环境工程原理电子教案-第6章沉降

第II篇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10～20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？•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：DP()CfRePPudRe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2DDP2uFCA（6.1.10）（6.1.11）层流区过渡区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浮力Fb重力Fg假设球形颗粒粒径为dP、质量为m。沉速如何计算？阻力（曳力）FD2DDP2uFCA第二节重力沉降3bPπ6Fdg（6.2.2）3gPPπ6Fdg（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）达到平衡时：gbD0FFF2332tPPPDPπππ()06642udgdgCdut——颗粒终端沉降速度（terminalvelocity）（1）层流区：ReP2CD=24/RePPPtD4()3dguC(6.2.5)第二节重力沉降2PtP118ugd斯托克斯（Stokes）公式(6.2.6)（2）过渡区：2ReP1030.6PPPt()0.27gdReu艾仑(Allen)公式PPt()1.74gdu（3）湍流区：103ReP2105CD=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.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将颗粒沉速计算式（6.2.5)进行变换得到CD计算式：ReP2ReP2PPD2t4()3dgCuPtPduRe32PPDP24()Re3dgC不包含沉降速度ut的摩擦数群。无因次，也是ReP的函数。CD与ReP的关系曲线转换成与ReP的关系曲线。第二节重力沉降（6.2.9）2DPCReCDRe2PCDReP－1（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。由左图-ReP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？由颗粒直径计算沉降速度第二节重力沉降根据ReP的定义反算出utPtPReud（6.2.10）2DPCRePPPP3PP2()1.74()1.741.741000ddgRedgK2PtPPPP3PP2()18()1218duddgRedg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ReP＝2湍流区：下限是ReP为1000第二节重力沉降36K（6.2.11）5103.3K（6.2.12）第二节重力沉降【例6.2.1】求直径为40m，密度为2700kg/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为1.205kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s。解：（1）试差法假设颗粒的沉降处于层流区，并且由于P，所以由式（6.2.6）得：262PPt527009.8140100.1318181.8110gdum/s检验：6PtP540100.131.2050.34621.8110duRe所以在层流区，与假设相符，计算正确。第二节重力沉降（2）摩擦数群法首先计算摩擦数群2DpCRe363pP2Dp225440101.20527009.8148.31331.8110dgCRe假设颗粒的球形度为1，则由2DpCRe与pRe的关系曲线，可以查得pRe为0.32因此，可得5pt6p0.31.81100.12540101.205Reudm/s由于查图得到的pRe误差较大，所以可以作为判断颗粒沉降所处区域的依据，而tu的计算仍然采用式（6.2.6），262PPt527009.8140100.1318181.8110gdum/s第二节重力沉降（3）判据法计算K判据得363PP22540109.811.20527006.24361.8110dgK所以可判断沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：262PPt527009.8140100.1318181.8110gdum/s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：ttVVuqulbh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22DDPπ42uFCd第三节离心沉降浮力(向心力)Fb32bP1π6Fdr（6.3.2）惯性离心力Fc232cPP1π6Fmrdr（6.3.1）如果这三项力能达到平衡du/dt=0重力沉降PPtD4()3dguC•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。cbD2322PPDP1ππ()642ddFFFFudrCdumt（6.3.3）2PPtcD4()3druC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（离心分离因素）Kc2crKg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，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。232cmPPim1π/6Fmrdur离心加速度为rm2＝ui2/rm，其中rm为平均旋转半径。分离因数为：其大小为5～2500，一般可分离气体中直径为5～75m的粉尘。22mcmiurKgrg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：①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。②颗粒在筒内与气体之间的相对运动为层流。③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：2222PciPtmPm11818duurdr根据假设③，颗粒最大沉降时间为：m22tcP18irBBtudu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2rmN，故气体在筒内的停留时间为mi2πrNtu停一般旋风分离器以圆筒直径D为参数，其他参数与D成比