環(huán)境工程第Ⅲ篇分離過程原理

1、第I篇環(huán)境工程原理基礎 第II篇分離過程原理 第III篇反應工程原理,環(huán)境工程原理,我們面對的環(huán)境問題： 水凈化、空氣凈化、固體廢物處理與資源化、受污染土壤修復. 需要開發(fā)適宜的環(huán)境凈化與污染防治技術 技術大類：分離技術、轉化技術、隔離技術,環(huán)境工程原理課程的主要內(nèi)容,環(huán)境工程的核心：利用分離、轉化、隔離等技術原理， 通過工程手段，實現(xiàn)污染物的高效、快速去除。,隔離/分離/轉化方式的優(yōu)選與組合,污染物的高效（去除效率、能耗）、快速去除,裝置的優(yōu)化設計,操作方式和操作條件的優(yōu)化,介質的混合狀態(tài)和流體流態(tài)的優(yōu)化 遷移（物質、能量）和反應速率的強化,環(huán)境工程原理與其它學科的關系,環(huán)境工程原理,化工原

2、理,傳遞過程,原理,原理,流體力學,工程學,環(huán)境工 程原理,化工原理,傳遞過程,原理,反應工程,原理,流體力學,生物工程,工程學,第II篇 分離過程原理,為什么要學習分離過程？ 在環(huán)境領域哪些問題屬于分離過程？ 分離都有什么手段？ 本篇主要講授內(nèi)容？,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進行分離的問題。 在環(huán)境污染防治領域，研究對象都是混合體系（非均相和均相） 水體：不同雜質和污染物組成水的混合體系 大氣：大氣復合污染 固體廢物：形形色色 土壤：污染物質本身和土壤質地本身,分離技術：將污染物與污染介質或其他污染物分離開來，從而達到去除污染物或回收利用的目的 分離過程

3、的分類？ 機械分離：非均相混合體系 傳質分離：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，利用各組分擴散速率的差異實現(xiàn)組分分離）,主要講授單元： 沉降、過濾、吸收、吸附、萃取、膜分離 學時：20學時（10月23日11月25日） 講課：18學時 考試：2學時,希望： 增強信心，共建新的課程體系！,第八章 沉 降,第一節(jié) 概 述,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,沉降表面：器底、器壁或其他表面,在環(huán)境領域利用沉降原理可以去除哪些污染物？,水與廢水處理： 各種顆粒物（無機砂粒、有機

4、絮體）的沉降 比重較小絮體的上浮 油珠的上浮 氣體凈化： 粉塵、液珠,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,假設球形顆粒粒徑為dP、質量為m。沉速如何計算？,CD:阻力（曳力）系數(shù)，是雷諾數(shù)的函數(shù)。 AP：顆粒的投影面積,達到平衡時：,ut顆粒終端沉降速度（terminal velocity ）,（1）層流區(qū)：ReP2 CD=24/ReP,（2）過渡區(qū)：2ReP103,艾侖(Allen)公式,上述式子有何意義？ 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粘度 落球法測定粘度

5、,二、沉降速度的計算 （1）試差法 假設沉降屬于某一區(qū)域計算顆粒沉速按求出的顆粒沉降速度ut計算ReP，驗證ReP是否在所屬的假設區(qū)域。 如果在，假設正確；否則，需要重新假設和試算。 （2）磨擦數(shù)群法 CD與ReP的關系曲線中，由于兩坐標都含有未知數(shù)ut 進行適當?shù)霓D換，使其兩坐標之一變成不包含ut的已知數(shù)群，則可以直接求解ut。,將顆粒沉速計算式（8-2-5)進行變換得到CD計算式：,CD與ReP的關系曲線轉換成CDReP2與ReP的關系曲線。,CDReP2,CDReP1,由顆粒直徑和其他參數(shù)，計算摩擦數(shù)群。,如何由沉降速度計算顆粒直徑？,由顆粒直徑計算沉降速度,（3）無因次判據(jù)K 用K判別

