环境工程原理沉降.ppt

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1、1,第 II 篇分离过程原理,仲恺农业技术学院环境科学与工程系环,2,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？分离都有什么手段？本篇主要讲授内容？,3,第II篇 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II篇 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

2、。,5,第II篇 分离过程原理,分离过程的分类？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）,6,第II篇 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,

3、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,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,10,第一节 沉降分离的基本概念,沉降过程类型与作用力,11,第一节 沉降分离的基本概念,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：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

4、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 沉降分离的基本概念,对于球形颗粒，流体阻力的计算方程：,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,（）,（）,14,第一节 沉降分离的基本概念,层流区,过渡区,湍流区,15,第一节 沉降分离的基本概念,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

5、 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）FD,（6.2.2）,（6.2.1）,18,第二节 重力沉降,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),19,第二节 重力沉降,（2）过渡区：2ReP103（3）湍流区：103ReP2105 CD=0.44,艾仑(Allen)公式,牛顿（Newton）公式,（）,（）,20,第二节

6、重力沉降,上述式子有何意义？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,21,第二节 重力沉降,二、沉降速度的计算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.磨擦数群法 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。,22,第二节 重力沉降,将颗粒沉速计算式（6.2.5)进行变换得到CD计算式

7、：,CD与ReP的关系曲线转换成CDReP2与ReP的关系曲线。,23,第二节 重力沉降,24,第二节 重力沉降,由颗粒直径计算沉降速度,由颗粒直径和其他参数，计算摩擦数群。,由左图CDReP2ReP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？,根据ReP的定义反算出ut,（）,25,第二节 重力沉降,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,（）,26,第二节 重力沉降,紊流区：下限是ReP为1000,（）,27,第二节 重力沉降,例：求直径为40 m，密度为2700 kg/m3的固体颗粒在20的常压空气中的自由沉降速度。已知20，常压状态下空气密度

8、为1.205 kg/m3，黏度为1.8110-5 Pas。解：（1）试差法 假设颗粒的沉降处于层流区，并且由于rpr，所以由式（）得：,28,第二节 重力沉降,检验：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CDRep2,29,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（）,m/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：,m/s,31,第二节 重力

9、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,ui,b,h,dc,l,34,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。,35,第二节 重力沉降,本节思考题简要分析颗粒在重力沉降过程中的受力情况。层流区颗粒的重力沉降速度主要受哪些因素影响。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。流体温度对颗粒沉降的主要影响

10、是什么。列出你所知道的环境工程领域的重力沉降过程。分析说明决定降尘室除尘能力的主要因素是什么。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 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,（6.3.2）,（6.3.1）,38,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

11、上的离心沉降速度：,（6.3.3）,（）,重力沉降,39,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，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。,（）,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

12、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。,43,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

13、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。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：,（）,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：,（）,（）,（）,46,第三节

14、 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,（）,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器的分离效率。,（）,48,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

15、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 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（平均切线速度）为,m/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

16、验：,m=5.2m,m,m/s,51,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：Kc50000,53,第三节 离心沉降,离心机工作原理示意图,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

17、离心力是靠设备本身的旋转而产生的。假设某一粒径为dc的颗粒的临界沉降轨迹如图所示。dc 为可以完全分离的最小颗粒粒径。,55,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。,（6.3.14）,（）,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,（6.3.16）,（6.3.17）,57,第三节 离心沉降,例 密度为2000 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

18、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,rad/s,58,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,59,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

19、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 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如果电场强度很强，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,（6.4.1）,（6.4.2）,62,第四节 其它沉降,电除尘器的基本原理,放电电极（电晕极）,集尘极,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0.1m以下的颗粒,

20、63,第四节 其它沉降,二、惯性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，如图所示。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。能否沉降在障碍物上，取决于颗粒的质量和相对于障碍物的运动速度和位置，小颗粒或距离停滞流线较远的大颗粒均能绕开障碍物。,64,第四节 其它沉降,停滞流线,流体方向,流体流线,3,1,障碍物,2,65,第四节 其它沉降,惯性除尘器：利用惯性沉降原理从气体中分离粉尘。尘粒d2所受的离心力 粒径和气速愈大，气流旋转半径R2愈小，除尘效率愈高。惯性除尘器能捕集10 m以上的颗粒。,去除惯性大的颗粒,惯性离心力作用去除细尘粒,66,第四节 其它沉降,本节思考题(1)电沉降过程中颗粒受力情况如何，沉降速度与哪些因素有关。(2)简述电除尘器的组成和原理。(3)电除尘器的优点是什么。(4)惯性沉降的作用原理是什么，主要受哪些因素的影响。(5)惯性沉降应用的优缺点是什么。(6)环境工程领域有哪些电除尘和惯性除尘过程。,