环境工程第八章沉降-课件

第第I篇篇环境工程原理基础环境工程原理基础第第II篇篇分离过程原理分离过程原理 第第III篇篇 反应工程原理反应工程原理 环境工程原理环境工程原理我们面对的环境问题：我们面对的环境问题：水净化、空气净化、固体废物处理与资源化、受污染水净化、空气净化、固体废物处理与资源化、受污染土壤修复土壤修复.需要开发适宜的环境净化与污染防治技术需要开发适宜的环境净化与污染防治技术技术大类：技术大类：分离技术分离技术、转化技术、隔离技术、转化技术、隔离技术环境工程原理课程的主要内容环境工程原理课程的主要内容环境工程的核心环境工程的核心：利用分离、转化、隔离等技术原理，：利用分离、转化、隔离等技术原理，通过工程手段，实现污染物的高效、快速去除。通过工程手段，实现污染物的高效、快速去除。隔离隔离/分分离离/转化转化方式的优方式的优选与组合选与组合污染物的高效（去除效率、能耗）、快速去除污染物的高效（去除效率、能耗）、快速去除装置的优装置的优化设计化设计操作方式和操操作方式和操作条件的优化作条件的优化介质的混合状态和流体流态的优化介质的混合状态和流体流态的优化迁移（物质、能量）和反应速率的强化迁移（物质、能量）和反应速率的强化环境工程原理与其它学科的关系环境工程原理与其它学科的关系 环境工程原理化工原理传递过程原理原理流体力学工程学环境工环境工程原理程原理化工原理化工原理传递过程传递过程原理原理反应工程反应工程原理原理流体力学流体力学生物工程生物工程工程学工程学第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理 为什么要学习分离过程？为什么要学习分离过程？在环境领域哪些问题属于分离过程在环境领域哪些问题属于分离过程？分离都有什么手段？分离都有什么手段？本篇主要讲授内容？本篇主要讲授内容？自然界是混合体系。在生活和生产过程中常常会遇到对自然界是混合体系。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。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）和均相）水体：不同杂质和污染物组成水的混合体系水体：不同杂质和污染物组成水的混合体系大气：大气复合污染大气：大气复合污染固体废物：形形色色固体废物：形形色色土壤：污染物质本身和土壤质地本身土壤：污染物质本身和土壤质地本身单一体系单一体系混合体系混合体系分离技术：将污染物与污染介质或其他污染物分离开分离技术：将污染物与污染介质或其他污染物分离开来，从而达到来，从而达到去除去除污染物或污染物或回收利用回收利用的目的的目的分离过程的分类？分离过程的分类？机械分离：机械分离：非均相混合体系非均相混合体系传质分离：传质分离：均相混合体系均相混合体系 平衡分离过程平衡分离过程（借助分离媒介，如溶剂或吸（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）附剂等，使均相混合体系变成两相系统）速率分离过程速率分离过程（在某种推动力下，利用各组（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）分扩散速率的差异实现组分分离）主要讲授单元：主要讲授单元：沉降、过滤、吸收、吸附、萃取、膜分离沉降、过滤、吸收、吸附、萃取、膜分离学时：学时：2020学时（学时（1010月月2323日日1111月月2525日）日）讲课：讲课：1818学时学时考试：考试：2 2学时学时希望：希望：增强信心，共建新的课程体系！增强信心，共建新的课程体系！第八章第八章 沉沉 降降第一节第一节 概概 述述一、沉降分离的一般原理和类型一、沉降分离的一般原理和类型 相对运动流体：流体：液体液体气体气体固体颗粒物液珠重力场重力场离心力场离心力场电场电场惯性力场惯性力场沉降表面：器底、沉降表面：器底、器壁或其他表面器壁或其他表面重力沉降重力沉降离心沉降离心沉降电沉降电沉降惯性沉降惯性沉降扩散沉降扩散沉降沉降过程沉降过程作用力作用力特特 征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度小，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（0.1m）的分离适用于10m粉尘的分离微细粒子（0.01m）的分离在环境领域利用沉降原理可以去除哪些污染物？