第06章沉降(环境工程原理中北)

1、AAAABABd()dccNDNNzc 费克定律的普通表达形式而相对于平均速度的组分A的通量即为分子扩散通量，即A,DAA,DNc uAA,DAAB()cNNNNc(5.3.4)MADA,uuuAABBMc uc uucMMABNcuNN(5.3.2a)(5.3.1)(5.3.3c)(5.3.5)第二节 分子传质A,0ABAA,lniccD cNLccA,B,iicccA,0A,B,B,0iiccccA,A,0B,0ABAB,0B,B,()ln()iiicccD cNLcccB,0B,B,mB,0B,lniicccccABAA,A,0B,m()iD cNccLc惰性组分在相界面和气相主体间的对

2、数平均浓度A,0B,0ccc扩散推动力(5.3.7)(5.3.8)(5.3.9)(5.3.10)第二节 分子传质在稳态情况下 为定值ANAA,iccAA,0cc在等温等压条件下，式中 为常数，所以ABD气相主体: 相界面:z=0z=LA,0A,AABA0ddiLccNzDc ABAA,A,0()iDNccL(5.3.17)第二节 分子传质在物质表面进行的化学反应过程化学反应过程反应速率A的扩散过程扩散速率(g)(s)(g)AC2BAB2NNAAAABABd()dccNDNNzc AAABAABd()dyNDcyNNz ABAAAd1dDcyNyz 边界条件： 催化剂表面：z=0，yA=yA,i

3、 气相主体： z=L，yA=yA,0A,0A,ABAA0Add1iLyyD cNzyy 例如：催化反应三、界面上有化学反应的稳态传质 (5.3.23)(5.3.22)第二节 分子传质（3）若 1，即扩散过程很快，则有：对于界面上具有化学反应的扩散传质过程，化学反应式不同，传质通量的描述也不同。 A1A,0ln(1)Nk cy LkD1AB反应控制的传质通量表达式 (g)(s)(g)AC2BAB2NN(5.3.30)第二节 分子传质ABAA,0ln 1DcNyL （2）若反应瞬时完成，可认为在催化剂表面不存在A组分，即iy,A=0扩散控制的传质通量表达式 (5.3.25a)(二)传质边界层可以认

4、为质量传递的全部阻力都集中在传质边界层内c传质边界层的名义厚度定义为1 3cScABDScSc1c时0.99u00.99C0具有浓度梯度的流体层传质边界层A,0cA,icc流动边界层与传质边界层的关系：分子动量传递能力和分子扩散能力的比值。施密特数cAA,A,0A,()0.99()iicccc (cA-cA,i)0.99(cA,0-cA,i)(5.4.1)第三节 对流传质 AABA,A,00d()dcizcDk cczABAA,A,00ddcizDckccz 在稳态传质下，组分A通过有效膜层的传质速率应等于对流传质速率，即A0ddzcz关键在于求壁面浓度梯度 工程中常见的湍流传质问题，基于机理

5、的复杂性，不能采用分析方法求解。(,)Shf Re Sc/Shkd D施伍德数传质设备的特征尺寸 对流传质系数一般采用类比法或量纲分析法确定。三、典型情况下的对流传质系数 (5.4.15)(5.4.16)第三节 对流传质 第第 II 篇篇分离过程原理分离过程原理混合体系 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）。第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理问题的出现？第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理均相物系：内部无相界面的分散物系。非均相物系：内部有相界面的分散物系。 悬浮液， 固液 乳浊液， 液

6、液非均相物系 泡沫液， 气液 含尘气体，固气 含雾气体，液气 均相物系液相混合物气相混合物 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）分离过程的分类？第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理物理去除方法：沉降；过滤化学去除方法：中和；化学沉淀；药剂氧化还原；臭氧氧化；电解；光氧化物理化学去除方法：混凝；气浮；吸收；吸附；离子交换；萃取；膜分离生物去除方法：好氧；厌氧第六章 沉 降 第

7、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1020 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？

8、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 第一节 反应器与反应操作(1)简述沉降分离的原理、类型和各类型的主要特征。(2)简要说明环境工程领域哪些处理单元涉及沉降分离过程。(3)颗粒的几何特性如何影响颗粒在流体中受到的阻力？(4)不同流态区，颗粒受到的流体阻力不同的原因是什么？(5)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。本节思考题一、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

