环境工程原理第06章沉降

第二篇 分离过程原理,教学要求：,1.,要求掌握机械分离和传质分离的基本原理,2.,能够进行分离工艺过程的基本计算,在环境污染防治领域，对水体、空气、土壤进行净化以及从固体废弃物中回收有用物质都涉及混合物分离问题。分离就是将污染物与污染介质或其他污染物分离，达到,去除,污染物或,回收利用,的目的。,第,II,篇 分离过程原理,混合物的分类,均相混合物：,物系内部物料性质均匀且不存在相界面。如：溶液、混合气体,非均相混合物,：,物系内部有两相界面,且界面两侧的物料性质截然不同。,气态非均相物系：含尘气体，含雾气体。,液态非均相物系：悬浮液、乳浊液。,分离,方法,机械分离过程：,以力（重力、离心力、压差、电磁力）的作用引起颗粒或流体整体运动的分离方法，分离对象为非均相混合物。,传质分离：,依靠物质的分子运动（包括分子扩散与涡流扩散）实现混合物中各组分的分离方法，分离对象为均相混合物。,第,II,篇 分离过程原理,非均相,物系,分散相：,(,分散物质,),处于分散状态的物质。,如：分散在流体中的固体颗粒、液滴或气泡,连续相：,(,分散相介质,),包围分散相物质且处于连续状态的流体。,如：气态非均相物系中的气体,液态非均相物系中的连续液体,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,本篇主要内容,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、沉降分离的原理,二、流体阻力与阻力系数,主要内容,一、沉降分离的原理,（看书,p2082,分钟）,1,、,沉降分离的一般原理：,将含有颗粒物的流体,(,水或气体,),置于某种力场,(,重力场、离心力场、电场或惯性场等,),中，使颗粒物与连续相流体发生相对运动，沉降到器壁、器底或其他沉积表面，从而实现颗粒物与流体分离。,2,、沉降类型,沉降类型,作用力,特 征,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,重力沉降,离心沉降,电沉降,惯性沉降,扩散沉降,二、单颗粒的几何特性参数,比表面积,(,单位体积颗粒具有的表面积,),1,、形状规则的球形颗粒：,体积,表面积,式中：,d,p,球形颗粒直径，,m,；,A,球形颗粒表面积，,m,2,；,V,p,球形颗粒体积，,m,3,；,a,颗粒比表面积，,m,2,/m,3,。,非球形颗粒用两个参数确定其特性，即球形度和当量直径。,2,、形状不规则的颗粒：,(1),颗粒的当量直径,工程中常将非球形颗粒以某种,“,当量,”,的球形颗粒来代替，使非球形颗粒的某种特性与球形颗粒等效，这种颗粒的直径为当量直径，当量直径表示非球形颗粒的大小。,等体积当量直径,等表面积当量直径,等比表面积当量直径,颗粒的球形度又称形状系数，表示颗粒形状与球形的差异。定义,:,与该颗粒体积相等的球体表面积除以颗粒的表面积，,(2),球形度,(3),非球形颗粒的特性,三、流体阻力与阻力系数,某一颗粒在不可压缩连续流体中运动，受到流体的阻力，该阻力由两部分组成：,形状阻力和摩擦阻力,。,流体阻力方向与颗粒物运动方向相反，其大小与流体和颗粒物之间的相对运动速度,u,、流体密度,、黏度,以及颗粒大小、形状有关。,球形颗粒的流体阻力方程：,颗粒的雷诺数,A,P,：颗粒的投影面积,C,D,：阻力系数，雷诺数的函数。,(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,第一节 沉降分离的基本概念,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,主要内容,第二节 重力沉降,掌握重力沉降速度的计算方法和重力沉降分离设备的结构与工作原理。,一、重力场中颗粒的沉降过程,设球形颗粒粒径为,d,P,、密度,p,；流体密度,重力沉降,利用分散物质与分散介质的密度差,浮力,F,b,重力,F,g,阻力,F,D,颗粒沉降的瞬间，阻力,F,D,为,0,；沉降后，阻力随速度的增加而增大，速度达到某一值,u,t,时，阻力、浮力与重力平衡，,F,= 0,，颗粒做匀速沉降运动。,1,沉降速度,2,阻力系数,u,t,颗粒终端沉降速度,根据实验，阻力系数与雷诺数的关系如图所示。,层流区：,-,斯托克斯阻力定律,斯托克斯定律区,C,D,-,R,e,关系曲线,C,D,R,e,层流区,过渡区,湍流区,过渡区：,湍流区：,艾仑定律区,牛顿定律区,3,、颗粒的沉降速度,球形颗粒在相应各区的沉降速度公式，即,层流区：,过渡区：,湍流区：,-,斯托克斯公式,-,艾伦,公式,-,牛顿公式,对一定流体体系，颗粒沉降速度只与粒径有关。根据颗粒粒径求沉降速度，也可根据沉降速度求颗粒粒径,二、沉降速度的计算,1,、试差法,在给定介质中颗粒沉降速度可用以下计算方法：,假设沉降属层流区,u,t,Re,p,Re,p,2,u,t,为所求,Re,p,2,艾伦公式,求,u,t,判断,公式适,用,为止,2,、摩擦数群法,C,D,与,Re,P,关系曲线中，由于两坐标都含有未知数,u,t,， 进行适当转换，使其两坐标之一变成不包含,u,t,的已知数群，则可以直接求解,u,t,。