環(huán)境工程原理第五章沉降

1、第五章 沉 降 第六章 沉降 第一節(jié) 沉降分離的基本概念第二節(jié) 重力沉降第三節(jié) 離心沉降第四節(jié) 其他沉降本章主要內(nèi)容第一節(jié) 沉降分離的基本概念 一、沉降分離的一般原理和類型二、流體阻力與阻力系數(shù)本節(jié)的主要內(nèi)容一、沉降分離的一般原理和類型 相對(duì)運(yùn)動(dòng)流體：液體氣體固體顆粒物液珠重力場(chǎng)離心力場(chǎng)電場(chǎng)慣性力場(chǎng)沉降表面：器底、器壁或其他表面重力沉降離心沉降電沉降慣性沉降擴(kuò)散沉降第一節(jié) 沉降分離的基本概念 沉降過(guò)程作用力特 征重力沉降離心沉降電沉降慣性沉降擴(kuò)散沉降重力離心力電場(chǎng)力慣性力熱運(yùn)動(dòng)沉降速率小，適用于較大顆粒分離適用于不同大小顆粒的分離帶電微細(xì)顆粒（0.1 m）的分離適用于1020 m以上粉塵的分離

2、微細(xì)粒子（0.01 m）的分離沉降過(guò)程類型與作用力 第一節(jié) 沉降分離的基本概念 在環(huán)境領(lǐng)域沉降原理如何利用？ 水與廢水處理：各種顆粒物（無(wú)機(jī)砂粒、有機(jī)絮體）的沉降密度較小絮體的上浮油珠的上浮 氣體凈化：粉塵、液珠第一節(jié) 沉降分離的基本概念 二、流體阻力與阻力系數(shù) 當(dāng)某一顆粒在不可壓縮的連續(xù)流體中做穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，顆粒會(huì)受到來(lái)自流體的阻力。 該阻力由兩部分組成：形狀阻力和摩擦阻力。 流體阻力的方向與顆粒物在流體中運(yùn)動(dòng)的方向相反，其大小與流體和顆粒物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度u、流體的密度、黏度以及顆粒物的大小、形狀有關(guān)。 對(duì)于非球形顆粒物，這種關(guān)系非常復(fù)雜。 第一節(jié) 沉降分離的基本概念 對(duì)于球形顆粒，流體阻

3、力的計(jì)算方程： DP()Cf RePPudRe顆粒的雷諾數(shù) CD:阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)的函數(shù)。AP：顆粒的投影面積第一節(jié) 沉降分離的基本概念 2DDP2uFC A層流區(qū)層流區(qū)過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)第一節(jié) 沉降分離的基本概念 一、重力場(chǎng)中顆粒的沉降過(guò)程 二、沉降速度的計(jì)算三、沉降分離設(shè)備本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié) 重力沉降一、重力場(chǎng)中顆粒的沉降過(guò)程 浮力Fb重力Fg假設(shè)球形顆粒粒徑為dP、質(zhì)量為m。沉速如何計(jì)算？ 阻力（曳力）FD2DDP2uFC A第二節(jié) 重力沉降3bP6Fdg3gPP6FdggbdduFFmt根據(jù)牛頓第二定律，顆粒將產(chǎn)生向下運(yùn)行的加速度 達(dá)到平衡時(shí)：gbD0FFF2332tPPPD

4、P()06642udgdgCdut顆粒終端沉降速度（terminal velocity） （1）層流區(qū)：ReP2 CD=24/ReP PPtD4()3d guC第二節(jié) 重力沉降2PtP118ugd斯托克斯（Stokes）公式 （2）過(guò)渡區(qū)：2ReP103 0.6PPPt()0.27gd Reu艾侖(Allen)公式 PPt()1.74gdu（3）湍流區(qū)：103ReP2105 CD = 0.44牛頓（Newton）公式 D0.6P18.5CRe第二節(jié) 重力沉降 了解影響顆粒沉速的因素（顆粒粒徑） 在已知的顆粒粒徑條件下求沉降速度 由顆粒沉降速度求顆粒粒徑水處理中的沉降實(shí)驗(yàn) 由顆粒沉降速度求液體黏

5、度 落球法測(cè)定黏度上述式子有何意義？第二節(jié) 重力沉降1.試差法 假設(shè)沉降屬于某一區(qū)域計(jì)算顆粒沉速按求出的顆粒沉降速度ut計(jì)算ReP，驗(yàn)證ReP是否在所屬的假設(shè)區(qū)域。如果在，假設(shè)正確；否則，需要重新假設(shè)和試算。2. 摩擦數(shù)群法 CD與ReP的關(guān)系曲線中，由于兩坐標(biāo)都含有未知數(shù)ut， 進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，使其兩坐標(biāo)之一變成不包含ut的已知數(shù)群，則可以直接求解ut。 二、沉降速度的計(jì)算第二節(jié) 重力沉降將顆粒沉速計(jì)算式（5.2.5)進(jìn)行變換得到CD計(jì)算式：ReP2 ReP2PPD2t4()3dgCuPtPd uRe32PPDP24()Re3dgC 不包含沉降速度ut的摩擦數(shù)群。無(wú)因次，也是ReP的函數(shù)。

