1、第第 II 篇篇分离过程原理分离过程原理为什么要学习分离过程？在环境领域哪些问题涉及分离过程？分离有什么手段？本篇主要讲授内容。第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理混合体系 自然界是混合体系。在生活和生产过程中常常会遇到对混合体系中的物质进行分离的问题。在环境污染防治领域，研究对象都是混合体系（非均相和均相）。第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理问题的出现？将污染物与污染介质或其他污染物分离开来，从而达到去除污染物或回收利用的目的。如在给水处理中需要从水源水中分离去除各种浊度物质、细菌等。在废气净化中，也需要分离废气中的粉尘、有毒、有害成分等。分离在环境污染防治中的作用第第II篇篇 分离过
2、程原理分离过程原理 机械分离：非均相混合体系（两相以上所组成的混合物）传质分离：均相混合体系 平衡分离过程（借助分离媒介，如溶剂或吸附剂等，使均相混合体系变成两相系统）速率分离过程（在某种推动力下，利用各组分扩散速率的差异实现组分分离）分离过程的分类？第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理第六章 沉降第七章 过滤第八章 吸收第九章 吸附第十章 其他分离过程第第II篇篇 分离过程原理分离过程原理本篇的主要内容第六章 沉 降 第六章 沉降 第一节 沉降分离的基本概念第二节 重力沉降第三节 离心沉降第四节 其他沉降本章主要内容第一节 沉降分离的基本概念 一、沉降分离的一般原理和类型二、流体阻力与阻力
3、系数本节的主要内容一、沉降分离的一般原理和类型 相对运动流体：液体气体固体颗粒物液珠重力场离心力场电场惯性力场沉降表面：器底、器壁或其他表面重力沉降离心沉降电沉降惯性沉降扩散沉降第一节 沉降分离的基本概念 沉降过程作用力特 征重力沉降离心沉降电沉降惯性沉降扩散沉降重力离心力电场力惯性力热运动沉降速率小，适用于较大颗粒分离适用于不同大小颗粒的分离带电微细颗粒（0.1 m）的分离适用于1020 m以上粉尘的分离微细粒子（0.01 m）的分离沉降过程类型与作用力 第一节 沉降分离的基本概念 在环境领域沉降原理如何利用？水与废水处理：各种颗粒物（无机砂粒、有机絮体）的沉降密度较小絮体的上浮油珠的上浮
4、气体净化：粉尘、液珠第一节 沉降分离的基本概念 流体阻力与阻力系数（一）单颗粒的几何特性参数236pppdAdV表面积体积大小（尺寸）、形状、（比）表面积比表面积a：单位体积颗粒所具有的表面积。对于形状规则的球形颗粒：对于不规则的颗粒？ppdVAa61.颗粒的当量直径adAdVdeaeVpeV663等体积当量直径等表面积当量直径等比表面积当量直径2.颗粒的形状系数球形度：12非球形颗粒表面积的球形颗粒表面积与非球形颗粒体积相同eSeVdd二、流体阻力与阻力系数 当某一颗粒在不可压缩的连续流体中做稳定运行时，颗粒会受到来自流体的阻力。该阻力由两部分组成：形状阻力（p70-72）和摩擦阻力。流体阻
5、力的方向与颗粒物在流体中运动的方向相反，其大小与流体和颗粒物之间的相对运动速度u、流体的密度、黏度以及颗粒物的大小、形状有关。对于非球形颗粒物，这种关系非常复杂。第一节 沉降分离的基本概念 对于球形颗粒，流体阻力的计算方程(由量纲分析）：DP()Cf RePPudRe颗粒的雷诺数 CD:阻力系数，是雷诺数的函数。AP：颗粒的投影面积第一节 沉降分离的基本概念 2DDP2uFC A（6.1.10）（6.1.11）pDCRe24pDudF36.0Re5.18pDC44.0DC1.0DC2Re p310Re2p53102Re10p5102Rep层流区：过渡区：紊流区：紊流边界层区：-斯托克斯阻力定律
