精選環(huán)境工程第八章沉降極力推薦講義

（優(yōu)選）環(huán)境工程第八章沉降極力推薦當(dāng)前第1頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)我們面對(duì)的環(huán)境問(wèn)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(fù)…….需要開(kāi)發(fā)適宜的環(huán)境凈化與污染防治技術(shù)技術(shù)大類：分離技術(shù)、轉(zhuǎn)化技術(shù)、隔離技術(shù)《環(huán)境工程原理》課程的主要內(nèi)容當(dāng)前第2頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)環(huán)境工程的核心：利用分離、轉(zhuǎn)化、隔離等技術(shù)原理，通過(guò)工程手段，實(shí)現(xiàn)污染物的高效、快速去除。隔離/分離/轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)操作方式和操作條件的優(yōu)化介質(zhì)的混合狀態(tài)和流體流態(tài)的優(yōu)化遷移（物質(zhì)、能量）和反應(yīng)速率的強(qiáng)化當(dāng)前第3頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)《環(huán)境工程原理》與其它學(xué)科的關(guān)系環(huán)境工程原理化工原理傳遞過(guò)程原理原理流體力學(xué)工程學(xué)環(huán)境工程原理化工原理傳遞過(guò)程原理反應(yīng)工程原理流體力學(xué)生物工程工程學(xué)當(dāng)前第4頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)第II篇分離過(guò)程原理為什么要學(xué)習(xí)分離過(guò)程？在環(huán)境領(lǐng)域哪些問(wèn)題屬于分離過(guò)程？分離都有什么手段？本篇主要講授內(nèi)容？當(dāng)前第5頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)自然界是混合體系。在生活和生產(chǎn)過(guò)程中常常會(huì)遇到對(duì)混合體系中的物質(zhì)進(jìn)行分離的問(wèn)題。在環(huán)境污染防治領(lǐng)域，研究對(duì)象都是混合體系（非均相和均相）水體：不同雜質(zhì)和污染物組成水的混合體系大氣：大氣復(fù)合污染固體廢物：形形色色土壤：污染物質(zhì)本身和土壤質(zhì)地本身單一體系混合體系當(dāng)前第6頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第7頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第8頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第9頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)分離技術(shù)：將污染物與污染介質(zhì)或其他污染物分離開(kāi)來(lái)，從而達(dá)到去除污染物或回收利用的目的分離過(guò)程的分類？機(jī)械分離：非均相混合體系傳質(zhì)分離：均相混合體系

平衡分離過(guò)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(guò)程（在某種推動(dòng)力下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)組分分離）當(dāng)前第10頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)主要講授單元：沉降、過(guò)濾、吸收、吸附、萃取、膜分離學(xué)時(shí)：20學(xué)時(shí)（10月23日～11月25日）講課：18學(xué)時(shí)考試：2學(xué)時(shí)希望：增強(qiáng)信心，共建新的課程體系！當(dāng)前第11頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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(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)散沉降當(dāng)前第12頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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)沉降速度小，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（<0.1m）的分離適用于10m粉塵的分離微細(xì)粒子（<0.01m）的分離當(dāng)前第13頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)在環(huán)境領(lǐng)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(wú)機(jī)砂粒、有機(jī)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……當(dāng)前第14頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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？根據(jù)牛頓第二定律，顆粒將產(chǎn)生向下運(yùn)行的加速度阻力（曳力）FDCD:阻力（曳力）系數(shù)，是雷諾數(shù)的函數(shù)。AP：顆粒的投影面積當(dāng)前第15頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)達(dá)到平衡時(shí)：ut——顆粒終端沉降速度（terminalvelocity）（1）層流區(qū)：ReP2

CD=24/ReP

……斯托克斯（Stokes）公式……(8-2-5)當(dāng)前第16頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)（2）過(guò)渡區(qū)：2<ReP<103