在环境领域利用沉降原理可以去除哪些污染物？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、液珠第二节第二节 重力沉降重力沉降一、重力场中颗粒的沉降过程一、重力场中颗粒的沉降过程 浮力浮力Fb重力重力Fg假设球形颗粒粒径为假设球形颗粒粒径为dP、质量为、质量为m。沉速如何计算？。沉速如何计算？根据牛顿第二定律，颗粒根据牛顿第二定律，颗粒将产生向下运行的加速度将产生向下运行的加速度 阻力（曳力）阻力（曳力）FDC CD D:阻力（曳力）系数，阻力（曳力）系数，是雷诺数的函数是雷诺数的函数。AP：颗粒的投影面积：颗粒的投影面积达到平衡时：达到平衡时：ut颗粒终端沉降速度（颗粒终端沉降速度（terminal velocity）（1）层流区：）层流区：ReP 2 CD=24/ReP 斯托克斯（斯托克斯（Stokes）公式）公式(8-2-5)（2）过渡区过渡区：2ReP103 艾仑艾仑(Allen)公式公式（3）紊流区：）紊流区：103ReP2 105 CD=0.44牛顿（牛顿（Newton）公式）公式 上述式子有何意义？上述式子有何意义？了解影响颗粒沉速的因素（颗粒粒径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由颗粒沉降速度求颗粒粒径水处理中的沉降实验水处理中的沉降实验由颗粒沉降速度求液体粘度由颗粒沉降速度求液体粘度落球法测定粘度落球法测定粘度二、沉降速度的计算二、沉降速度的计算（1 1）试差法）试差法 假设沉降属于某一区域假设沉降属于某一区域计算颗粒沉速计算颗粒沉速按求出的按求出的颗粒沉降速度颗粒沉降速度ut计算计算ReP，验证，验证ReP是否在所属的假设区域。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。如果在，假设正确；否则，需要重新假设和试算。（2）磨擦数群法）磨擦数群法 CD与与ReP的关系曲线中，由于两坐标都含有未知数的关系曲线中，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进行适当的转换，使其两坐标之一变成不包含ut的已知的已知数群，则可以直接求解数群，则可以直接求解ut。将颗粒沉速计算式将颗粒沉速计算式（8-2-5)进行变换得到进行变换得到CD计算式：计算式：ReP2 ReP2不包含沉降速度不包含沉降速度ut的的摩擦数群摩擦数群。无因次，也是无因次，也是ReP的函数。的函数。CD与与ReP的关系曲线转换成的关系曲线转换成CDReP2与与ReP的关系曲线。的关系曲线。CDReP2CDReP1由颗粒直径和其他参由颗粒直径和其他参数，计算摩擦数群。数，计算摩擦数群。由左图由左图CDReP2ReP的关系曲线，查出相的关系曲线，查出相应的应的ReP值。值。根据根据ReP的定义反算出的定义反算出ut 如何由沉降速度计算如何由沉降速度计算颗粒直径？颗粒直径？由颗粒直径计算沉降速度由颗粒直径计算沉降速度 （3）无因次判据）无因次判据K用用K判别沉降属于什么区域？判别沉降属于什么区域？层流区：上限是层流区：上限是ReP2 K 36紊流区：下限是紊流区：下限是ReP为为1000 三、沉降分离设备三、沉降分离设备水处理：沉淀池水处理：沉淀池 气净化：降尘室气净化：降尘室流体速度流体速度vut含尘气体含尘气体含悬浮物液体含悬浮物液体净化气体净化气体净化液体净化液体Hl位于沉淀池（降尘室）位于沉淀池（降尘室）最高点的颗粒最高点的颗粒沉降至池底需要的时间为沉降至池底需要的时间为 t沉沉=H/ut流体通过沉淀池（降尘室）的时间为流体通过沉淀池（降尘室）的时间为:t停停=l/v,or V/Q为满足除尘或悬浮物要求，为满足除尘或悬浮物要求，t停停 t沉沉第三节第三节 离心沉降离心沉降 一、离心力场中颗粒的沉降分析一、离心力场中颗粒的沉降分析 r惯性离心力惯性离心力Fc浮力浮力(向心力向心力)Fb颗粒与流体之间产生相对运动，颗粒与流体之间产生相对运动，颗粒还会受到来自流体的颗粒还会受到来自流体的阻力阻力（曳力）（曳力）FD的作用的作用 CCD D与与ReRe有关有关 如果这三项力能达到平衡如果这三项力能达到平衡du/dt=0 du/dt=0 颗粒在此位置上的离心沉降速度：颗粒在此位置上的离心沉降速度：重力沉降重力沉降1)1)沉降方向不是向下，而是向外，即背离旋转中心沉降方向不是向下，而是向外，即背离旋转中心 2)2)由于离心力随旋转半径而变化，致使离心沉降速度也随由于离心力随旋转半径而变化，致使离心沉降速度也随颗粒所处的位置而变。