,由颗粒直径和其他参数，计算摩擦数群。,由,C,D,Re,p,2,-,R,e,P,关系曲线，查相应的,R,e,P,值。,如何由,u,t,计算,d,p,？,由颗粒直径计算沉降速度,根据,R,e,P,定义反算出,u,t,C,D,R,e,P,1,（不包含颗粒直径的摩擦数群）,C,D,R,e,2,P,R,e,P,3,、无量纲判据,K,湍流区：下限,Re,P,=1000,层流区：上限,Re,P,2,用,K,判别沉降属于什么区域,作为无量纲判据，则,计算步骤：,思想：,已知颗粒直径,d,p,，求出,K,，判定沉降所属区，直接选用相应公式计算,u,t,，避免试算。,无量纲判据,K,法总结：,1,、计算,K,：,2,、根据,K,选择合适公式计算,u,t,：,三、沉降分离设备,1,、沉淀池,水处理中，基于重力沉降原理进行固液分离的构建物有沉淀,(,沙,),池，典型的形式是,平流沉淀,(,沙,),池。,流入,流出,排泥,浮渣去除槽,刮泥板,刮渣板,行车,平流沉淀池,2,、降尘室,利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。,（,1,）原理：含尘气体进入突然扩大的流道,沉降室后，气速显著减小，颗粒随气流有一水平速度,u,，同时在重力作用下，以沉降速度,u,t,向下沉降。只要在气流通过降尘室的时间内颗粒能够降至室底，尘粒便可从气流中分离出来。,（,2,）沉淀池或降尘室工作过程,净化气体,净化液体,含尘气体,含悬浮物液体,l,b,u,i,h,d,c,最高点颗粒,沉降至池底时间,：,流体通过降尘室时间,:,为满足除尘或悬浮物要求,，,t,停,t,沉,，即：,降尘室使颗粒沉降的条件,降尘室生产能力,降尘室,生产能力,理论上,正比,于颗粒的沉降速度,u,t,和沉降方向上的截面积、即降尘室底面积,bl,，而与沉降室的高度,h,无关。,故可将降尘室做成多层，室内均匀设置若干水平隔板,(,间距为,40,100mm),，构成多层降尘室。,多层降尘室生产能力,(n,层水平隔板,),：,q,V,(n+1)u,t,lb,同气速下，装有横向隔板的降沉室除尘效果更好。因为隔板间基本上保持了相同的流动速度，而颗粒达到隔板通道底部的沉降距离更短。,为便于清灰，可将隔板装成可翻动或倾斜式。,1-,隔板；,2,、,6,调节闸阀；,3-,气体分配道；,4-,气体聚集道；,5-,气道；,7-,清灰口,（,3,）降尘室的计算,降尘室的计算,设计型,操作型,已知气体处理量和除尘要求，求降尘室大小,用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除去直径,d,p,的尘粒时所能处理的气体流量。,【,例题,】,采用降尘室回收常压炉气中所含固体颗粒，降尘室底面积,12m,2,，宽和高均为,2m,，炉气处理量,3m,3,/s,。操作条件下气体密度为,0.75kg/m,3,，黏度为,2.610,-5,Pas,，固体密度为,3000kg/m,3,。求：,(1),理论上能完全捕集下来的最小粒径；,(2),粒径为,40m,颗粒的回收百分率；,(3),若完全回收直径为,8m,尘粒，对降尘室应作如何改进,?,解：,(1),能完全分离出的最小颗粒沉降速度,沉降属层流区，假设成立，求得最小颗粒直径有效。,u,t,=,q,V,/,bl,=3/12=0.25m/s,设沉降在层流区，由斯托克斯公式求最小颗粒粒径,(2),直径,40m,的颗粒必在层流区沉降，其沉降速度,u,t,设降尘室入口炉气均布，在降尘室入口端处于顶部及其附近,d=40m,的尘粒，因其,u,t,0.25,m/s,，它们随气体到达出口时还没有沉到底而随气体带出，而入口端处距室底,0.8 m,以下,40m,的尘粒均能除去，所以,40m,尘粒的除尘效率：,=,h/h,=0.8/2=40%,气体通过降尘室的时间为：,t,停,=,lb,h/q,V,=122/3 = 8 s,理论上直径,40m,的颗粒在此时间内沉降高度,h=,u,t,t,停,=0.18=0.8 m,取,n=49,，则隔板间距：,h=h/(n+1)=2/50=0.04 m,因而在原降尘室内设置,49,层隔板理论上可全部回收直径为,8m,颗粒。,(3),要完全回收直径为,8m,的颗粒，则可在降尘室内设置水平隔板，使之变为多层降尘室。降尘室内隔板层数,n,及板间距,h,的计算：,间歇沉降槽：,通常带有锥底圆槽，需处理的悬浮液在槽内静置足够时间后，增浓的沉渣由槽底排出，清液则由槽上部排出管抽出。,连续沉降槽：,底部略成锥状的大直径浅槽，悬浮液经中央进料口送到液面以下,0.3-1.0,处，在尽可能减小扰动的情况下，迅速分散到整个横截面上，液体向上流动，清夜经由槽顶端四周的溢流堰连续流出，称为溢流；固体颗粒下沉至底部，槽底有徐徐旋转的耙将沉渣缓慢地聚拢到底部中央的排渣口连续排出，排出的稠浆称为底流。