……艾侖(Allen)公式（3）紊流區(qū)：103<ReP<2105CD=0.44……牛頓（Newton）公式當(dāng)前第17頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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(shí)驗(yàn)由顆粒沉降速度求液體粘度……落球法測(cè)定粘度當(dāng)前第18頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)二、沉降速度的計(jì)算（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）磨擦數(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。當(dāng)前第19頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)將顆粒沉速計(jì)算式（8-2-5)進(jìn)行變換得到CD計(jì)算式：ReP2ReP2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)。CD與ReP的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換成CDReP2與ReP的關(guān)系曲線。當(dāng)前第20頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)CDReP2CDReP－1由顆粒直徑和其他參數(shù)，計(jì)算摩擦數(shù)群。由左圖CDReP2－ReP的關(guān)系曲線，查出相應(yīng)的ReP值。根據(jù)ReP的定義反算出ut

如何由沉降速度計(jì)算顆粒直徑？由顆粒直徑計(jì)算沉降速度當(dāng)前第21頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)（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ReP＝2K36紊流區(qū)：下限是ReP為1000當(dāng)前第22頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第23頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第24頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第25頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)三、沉降分離設(shè)備水處理：沉淀池氣凈化：降塵室流體速度vut含塵氣體含懸浮物液體凈化氣體凈化液體Hl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

t沉=H/ut流體通過(guò)沉淀池（降塵室）的時(shí)間為:t停=l/v,orV/Q為滿足除塵或懸浮物要求，t停t沉當(dāng)前第26頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)第三節(jié)離心沉降一、離心力場(chǎng)中顆粒的沉降分析

r慣性離心力Fc浮力(向心力)Fb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（曳力）FD的作用

……CD與Re有關(guān)

當(dāng)前第27頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)如果這三項(xiàng)力能達(dá)到平衡du/dt=0顆粒在此位置上的離心沉降速度：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顆粒所處的位置而變。離心沉降速度在數(shù)值上遠(yuǎn)大于重力沉降速度。當(dāng)前第28頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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(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～數(shù)百離心沉降機(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)。

當(dāng)前第29頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)二、旋流器工作原理旋風(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。當(dāng)前第30頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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。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。當(dāng)前第31頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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(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)：①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。②顆粒在筒內(nèi)與氣體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為層流。③顆粒在沉降過(guò)程中所穿過(guò)的氣流的最大厚度等于進(jìn)氣口寬度B。當(dāng)前第32頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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(shí)間為：當(dāng)前第33頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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)間為令t沉=t停，得：一般旋風(fēng)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。當(dāng)前第34頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)(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)量分率。C1，C2分別為旋風(fēng)分離器入口和出口氣體中的總含塵量粒級(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)量分率。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)量分率當(dāng)前第35頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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。總效率相同的兩臺(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)系當(dāng)前第36頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第37頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第38頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)（二）旋流分流器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(diǎn)：(1)形狀細(xì)長(zhǎng)，直徑小（？），圓錐部分長(zhǎng)，有利于顆粒的分離。(2)中心有一個(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。當(dāng)前第39頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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)：Kc<3000高速離心機(jī)：3000<Kc<50000超高速離心機(jī)：Kc>50000當(dāng)前第40頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)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。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。假設(shè)層流，在距離中心為r處的顆粒的沉降速度為：當(dāng)前第41頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)又，流體在筒內(nèi)的停留時(shí)間t停為式中V為懸浮液的體積流量（m3/s）。令t沉＝t停

當(dāng)前第42頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第43頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第44頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)第四節(jié)其它沉降

一、電沉降

在電場(chǎng)中，荷電顆粒將會(huì)受到靜電力Fe的作用：Fe＝qE

q——顆粒的荷電量；E——顆粒所處位置的電場(chǎng)強(qiáng)度

如果電場(chǎng)強(qiáng)度很強(qiáng)，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uce當(dāng)前第45頁(yè)\共有47頁(yè)\編于星期三\10點(diǎn)圖8-4-1電除塵器的基本原理放電電極（電暈極）