6、（1）对于球形颗粒：层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区第一节 沉降分离的基本概念 第一节 反应器与反应操作(1)简述沉降分离的原理、类型和各类型的主要特征。(2)简要说明环境工程领域哪些处理单元涉及沉降分离过程。(3)颗粒的几何特性如何影响颗粒在流体中受到的阻力？(4)不同流态区，颗粒受到的流体阻力不同的原因是什么？(5)颗粒和流体的哪些性质会影响到颗粒所受到的流体阻力，怎么影响。本节思考题一、重力场中颗粒的沉降过程 二、沉降速度的计算三、沉降分离设备本节的主要内容第二节 重力沉降一、重力场中颗粒的沉降过程 浮力Fb重力Fg假设球形颗粒粒径为dP、质量为m。沉速如何计算？阻力（曳力）FD2D
7、DP2uFC A第二节 重力沉降3bP6Fdg（6.2.2）3gPP6Fdg（6.2.1）gbdduFFmt根据牛顿第二定律，颗粒将产生向下运行的加速度（6.2.3）达到平衡时：gbD0FFF2332tPPPDP()06642udgdgCdut颗粒终端沉降速度（terminal velocity）（1）层流区：ReP2 CD=24/ReP PPtD4()3d guC(6.2.5)第二节 重力沉降2PtP118ugd斯托克斯（Stokes）公式(6.2.6)（2）过渡区：2ReP103 0.6PPPt()0.27gd Reu艾仑(Allen)公式 PPt()1.74gdu（3）湍流区：103Re
8、P2105 CD=0.44牛顿（Newton）公式 D0.6P18.5CRe第二节 重力沉降（6.2.7）（6.2.8）了解影响颗粒沉速的因素（颗粒粒径）在已知的颗粒粒径条件下求沉降速度 由颗粒沉降速度求颗粒粒径水处理中的沉降实验 由颗粒沉降速度求液体黏度 落球法测定黏度上述式子有何意义？第二节 重力沉降1.试差法 假设沉降属于某一区域计算颗粒沉速按求出的颗粒沉降速度ut计算ReP，验证ReP是否在所属的假设区域。如果在，假设正确；否则，需要重新假设和试算。2.摩擦数群法 CD与ReP的关系曲线中，由于两坐标都含有未知数ut，进行适当的转换，使其两坐标之一变成不包含ut的已知数群，则可以直接求
9、解ut。二、沉降速度的计算第二节 重力沉降1.试差法先假设沉降属于某一区域按与该区域对应的沉降速度计算式进行颗粒沉速计算按求出的ut计算Rep验证Rep是否在假设区域颗粒沉降速度计算正确是是否重新假设2.摩擦数群法摩擦数群法(1)已知流体特性和颗粒粒径dp求ut图所示。如标系中，作图，标绘在双对数坐以 ReRe3)(43)(4ReReRe3)(43)(4223222222222222ppDpptptppDtpptpptppDDpptCgdudugdCududugdCCgdu计算步骤：P2PRe.Re.由图中查得计算bCaD2RepDC1RePDCpRettPuduRe.c反算由(2)已知已知u
10、t求求dp如图所示。标系中，作图，标绘在双对数坐以ppDtpttppDtpptpptppDDpptCugduugdCududugdCCgduReRe3)(43)(4ReReRe3)(43)(41322112计算步骤：P-1PRe.Re.由图中查得计算bCaDpdudRe.ctpP反算由2RePDC1RePDCPRe3.无量纲判据无量纲判据K2)(18118)(Re232ppppptppgdgddudKgdpp23)(已知dp求ut)层流区的上限Rep=2令36218ReKKp作为无量纲判据，则层流523103.3100074.1)(74.1)(74.1ReKKgdgddudppppptpp(已
11、知dp求ut)紊流区的下限Rep=1000紊流3.无量纲判据无量纲判据K计算步骤：gduKgdugduKgdpptpptptpp)(74.1103.3Re)(27.0103.363K18)(36uK.2)(K.150.6p52t23紊流区：过渡区：层流区：选择公式计算据计算思想：已知颗粒直径dp，求出K，判定沉降所属的区，直接选用相应公式计算ut，避免试算。无量纲判据无量纲判据K K法总结：法总结：CDRe2PCDReP1（不包含颗粒直径的摩擦数群）由颗粒直径和其他参数，计算摩擦数群。由左图 -ReP的关系曲线，查出相应的ReP值。如何由沉降速度计算颗粒直径？由颗粒直径计算沉降速度 第二节 重