,3,、沉降槽,(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。,(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。,思考题,书面作业：,p236,2376.8,第三节 离心沉降,一、离心力场中颗粒沉降分析,二、旋流器工作原理,三、离心沉降机工作原理,主要内容,掌握旋风分离器的基本操作原理及其主要分离性能指标、旋流分离器的工作原理及有关计算、离心沉降机工作原理及有关计算。,离心沉降：,利用离心力作用实现颗粒物从流体中沉降分离的过程。对于两相密度差较小，颗粒较细的非均相物系，在离心力场中可得到较好的分离。通常，气固非均相物质的离心沉降是在旋风分离器中进行，液固悬浮物系的离心沉降可在旋液分离器或离心机中进行。,惯性离心力场与重力场的区别,力场强度,重力加速度,g,u,t,2,/R,方向,指向地心,沿旋转半径从中心指向外,F,g,=mg,作用力,重力场,离心力场,一、,离心力场中的,沉降速度,向心力,惯性离心力,1,、离心力场中颗粒在径向的受力情况,r,F,c,F,D,F,b,阻力,三力达到平衡，则：,F,c,F,b,F,D,= 0,2,、离心沉降速度,u,tc,平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度,u,tc,便是此位置的,离心沉降速度,。,重力沉降,表达式：,离心沉降速度与重力沉降速度具有相似的关系式,区别在于离心加速度,r,2,和重力加速度,g,。,数值上：,离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在离心力场中的位置而变；而重力沉降速度则基本为定值。,方向上：离心沉降速度方向径向向外，颗粒在旋转流体中沿着半径逐渐增大的螺旋形轨道前进。,离心沉降速度与重力沉降速度比较,3,、离心分离因数,同一颗粒在相同介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值，即离心加速度与重力加速度之比：,K,c,是离心分离设备性能的重要指标，大小可人为调节,某些高速离心机的分离因数可高达数十万；旋风或旋液分离器的分离因数一般在,5,2500,之间，因此对于一定的悬浮系，采用离心沉降可加快沉降过程。,二、离心沉降分离设备,旋流分离器,沉降离心机,特征：,设备静止、流体旋转,特征：,机器带动流体一起旋转,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,用途：,适用于粒度不小于,5m,的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气,-,固流态化装置的尾气处理。对颗粒含量高于,200g/m,3,的气体，由于颗粒聚结作用，甚至能除去,3m,以下的颗粒；旋风分离器还可以从气流中分离除去雾沫。旋风分离器不适用于处理粘性粉尘、含湿量高的粉尘及腐蚀性粉尘。,1,、旋风分离器的,结构,及工作原理,含尘气体,净化气体,尘粒,H,2,H,1,h=D/2, B=D/4, D,1,=D/2, H,1,=2D, H,2,=2D,S=D/8,D,2,=D/4,标准旋风分离器,1,、旋风分离器的结构及,工作原理,通常把下行螺旋形气流称为外旋流，上行螺旋形气流称为内旋流（又称气芯），内、外旋流气体的旋转方向相同，外旋流上部是主要除尘区。上行内旋流形成低压气芯，其压力低于气体出口压力，要求出口或集尘室密封良好，以防气体漏入而降低除尘效果。,2,、主要分离性能指标,(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,d,c,表示，是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据,为便于分析，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,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,u,i,。,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,。,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,d,c,的,颗粒沉降速度,为：,根据假设，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,2,r,m,N,，故气体在筒内的停留时间为,令,t,沉,=,t,停,，得：,临界粒径的表达式,标准型：,N,= 5,一般型：,N,= 0.53.0,可见，,d,c,随,B,而,，分离效率随分离器尺寸,而,，所以，当气体处理量很大时，常将苦干个小尺寸的旋风分离器并联使用（称为旋风分离器组）以维持较好的除尘效果。