2105 CD = 0.44牛顿（Newton）公式 D0.6P18.5CRe第二节 重力沉降 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

5、度 落球法测定黏度上述式子有何意义？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 重力沉降将颗粒沉速计算式（5.2.5)进行变换得到CD计算式：ReP2 ReP2PPD2t4()3dgCuPtPd uRe32PPDP24()Re3dgC 不包含沉降速度ut的摩擦数群。无因次，也是ReP的函数。

6、CD与ReP的关系曲线转换成 与ReP的关系曲线。 第二节 重力沉降2DPC ReCDRe2PCDReP1（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ut PtPReud2DPC RePPPP3PP2()1.74()1.741.741000ddgRed gK 2PtPPPP3PP2()18()1218dudd gRed g 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ReP2 湍流区：下限是ReP为1000 第二节 重

7、力沉降36K 5103 . 3K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：ttVVuqu lbh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

8、（曳力）FD的作用。CD与Re有关 22DDP42uFCd第三节 离心沉降 浮力(向心力)Fb32bP16Fdr 惯性离心力Fc232cPP16Fmrdr 如果这三项力能达到平衡du/dt=0 重力沉降PPtD4()3d guC 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。cbD2322PPDP1()642ddFFFFudrCdumt2PPtcD4()3d ruC颗粒在此位置上的离心沉降速度： 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）Kc 2crKg大小可以人为

9、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 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 第三节 离心沉降

10、 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。 232cmPPim1/6Fmrdur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575 m的粉尘。 22mcmiurKgr g2. 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： 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

11、。 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。 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： 2222PciPtmPm11818d uurdr根据假设，颗粒最大沉降时间为： m22tcP18ir BBtudu沉第三节 离心沉降 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 mi2r Ntu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 令t沉=t停，得： ciP9Bdu

12、N0miix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%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%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 旋流分离器用于分离悬浮

13、液，在结构和操作原理上与旋风分离器类似。 旋流分离器的特点：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，有利于提高分离效果。 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。 （二）旋流分离器第三节 离心沉降 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：3000Kc50000第三节 离心沉降 r2rr1h离心机工作原理示意图 ui悬浮液悬浮液第三节 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

14、。假设层流，在距离中心为r处的颗粒的沉降速度为：232cPP16Fmrdr ui假设某一粒径为dc的颗粒的临界沉降轨迹如图所示。dc 为可以完全分离的最小颗粒粒径。第三节 离心沉降 22cPt()dd18drurt22cP18d()drtdr 222cP118ln()rtdr 沉又，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，单位为m3/s。令t沉t停 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。 2221i()Vrrhhtuq停2c222P21118ln()()Vqrdhrrr第三节 离心沉降 一、电沉降 二、惯性沉降本节的主要内容第四节 其他沉降如果电场强度很强

15、，重力或惯性力可以忽略不计，荷电颗粒所受的作用力主要是静电力和流体阻力。当在层流条件下，平衡时，终端电沉降速度ute一、电沉降 第四节 其他沉降teP3qEud在电场中，荷电颗粒将会受到静电力Fe的作用： q颗粒的荷电量；E颗粒所处位置的电场强度 eFqE电除尘器的基本原理 放电电极（电晕极） 集尘极 不均匀电场未荷电尘粒 荷电尘粒 气体电离粒子荷电荷电粒子迁移颗粒沉积与清除 去除去除0.10.1 m m以下的颗粒以下的颗粒第四节 其他沉降颗粒与流体一起运动时，如在流体中存在障碍物，流体沿障碍物产生绕流，而颗粒物由于惯性力的作用，将会偏离流线。惯性沉降即是利用这种由惯性力引起的颗粒与流线的偏离，使颗粒在障碍物上沉降的过程。能否沉