(2.6)--6 沉降分离环境工程原理.ppt

第六章第六章 沉降分离沉降分离一、沉降分离的基本原理二、重力沉降三、离心沉降与其他沉降本章主要内容1、沉降分离的一般原理和类型2、流体阻力与阻力系数本本节主要内容主要内容自然界的颗粒物沉降现象自然界的颗粒物沉降现象颗粒物颗粒物流体流体沉降沉降-颗粒物从流体中分离的过程颗粒物从流体中分离的过程1 1、沉降分离的一般原理和类型、沉降分离的一般原理和类型流体：流体：液体液体气体气体颗粒物：颗粒物：固体颗粒物固体颗粒物液珠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、器沉降表面：器底、器壁或其他表面壁或其他表面重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降离心沉降离心沉降离心沉降离心沉降电沉降电沉降电沉降电沉降惯性沉降惯性沉降惯性沉降惯性沉降扩散沉降扩散沉降扩散沉降扩散沉降作用机理：作用机理：1 1、沉降分离的一般原理和类型、沉降分离的一般原理和类型沉降过程沉降过程作用力作用力特特 征征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重力重力离心力离心力电场力电场力惯性力惯性力热运动热运动沉降速度小，适用于较大颗粒分离沉降速度小，适用于较大颗粒分离适用于不同大小颗粒的分离适用于不同大小颗粒的分离带电微细颗粒（带电微细颗粒（0.10.1 m m）的分离）的分离适用于适用于10102020 m m以上粉尘的分离以上粉尘的分离微细粒子（微细粒子（0.010.01 m m）的分离）的分离沉降过程类型与特征沉降过程类型与特征 环境工程领域的沉降分离实例：环境工程领域的沉降分离实例：水与废水处理：水与废水处理：各种颗粒物的沉降各种颗粒物的沉降（无机砂粒、有机絮体（无机砂粒、有机絮体）比重较小絮体的上浮比重较小絮体的上浮油珠的上浮油珠的上浮 气体净化：气体净化：粉尘、液珠粉尘、液珠2 2、流体阻力与阻力系数、流体阻力与阻力系数 问题解析：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-流体的相对运动方向相反，其大小与流体和颗粒物之间的相对运动速度u、流体的密度、黏度以及颗粒物的大小（平均直径）、形状有关。对于非球形颗粒物，这种关系非常复杂。先先简化化为球形球形颗粒物，探索其阻力粒物，探索其阻力规律，然后律，然后对模型模型进行校正。行校正。对于球形颗粒，流体阻力的计算方程：颗粒在流体中运动的雷诺数 AP：颗粒的投影面积 ：流体密度 u：颗粒与流体的相对运动速度CD:阻力系数，是雷诺数的函数。层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区Stokes阻力定律阻力定律Rep22Rep103103Rep21050.440.1湍流边界层区湍流边界层区不规则颗粒阻力系数与雷诺数之间的关系不规则颗粒阻力系数与雷诺数之间的关系小小 结结沉降分离的基本原理沉降分离的基本原理沉降分离的一般原理和类型沉降的基本原理沉降的类型与特征流体阻力与阻力系数球形颗粒在流体球形颗粒在流体中阻力特征中阻力特征层流区过渡区湍流区湍流边界层区非球形颗粒的阻力特征沉降分离沉降分离安全与环境工程学院环境工程系安全与环境工程学院环境工程系周广柱周广柱 副教授副教授 EmailEmail：一、沉降分离的基本原理二、重力沉降三、离心沉降与其他沉降本章主要内容1、重力场中颗粒的沉降过程 2、沉降速度的计算3、沉降分离设备本节主要内容1、重力场中颗粒的沉降过程 浮力Fb重力Fg模型假设：假设球形颗粒粒径为dP、质量为m。沉速如何计算？阻力FD根据牛顿第二定律，颗粒将产生向下运行的加速度 V=/6*dp3)Tips：达到平衡时：ut颗粒终末沉降速度（1）层流区：ReP2 CD=24/ReP 斯托克斯（Stokes）公式（2）过渡区：2ReP103 艾仑(Allen)公式（3）湍流区：103ReP2105 CD=0.44牛顿（Newton）公式 注意公式中包含注意公式中包含Ut分析影响颗粒沉速的因素（颗粒粒径）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该模型公式的意义：（1）试算法 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。如果假设正确结束运算；否则，需要重新假设和试算。（2）磨擦数群法 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。2、沉降速度的计算将颗粒沉速计算式进行变换得到CD计算式：ReP2 ReP2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CDReP2与ReP的关系曲线。CDReP2CDReP1（不包含颗粒直径的摩擦群数）由颗粒直径和其他参数，计算摩擦数群。由左图CDReP2ReP的关系曲线，查出相应的ReP值。由颗粒直径计算沉降速度 根据ReP的定义反算出ut（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ReP2 紊流区：下限是ReP为1000 水处理：平流沉淀池气净化：降尘室三、典型重力沉降分离设备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：流体中直径为dc的颗粒完全去除的条件。【思考】1、两种密度相同、粒径不同的颗粒在静止流体中作竖直方向沉降运动，哪种先落到底部？2、两种密度相同、粒径不同的颗粒在静止流体中作平抛运动，哪种先落地，落在较近的地方还是较远的地方？3、两种不同密度的等粒径颗粒在静止流体中作平抛运动，哪种先落地，落在较近的地方还是较远的地方？以上过程的工程指导意义是什么？