9、、质量为m。沉速如何计算？ 阻力（曳力）FD2DDP2uFC A第二节 重力沉降3bP6Fdg（6.2.2）3gPP6Fdg（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）层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区24=ReDpC=3DpFud第二节 重力沉降达到平衡时：gbD0FFF2332tPPPDP()06642udgdgCdut颗粒终端沉降速度（terminal velocity） （1）层流区：ReP2 CD=24/ReP PPtD4()3d guC(6.2.5)第二节 重力沉降2PtP118ugd斯托克斯（Stokes）公式 (6.2.6)（2

10、）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（6.2.7）（6.2.8） 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 落球法测定黏度上述式子有何意义？第二节 重力沉降沉淀池按水流方向分竖流式平流式辐流式池型:长方形,一端进水,另一端出水，贮泥斗在池进口池内水流由下向上池内水流呈辐流状贮泥斗在池中央第二节 重力沉降二

11、、沉降分离设备沉淀池三种流态沉淀池三种流态第二节 重力沉降第二节 重力沉降水处理：平流沉淀池水处理：平流沉淀池第二节 重力沉降 适用范围： 地下水位高以及地质条件较差地区，大中小型的污水处理厂均可以使用。竖流沉淀池平面图第二节 重力沉降竖流式沉淀池 池体平面为圆形或方形。废水由设在沉淀池中心的进水管自上而下排入池中，进水的出口下设伞形挡板，使废水在池中均匀分布，然后沿池的整个断面缓慢上升。悬浮物在重力作用下沉降入池底锥形污泥斗中，澄清水从池上端周围的溢流堰中排出。溢流堰前也可设浮渣槽和挡板，保证出水水质。这种池占地面积小，但深度大，池底为锥形，施工较困难。第二节 重力沉降 适用范围：适用于水量

12、不大的小型污水处理厂站。第二节 重力沉降中心进水辐流式沉淀池的结构示意图挡渣板进水进水区区污泥污泥区区沉淀沉淀区区缓冲缓冲区区出水出水区区第二节 重力沉降辐流式沉淀池机械排泥装置 刮泥机结构：工作桥，驱动装置，刮臂及刮板等。刮泥机结构：工作桥，驱动装置，刮臂及刮板等。 对于辐流式沉淀池而言，机械排泥装置包括刮泥对于辐流式沉淀池而言，机械排泥装置包括刮泥机和吸泥机。机和吸泥机。 刮泥机：当池径小于刮泥机：当池径小于20m20m，用中心传动刮泥机；当，用中心传动刮泥机；当池径大于池径大于20m20m时，用周边传动。刮泥机转速时，用周边传动。刮泥机转速1 13 3 r/hr/h，周边线速不宜大于，周

13、边线速不宜大于3 m/min3 m/min。第二节 重力沉降刮泥机刮臂和刮板示意图1.1.刮板；刮板；2.2.刮臂刮臂12第二节 重力沉降适用范围：地下水水位较高的地区，大中型污水处理厂。第二节 重力沉降斜管填料第二节 重力沉降斜板式沉淀池斜板式沉淀池是根据浅池原理，在沉淀池中增设许多斜板或斜管以提高沉淀效率的一种新型沉淀池。根据国内实践证明，斜板沉淀池能使处理能力提高37倍，斜管沉淀池的表面负荷率可高达36m3/(m2h),比一般沉淀池的处理水量提高10倍以上。总的来说，其效率较高，占地面积较小，水力负荷高，但是斜板斜管造价高，定期需跟换，易堵塞。第二节 重力沉降气净化：降尘室第二节 重力沉

14、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(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。本节思考题第二节 重力沉降(6)分

15、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。本节思考题第二节 重力沉降第三节 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 22DDP42uFCd第三节 离心沉降 浮力(向心力)Fb32bP16Fdr （6.3.2）惯性离心力Fc232cPP16Fmrdr （6.3.1）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

16、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()642ddFFFFudrCdumt（6.3.3）2PPtcD4()3d ruC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（离心分离因数）Kc 2crKg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，