12、力沉降根据ReP的定义反算出ut PtPReud（6.2.10）2DPC Re第二节 重力沉降第二节 重力沉降第二节 重力沉降水处理：平流沉淀池气净化：降尘室三、沉降分离设备第二节 重力沉降净化气体净化液体含尘气体含悬浮物液体uilbh沉淀池或降尘室工作过程示意图dc位于沉淀池（降尘室）最高点的颗粒沉降至池底需要的时间为：流体通过沉淀池（降尘室）的时间为:为满足除尘或悬浮物要求，t停t沉即：ttVVuqu lbh流体中直径为dc的颗粒完全去除的条件。第二节 重力沉降thtu沉iVlVtuq停q二、沉降分离设备之（重力沉降设备）重力沉降是最简单的沉降分离方法，它既可用于分离气固非均相物系，也可用
13、于分离液固非均相物系；既可用于将混合物系中的颗粒与流体分开，也可用来使不同大小或密度不同的颗粒分开。依据重力沉降原理进行操作的装置称为重力沉降设备。二、沉降分离设备之（重力沉降设备）1.降尘室利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为降尘室，常见的如图所示。操作原理：含尘气体进入降尘室后，因流动截面积的扩大而使颗粒与气体间产生相对运动，颗粒向室底作沉降运动。只要在气流通过降尘室的时间内颗粒能够降至室底，尘粒便可从气流中分离出来。utuiVViqlbhqVult停tuht沉颗粒降至室底所需时间为t沉：当t停t沉，尘粒便从气流中分离出来，即有：lbuhVuquhqVttVtV,降尘室一般为矩形方体设
14、备，其长、宽和高分别用l、b、h表示，两端分别为含尘气体进口和净化气出口，气体流量为qV（m3/s）。设气体通过降尘室的时间为t停：可见，从理论上讲降尘室的生产能力只与其沉降截面积bl及颗粒的沉降速度ut有关，而与其高度h无关。故可将降尘室做成多层，室内均匀设置若干水平隔板(间距为40100mm)，构成多层降尘室。多层降尘室生产能力(n层水平隔板)：qV(n+1)utlb1)(1nhhbluqVnt隔板间距：取整lbuhVuqttV多层沉降室说明说明 沉降速度ut应按需要分离下来的最小颗粒计算；气流速度u不应太高，以免干扰颗粒的沉降或把已经沉降下来的颗粒重新卷起。为此，应保证气体流动的雷诺准数
15、处于层流范围之内；降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常仅适用于分离直径大于50m的颗粒，用于过程的预除尘。多层降尘室虽能分离细小的颗粒，并节省地面，但出灰麻烦。例：拟采用降尘室回收常压炉气中所含的固体颗粒，降尘室底面积为12m2，宽和高均为2m，炉气处理量为3m3/s。操作条件下气体密度为0.75kg/m3，黏度为2.610-5Pas,固体密度为 3000kg/m3。求：(1)理论上能完全捕集下来的最小粒径；(2)粒径为40m颗粒的回收百分率；(3)若完全回收直径为8m的尘粒，对降尘室应作如何改进?解：(1)能完全分离出的最小颗粒的沉降速度)(1.63)(18minmgud
16、pt2455.0106.275.025.0101.63Re56tppud故沉降属于层流区，假设成立，求得的最小颗粒直径有效。ut=qV/bl=3/12=0.25m/s假设沉降在层流区，则由斯托克斯公式求得最小颗粒粒径核算沉降流型：(2)直径为40m的颗粒必在层流区沉降，其沉降速度ut：因气体通过降尘室的时间为：t停=lbh/qV=122/3=8s故理论上直径40m的颗粒在此时间内沉降高度 h=ut t停=0.10068=0.8048m设降尘室入口炉气均布，在降尘室入口端处于顶部及其附近的d=40m的尘粒，因其ut0.25m/s，它们随气体到达出口时还没有沉到底而随气体带出，而入口端处距室底0.