6、CD與ReP的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換成 與ReP的關(guān)系曲線。 第二節(jié) 重力沉降2DPC ReCDRe2PCDReP1（不包含顆粒直徑的摩擦數(shù)群）由顆粒直徑和其他參數(shù)，計(jì)算摩擦數(shù)群。 由左圖 -ReP的關(guān)系曲線，查出相應(yīng)的ReP值。 如何由沉降速度計(jì)算顆粒直徑？ 由顆粒直徑計(jì)算沉降速度 第二節(jié) 重力沉降根據(jù)ReP的定義反算出ut PtPReud2DPC RePPPP3PP2()1.74()1.741.741000ddgRed gK 2PtPPPP3PP2()18()1218dudd gRed g 3. 無(wú)因次判據(jù)K用K判別沉降屬于什么區(qū)域？層流區(qū)：上限是ReP2 湍流區(qū)：下限是ReP為1000 第二節(jié) 重

7、力沉降36K 5103 . 3K水處理：平流沉淀池氣凈化：降塵室三、沉降分離設(shè)備第二節(jié) 重力沉降凈化氣體凈化液體含塵氣體含懸浮物液體uilbh沉淀池或降塵室工作過(guò)程示意圖dc位于沉淀池（降塵室）最高點(diǎn)的顆粒沉降至池底需要的時(shí)間為 ： 流體通過(guò)沉淀池（降塵室）的時(shí)間為: 為滿足除塵或懸浮物要求， t停t沉即：ttVVuqu lbh流體中直徑為dc的顆粒完全去除的條件。 第二節(jié) 重力沉降thtu沉iVlVtuq停第三節(jié) 離心沉降 一、離心力場(chǎng)中顆粒的沉降分析 二、旋流器工作原理三、離心沉降機(jī)工作原理本節(jié)的主要內(nèi)容一、離心力場(chǎng)中顆粒的沉降分析 r顆粒與流體之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，顆粒還會(huì)受到來(lái)自流體的阻力

8、（曳力）FD的作用。CD與Re有關(guān) 22DDP42uFCd第三節(jié) 離心沉降 浮力(向心力)Fb32bP16Fdr 慣性離心力Fc232cPP16Fmrdr 如果這三項(xiàng)力能達(dá)到平衡du/dt=0 重力沉降PPtD4()3d guC 沉降方向不是向下，而是向外，即背離旋轉(zhuǎn)中心。 由于離心力隨旋轉(zhuǎn)半徑而變化，致使離心沉降速度也隨粒徑所處的位置而變。 離心沉降速率在數(shù)值上遠(yuǎn)大于重力沉降速率。cbD2322PPDP1()642ddFFFFudrCdumt2PPtcD4()3d ruC顆粒在此位置上的離心沉降速度： 第三節(jié) 離心沉降 離心加速度與重力加速度的比值（離心分離因素）Kc 2crKg大小可以人為

9、調(diào)節(jié)離心沉降分離設(shè)備有兩種型式：旋流器和離心沉降機(jī)旋流器的特點(diǎn)：設(shè)備靜止，流體在設(shè)備中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)行而產(chǎn)生離心作用。Kc 一般在幾十到數(shù)百之間。離心沉降機(jī)的特點(diǎn)：裝有液體混合物的設(shè)備本身高速旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)液體一起旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生離心作用。Kc可以高達(dá)數(shù)十萬(wàn)。 第三節(jié) 離心沉降 旋風(fēng)分離器：用于氣體非均相混合物分離旋流分離器：用于液體非均相混合物分離（一）旋風(fēng)分離器 旋風(fēng)分離器在工業(yè)上的應(yīng)用已有近百年的歷史。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，在環(huán)境工程領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。在大氣污染控制工程中，作為一種常用的除塵裝置，主要用于去除大氣中的粉塵，常稱為旋風(fēng)除塵器。 二、旋流器工作原理第三節(jié) 離心沉降 第三節(jié) 離心沉降

10、 1. 基本操作原理 ui旋風(fēng)分離器中的慣性離心力是由氣體進(jìn)入口的切向速度ui產(chǎn)生的。 232cmPPim1/6Fmrdur離心加速度為rm2ui2/rm，其中rm為平均旋轉(zhuǎn)半徑。分離因數(shù)為：其大小為52500，一般可分離氣體中直徑為575 m的粉塵。 22mcmiurKgr g2. 主要分離性能指標(biāo)表示旋風(fēng)分離器的分離性能的主要指標(biāo)有臨界直徑和分離效率。(1) 臨界直徑臨界直徑是指在旋風(fēng)分離器中能夠從氣體中全部分離出來(lái)的最小顆粒的直徑，用dc表示。 為分析簡(jiǎn)單，對(duì)氣體和顆粒在筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)作如下假設(shè)： 氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，規(guī)則地在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)N圈后進(jìn)入排氣筒，旋轉(zhuǎn)的平均切線速度等于入口氣體速度ui

