环境工程原理-第06章沉降-（一）.ppt

1、第 II 篇 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？ 分离有什么手段？ 本篇主要讲授内容。,第II篇 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II篇 分离过程原理,问题的出现？,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、有毒、有害成分等。,分离在环境污染防治中的作用,第II篇 分离过程原理,机械分离：非均

2、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II篇 分离过程原理,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

3、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,沉降表面：器底、器壁或其他表面,第一节 沉降分离的基本概念,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,流体阻力与阻力系数,（一）单颗粒的几何特性参数,大小（尺寸）、形状、（比）表面积,比表面积a：单位体积颗粒所具有的表面积。,对于形状规则的球形颗粒：,对于不规则的颗粒？,1.颗粒的当量直径,等体积当量直径,等表面积当量直径,等比表面积当量直径,2.颗

4、粒的形状系数,球形度：,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（p70-72）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(由量纲分析）：,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,（6.1.10）,（6.1.11）,（1）对于球形颗粒：,层流区,过渡区

5、,湍流区,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,假设球形颗粒粒径为dP、质量为m。沉速如何计算？,阻力（曳力）FD,第二节 重力沉降,（6.2.2）,（6.

6、2.1）,达到平衡时：,ut颗粒终端沉降速度（terminal velocity）,（1）层流区：ReP2 CD=24/ReP,(6.2.5),第二节 重力沉降,（2）过渡区：2ReP103,艾仑(Allen)公式,（3）湍流区：103ReP2105 CD = 0.44,牛顿（Newton）公式,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,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

7、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,1.试差法,先假设沉降属于某一区域,按与该区域对应的沉降速度计算式进行颗粒沉速计算,按求出的ut计算Rep,验证Rep是否在假设区域,颗粒沉降速度计算正确,是,否,重新假设,2.摩擦数群法,(1)已知流体特性和颗粒粒径dp求ut,计算步骤：,(2)已知ut求dp,计算步骤：,3.无量纲判据K,(已知dp求u

8、t),层流区的上限Rep=2,令,作为无量纲判据，则,层流,(已知dp求ut),紊流区的下限Rep=1000,紊流,3.无量纲判据K,计算步骤：,思想：已知颗粒直径dp，求出K，判定沉降所属的区，直接选用相应公式计算ut，避免试算。,无量纲判据K法总结：,CDRe2P,CDReP1（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。,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,第二节 重力沉降,第二节 重力沉降,第二节 重力沉降,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,ui,l

9、,b,h,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：,流体中直径为dc的颗粒完全去除的条件。,第二节 重力沉降,二、沉降分离设备之（重力沉降设备）,重力沉降是最简单的沉降分离方法，它既可用于分离气固非均相物系，也可用于分离液固非均相物系；既可用于将混合物系中的颗粒与流体分开，也可用来使不同大小或密度不同的颗粒分开。依据重力沉降原理进行操作的装置称为重力沉降设备。,二、沉降分离设备之（重力沉降设备）,1.降尘室 利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为降尘室，常见的

10、如图所示。,操作原理：含尘气体进入降尘室后，因流动截面积的扩大而使颗粒与气体间产生相对运动，颗粒向室底作沉降运动。只要在气流通过降尘室的时间内颗粒能够降至室底，尘粒便可从气流中分离出来。,颗粒降至室底所需时间为t沉：,当t停t沉，尘粒便从气流中分离出来，即有：,降尘室一般为矩形方体设备，其长、宽和高分别用l、b、h表示，两端分别为含尘气体进口和净化气出口，气体流量为qV（m3/s）。,设气体通过降尘室的时间为t停：,可见，从理论上讲降尘室的生产能力只与其沉降截面积bl及颗粒的沉降速度ut有关，而与其高度h无关。故可将降尘室做成多层，室内均匀设置若干水平隔板(间距为40100mm)，构成多层降尘

11、室。 多层降尘室生产能力(n层水平隔板)： qV(n+1)utlb,多层沉降室,说明,沉降速度ut应按需要分离下来的最小颗粒计算； 气流速度u不应太高，以免干扰颗粒的沉降或把已经沉降下来的颗粒重新卷起。为此，应保证气体流动的雷诺准数处于层流范围之内； 降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常仅适用于分离直径大于50m的颗粒，用于过程的预除尘。 多层降尘室虽能分离细小的颗粒，并节省地面，但出灰麻烦。,例：拟采用降尘室回收常压炉气中所含的固体颗粒，降尘室底面积为12m2，宽和高均为2m，炉气处理量为3m3/s。操作条件下气体密度为0.75kg/m3，黏度为2.610-5Pas,固体

12、密度为 3000kg/m3。 求： (1)理论上能完全捕集下来的最小粒径； (2)粒径为40m颗粒的回收百分率； (3)若完全回收直径为8m的尘粒，对降尘室应作如何改进?,解：(1)能完全分离出的最小颗粒的沉降速度,故沉降属于层流区，假设成立，求得的最小颗粒直径有效。,ut=qV/bl=3/12=0.25m/s,假设沉降在层流区，则由斯托克斯公式求得最小颗粒粒径,核算沉降流型：,(2)直径为40m的颗粒必在层流区沉降，其沉降速度ut： 因气体通过降尘室的时间为： t停=lbh/qV=122/3=8s 故理论上直径40m的颗粒在此时间内沉降高度 h=ut t停=0.10068=0.8048m 设

13、降尘室入口炉气均布，在降尘室入口端处于顶部及其附近的d=40m的尘粒，因其ut0.25m/s，它们随气体到达出口时还没有沉到底而随气体带出，而入口端处距室底0.8048m以下的40m的尘粒均能除去，所以40m尘粒的除尘效率： =h/h=0.8048/2=40.24%,(3)要完全回收直径为8m的颗粒，则可在降尘室内设置水平隔板，使之变为多层降尘室。降尘室内隔板层数n及板间距h的计算为： 取n=49,则隔板间距 h=h/(n+1)=2/50=0.040m 因而在原降尘室内设置49层隔板理论上可全部回收直径为8m的颗粒。,如何核算气体通过多层降尘室的流动雷诺数Re? 意义何在？,(1)简要分析颗粒

14、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

15、，颗粒还会受到来自流体的阻力（曳力）FD的作用。 CD与Re有关,第三节 离心沉降,如果这三项力能达到平衡 du/dt=0,重力沉降,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。,（6.3.3）,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,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

16、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,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。,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5250

17、0，一般可分离气体中直径为575 m的粉尘。,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：,根据假设，颗粒最大

18、沉降时间为：,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,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）,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,第三节 离心沉降,旋流分离

19、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、油水分离、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：Kc50000,第三节 离心沉降,r2,r,r1,h,离心机工作原理示意图,ui,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

20、产生的。,假设层流，在距离中心为r处的颗粒的沉降速度为：,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,（6.3.14）,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。,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)在环境工程领域有