环境工程原理-2-1沉降

环境工程原理沉降环境与安全工程学院环境工程原理分离过程•均相混合物–物系内部各处物料性质均匀，不存在相界面–溶液、气体•非均相混合物–物质内部有隔开两相的界面存在，且界面两侧物料性质截然不同–气态：含尘气体、含雾气体–液态：悬浮液、乳浊液、泡沫液环境与安全工程学院环境工程原理分离过程分离过程的分类？•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）环境与安全工程学院环境工程原理分离过程问题的出现？•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混合体系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）。环境与安全工程学院环境工程原理分离过程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。环境与安全工程学院环境工程原理分离过程非均相物系分离的方法：机械分离依据：分散相和连续相物理性质不同要求：两相之间发生相对运动方式：沉降：颗粒相对于流体流动过滤：流体相对于固定床层流动作用力：沉降：重力、惯性离心力过滤：重力、压强差环境与安全工程学院环境工程原理1分离过程气态混合物的分离方法主要方法：重力沉降、离心沉降特殊方法：增大粒径、颗粒碰撞凝聚其他方法：湿法除尘、静电除尘、袋式除尘等。液态混合物的分离方法增稠：重力增稠或离心沉降彻底分离：过滤法乳浊液：离心机环境与安全工程学院环境工程原理一、沉降分离的基本概念•1、沉降分离的一般原理和类型•2、流体阻力与阻力系数环境与安全工程学院环境工程原理1、沉降的原理和类型（2）沉降的类型重力沉降重力场离心沉降离心力场电沉降电场惯性沉降惯性力场扩散沉降环境与安全工程学院环境工程原理沉降的主要内容一、沉降分离的基本概念二、重力沉降三、离心沉降四、沉降分离设备环境与安全工程学院环境工程原理1、沉降的原理和类型（1）沉降的原理1）目的：从含有固体颗粒的流体中将固体和流体分离开2）基本原理：利用流体和颗粒之间的密度差在质量力的作用下使颗粒与流体之间产生相对运动，从而实现两者的分离3）流体与颗粒（液珠）之间的三种流动情况：固体颗粒静止，流体绕流；流体静止，颗粒做沉降运动；两者均运动，但保持一定的相对速度。相对运动，三者无差别4）沉降表面：器底、器壁或其他表面环境与安全工程学院环境工程原理1、沉降的原理和类型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率小，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（<0.1 m）的分离惯性沉降惯性力适用于10～20 m以上粉尘的分离扩散沉降热运动微细粒子（<0.01 m）的分离环境与安全工程学院环境工程原理2•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……环境与安全工程学院环境工程原理2、曳力与曳力系数•曳力的计算因次分析法求FD的表达式：2FDAu2ζ是颗粒与流体相对运动时Ret的函数sud1tRetRe环境与安全工程学院环境工程原理2、曳力与曳力系数层流区(10-4Ret1，或2)表面曳力为主ζ=24/Ret过渡区(1Ret103，或500)两种曳力均不可忽略ζ=18.5/Ret0.6湍流区(103Ret2×105)形体曳力为主，因ζ=0.44边界层分离引起Re 大于2×105，出现湍流边界层，不易发生边界层分离，曳力系数突然下降环境与安全工程学院环境工程原理2、曳力与曳力系数（1）曳力•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——曳力。•该阻力由两部分组成：形状阻力和摩擦阻力（表面）•曳力的方向与颗粒物在流体中运动的方向相反，其大小与流体和曳力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。