小小 结结重力沉降重力沉降球形粒子重力沉降过程模型解析沉降模型解析终末沉速公式的意义重力沉降速度计算试算法数群图解法K判据法重力沉降设备常见沉降设备的结构特点模型解析及其设计操作意义沉降分离沉降分离安全与环境工程学院环境工程系安全与环境工程学院环境工程系周广柱周广柱 副教授副教授 EmailEmail：一、沉降分离的基本原理二、重力沉降三、离心沉降与其他沉降主要内容1、离心力场中颗粒的沉降分析 2、旋流器及离心沉降机工作原理3、其他沉降主要内容1 1、离心力场中颗粒的沉降分析、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FD的作用。CD与Re有关 浮力(向心力)Fb惯性离心力Fc如果这三项力能达到平衡du/dt=0 重力沉降 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。离心沉降速度在数值上远大于重力沉降速度。颗粒在此位置上的离心沉降速度：离心加速度与重力加速度的比值（离心分离因数）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 一般在几十数百离心沉降机的特点：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。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（1）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。2、旋流器工作原理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气体进入口的切向速度ui产生的。离心加速度为rm2ui2/rm，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52500，一般可分离气体中直径为575m的粉尘。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：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。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dc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2rmN，故气体在筒内的停留时间为 一般旋风分离器以圆筒直径D为参数，其它参数与D成比例，B=D/4。D增加，dc增大，分离效率减少。令t沉=t停，得：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(2)分离效率总效率：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率。1，2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：表示进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的质量分率。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。粒级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：粒级效率与颗粒粒径的关系 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。旋流分离器的特点：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，有利提高分离效果。在水处理中，旋流分离器又称为水力旋流器，可用于高浊水泥沙的分离、暴雨径流泥沙分离、选矿厂废水矿渣的分离等。（2）旋流分流器3、离心沉降机工作原理 根据离心沉降机的分离因数Kc的大小，离心机可分为：(1)常速离心机：Kc3000(2)高速离心机：3000Kc50000 r2rr1h离心沉降机工作原理示意图 ui悬浮液悬浮液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设备本身的旋转而产生的。假设层流，在距离中心为r处的颗粒的沉降速度为：ui假设某一粒径为dc的颗粒的临界沉降轨迹如图所示。dc 为可以完全分离的最小颗粒粒径。又，流体在筒内的停留时间t停为式中qV为悬浮液的体积流量（m3/s）。令t沉t停 颗粒在筒内的沉降时间为从r1到r2所需的时间，对其进行积分可得：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ute（1）电沉降 在电场中，荷电颗粒将会受到静电力Fe的作用：q颗粒的荷电量；E颗粒所处位置的电场强度 3 3 其它沉降其它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。（2）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去除惯性去除惯性大的颗粒大的颗粒惯性离心力作惯性离心力作用去除细尘粒用去除细尘粒尘粒d2所受的离心力 粒径和气速愈大，气流旋转半径R2愈小，除尘效率愈高。惯性除尘器能捕集10m以上的颗粒，通常作为前置除尘装置。惯性除尘器：利用惯性沉降原理从气体中分离粉尘。【思考】：1、分析家庭用吸尘器的结构，讨论增强除尘效率的方法。2、回忆环境认识实习中见到的污染净化装置和水处理构筑物，哪些与沉降分离有关？按照分离作用机理，属于哪一类？讨论进一步强化其分离效率的方法。小小 结结离心沉降与其他沉降离心沉降与其他沉降离心沉降基本原理离心沉降模型解析离心分离效率影响因素离心分离设备旋风分离器与旋流器离心沉降机其他沉降电沉降惯性沉降扩散沉降本章作业（完成后拍照或以系统支持的其他形式上传智慧树平台）1、教材P201-203第1、2、3、7、8、10、14题。2、完成本章知识体系框架总结，用思维导图形式呈现。本章授课结束