17、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 第三节 离心沉降 ui上部圆筒，下部圆锥。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。 粉尘在离心力作用下甩向器壁，在重力和向下气流共同作用下沿器壁下降。干净气体在底部器壁的反向推力下向上运动，形

18、成内旋流，从中央排气筒排出。进气口与排气口方向垂直。出气口尽量向下伸，远离进气口。但也不能太靠下。能否设计成上进气下出气呢？第三节 离心沉降 1. 基本操作原理 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 g第三节 离心沉降 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： 气

19、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。 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 （6.3.6）（6.3.7）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

20、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）令t沉=t停，得： ciP9BduN（6.3.9）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）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

21、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 第三节 离心沉降 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数Kc的大小，离心机可分为：(1)常速离

22、心机：Kc3000 (2)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。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 （6.3.14）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

23、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 （6.3.15）（6.3.16）（6.3.17）第三节 离心沉降 第三节 离心沉降 (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？本节思考题第三节 离心沉降 (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

24、)在环境工程领域有哪些离心沉降过程？本节思考题第三节 离心沉降 第四节 除油第四节 除油油类在水中的存在形式可分为油类在水中的存在形式可分为浮油浮油、分散油分散油、乳化油乳化油和和溶解油溶解油4 4类。类。第四节 除油第四节 除油基本构造基本构造类似于平流沉淀池类似于平流沉淀池第四节 除油第四节 除油 停留时间一般为停留时间一般为1.5-2.0h1.5-2.0h； 水平流速很低，一般为水平流速很低，一般为2-5mm/s2-5mm/s，最大不超过，最大不超过 15mm/s15mm/s； 有效水深为有效水深为1.5-2.0m1.5-2.0m，池宽，池宽/ /池深池深=0.3-0.4=0.3-0.4

25、， 池长池长/ /池深池深4 4，超高，超高0.4m0.4m； 池上应加盖板，以防止石油气味的散发，同时池上应加盖板，以防止石油气味的散发，同时 还起着防雨、防火和保温作用；还起着防雨、防火和保温作用； 平流隔油池一般不少于两个。平流隔油池一般不少于两个。设计参数设计参数 第四节 除油斜板隔油池斜板隔油池1 1基本构造基本构造第四节 除油第四节 除油 斜板隔油池的占地面积只有平流式的斜板隔油池的占地面积只有平流式的1/4-1/31/4-1/3，除油效率为，除油效率为70-70-80%80%（平流式为（平流式为60-70%60-70%）。）。 另外，对于难以处理的含油废水，采用气浮除油也是一个很

26、好的另外，对于难以处理的含油废水，采用气浮除油也是一个很好的方法。方法。（1 1）池内斜板大多数采用聚酯玻璃钢波纹板；池内斜板大多数采用聚酯玻璃钢波纹板；（2 2）斜板倾角取）斜板倾角取4545，斜板间距为，斜板间距为30-50mm30-50mm；（3 3）停留时间）停留时间30min30min；（4 4）表面水力负荷为）表面水力负荷为0.6-0.8m0.6-0.8m3 3/m/m2 2h h第四节 除油 为了防止油类物质附着在斜板上，应选用不亲为了防止油类物质附着在斜板上，应选用不亲油材料做斜扳，但实际上比较困难，所以，在斜板油材料做斜扳，但实际上比较困难，所以，在斜板隔油池的运行中也常有挂

27、油现象，隔油池的运行中也常有挂油现象，应定期用蒸汽及应定期用蒸汽及水冲洗，防止斜板间堵塞。水冲洗，防止斜板间堵塞。废水含油量大时，可采废水含油量大时，可采用较大的板间距用较大的板间距( (或管径或管径) )，含油量小时，间距可以，含油量小时，间距可以减小。减小。 注意事项注意事项第四节 除油项目项目平流式平流式斜板式斜板式除油效率除油效率%60707080占地面积（处理量相同时）占地面积（处理量相同时）11/31/4可能除去的最小油滴粒径可能除去的最小油滴粒径m 10015060最小油滴的浮上速度最小油滴的浮上速度mm/s0.90.2分离油的去除方式分离油的去除方式刮板及集油管集油刮板及集油管集油集油管集油集油管集油泥渣除去方式泥渣除去方式刮泥机将泥渣集中到