环境工程原理第三章1

第三章沉降与过滤第一节概述一、非均相物系的分离▼非均相物系：多相体系▼分散相（分散物质）：非均相物系中处于分散状态的物质▼连续相（分散介质）：非均相物系中处于连续状态的物质▼非均相物系分离的目的：（1）回收分散物质；（2）净化分散介质。▼主要分离方法：（1）沉降—利用分散物质受重力、离心力或惯性力作用（2）过滤—利用分散介质能通过过滤介质而分散物质不能通过二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力颗粒与流体有相对运动，流体会对颗粒产生作用力；只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。)/((Re)udP22uAFdζ：阻力系数，无因次；ρ：流体密度；A=πdP2/4，颗粒在运动方向上的投影；u：相对运动速度；dP：颗粒直径；μ：流体粘度（3-1）（3-2）阻力系数~Re0关系图①层流区(Stokes区)②过渡区(Allen区)③湍流区(Newton区)Re/2410-4Re22Re500500Re2105Re/1044.0（3-3）（3-4）（3-5）第二节重力沉降（g作用下的沉降）一、沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降——单个颗粒的沉降或沉降时颗粒之间不接触不碰撞1．颗粒沉降运动中的受力分析对dP，P的球形颗粒：(1)场力gdFPPg36(2)浮力gdFPb36(3)阻力22uAFd（3-6）（3-7）（3-8）①颗粒为球形；②颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰③容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略④颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响公式成立假定条件2．颗粒重力沉降运动的基本方程式（3-9）ddumFFFdbg243udgdduPPpP（3-10）3．颗粒沉降速度—匀速沉降速度ut（du/dτ=0）（3-11）3)(4PPtgdu（3-14）（3-13）（3-12）①层流区(Stokes区)②过渡区(Allen区)③湍流区(Newton区)18/)(2PPtgduPPtdgu31225)(422/)(03.3PPtdgu36ppdm（二）沉降速度的计算①事前能够确认流动区域，直接用对应公式②流动区域不能确定，采用试差法假定流动处于层流区，Stokesu0Re0(？2)，yes结束no换用相应区域公式u0Re0判断，修正Re180.6ArAr③通过实验整理数据得到(Re2105)23gdArPAr—阿基米德数用法：ArReu（三）影响沉降速度的其他因素（1）颗粒形状等效球径（当量球径）：测定沉降速度—计算出相应的球直径（2）壁效应靠壁沉降速度小于自由沉降速度（3）干扰沉降受其他颗粒的影响，干扰沉降速度小于自由沉降速度二、降尘室（1）工作原理气体入室减速颗粒的沉降运动&随气体运动沉降运动时间气体停留时间分离①d，容易除去（50μ）②气量V，容易除去——利用重力沉降分离气体中尘粒的设备水平流动沉降室（2）能(100%)被除去的最小颗粒直径dPC100%去除——室顶到室底所需沉降时间=H/ut若颗粒水平分速度与气体流速相同，则在室内停留时间=L/u分离满足的条件：H/ut≤L/u分离所需最胝沉降速度LWqLWHWuLHuuVst（3-16）（3-15）能被100%分离的最小颗径称为临界粒径：dpc临界颗粒的沉降速度utc：VstcquLW（3-17）最低沉降速度~能被分离的最小颗径：层流区(Stokes)过渡区(Allen)湍流区(Newton)LWqgdVsPPC)(183122)(4225PVsPcgLWqd)(03.3222PVsPcgLWqd（3-18）★：dpc、utc与沉降室的底面积WL成反比，与沉降室的高度H无关。