1、第 II 篇 分离过程原理,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,第六章沉 降,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,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,沉降表面：器底、器壁
2、或其他表面,第一节 沉降分离的基本概念,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
3、于球形颗粒，流体阻力的计算方程：,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,（6.1.10）,（6.1.11）,（一）单颗粒的几何特性参数,1、颗粒的当量直径 1）等体积当量直径：deV 2）等表面积当量直径：deS 1）等比表面积当量直径：dea2、颗粒的形状系数,例题,石英的密度为2650kg/m3，求与直径为1mm石英球形颗粒等体积的正方体石英颗粒的球形度。颗粒球形度=,层流区,过渡区,湍流区,第一节 沉降分离的基本概念,2 4 6 8,一、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
4、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）FD,第二节 重力沉降,（6.2.2）,（6.2.1）,阻力FD,达到平衡时：,ut颗粒终端沉降速度（terminal velocity）,（1）层流区：ReP2 CD=24/ReP,(6.2.5),第二节 重力沉降,（2）过渡区：2ReP103,艾仑(Allen)公式,（3）湍流区：103ReP2105 CD = 0.44,牛顿（Newton）公式,第二节 重力沉降,（6.2.7）,（6.2.8）,二、沉降速度的计算 1.试差法 2. 摩擦数群法 3. 无因次判据K,第二节 重力
5、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,CDRe2P,CDReP1（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。,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,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,湍流区：下限
6、是ReP为1000,第二节 重力沉降,（6.2.11）,（6.2.12）,例题6.2.2，最大值最小值的问题,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,ui,l,b,h,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。,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
7、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,第三节 离心沉降,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。离心沉降速率在数值上远大于重力沉降速率。,（6.3.3）,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）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
8、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,(一）旋风分离器,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
9、速度ui产生的。,离心加速度为rm2ui2/rm， 其中rm为平均旋转半径。,分离因数为：其大小为52500，一般可分离气体中直径为575 m的粉尘。,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： 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。,第三节 离心沉降,根
10、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：,第三节 离心沉降,（6.3.6）,（6.3.7）,所穿过的气流最大厚度,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，其他参数与D成比例，B=D/4。 D增加，dc增大，分离效率减少。,第三节 离心沉降,（6.3.8）,t沉t停，得：,（6.3.9）,完全去除的最小颗粒粒径：,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数,2) 分离效率 （1）总效率：指进入旋风分离器的全部粉
11、尘中被分离下来的粉尘的质量分数。1， 2分别为旋风分离器入口和出口气体中的总含尘量,（6.3.10）,（2）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数。,（6.3.11）,第三节 离心沉降,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,第三节 离心沉降,第三节 离心沉降,注：需验证,第三节 离心沉降,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
12、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。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、矿厂废水矿渣的分离等。,（二）旋流分离器,第三节 离心沉降,三、离心沉降机工作原理,根据离心沉降机的分离因素Kc的大小，离心机可分为： 常速离心机：Kc50000,第三节 离心沉降,r2,r,r1,h,离心机工作原理示意图,ui,悬浮液,第三节 离心沉降,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，单位为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。,第三节 离心沉降,（6.3.15
13、）,（6.3.16）,（6.3.17）,假设层流,一、电沉降 二、惯性沉降,本节的主要内容,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,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0.1m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
14、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。,第四节 其他沉降,习题6.1,重力沉降,在已知的颗粒粒径条件下求沉降速度,1.试差法 2. 摩擦数群法 3. 无因次判据K,习题6.1,1.试差法 假设沉降属于层流区，计算颗粒沉速ut 按求出的ut计算ReP 验证ReP是否在层流区如果在，则假设正确； 否则，需要重新假设和试算。,习题6.1,3. 无因次判据K,所以可判断沉降位于层流区
15、，由斯托克斯公式，可得：,习题6.2,重力沉降,（1）层流区：ReP2 CD=24/ReP,（3）湍流区：103ReP2105 CD = 0.44,牛顿（Newton）公式,（6.2.8）,习题6.3,重力沉降,假设沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：,已知颗粒沉速ut 、粒径dp，求P,验证ReP是否在层流区,习题6.3,已知P 、粒径dp，求颗粒沉速ut,假设沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：,验证ReP是否在层流区,习题6.4,1、已知P 、粒径dp，求颗粒沉速ut,假设沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：,验证ReP是否在层流区,2、一个小球在3s内下降的距离h,3、H高度内可
16、容纳几个h,习题6.4,颗粒沉速ut为颗粒与流体之间的相对速度。,ut,u1,u2,习题6.7,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,假设沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：,ut,min,验证ReP是否在层流区,作业6.8,t停t沉,ut,min=0.02m/s,假设沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：,验证ReP=3.132，不在层流区,假设符合艾伦公式，可得：,验证ReP=3.52，假设正确,习题6.9,注意： 1、qv与qm的换算， qv=qm/ 2、与T有关 ，1T1= 2T2,t停t
17、沉,ut,min= qv /BL= qv /A,习题6.10,多层降层室除尘,习题6.11,同例题6.3.1,习题6.12,ut,min= qv /BL= qv /A,1、沉降室除尘,假设沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：,验证ReP=0.0642，在层流区,解：圆筒部分直径D=600mm，入口高度hi=D/2=300mm，入口宽度B=D/4=150mm，气体在旋风器内旋转的圈数为N=5. 气体的入口速度（平均切线速度）为,将=1.8110-5Pas，B=0.15m，N=5，P=1800kg/m3，ui=22.22 m/s，代入式（6.3.9），得,2、标准旋风除尘器,习题6.13,每个小旋风分离器的入口流量为qv/3; 进口速度不变，则入口面积为A/3;,入口高度hi=D/2，入口宽度B=D/4， A D2,习题6.14,离心沉降机,习题6.15,离心沉降机,假设层流，颗粒的最大沉降速度为：,验证Rep,层流.,t停t沉,