颗粒所处的位置而变。3)3)离心沉降速度在数值上远大于重力沉降速度。离心沉降速度在数值上远大于重力沉降速度。离心加速度与重力加速度的比值（离心分离因素）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：旋流器的特点：设备静止，流体在设备中作旋转运行而产设备静止，流体在设备中作旋转运行而产生离心作用。生离心作用。Kc 一般在一般在几十数百几十数百离心沉降机的特点：离心沉降机的特点：装有液体混合物的设备本身高速旋转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。并带动液体一起旋转，从而产生离心作用。Kc可以高可以高达达数十万数十万。二、旋流器工作原理二、旋流器工作原理旋风分离器：用于气体非均相混合物分离旋风分离器：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旋流分离器：用于液体非均相混合物分离（一）旋风分离器（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。旋风分离器在工业上的应用已有近百年的历史。旋旋风风分分离离器器结结构构简简单单、操操作作方方便便，在在环环境境工工程程领领域域也也应应用广泛。用广泛。在在大大气气污污染染控控制制工工程程中中，作作为为一一种种常常用用的的除除尘尘装装置置，主主要用于去除大气中的粉尘，常称为要用于去除大气中的粉尘，常称为旋风除尘器旋风除尘器。1.基本操作原理基本操作原理 ui旋风分离器中的惯性离心力是由旋风分离器中的惯性离心力是由气体进入口的切向速度气体进入口的切向速度ui产生的。产生的。离心加速度为离心加速度为rm 2ui2/rm，其中其中rm为平均旋转半径为平均旋转半径。分离因数为分离因数为：其大小为其大小为52500，一般可分离，一般可分离气体中直径为气体中直径为575 m的粉尘。的粉尘。2.主要分离性能指标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表示旋风分离器的分离性能的主要指标有临界直径临界直径和和分离效率分离效率。(1)临界直径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最小颗粒的直径颗粒的直径，用，用dc表示。表示。为分析简单，对气体和颗粒在筒内的运动作如下假设：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，圈后进入排气筒，旋转的平均切线速度等于入口气体速度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的颗粒在沉降过程中所穿过的气流的最大厚度最大厚度等于等于进气口宽度进气口宽度B。根据颗粒离心沉降速度方程式，假设气体密度根据颗粒离心沉降速度方程式，假设气体密度 颗粒密颗粒密度度 P，相应于临界直径，相应于临界直径dc的的颗粒沉降速度颗粒沉降速度为：为：根据假设根据假设，颗粒，颗粒最大沉降时间最大沉降时间为：为：若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为N，则运行的，则运行的距离为距离为2 rmN，故气体在筒内的停留时间为，故气体在筒内的停留时间为 令t沉=t停，得：一般旋风分离器以一般旋风分离器以圆筒直径圆筒直径D为参数，其它参为参数，其它参数与数与D成比例，成比例，B=D/4。D增加，增加，dc增大，分离效率减少。增大，分离效率减少。(2)分离效率分离效率总效率：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。尘的质量分率。C1，C2分别为旋风分离器入口和出口气体中的总含尘量分别为旋风分离器入口和出口气体中的总含尘量 粒级效率：粒级效率：表示进入旋风分离器的粒径为表示进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下的颗粒被分离下来的质量分率。