表面曳力wdAsinA形体曳力pcosdA浮力cosdAAA环境与安全工程学院环境工程原理2、曳力与曳力系数（2）曳力系数层流区过渡区湍流区环境与安全工程学院环境工程原理二、重力沉降受地球吸引力场的作用而发生的沉降过程1、重力场中颗粒的沉降过程球：圆、光滑、刚性受力分析：重力：F3gmg6dssg浮力：F3b6dsg阻力：Fu2dA2环境与安全工程学院环境工程原理31、重力场中颗粒的沉降过程因颗粒在重力场中沉降加速过程很短，故可只考虑恒速段。这个恒定的速度就是颗粒在重力场中运动的终端速度，称为沉降速度。故：FgFbFD236d3ppg6dpgAu23d26dpu2ppg42udpgpt43 颗粒终端沉降速度（terminal velocity）环境与安全工程学院环境工程原理2、颗粒沉降速度的计算1）试差法upt4dpg3由uRetu1Ret方程组非线性，原则上要试差计算过程：先假设处于某区,计算ut，再由Ret校验假设是否有效。环境与安全工程学院环境工程原理2、颗粒沉降速度的计算3）摩擦数群法u4dpgpt3uRetu1Ret在ζ－Ret关系曲线两坐标轴中都与速度u有关，想办法约去一个，再求另一个。把表达式写出。环境与安全工程学院环境工程原理1、重力场中颗粒的沉降过程把ζ代入u4dpgpt3层流区ud2ppgt18 stocks公式*过渡区ug0.6t0.27dp(p)Ret Allen公式*湍流区udppgt1.74 Newton公式*环境与安全工程学院环境工程原理2、颗粒沉降速度的计算2）K判据法令Kd3(p)g2把Stocks公式代入Re得：RetK318当Ret1时，K＝2.62把Newton公式代入Re得：Re3t1.74K当Ret1000时，K＝69.1环境与安全工程学院环境工程原理2、颗粒沉降速度的计算u4dpgputdpt3RetRe22u224dp(p)gtdp3u2tt2Re24(3p)dpgt32Re24K3t3f(Re2t)则Retf(Ret)与Re2t的曲线转换成Ret与Ret的曲线计算u，先计算Re2t，查曲线得Ret反算u即可环境与安全工程学院环境工程原理4环境与安全工程学院环境工程原理2、颗粒沉降速度的计算4）阿基米德准数法(3Arp)dpg2K3整理函数关系，对球形颗粒的准数关系为ReAr180.6Ar由Ar得到Ret再由Ret得到ut适用于Ret≤2×105的全部范围环境与安全工程学院环境工程原理沉降速度的计算【例】计算颗粒平均直径为15μm，密度为1020 kg/m3，在20℃水中的自由沉降速度？查附录，水在20℃的μ＝100.5×10-5解法一：试差法先假设沉降处于stocks区：ud2ssg151062102010009.81t1818100.510-5 2.4510-6 m/s-6-6验证Reutds10002.451015t10100.510-5 3.6810-51 计算有效环境与安全工程学院环境工程原理2、颗粒沉降速度的计算计算在一定的介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径。消去ds4dp(p)g3u2RetutdptRe14(p)gt32u3t与Ret的曲线转换成Re1t与Ret的曲线计算dp，先计算Re-1t，查曲线得Ret反算ds即可此方法对于已知速度ut求颗粒的直径或非球形颗粒的沉降速度非常方便环境与安全工程学院环境工程原理2、颗粒沉降速度的计算四种方法的比较试差法K判据法摩擦数群法阿基米德准数法环境与安全工程学院环境工程原理沉降速度的计算解法二：K判据法Kd3(s)g2 1510-611020-100010009.813＝0.087100.510-522.61ud2ssg151062102010009.81t1818100.510-5 2.4510-6 m/s•定论：同一颗粒在不同介质中沉降时具有不同的沉降速度，且属于不同的流型。因次颗粒的沉降速度由颗粒特性和流体特性决定。