说明①dPc~颗粒、气体性质，气体处理量，底面积②考虑是dPc，一般认为处在层流区（3）最大处理量说明②qV,max~(100%去除的)d,A0，与H无关①qV,max~某一粒径能100%被去除（4）补充说明①气体均布重要性——入口锥形②横截面大——操作气速低不被卷起底面积大——分离效率高qVs≤LWutc★qVs固定时：高度H降低一倍，utc不变，则颗粒的沉降时间缩短一半，而气体流速u增加一倍。★加隔板：横截面积不变，颗粒的水平流速不变；停留时间不变（L/u=常数，因此原要求的H/utc也不变）每层高度降为H/N，颗粒沉降高度降为1/N，临界颗粒的沉降速度为原来的1/N，（层流时）临界颗粒的粒径降为原来的，即★降尘室计算：①已知qVs、②已知③已知N/1WLdpcp计算、由、、VspcpqdWL计算、由、、及pcpVsdqWL、计算、、及、1/pcpcdNd例1：重力沉降室H=2m，W=2.5m，L=5m。用来分离空气中密度为2000kg/m3的粉尘，若空气的密度为0.779kg/m3，粘度为2.53×10-5Pas，流量为12500m3/h，求粉尘的临界直径；若加隔板将沉降室分成九层，则临界直径又为多少？解：12500/36000.278/2.55VstcqumsWL设沉降属层流区：518182.53100.27880.3()20009.81pctpdumg加隔板：校验：若临界颗粒不变，流量为：6580.3100.2780.779Re0.68722.5310pctcdu2/90.222Hm0.278/90.031/tcums80.3/926.8pcdm80.39240.9pcdm2212535()240.91052.520009.811.12510/18182.5310pcpVsdWLgqmh三、悬浮液的沉聚沉聚：大型容器里的悬浮液中的固体颗粒在重力下沉降得到澄清液与稠浆的操作。该容器若处理低浓度颗粒的悬浮液而得澄清液者称澄清器；若处理高浓度悬浮液而得稠浆者则称增稠器。一、增稠器转速很低溢流增稠压缩区底流d=10~100m0.3~1.0m深二、絮凝剂溶胶：含有颗粒直径小于1μm的液体分散体系（多相体系，分散介质为液体）絮凝剂：能促进溶胶中颗粒絮凝（合并或聚集成较大颗粒）的物质明矾、三氧化铝、绿矾（硫酸亚铁）、三氯化铁、高分子絮凝剂。无机絮凝剂用量：40~200mg/kg作业：125页，3-2、3-4题谢谢第三节离心沉降依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动。（实际上，就是加大“g”，加快沉降过程）一、离心分离因素离心力：2mrFc60/2NN：转速100/2mrNFc（3-19）（3-18）离心分离因素Kc：同一颗粒受的离心力与重力之比——表示离心力的大小900//22rNgrKc二、离心沉降速度（3-20）颗粒在径向沉降方向上的受力分析(1)场力—离心力236rdFPPr(2)浮力(向中心)236rdFPb(3)阻力(向中心)2422ddrPddF0dbrFFF平衡时：23)(4rdddrPP★与3-11式相似，由取代了g；★离心沉降速度随颗粒在半径方向上的位置不同而变化；★用于小颗粒，所受阻力处于Stokes区：cttPPKugrurdddr22218)(（3-21）dr/dτ随r的增大而增大。