,总效率与粒级效率之间的关系,：,x,i,为粒径,d,i,颗粒占总颗粒的质量分数,粒级效率：,表示进入旋风分离器粒径为,d,i,的颗粒被分离下来的质量分数。,(2),分离效率,1,，,2,分别为旋风分离器入口和出口气体的总含尘量,总效率：,指进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下,来的粉尘质量分数。,i1,，,i2,为粒径,d,i,颗粒在旋风分离器入口和出口气体中的含量,总效率,表示旋风分离器总除尘效果，不能准确代表分离效率。,粒级效率,能准确地表示旋风分离器的分离效率。,粒级效率与颗粒直径的对应关系称为,粒级效率曲线，,通过实测进、出气流中所含尘粒的浓度及粒度分布获得。,如图，临界粒径为,10m,。理论上凡直径大于,10m,颗粒的粒级效率应为,100%,，小于,10m,颗粒的粒级效率应为零，图中折线,obcd,。,实测的粒级效率曲线，直径小于,10m,的颗粒也有可观的分离效果，而直径大于,d,c,的颗粒还有部分未被分离下来。,有些直径,d,c,的颗粒受气体涡流影响没达到器壁，即使沉到器壁也会被重新扬起而带走。,工程上常采用,分割直径,d,50,（粒级效率为,50%,的颗粒直径）评价旋风分离器的性能。,标准旋风分离器：,PV,型粗旋风分离器,PV,型外置旋风分离器,PV,型单级旋风分离器,PV,型一、二级 旋风分离器,旋风分离器的不同型号,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，有利于提高分离效果。,（二）旋流分离器,结构和原理与旋风分离器类似。,水处理中,旋流分离器又称为水力旋流器,，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。,三、离心沉降机工作原理,根据离心沉降机的分离因素,K,c,的大小，离心机可分为：,常速离心机：,K,c,3000,高速离心机：,3000,K,c,50000,离心机是利用惯性离心力分离非均相混合物的机械，与旋液分离器的主要区别在于离心力是由设备（转鼓）本身旋转而产生，故可用来分离用一般方法难于分离的悬浮液或乳浊液。,离心机工作原理示意图,r,2,r,r,1,h,u,i,悬浮液,看书：,p231,假设层流，在距中心,r,处颗粒的,沉降速度,为：,u,i,设粒径为,d,c,的颗粒的临界沉降轨迹如图所示。,d,c,为可以完全分离的,最小颗粒粒径,。,颗粒在筒内沉降时间为从,r,1,到,r,2,所需时间，对上式进行积分。,又，流体在筒内的停留时间,t,停,为,式中,q,V,为悬浮液的体积流量，单位为,m,3,/s,。,令,t,沉,t,停,操作方式：,间歇操作与连续操作；,还可根据转鼓轴线的方向分为,立式与卧式。,离心机类型,常用于处理粒度,5,40mm,、固液密度差大于,0.05g/cm,3,、固含量小于,10%,。主要用于泥浆脱水和从废液中回收固体。,螺旋卸料沉降离心机,可处理粒度,25mm,，固含量小于,10%50%,，固液密度差大于,0.05g/cm,3,悬浮液。,卧式螺旋卸料离心机示意图,无孔转鼓式离心机,碟式离心机,喷嘴排渣碟式离心机,适于处理粒径,0.1,100mm,、固含量小于,25%,的悬浮液。,管式离心机,离心分离因数可达,65,000,，工业上可用于油水分离，实验室中可用于分离微生物和蛋白质。,管式离心机示意图,(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？,思考题,第三节 离心沉降,书面作业：,p2376.12,一、电沉降,二、惯性沉降,主要内容,第四节 其他沉降,掌握电除尘器、惯性除尘器工作原理,看书：,p233-235,如电场强度很强，重力或惯性力可忽略不计，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,u,te,一、电沉降,在电场中，荷电颗粒将会受到静电力,F,e,的作用：,q,颗粒的荷电量,；,E,颗粒所处位置的电场强度,第四节 其他沉降,电除尘器的基本原理,放电电极（电晕极）,集尘极,不均匀电场,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,0.1,m,以下的颗粒,第四节 其他沉降,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。,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。,二、惯性沉降,3,1,停滞流线,流体方向,流体流线,障碍物,2,第四节 其他沉降,惯性除尘器：,利用惯性沉降原理从气体中分离粉尘。,去除惯性大的颗粒,惯性离心力作用去除细尘粒,尘粒,d,2,所受的离心力,粒径和气速愈大，气流旋转半径,R,2,愈小，除尘效率愈高。,惯性除尘器能捕集,10,m,以上的颗粒。,第四节 其他沉降,(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？,思考题,第四节 其他沉降,