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 总效率总效率表示旋风分离器的分离效果，总的除尘效果。但并不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。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。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。粒级效率粒级效率更能准确地表示旋风分离器的分离效率。更能准确地表示旋风分离器的分离效率。粒级效率曲线：粒级效率曲线：粒级效率与颗粒粒径的关系粒级效率与颗粒粒径的关系（二）旋流分流器（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。分离器类似。旋流分离器的特点：旋流分离器的特点：(1)(1)形状细长，形状细长，直径小（？）直径小（？），圆锥部分长，有利于颗粒，圆锥部分长，有利于颗粒的分离。的分离。(2)(2)中心有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效果。中心有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效果。在水处理中，旋流分离器又称为在水处理中，旋流分离器又称为水力旋流器水力旋流器，可用于高浊，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。水泥沙的分离、暴雨径流泥沙分离、矿厂废水矿渣的分离等。三、离心沉降机工作原理三、离心沉降机工作原理 根据离心沉降机的分离因素根据离心沉降机的分离因素Kc的大小，离心机可分为：的大小，离心机可分为：(1)常速离心机：常速离心机：Kc3000(2)高速离心机：高速离心机：3000Kc50000离心沉降机主要用于悬浮液的固液分离。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在离心沉降机中离心力是靠设备本身的设备本身的旋转而产生的旋转而产生的。颗粒在筒内的沉降时间为从颗粒在筒内的沉降时间为从r r1 1到到r r2 2所需的时间，所需的时间，对上式进行积分。对上式进行积分。假设层流，在距离中心为假设层流，在距离中心为r r处的颗粒的处的颗粒的沉降速度沉降速度为：为：又，流体在筒内的停留时间又，流体在筒内的停留时间t停停为为式中式中V为悬浮液的体积流量（为悬浮液的体积流量（m3/s）。）。令令t沉沉t停停 第四节第四节 其它沉降其它沉降 一、电沉降一、电沉降 在电场中，荷电颗粒将会受到静电力在电场中，荷电颗粒将会受到静电力F Fe e的作用：的作用：FeqE q颗粒的荷电量；颗粒的荷电量；E颗粒所处位置的电场强度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颗粒所受的作用力主要是静电力静电力和和流体阻力流体阻力。当在层流条件下，平衡时，终端电沉降速度当在层流条件下，平衡时，终端电沉降速度u ucece图图8-4-1 8-4-1 电除尘器的基本原理电除尘器的基本原理 放电电极放电电极（电晕极）（电晕极）集尘极集尘极 不均匀电场未荷电尘粒未荷电尘粒 荷电尘粒荷电尘粒 气体电离气体电离粒子荷电粒子荷电荷电粒子迁移荷电粒子迁移颗粒沉积与清除颗粒沉积与清除 去除去除0.10.1 m m以下的颗粒以下的颗粒二、惯性沉降二、惯性沉降 31停滞流线停滞流线流体方向流体方向流体流线流体流线障碍物障碍物2颗粒与流体一起运动时，如在流体中存在障碍物，流体沿障颗粒与流体一起运动时，如在流体中存在障碍物，流体沿障碍物产生碍物产生绕流绕流，而颗粒物由于，而颗粒物由于惯性力惯性力的作用，将会的作用，将会偏离流线偏离流线。惯性沉降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，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。使颗粒在障碍物上沉降的过程。能否沉降能否沉降在障碍物上，取决于颗粒的在障碍物上，取决于颗粒的质量质量和相对于障碍物的和相对于障碍物的运动速度和位置运动速度和位置