17、8048m以下的40m的尘粒均能除去，所以40m尘粒的除尘效率：=h/h=0.8048/2=40.24%smgduppt/1006.0106.21881.9)75.03000()1040(18)(5262(3)要完全回收直径为8m的颗粒，则可在降尘室内设置水平隔板，使之变为多层降尘室。降尘室内隔板层数n及板间距h的计算为：取n=49,则隔板间距 h=h/(n+1)=2/50=0.040m 因而在原降尘室内设置49层隔板理论上可全部回收直径为8m的颗粒。7.48100503.01231)/(00503.0106.21881.9)75.03000()108(18)(5262tVpptbluqnsm
18、gdu如何核算气体通过多层降尘室的流动雷诺数如何核算气体通过多层降尘室的流动雷诺数Re?意义何在？意义何在？(1)简要分析颗粒在重力沉降过程中的受力情况。(2)层流区颗粒的重力沉降速度主要受哪些因素影响？(3)影响层流区和湍流区颗粒沉降速度的因素有何不同，原因何在？(4)流体温度对颗粒沉降的主要影响是什么？(5)列出你所知道的环境工程领域的重力沉降过程。本节思考题第二节 重力沉降(6)分析说明决定降尘室除尘能力的主要因素是什么。(7)通过重力沉降过程可以测定颗粒和流体的哪些物性参数，请你设计一些测定方法。本节思考题第二节 重力沉降第三节 离心沉降 一、离心力场中颗粒的沉降分析 二、旋流器工作原
19、理三、离心沉降机工作原理本节的主要内容一、离心力场中颗粒的沉降分析 r颗粒与流体之间产生相对运动，颗粒还会受到来自流体的阻力（曳力）FD的作用。CD与Re有关 22DDP42uFCd第三节 离心沉降 浮力(向心力)Fb32bP16Fdr（6.3.2）惯性离心力Fc232cPP16Fmrdr（6.3.1）如果这三项力能达到平衡du/dt=0 重力沉降PPtD4()3d guC 沉降方向不是向下，而是向外，即背离旋转中心。由于离心力随旋转半径而变化，致使离心沉降速度也随粒径所处的位置而变。离心沉降速率在数值上远大于重力沉降速率。cbD2322PPDP1()642ddFFFFudrCdumt（6.3
20、.3）2PPtcD4()3d ruC颗粒在此位置上的离心沉降速度：（6.3.4）第三节 离心沉降 离心加速度与重力加速度的比值（离心分离因素）Kc 2crKg大小可以人为调节离心沉降分离设备有两种型式：旋流器和离心沉降机旋流器的特点：设备静止，流体在设备中作旋转运行而产生离心作用。Kc 一般在几十到数百之间。离心沉降机的特点：装有液体混合物的设备本身高速旋转并带动液体一起旋转，从而产生离心作用。Kc可以高达数十万。第三节 离心沉降（6.3.5）旋风分离器：用于气体非均相混合物分离旋流分离器：用于液体非均相混合物分离（一）旋风分离器 旋风分离器在工业上的应用已有近百年的历史。旋风分离器结构简单、
21、操作方便，在环境工程领域也应用广泛。在大气污染控制工程中，作为一种常用的除尘装置，主要用于去除大气中的粉尘，常称为旋风除尘器。二、旋流器工作原理第三节 离心沉降 第三节 离心沉降 1.基本操作原理 ui旋风分离器中的惯性离心力是由气体进入口的切向速度ui产生的。232cmPPim1/6Fmrdur离心加速度为rm2ui2/rm，其中rm为平均旋转半径。分离因数为：其大小为52500，一般可分离气体中直径为575 m的粉尘。22mcmiurKgr g2.主要分离性能指标表示旋风分离器的分离性能的主要指标有临界直径和分离效率。(1)临界直径临界直径是指在旋风分离器中能够从气体中全部分离出来的最小颗
22、粒的直径，用dc表示。为分析简单，对气体和颗粒在筒内的运动作如下假设：气体进入旋风分离器后，规则地在筒内旋转N圈后进入排气筒，旋转的平均切线速度等于入口气体速度ui。颗粒在筒内与气体之间的相对运动为层流。颗粒在沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进气口宽度B。第三节 离心沉降 根据颗粒离心沉降速度方程式，假设气体密度颗粒密度P，相应于临界直径dc的颗粒沉降速度为：2222PciPtmPm11818d uurdr根据假设，颗粒最大沉降时间为：m22tcP18ir BBtudu沉第三节 离心沉降（6.3.6）（6.3.7）若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为N，则运行的距离为2rmN，故气体在筒内的