环境与安全工程学院环境工程原理53、球形度和重力沉降的影响因素（1）球形度当量直径对球形颗粒p体积V3ev36V6d体积等效d表面积Sd2表面积等效dSpes比表面积S6Vd比表面积等效d6eaap环境与安全工程学院环境工程原理3、球形度和重力沉降的影响因素（2）影响沉降的因素u4dsgsud2tssg3t18 •基本因素：•其他因素–颗粒直径–干扰沉降：0.2%–分散介质粘度–壁面效应：D/d>100–两相密度差–布朗运动: d<0.5μm–球形度Ret>10-4–变形：环境与安全工程学院环境工程原理补充知识：颗粒群的特性2、平均粒径平均比表面积直径11GdixiadiGdiGi——相邻两筛号之间的颗粒质量di——筛分直径（两筛号筛孔的算术平均值），mxi——di粒径段内颗粒的质量分率环境与安全工程学院环境工程原理3、球形度和重力沉降的影响因素（1）球形度6daSpd2esd2pVdeaev2deveap6d3devesd2d2evevsd22球形度esdes含义：与非球形颗粒体积相等的球的表面积s非球形颗粒的表面积（真实的表面积）讨论：小于1；表征颗粒形状与球的差异程度体积当量直径和球形度表征非球形颗粒的特征环境与安全工程学院环境工程原理补充知识：颗粒群的特性1、粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数和质量测量方法：筛分分析，用一套标准筛进行测量（大于40微米）各种筛制：泰勒标准筛；日本T15；美国标准筛；国际标准筛；苏联筛；英NMM筛系标准筛；德国标准筛DIN－1171；上海标准筛目数（泰勒标准筛）：物料的粒度和粗细度，指筛网在1英寸（25.4mm）线段内的孔数筛过量和筛余量：称取各号筛面上的颗粒筛余量即得筛分分析的基本数据环境与安全工程学院环境工程原理补充知识：颗粒群的特性3、粒子的密度真密度：p影响机械分离的效果堆积密度（表观密度）：b设计颗粒的贮存设备和某些加工设备的基准环境与安全工程学院环境工程原理64、重力沉降设备（1）降尘室藉重力沉降从气流中分离出尘粒的设备原理：颗粒沉降时间小于通过时间环境与安全工程学院环境工程原理4、重力沉降设备多层降尘室隔板间距：一般40～100mm生产能力：Vs(n1)Aut（n层隔板）说明：1）结构简单,流动阻力小,体积庞大,分离效率低,只适用于粒径>50µm的粗颗粒,预除尘用.多层虽能节省地面,但清灰麻烦。2）气速不宜过高，使流动处于层流，避免干扰沉降或将颗粒重新扬起，易扬颗粒流速小于1.5m/s3）计算是近似的,没有考虑湍流流动时漩涡对颗粒沉降的影响环境与安全工程学院环境工程原理4、重力沉降设备40μm颗粒的回收率回收率u2t/ut(d/dmin)(40/69.1)20.335多层隔板ud2sg(1010-6)230009.81t18 182.610-56.29103m/snVs3BLu-1 6.29103146.69取47层t10核算板间流型气体流速：uVsBH 3220.75m/s环境与安全工程学院环境工程原理4、重力沉降设备沉降时间:tHut停留时间：Lu分离条件：HLtutu生产能力：VsBHuVsBHLutHBLutAut结论：降沉室的生产能力（理论）只与uVst、A有关，与H无关，为提高，可将降尘室制成多层环境与安全工程学院环境工程原理4、重力沉降设备【例】采用降尘室回收常压炉气中所含的球形固体颗粒。降尘室的底面积为10m2，高和宽均为2m，操作条件下，气体的密度为0.75kg/m3，粘度为2.6×10-5Pa·s，固体的密度为3000kg/m3；降尘室的生产能力3m3/s。试求（1）理论上能完全捕捉下来的最小颗粒直径；（2）粒径为40μm的粒径的回收百分率；（3）如完全回收直径为10μm的尘粒，在沉降室内需设置多少层水平隔板？解：能完全分离的最小颗粒的沉降速度为uVsBL3t100.3m/sd未知，Ret和K无法计算，只能试差假设沉降处于stocks区18u5dt()g182.6100.3min30009.816.91105mp核算流型：Reutdmin0.750.36.91t1052.61050.5981环境与安全工程学院环境工程原理4、重力沉降设备计算板间距hHn1 24710.042m当量直径d4Bhe2(Bh) 420.0422(20.042)0.082mReude0.750.750.082 2.61051774气体在降尘室内的流动为层流，设计合理环境与安全工程学院环境工程原理74、重力沉降设备（2）沉降池辐流式沉淀池构造与操作大直径的浅槽，污水由中央伸入液面下的进料口送至液面以下，经水平挡板折流后沿径向扩展，速度减缓。