6、沉降屬于什么區(qū)域？ 層流區(qū)：上限是ReP2,紊流區(qū)：下限是ReP為1000,三、沉降分離設備 水處理：沉淀池 氣凈化：降塵室,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 t沉=H/ut 流體通過沉淀池（降塵室）的時間為: t停=l/v, or V/Q 為滿足除塵或懸浮物要求， t停t沉,第三節(jié) 離心沉降,一、離心力場中顆粒的沉降分析,r,如果這三項力能達到平衡 du/dt=0,沉降方向不是向下，而是向外，即背離旋轉中心 由于離心力隨旋轉半徑而變化，致使離心沉降速度也隨顆粒所處的位置而變。 離心沉降速度在數(shù)值上遠大于重力沉降速度。,離心加速度與重力加速度的比值（離心分離因素）Kc,大

7、小可以人為調節(jié),離心沉降分離設備有兩種型式：旋流器和離心沉降機 旋流器的特點：設備靜止，流體在設備中作旋轉運行而產(chǎn)生離心作用。Kc 一般在幾十數(shù)百 離心沉降機的特點：裝有液體混合物的設備本身高速旋轉并帶動液體一起旋轉，從而產(chǎn)生離心作用。Kc可以高達數(shù)十萬。,二、旋流器工作原理 旋風分離器：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）旋風分離器 旋風分離器在工業(yè)上的應用已有近百年的歷史。 旋風分離器結構簡單、操作方便，在環(huán)境工程領域也應用廣泛。 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，常稱為旋風除塵器。,1. 基本操作原理,ui,旋風分離

8、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。,離心加速度為rm2ui2/rm， 其中rm為平均旋轉半徑。,2. 主要分離性能指標 表示旋風分離器的分離性能的主要指標有臨界直徑和分離效率。 (1)臨界直徑 臨界直徑是指在旋風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： 氣體進入旋風分離器后，規(guī)則地在筒內(nèi)旋轉N圈后進入排氣筒，旋轉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的最大厚度等于進氣口寬度B。,根據(jù)顆粒離心沉降速度方程式，假設氣體密度顆粒密度P，相應于臨

9、界直徑dc的顆粒沉降速度為：,若氣體進入排氣管之前在筒內(nèi)旋轉圈數(shù)為N，則運行的距離為2rmN，故氣體在筒內(nèi)的停留時間為,一般旋風分離器以圓筒直徑D為參數(shù)，其它參數(shù)與D成比例，B=D/4。 D增加，dc增大，分離效率減少。,總效率表示旋風分離器的分離效果，總的除塵效果。但并不能準確地代表旋風分離器的分離效率。 總效率相同的兩臺旋風分離器，其分離性能卻可能相差很大。 粒級效率更能準確地表示旋風分離器的分離效率。 粒級效率曲線：粒級效率與顆粒粒徑的關系,（二）旋流分流器 旋流分離器用于分離懸浮液，在結構和操作原理上與旋風分離器類似。 旋流分離器的特點： (1)形狀細長，直徑?。?？），圓錐部分長，有利

10、于顆粒的分離。 (2)中心有一個處于負壓的氣柱，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。,三、離心沉降機工作原理,根據(jù)離心沉降機的分離因素Kc的大小，離心機可分為： 常速離心機：Kc50000,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備本身的旋轉而產(chǎn)生的。,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。,假設層流，在距離中心為r處的顆粒的沉降速度為：,又，流體在筒內(nèi)的停留時間t停為,式中V為懸浮液的體積流量（m3/s）。 令t沉t停,第四節(jié) 其它沉降,一、電沉降 在電場中，荷電顆粒將會受到靜電力Fe的作用： FeqE q顆粒的荷電量；E顆粒所處位置的電場強度,如果電場強度很強，重力或慣性力可以忽略不計，荷電顆粒所受的作用力主要是靜電力和流體阻力。 當在層流條件下，平衡時，終端電沉降速度uce,圖8-4-1 電除塵器的基本原理,放電電極（電暈極）,集塵極,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0.1m以下的顆粒,二、慣性沉降,3,1,停滯流線,流體方向,流體流線,障礙物,2,顆粒與流體一起運動時，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