第06章沉降(環(huán)境工程原理中北)

費克定律的普通表達形式而相對于平均速度的組分A的通量即為分子擴散通量，即(5.3.4)(5.3.2a)(5.3.1)(5.3.3c)(5.3.5)第二節(jié)分子傳質(zhì)惰性組分在相界面和氣相主體間的對數(shù)平均濃度擴散推動力(5.3.7)(5.3.8)(5.3.9)(5.3.10)第二節(jié)分子傳質(zhì)在穩(wěn)態(tài)情況下為定值在等溫等壓條件下，式中為常數(shù)，所以氣相主體:相界面:z=0z=L(5.3.17)第二節(jié)分子傳質(zhì)在物質(zhì)表面進行的化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程－反應(yīng)速率A的擴散過程－擴散速率邊界條件：催化劑表面：z=0，yA=yA,i

氣相主體：

z=L，yA=yA,0例如：催化反應(yīng)三、界面上有化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)(5.3.23)(5.3.22)第二節(jié)分子傳質(zhì)（3）若>>1，即擴散過程很快，則有：對于界面上具有化學(xué)反應(yīng)的擴散傳質(zhì)過程，化學(xué)反應(yīng)式不同，傳質(zhì)通量的描述也不同。反應(yīng)控制的傳質(zhì)通量表達式(5.3.30)第二節(jié)分子傳質(zhì)（2）若反應(yīng)瞬時完成，可認(rèn)為在催化劑表面不存在A組分，即=0擴散控制的傳質(zhì)通量表達式(5.3.25a)(二)傳質(zhì)邊界層可以認(rèn)為質(zhì)量傳遞的全部阻力都集中在傳質(zhì)邊界層內(nèi)傳質(zhì)邊界層的名義厚度定義為時0.99u00.99C0具有濃度梯度的流體層傳質(zhì)邊界層流動邊界層與傳質(zhì)邊界層的關(guān)系：分子動量傳遞能力和分子擴散能力的比值。施密特數(shù)

(cA-cA,i)＝0.99(cA,0-cA,i)(5.4.1)第三節(jié)對流傳質(zhì)在穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)下，組分A通過有效膜層的傳質(zhì)速率應(yīng)等于對流傳質(zhì)速率，即關(guān)鍵在于求壁面濃度梯度

工程中常見的湍流傳質(zhì)問題，基于機理的復(fù)雜性，不能采用分析方法求解。施伍德數(shù)傳質(zhì)設(shè)備的特征尺寸

對流傳質(zhì)系數(shù)一般采用類比法或量綱分析法確定。三、典型情況下的對流傳質(zhì)系數(shù)(5.4.15)(5.4.16)第三節(jié)對流傳質(zhì)第II篇分離過程原理混合體系自然界是混合體系。在生活和生產(chǎn)過程中常常會遇到對混合體系中的物質(zhì)進行分離的問題。在環(huán)境污染防治領(lǐng)域，研究對象都是混合體系（非均相和均相）。第II篇分離過程原理問題的出現(xiàn)？第II篇分離過程原理均相物系：內(nèi)部無相界面的分散物系。非均相物系：內(nèi)部有相界面的分散物系。懸浮液，固液乳濁液，液液非均相物系泡沫液，氣液含塵氣體，固氣含霧氣體，液氣均相物系液相混合物氣相混合物機械分離：非均相混合體系（兩相以上所組成的混合物）傳質(zhì)分離：均相混合體系平衡分離過程（借助分離媒介，如溶劑或吸附劑等，使均相混合體系變成兩相系統(tǒng)）速率分離過程（在某種推動力下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實現(xiàn)組分分離）分離過程的分類？第II篇分離過程原理第II篇分離過程原理物理去除方法：沉降；過濾化學(xué)去除方法：中和；化學(xué)沉淀；藥劑氧化還原；臭氧氧化；電解；光氧化物理化學(xué)去除方法：混凝；氣??；吸收；吸附；離子交換；萃??；膜分離生物去除方法：好氧；厭氧第六章沉降

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)容一、沉降分離的一般原理和類型

相對運動流體：液體氣體固體顆粒物液珠重力場離心力場電場慣性力場沉降表面：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散沉降第一節(jié)沉降分離的基本概念

沉降過程作用力特征重力沉降離心沉降電沉降慣性沉降擴散沉降重力離心力電場力慣性力熱運動沉降速率小，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顆粒（<0.1m）的分離適用于10～20m以上粉塵的分離微細粒子（<0.01m）的分離沉降過程類型與作用力

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（無機砂粒、有機絮體……）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