颗粒沉降，液体缓慢向上，溢流堰流出清液。颗粒下辐流式沉淀池沉至底部形成沉淀层。环境与安全工程学院环境工程原理4、重力沉降设备（3）浓悬浮液沉聚过程浓悬浮液：颗粒的体积浓度大于0.2%，干扰沉降沉聚与自由沉降的区别：大颗粒相对小颗粒的沉降：ud2ssgt18阻力加大：大颗粒拖曳小颗粒沉降加速：小颗粒絮凝环境与安全工程学院环境工程原理4、重力沉降设备（4）分级器分级：利用重力沉降将悬浮液中的不同颗粒进行粗略的分离或将两种不同密度的颗粒进行分类的过程分级器：实现分级操作的设备原理：将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走分出环境与安全工程学院环境工程原理4、重力沉降设备平流式沉淀池流入装置；流出装置；沉淀区；缓冲区；污泥区；排泥装置；排浮渣装置环境与安全工程学院环境工程原理4、重力沉降设备浓悬浮液沉聚过程考察：间歇沉降实验临界沉降点：C区消失间歇沉降实验A：清液区B：等浓度区C：变浓度区D：沉聚区环境与安全工程学院环境工程原理水力分级器环境与安全工程学院环境工程原理84、重力沉降设备若有密度不同的a、b两种颗粒要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速度，使两者不能完全分离完全分离的两种颗粒的直径比d21/2Stocks区aagdb2bgdba1818dab5/8Allen区dbadNewton区dbaabdab环境与安全工程学院环境工程原理三、离心沉降依靠惯性离心力的作用而实现的沉降1、离心力场中颗粒的沉降分析惯性离心力Fc2rd323u2Frcm6ppr6dpprr浮力(向心力)Fb2F32b6dpr6d3urpr重力G曳力(阻力)FdFg6d3ppgF2u2ddpt42环境与安全工程学院环境工程原理1、离心力场中颗粒的沉降分析2Krcurg离心分离因数是惯性离心力场强度与重力场强度之比离心分离设备的重要指标旋风或旋液分离器：5～2500，高速离心机：数十万，环境与安全工程学院环境工程原理•若两相密度差较小、颗粒粒度较细的非均相物质，在重力场中的效率很低，甚至不能完全分离，怎么办？udppt43g方法：提高g，改变力场环境与安全工程学院环境工程原理1、离心力场中颗粒的沉降分析根据受力平衡即离心力、向心力和阻力平衡（重力远远小于离心力可忽略）于是：3u23u26d6dr2u2rpppr4dtrp20u4dppu23rru4dpptt3g运动轨迹：半径逐渐扩大的螺旋线速度方向：指向外周沉降速度：实际运动速度在径向上的分量，与位置有关环境与安全工程学院环境工程原理2、离心沉降设备（1）旋风分离器利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备特点：工业应用百年结构简单操作方便去除大气中的5～75 m的粉尘环境工程领域应用广泛环境与安全工程学院环境工程原理9（1）旋风分离器1）基本操作原理结构：圆筒、圆锥、比例尺寸矩形切线入口气流：旋转→向下→锥口→向上→气芯→顶部中央排气口颗粒：器壁→滑落环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器某一粒径能(100%)被分离出的条件沉降时间< 停留时间沉降时间B18rm穿越厚度B所需时间uBtd2pu2r有效圈数=N运行距离2rmNrm—对数平均半径停留时间2rmNur18rmBd22rmNd9BNudcsu2rurrp环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器B、分离效率总效率和粒级效率总效率：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c20cc100%1优点：常见、易于测定缺点：不能表明分离器对各种尺寸粒子的不同分离效果环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器2）分离性能指标性能指标尘粒从气流中的分离效果气体经过旋风分离器的压降A. 