2r三、旋风分离器（用于气固、气液分离）圆筒、圆锥、矩形切线入口气流获得旋转向下锥口向上，气芯顶部中央排气口颗粒器壁滑落各部分尺寸——按比例(见教材107页图3-9)（一）构造与原理（二）临界粒径能被分离出的最小颗粒直径——临界直径dc假定Ut保持不变，ui穿越最大气层厚=b（碰壁失去能量沿壁而下）相对运动为层流Stokes公式可用将g换为rm-平均旋转半径颗粒沉降速度miru/2miPPrrudu2218)(由假设(2)沉降时间气芯前圈数=n运行距离有效停留时间22)(18iPPmrudbrubnrm2imunr2其穿越b所需时间停留时间某一粒径能(100%)被分离出的条件imiPPmunrudbr2)(1822PciPdunbd)(3（3-25）一般取n＝５dc～气体性能、结构、处理量（b小，dpc也小）假定勉强，粗略估计（三）压力损失能量损失——进气管、排气管、器壁、各局部气旋常表示为阻力系数实测经验2/2iup（3-26）HDdDbh230（3-27）★由若干个小型分离器并列来代替一个大的分离器—提高分离效率★压力损失一般为1~2kPa★能分离粒径为5~200μm；所以除尘系统一般工艺为重力降尘室+旋风分离器+袋滤器Δp=f（u），进口气速相同，压力损失相同；以及b小dpc也小可知：四、旋液分离器（分离悬浮液）同旋风分离器，只是尺寸小Dc=75~300mmU液=5~15m/sΔp=50~200kPadP=10~40μm五、沉降式离心机D=75~150mm；长度150mm；转速15000r/min；Kc：13000~105；处理量：0.2~2m3/h（一）管式离心机2218)(rdddrPPrdrugdt2122lnrrugttsVhrr)(2122转鼓内的液体流量转鼓内的持液量t122122221221222ln18)(ln)(rrrrdhrrgrruhVPcpts2()18PPtdug（二）碟式离心机（三）螺旋式离心机KC=700直径200~800mm30~150片间隙0.15~1.3mm处理乳浊液叶片上开有小孔；处理悬浮液无孔或有喷嘴排渣口直径300~1300mm用于悬浮液KC=600作业：P125，3-5题谢谢第四节过滤过滤：将含有固体颗粒的非均相物系通过多孔性材料分离出固体颗粒的操作。过滤介质滤饼滤浆滤液固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过名词：过滤介质；滤浆；滤渣(饼)；滤液过程推动力：重力；压力(差)；离心力③操作目的：获得固体或清净的液体洗涤——回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质一、悬浮液的过滤（一）两种过滤方式（1）深层过滤▲特点：颗粒小(小于过滤介质的孔道直径)而少(0.1%)；过滤介质为较厚的粒状床层，孔道细长弯曲；不形成滤饼。▲颗粒靠静电或分子间力附着在孔道壁上（2）滤饼过滤▲大颗粒被截留在过滤介质表面并沉积形成滤饼层，而成为有效的过滤介质。▲小颗粒进入过滤介质孔道并附着，产生“架桥现象”。（二）过滤介质—支撑滤饼或截留颗粒，通过滤液—要求流动阻力小，机械强度高①织物介质—滤布(织物、网)，5-65m，工业应用广泛④多孔膜：有机膜、无机膜。1m以下②堆积介质—固体颗粒或纤维等堆积，—深层过滤③多孔固体介质：具有微细孔道的固体，1-3m选择：悬浮液液体性质；固体颗粒含量与粒度；操作压力及温度；过滤介质的机械强度与价格；等。（三）助滤剂滤饼受压，空隙率，流动阻力助滤剂——加入，使滤饼疏松而坚硬（1）硅藻土（2）珍珠岩（3）石棉（4）炭粉、纸浆粉使用方法：（1）助滤剂单独配成悬浮液，预过滤，在过滤介质表面形成助滤剂层（2）以0.5%的比例加入滤浆，一起过滤（用于非回收滤渣的情况）（四）固体量、滤液量与滤渣量的关系11CCPc（3-28）C：kg(湿滤渣)/含1kg固体(干渣)=M湿滤渣/所含M干渣C-1：kg(湿滤渣所含滤液)/含1kg固体(干渣)ρc：湿滤渣密度；ρP：干滤渣密度；ρ：液体密度（1）由滤饼的“(湿渣体积=干渣体积+液体体积)/kg干渣”得湿渣密度悬浮液滤液，密度ρ，体积V湿滤渣，密度ρC液体干渣，密度ρPkg/kgm-3（3）湿滤渣质量与滤液体积的比值为ωC，kg(干渣)/m3(滤液)×kg(湿渣)/kg(干渣)=kg湿滤渣/