環(huán)境工程原理 第五章 沉降

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

二、流體阻力與阻力系數(shù)

當某一顆粒在不可壓縮的連續(xù)流體中做穩(wěn)定運行時，顆粒會受到來自流體的阻力。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動的方向相反，其大小與流體和顆粒物之間的相對運動速度u、流體的密度、黏度以及顆粒物的大小、形狀有關。對于非球形顆粒物，這種關系非常復雜。

第一節(jié)沉降分離的基本概念

對于球形顆粒，流體阻力的計算方程：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

層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)第一節(jié)沉降分離的基本概念

一、重力場中顆粒的沉降過程二、沉降速度的計算三、沉降分離設備本節(jié)的主要內容第二節(jié)重力沉降一、重力場中顆粒的沉降過程

浮力Fb重力Fg假設球形顆粒粒徑為dP、質量為m。沉速如何計算？阻力（曳力）FD第二節(jié)重力沉降根據(jù)牛頓第二定律，顆粒將產(chǎn)生向下運行的加速度達到平衡時：ut——顆粒終端沉降速度（terminalvelocity）

（1）層流區(qū)：ReP2

CD=24/ReP

第二節(jié)重力沉降斯托克斯（Stokes）公式

（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.摩擦數(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。二、沉降速度的計算第二節(jié)重力沉降將顆粒沉速計算式（5.2.5)進行變換得到CD計算式：ReP2

ReP2不包含沉降速度ut的摩擦數(shù)群。無因次，也是ReP的函數(shù)。

CD與ReP的關系曲線轉換成

與ReP的關系曲線。

第二節(jié)重力沉降CDRe2PCDReP－1（不包含顆粒直徑的摩擦數(shù)群）由顆粒直徑和其他參數(shù)，計算摩擦數(shù)群。由左圖-ReP的關系曲線，查出相應的ReP值。如何由沉降速度計算顆粒直徑？

由顆粒直徑計算沉降速度

第二節(jié)重力沉降根據(jù)ReP的定義反算出ut

3.無因次判據(jù)K用K判別沉降屬于什么區(qū)域？層流區(qū)：上限是ReP＝2

湍流區(qū)：下限是ReP為1000第二節(jié)重力沉降水處理：平流沉淀池氣凈化：降塵室三、沉降分離設備第二節(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

第三節(jié)離心沉降

浮力(向心力)Fb慣性離心力Fc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。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

大小可以人為調節(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

一般在幾十到數(shù)百之間。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。

第三節(jié)離心沉降

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。二、旋流器工作原理第三節(jié)離心沉降

第三節(jié)離心沉降

1.基本操作原理

ui旋風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。

離心加速度為rm2＝ui2/rm，其中rm為平均旋轉半徑。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。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，假設氣體密度<<顆粒密度P，相應于臨界直徑dc的顆粒沉降速度為：

根據(jù)假設③，顆粒最大沉降時間為：

第三節(jié)離心沉降

若氣體進入排氣管之前在筒內旋轉圈數(shù)為N，則運行的距離為2rmN，故氣體在筒內的停留時間為一般旋風分離器以圓筒直徑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：

總效率與粒級效率之間的關系：xi為粒徑di的顆粒占總顆粒的質量分數(shù)(2)分離效率總效率：指進入旋風分離器的全部粉塵中被分離下來的粉塵的質量分數(shù)。1，2分別為旋風分離器入口和出口氣體中的總含塵量

粒級效率：表示進入旋風分離器的粒徑為di的顆粒被分離下來的質量分數(shù)。第三節(jié)離心沉降

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?？傂氏嗤膬膳_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第三節(jié)離心沉降

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素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備本身的旋轉而產(chǎn)生的。假設層流，在距離中心為r處的顆粒的沉降速度為：ui假設某一粒徑為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

又，流體在筒內的停留時間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

一、電沉降二、慣性沉降本節(jié)的主要內容第四節(jié)其他沉降如果電場強度很強，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ute一、電沉降

第四節(jié)其他沉降在電場中，荷電顆粒將會受到靜電力Fe的作用：

q——顆粒的荷電量；E——顆粒所處位置的電場強度

電除塵器的基本原理

放電電極（電暈極）集塵極不均勻電場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以下的顆粒第四節(jié)其他沉降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，將會偏離流線。慣性沉降即是利用這種由慣性力引