第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作(1)簡述沉降分離的原理、類型和各類型的主要特征。(2)簡要說明環(huán)境工程領(lǐng)域哪些處理單元涉及沉降分離過程。(3)顆粒的幾何特性如何影響顆粒在流體中受到的阻力？(4)不同流態(tài)區(qū)，顆粒受到的流體阻力不同的原因是什么？(5)顆粒和流體的哪些性質(zhì)會影響到顆粒所受到的流體阻力，怎么影響。本節(jié)思考題一、重力場中顆粒的沉降過程二、沉降速度的計算三、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、重力場中顆粒的沉降過程

浮力Fb重力Fg假設(shè)球形顆粒粒徑為dP、質(zhì)量為m。沉速如何計算？阻力（曳力）FD第二節(jié)重力沉降（6.2.2）（6.2.1）根據(jù)牛頓第二定律，顆粒將產(chǎn)生向下運行的加速度（6.2.3）層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)第二節(jié)重力沉降達到平衡時：ut——顆粒終端沉降速度（terminalvelocity）

（1）層流區(qū)：ReP2

CD=24/ReP

(6.2.5)第二節(jié)重力沉降斯托克斯（Stokes）公式

(6.2.6)（2）過渡區(qū)：2<ReP<103

艾侖(Allen)公式

（3）湍流區(qū)：103<ReP<2105

CD=0.44牛頓（Newton）公式

第二節(jié)重力沉降（6.2.7）（6.2.8）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……水處理中的沉降實驗由顆粒沉降速度求液體黏度

……落球法測定黏度上述式子有何意義？第二節(jié)重力沉降沉淀池按水流方向分豎流式平流式輻流式池型:長方形,一端進水,另一端出水，貯泥斗在池進口池內(nèi)水流由下向上池內(nèi)水流呈輻流狀貯泥斗在池中央第二節(jié)重力沉降二、沉降分離設(shè)備沉淀池三種流態(tài)平流式豎流式輻流式第二節(jié)重力沉降第二節(jié)重力沉降水處理：平流沉淀池水處理：平流沉淀池第二節(jié)重力沉降適用范圍：地下水位高以及地質(zhì)條件較差地區(qū)，大中小型的污水處理廠均可以使用。豎流沉淀池平面圖第二節(jié)重力沉降豎流式沉淀池池體平面為圓形或方形。廢水由設(shè)在沉淀池中心的進水管自上而下排入池中，進水的出口下設(shè)傘形擋板，使廢水在池中均勻分布，然后沿池的整個斷面緩慢上升。懸浮物在重力作用下沉降入池底錐形污泥斗中，澄清水從池上端周圍的溢流堰中排出。溢流堰前也可設(shè)浮渣槽和擋板，保證出水水質(zhì)。這種池占地面積小，但深度大，池底為錐形，施工較困難。第二節(jié)重力沉降適用范圍：適用于水量不大的小型污水處理廠站。第二節(jié)重力沉降中心進水輻流式沉淀池的

結(jié)構(gòu)示意圖擋渣板進水區(qū)污泥區(qū)沉淀區(qū)緩沖區(qū)出水區(qū)第二節(jié)重力沉降輻流式沉淀池機械排泥裝置刮泥機結(jié)構(gòu)：工作橋，驅(qū)動裝置，刮臂及刮板等。對于輻流式沉淀池而言，機械排泥裝置包括刮泥機和吸泥機。刮泥機：當(dāng)池徑小于20m，用中心傳動刮泥機；當(dāng)池徑大于20m時，用周邊傳動。刮泥機轉(zhuǎn)速1～3r/h，周邊線速不宜大于3m/min。第二節(jié)重力沉降刮泥機刮臂和刮板示意圖1.刮板；2.刮臂12第二節(jié)重力沉降適用范圍：地下水水位較高的地區(qū)，大中型污水處理廠。第二節(jié)重力沉降斜管填料第二節(jié)重力沉降斜板式沉淀池 斜板式沉淀池是根據(jù)淺池原理，在沉淀池中增設(shè)許多斜板或斜管以提高沉淀效率的一種新型沉淀池。根據(jù)國內(nèi)實踐證明，斜板沉淀池能使處理能力提高3~7倍，斜管沉淀池的表面負(fù)荷率可高達36m3/(m2·h),比一般沉淀池的處理水量提高10倍以上?？偟膩碚f，其效率較高，占地面積較小，水力負(fù)荷高，但是斜板斜管造價高，定期需跟換，易堵塞。第二節(jié)重力沉降氣凈化：降塵室第二節(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程示意圖dc位于沉淀池（降塵室）最高點的顆粒沉降至池底需要的時間為

：

流體通過沉淀池（降塵室）的時間為:

為滿足除塵或懸浮物要求，

t停t沉即：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(1)簡要分析顆粒在重力沉降過程中的受力情況。(2)層流區(qū)顆粒的重力沉降速度主要受哪些因素影響？(3)影響層流區(qū)和湍流區(qū)顆粒沉降速度的因素有何不同，原因何在？(4)流體溫度對顆粒沉降的主要影響是什么？(5)列出你所知道的環(huán)境工程領(lǐng)域的重力沉降過程。本節(jié)思考題第二節(jié)重力沉降(6)分析說明決定降塵室除塵能力的主要因素是什么。(7)通過重力沉降過程可以測定顆粒和流體的哪些物性參數(shù)，請你設(shè)計一些測定方法。本節(jié)思考題第二節(jié)重力沉降第三節(jié)離心沉降

一、離心力場中顆粒的沉降分析二、旋流器工作原理三、離心沉降機工作原理本節(jié)的主要內(nèi)容一、離心力場中顆粒的沉降分析

r顆粒與流體之間產(chǎn)生相對運動，顆粒還會受到來自流體的阻力（曳力）FD的作用。CD與Re有關(guān)

第三節(jié)離心沉降

浮力(向心力)Fb（6.3.2）慣性離心力Fc（6.3.1）如果這三項力能達到平衡du/dt=0重力沉降

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)值上遠大于重力沉降速率。（6.3.3）顆粒在此位置上的離心沉降速度：（6.3.4）第三節(jié)離心沉降

離心加速度與重力加速度的比值（離心分離因數(shù)）Kc

大小可以人為調(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旋流器的特點：設(shè)備靜止，流體在設(shè)備中作旋轉(zhuǎn)運行而產(chǎn)生離心作用。Kc一般在幾十到數(shù)百之間。離心沉降機的特點：裝有液體混合物的設(shè)備本身高速旋轉(zhuǎn)并帶動液體一起旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生離心作用。Kc可以高達數(shù)十萬。

第三節(jié)離心沉降

（6.3.5）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

ui上部圓筒，下部圓錐。旋風(fēng)分離器中的慣性離心力是由氣體進入口的切向速度ui產(chǎn)生的。

粉塵在離心力作用下甩向器壁，在重力和向下氣流共同作用下沿器壁下降。干凈氣體在底部器壁的反向推力下向上運動，形成內(nèi)旋流，從中央排氣筒排出。進氣口與排氣口方向垂直。出氣口盡量向下伸，遠離進氣口。但也不能太靠下。能否設(shè)計成上進氣下出氣呢？？？第三節(jié)離心沉降

1.基本操作原理

離心加速度為rm2＝ui2/rm，其中rm為平均旋轉(zhuǎn)半徑。分離因數(shù)為：其大小為5～2500，一般可分離氣體中直徑為5～75m的粉塵。第三節(jié)離心沉降

2.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的最小顆粒的直徑，用dc表示。

為分析簡單，對氣體和顆粒在筒內(nèi)的運動作如下假設(shè)：氣體進入旋風(fēng)分離器后，規(guī)則地在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)N圈后進入排氣筒，旋轉(zhuǎn)的平均切線速度等于入口氣體速度ui。顆粒在筒內(nèi)與氣體之間的相對運動為層流。顆粒在沉降過程中所穿過的氣流最大厚度等于進氣口寬度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：

根據(jù)假設(shè)③，顆粒最大沉降時間為：

第三節(jié)離心沉降

（6.3.6）（6.3.7）若氣體進入排氣管之前在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為N，則運行的距離為2rmN，故氣體在筒內(nèi)的停留時間為一般旋風(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

（6.3.8）令t沉=t停，得：

（6.3.9）總效率與粒級效率之間的關(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：指進入旋風(fēng)分離器的全部粉塵中被分離下來的粉塵的質(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

（6.3.10）粒級效率：表示進入旋風(fēng)分離器的粒徑為di的顆粒被分離下來的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。（6.3.11）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_旋風(fēng)分離器，其分離性能卻可能相差很大。粒級效率更能準(zhǔn)確地表示旋風(fēng)分離器的分離效率。粒級效率曲線：粒級效率與顆粒粒徑的關(guān)系第三節(jié)離心沉降

第三節(jié)離心沉降

第三節(jié)離心沉降

旋流分離器用于分離懸浮液，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：①形狀細長，直徑小，圓錐部分長，有利于顆粒分離。②中心經(jīng)常有一個處于負(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、離心沉降機工作原理

根據(jù)離心沉降機的分離因數(shù)Kc的大小，離心機可分為：常速離心機：Kc<3000

高速離心機：3000<Kc<50000

超高速離心機：Kc>50000第三節(jié)離心沉降

r2rr1h離心機工作原理示意圖

ui懸浮液第三節(jié)離心沉降

離心沉降機主要用于懸浮液的固液分離。在離心沉降機中離心力是靠設(shè)備本身的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。假設(shè)層流，在距離中心為r處的顆粒的沉降速度為：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