11、。 顆粒在筒內(nèi)與氣體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為層流。 顆粒在沉降過(guò)程中所穿過(guò)的氣流最大厚度等于進(jìn)氣口寬度B。 第三節(jié) 離心沉降 根據(jù)顆粒離心沉降速度方程式，假設(shè)氣體密度顆粒密度P，相應(yīng)于臨界直徑dc的顆粒沉降速度為： 2222PciPtmPm11818d uurdr根據(jù)假設(shè)，顆粒最大沉降時(shí)間為： m22tcP18ir BBtudu沉第三節(jié) 離心沉降 若氣體進(jìn)入排氣管之前在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為N，則運(yùn)行的距離為2rmN，故氣體在筒內(nèi)的停留時(shí)間為 mi2r Ntu停一般旋風(fēng)分離器以圓筒直徑D為參數(shù)，其他參數(shù)與D成比例，B=D/4。D增加，dc增大，分離效率減少。第三節(jié) 離心沉降 令t沉=t停，得： ciP9Bdu

12、N0miix總效率與粒級(jí)效率之間的關(guān)系：xi為粒徑di的顆粒占總顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù) (2) 分離效率總效率：指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部粉塵中被分離下來(lái)的粉塵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。1， 2分別為旋風(fēng)分離器入口和出口氣體中的總含塵量 1201100%粒級(jí)效率：表示進(jìn)入旋風(fēng)分離器的粒徑為di的顆粒被分離下來(lái)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 i1i2ii1100%第三節(jié) 離心沉降 總效率表示旋風(fēng)分離器的分離效果，總的除塵效果。但并不能準(zhǔn)確地代表旋風(fēng)分離器的分離效率?？傂氏嗤膬膳_(tái)旋風(fēng)分離器，其分離性能卻可能相差很大。粒級(jí)效率更能準(zhǔn)確地表示旋風(fēng)分離器的分離效率。粒級(jí)效率曲線：粒級(jí)效率與顆粒粒徑的關(guān)系第三節(jié) 離心沉降 旋流分離器用于分離懸浮

13、液，在結(jié)構(gòu)和操作原理上與旋風(fēng)分離器類似。 旋流分離器的特點(diǎn)：形狀細(xì)長(zhǎng)，直徑小，圓錐部分長(zhǎng)，有利于顆粒分離。中心經(jīng)常有一個(gè)處于負(fù)壓的氣柱，有利于提高分離效果。 在水處理中，旋流分離器又稱為水力旋流器，可用于高濁水泥沙的分離、暴雨徑流泥沙分離、礦廠廢水礦渣的分離等。 （二）旋流分離器第三節(jié) 離心沉降 三、離心沉降機(jī)工作原理 根據(jù)離心沉降機(jī)的分離因素Kc的大小，離心機(jī)可分為：常速離心機(jī)：Kc3000 高速離心機(jī)：3000Kc50000第三節(jié) 離心沉降 r2rr1h離心機(jī)工作原理示意圖 ui懸浮液懸浮液第三節(jié) 離心沉降 離心沉降機(jī)主要用于懸浮液的固液分離。在離心沉降機(jī)中離心力是靠設(shè)備本身的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的

14、。假設(shè)層流，在距離中心為r處的顆粒的沉降速度為：232cPP16Fmrdr ui假設(shè)某一粒徑為dc的顆粒的臨界沉降軌跡如圖所示。dc 為可以完全分離的最小顆粒粒徑。第三節(jié) 離心沉降 22cPt()dd18drurt22cP18d()drtdr 222cP118ln()rtdr 沉又，流體在筒內(nèi)的停留時(shí)間t停為式中qV為懸浮液的體積流量，單位為m3/s。令t沉t停 顆粒在筒內(nèi)的沉降時(shí)間為從r1到r2所需的時(shí)間，對(duì)上式進(jìn)行積分。 2221i()Vrrhhtuq停2c222P21118ln()()Vqrdhrrr第三節(jié) 離心沉降 一、電沉降 二、慣性沉降本節(jié)的主要內(nèi)容第四節(jié) 其他沉降如果電場(chǎng)強(qiáng)度很強(qiáng)

15、，重力或慣性力可以忽略不計(jì)，荷電顆粒所受的作用力主要是靜電力和流體阻力。當(dāng)在層流條件下，平衡時(shí)，終端電沉降速度ute一、電沉降 第四節(jié) 其他沉降teP3qEud在電場(chǎng)中，荷電顆粒將會(huì)受到靜電力Fe的作用： q顆粒的荷電量；E顆粒所處位置的電場(chǎng)強(qiáng)度 eFqE電除塵器的基本原理 放電電極（電暈極） 集塵極 不均勻電場(chǎng)未荷電塵粒 荷電塵粒 氣體電離粒子荷電荷電粒子遷移顆粒沉積與清除 去除去除0.10.1 m m以下的顆粒以下的顆粒第四節(jié) 其他沉降顆粒與流體一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，如在流體中存在障礙物，流體沿障礙物產(chǎn)生繞流，而顆粒物由于慣性力的作用，將會(huì)偏離流線。慣性沉降即是利用這種由慣性力引起的顆粒與流線的偏離，使顆粒在障礙物上沉降的過(guò)程。能否沉