临界粒径dc定义：理论上旋风分离器能被完全分离下来的最小颗粒直径假设：①气流严格按照螺旋形路线作等速运动，切向速度=进口速度②颗粒向壁面沉降时，要穿过进气宽度B的气流层，方被分离2③颗粒在滞流情况下作自由沉降，径向速度u(p)u2rtd18rm环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器关于dc的讨论：dc9BD增加，dc增大，分离效率降低Nurp小尺寸并联维持高效率公式简单，假设偏差大，Ne取值合适，仍然可用。Ne一般0.5~3，标准分离器取5环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器粒级效率（分效率）混合物经旋风分离器后某一(范围的)粒径被分离出来的质量分数1,ic2,ip,icc100%1,i更准确地表示了旋风分离器的分离效率总效率和分效率之间的关系nOxiii环境与安全工程学院环境工程原理10（1）旋风分离器粒级效率曲线粒级效率pi与颗粒直径di的对应关系曲线（图2-14）粒级效率曲线理论上为折线，与实际相差较大：原因：受气流漩涡影响，重新卷起效率的估算分割粒径d50用ηp～（d/d50）曲线表示d500.27Dui(p)环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器【例】已知某标准型旋风分离器的圆筒部分直径D=400mm，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0.6kg/m3，黏度为3.0×10-5Pa·s，气体中粉尘的密度为4500kg/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1000uqViBh36000.113.9i0.2将μ=3.0×10-5Pa·s，B=0.1m，N=5，ρm/s，代入得P=4500kg/m3，ui=13.9 dBc993Nud1050.1c513.945005.2106mrpπ环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器3）旋风分离器结构形式与选型旋风分离器常用的型式标准型、XLT /A 、XLT/B、CLP等环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器C、压强降能量损失：进气管、排气管、器壁、各局部气旋pui22标准型阻力系数实测经验16ABA－入口高DD121—出口筒直径对于一般的旋风分离器,压强降为500－2000Pa环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器检验：rDBm238D0.15m 22ud62cPu2i18r5.210450013.9t0.29m/s m1831050.15RedcutP5.21060.290.631050.032 所以，在层流区，符合斯托克斯公式，计算正确。 环境与安全工程学院环境工程原理环境与安全工程学院环境工程原理11环境与安全工程学院环境工程原理环境与安全工程学院环境工程原理（2）旋液分离器旋液分离器用于从液体中分离出固体颗粒，其结构和操作原理与旋风分离器类似。悬浮液在旋液分离器中被分为顶部溢流和底部底流两部分，由于液体粘度大、密度也大，颗粒沉降分离比较难，所以一般底流中往往带有部分颗粒。因此旋液分离器可用于悬浮液的增稠或分级，也可用于液液萃取等操作中形成的乳浊液的分离。与旋风分离器相比，旋液分离器的特点是：形状细长、直径小，圆锥部分长，以利于分离；中心经常有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效率。旋液分离器结构简单，没有运动部件，体积小、处理量大；但由于颗粒沿器体壁面高速运动，产生较大阻力，同时也会造成设备严重磨损，一般应采用耐磨材料制造。环境与安全工程学院环境工程原理环境与安全工程学院环境工程原理（1）旋风分离器选型的主要依据处理量、分离效率及允许压强降环境与安全工程学院环境工程原理环境与安全工程学院环境工程原理12（3）离心机三足式离心机上悬式离心机螺旋卸料沉降式离心机环境与安全工程学院环境工程原理13