（6.3.14）又，流體在筒內(nèi)的停留時間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)的沉降時間為從r1到r2所需的時間，對上式進行積分。第三節(jié)離心沉降

（6.3.15）（6.3.16）（6.3.17）第三節(jié)離心沉降

第三節(jié)離心沉降

(1)簡要分析顆粒在離心沉降過程中的受力情況。(2)比較離心沉降和重力沉降的主要區(qū)別。(3)同一顆粒的重力沉降和離心沉降速度的關(guān)系如何？(4)簡要說明旋風(fēng)分離器的主要分離性能指標(biāo)。(5)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器各部位尺寸有什么關(guān)系？本節(jié)思考題第三節(jié)離心沉降

(6)旋風(fēng)分離器和旋流分離器特點有何不同？(7)離心沉降機和旋流分離器的主要區(qū)別是什么？(8)在環(huán)境工程領(lǐng)域有哪些離心沉降過程？本節(jié)思考題第三節(jié)離心沉降

1.含油廢水的來源含油廢水主要來源于石油、石油化工、鋼鐵、焦化、煤氣發(fā)生站、機械加工等工業(yè)企業(yè)。肉類加工、牛奶加工、洗衣房、汽車修理車間等，廢水中都含有很高的油、油脂。在一般的生活污水中，油脂占總有機質(zhì)的10%，每人每天產(chǎn)生的油脂可按0.015kg估算。

廢水中所含油類，除重油的比重可達1.1以上外，其余的比重都小于1。本節(jié)重點討論介紹含油比重小于1的含油廢水的處理。第四節(jié)除油第四節(jié)除油2.廢水中的油類的分類

⑴浮油：油珠粒徑較大，一般大于100μm，易浮于水面，形成油膜或油層；⑵分散油：油珠粒徑一般為10—100μm，以微小油珠懸浮于水中，不穩(wěn)定，靜置一定時間后往往形成浮油；⑶乳化油：油珠粒徑小于10μm；一般為0.1—2μm，往往因水中含有表面活性劑使油珠成為穩(wěn)定的乳化液；⑷溶解油：油珠粒徑比乳化油還小，有的可小到幾nm，是溶于水的油微粒。油類在水中的存在形式可分為浮油、分散油、乳化油和溶解油4類。第四節(jié)除油隔油池：是利用油類自然上浮法分離、去除含油廢水中可浮油和分散油。常用的有平流隔油池和斜板隔油池。

普通平流隔油池與沉淀池相似，廢水從池的一端進入，從另一端流出，由于池內(nèi)水平流速很小，進水中的輕油滴在浮力作用下上浮，并且聚積在池的表面，通過設(shè)在池面的集油管和刮油機收集浮油，浮油一般可以回用。相對密度大于1的油粒隨懸浮物下沉。第四節(jié)除油基本構(gòu)造—類似于平流沉淀池構(gòu)造簡單，便于運行管理，除油效果穩(wěn)定?？扇コ淖钚∮椭榱綖?00～150um。可將廢水中含油量從400～1000mg/L降至150mg/L以下，去除效率達70％以上。池體較大，占地面積大。第四節(jié)除油第四節(jié)除油①停留時間一般為1.5-2.0h；②水平流速很低，一般為2-5mm/s，最大不超過

15mm/s；③有效水深為1.5-2.0m，池寬/池深=0.3-0.4，池長/池深≥4，超高≥0.4m；④池上應(yīng)加蓋板，以防止石油氣味的散發(fā)，同時還起著防雨、防火和保溫作用；⑤平流隔油池一般不少于兩個。設(shè)計參數(shù)

第四節(jié)除油斜板隔油池1．基本構(gòu)造第四節(jié)除油第四節(jié)除油

斜板隔油池的占地面積只有平流式的1/4-1/3，除油效率為70-80%（平流式為60-70%）。另外，對于難以處理的含油廢水，采用氣浮除油也是一個很好的方法。（1）池內(nèi)斜板大多數(shù)采用聚酯玻璃鋼波紋板；（2）斜板傾角取45°，斜板間距為30-50mm；（3）停留時間≤30min；（4）表面水力負(fù)荷為0.6-0.8m3/m2h第四節(jié)除油

為了防止油類物質(zhì)附著在斜板上，應(yīng)選用不親油材料做斜扳，但實際上比較困難，所以，在斜板隔油池的運行中也常有掛油現(xiàn)象，應(yīng)定期用蒸汽及水沖洗，防止斜板間堵塞。廢水含油量大時，可采用較大的板間距(或管徑)，含油量小時，間距可以減小。注意事項第四節(jié)除油項目平流式斜板式除油效率%60—7070—80占地面積（處理量相同時）11/3—1/4可能除去的最小油滴粒徑μm100—15060最小油滴的浮上速度mm/s0.90.2分離油的去除方式刮