23、停留时间为 mi2r Ntu停一般旋风分离器以圆筒直径D为参数，其他参数与D成比例，B=D/4。D增加，dc增大，分离效率减少。第三节 离心沉降（6.3.8）令t沉=t停，得：ciP9BduN（6.3.9）0miix总效率与粒级效率之间的关系：xi为粒径di的颗粒占总颗粒的质量分数(2)分离效率总效率：指进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分数。1，2分别为旋风分离器入口和出口气体中的总含尘量 1201100%（6.3.10）粒级效率：表示进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的质量分数。i1i2ii1100%（6.3.11）第三节 离心沉降 总效率表示旋风分离器的分离效果，总
24、的除尘效果。但并不能准确地代表旋风分离器的分离效率。总效率相同的两台旋风分离器，其分离性能却可能相差很大。粒级效率更能准确地表示旋风分离器的分离效率。粒级效率曲线：粒级效率与颗粒粒径的关系第三节 离心沉降 第三节 离心沉降 第三节 离心沉降 旋流分离器用于分离悬浮液，在结构和操作原理上与旋风分离器类似。旋流分离器的特点：形状细长，直径小，圆锥部分长，有利于颗粒分离。中心经常有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效果。在水处理中，旋流分离器又称为水力旋流器，可用于高浊水泥沙的分离、暴雨径流泥沙分离、油水分离、矿厂废水矿渣的分离等。（二）旋流分离器第三节 离心沉降 三、离心沉降机工作原理 根据离心沉
25、降机的分离因素Kc的大小，离心机可分为：(1)常速离心机：Kc3000(2)高速离心机：3000Kc50000第三节 离心沉降 r2rr1h离心机工作原理示意图 ui悬浮液悬浮液第三节 离心沉降 离心沉降机主要用于悬浮液的固液分离。在离心沉降机中离心力是靠设备本身的旋转而产生的。假设层流，在距离中心为r处的颗粒的沉降速度为：232cPP16Fmrdr ui假设某一粒径为dc的颗粒的临界沉降轨迹如图所示。dc 为可以完全分离的最小颗粒粒径。第三节 离心沉降 22cPt()dd18drurt22cP18d()drtdr（6.3.14）222cP118ln()rtdr 沉又，流体在筒内的停留时间t停
26、为式中qV为悬浮液的体积流量，单位为m3/s。令t沉t停 颗粒在筒内的沉降时间为从r1到r2所需的时间，对上式进行积分。2221i()Vrrhhtuq停2c222P21118ln()()Vqrdhrrr第三节 离心沉降（6.3.15）（6.3.16）（6.3.17）第三节 离心沉降 第三节 离心沉降(1)简要分析颗粒在离心沉降过程中的受力情况。(2)比较离心沉降和重力沉降的主要区别。(3)同一颗粒的重力沉降和离心沉降速度的关系如何？(4)简要说明旋风分离器的主要分离性能指标。(5)标准旋风分离器各部位尺寸有什么关系？本节思考题第三节 离心沉降(6)旋风分离器和旋流分离器特点有何不同？(7)离心
27、沉降机和旋流分离器的主要区别是什么？(8)在环境工程领域有哪些离心沉降过程？本节思考题第三节 离心沉降 一、电沉降 二、惯性沉降本节的主要内容第四节 其他沉降如果电场强度很强，重力或惯性力可以忽略不计，荷电颗粒所受的作用力主要是静电力和流体阻力。当在层流条件下，平衡时，终端电沉降速度ute一、电沉降 第四节 其他沉降teP3qEud（6.4.2）在电场中，荷电颗粒将会受到静电力Fe的作用：q颗粒的荷电量；E颗粒所处位置的电场强度（6.4.1）eFqE电除尘器的基本原理 放电电极（电晕极）集尘极 不均匀电场未荷电尘粒 荷电尘粒 气体电离粒子荷电荷电粒子迁移颗粒沉积与清除 去除去除0.10.1 m
28、 m以下的颗粒以下的颗粒第四节 其他沉降颗粒与流体一起运动时，如在流体中存在障碍物，流体沿障碍物产生绕流，而颗粒物由于惯性力的作用，将会偏离流线。惯性沉降即是利用这种由惯性力引起的颗粒与流线的偏离，使颗粒在障碍物上沉降的过程。能否沉降在障碍物上，取决于颗粒的质量和相对于障碍物的运动速度和位置，小颗粒或距离停滞流线较远的大颗粒均能绕开障碍物。二、惯性沉降 31停滞流线停滞流线流体方向流体方向流体流线流体流线障碍物障碍物2第四节 其他沉降惯性除尘器：利用惯性沉降原理从气体中分离粉尘。去除惯性去除惯性大的颗粒大的颗粒惯性离心力作用惯性离心力作用去除细尘粒去除细尘粒23t22udR尘粒d2所受的离心力 粒径和气速愈大，气流旋转半径R2愈小，除尘效率愈高。惯性除尘器能捕集10m以上的颗粒。第四节 其他沉降(1)电沉降过程中颗粒受力情况如何，沉降速度与哪些因素有关？(2)简述电除尘器的组成和原理。(3)电除尘器的优点是什么？(4)惯性沉降的作用原理是什么，主要受哪些因素的影响？(5)惯性沉降应用的优缺点是什么？(6)环境工程领域有哪些电除尘和惯性除尘过程？本节思考题第四节 其他沉降
