环境工程学原理讲义
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第 II 篇
分离过程原理
第II篇 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II篇 分离过程原理
问题的出现?
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)。
• 该阻力由两部分组成:形状阻力和摩擦阻力。 • 流体阻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:
FD
CDAP
二、沉降速度的计算
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, 则可以直接求解ut。
(1)层流区:ReP2 CD=24/ReP
ut
1 P 18
gdP2
(6.2.6)
斯托克斯(Stokes)公式
第二节 重力沉降
(2)过渡区:2<ReP<103
CD
18.5
R
e
0 P
.6
ut 0.27
(P)gdPReP0.6
(6.2.7)
艾仑(Allen)公式
(3)湍流区:103<ReP<2105 CD = 0.44
CDRe2P CDReP-1(不包含颗粒直径的摩擦数群)
Leabharlann Baidu
第二节 重力沉降
由颗粒直径计算沉降速度
由颗粒直径和其他参 数,计算摩擦数群。
由左图
C
D
R
e
2 P
-ReP的
关系曲线,查出相应
的ReP值。
根据ReP的定义反算出ut
ut
R eP dP
(6.2.10)
如何由沉降速度计算颗粒直径?
么影响。
第二节 重力沉降
本节的主要内容
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
第二节 重力沉降
一、重力场中颗粒的沉降过程
假设球形颗粒粒径为dP、质量为m。沉速如何计算?
浮力Fb 重力Fg
Fb
π 6
d
3 P
g
Fg
π 6
dP3P g
(6.2.2) (6.2.1)
根据牛顿第二定律,颗粒 将产生向下运行的加速度
第六章 沉降
第六章 沉降
本章主要内容
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
第一节 沉降分离的基本概念
本节的主要内容
一、沉降分离的一般原理和类型 二、流体阻力与阻力系数
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
流体: 液体 气体
重力场
离心力场
第二节 重力沉降
将颗粒沉速计算式(6.2.5)进行变换得到CD计算式:
ReP2
CD
4dP(P )g 3ut2
ReP2
ReP
dPut
CDReP2 4dP3(3P2)g
(6.2.9)
不包含沉降速度ut的摩擦数群。
无因次,也是ReP的函数。
CD与ReP的关系曲线转换成
C
D
R
e
2 P
与ReP的关系曲线。
Fg
Fb
m
du dt
(6.2.3)
阻力(曳力)FD
u2
FD CDAP 2
第二节 重力沉降
达到平衡时:
Fg Fb FD0
π 6dP 3 Pg6 πdP 3 gC Dπ 4dP 2(2 ut2)0
ut
4(P )dPg 3CD
(6.2.5)
ut——颗粒终端沉降速度(terminal velocity)
相对运动
电场
惯性力场
固体颗粒物
液珠
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 沉降过程类型与作用力
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10~20 m以上粉尘的分离 微细粒子(<0.01 m)的分离
u2
2
(6.1.10)
CD:阻力系数,是雷诺数的函数。 AP:颗粒的投影面积
CD f(ReP)
ReP
ud P
(6.1.11) 颗粒的雷诺数
第一节 沉降分离的基本概念
层流区 过渡区 湍流区
第一节 反应器与反应操作
本节思考题
(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
• 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)
第II篇 分离过程原理
本篇的主要内容 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
• 气体净化: 粉尘、液珠……
第一节 沉降分离的基本概念
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。
ut 1.74
(P )gdP
(6.2.8)
牛顿(Newton)公式
第二节 重力沉降
上述式子有何意义?
• 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
第二节 重力沉降
第II篇 分离过程原理
分离在环境污染防治中的作用
• 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等。
第II篇 分离过程原理
分离过程的分类?
• 机械分离:非均相混合体系(两相以上所组成的 混合物)
分离过程原理
第II篇 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II篇 分离过程原理
问题的出现?
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)。
• 该阻力由两部分组成:形状阻力和摩擦阻力。 • 流体阻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:
FD
CDAP
二、沉降速度的计算
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, 则可以直接求解ut。
(1)层流区:ReP2 CD=24/ReP
ut
1 P 18
gdP2
(6.2.6)
斯托克斯(Stokes)公式
第二节 重力沉降
(2)过渡区:2<ReP<103
CD
18.5
R
e
0 P
.6
ut 0.27
(P)gdPReP0.6
(6.2.7)
艾仑(Allen)公式
(3)湍流区:103<ReP<2105 CD = 0.44
CDRe2P CDReP-1(不包含颗粒直径的摩擦数群)
Leabharlann Baidu
第二节 重力沉降
由颗粒直径计算沉降速度
由颗粒直径和其他参 数,计算摩擦数群。
由左图
C
D
R
e
2 P
-ReP的
关系曲线,查出相应
的ReP值。
根据ReP的定义反算出ut
ut
R eP dP
(6.2.10)
如何由沉降速度计算颗粒直径?
么影响。
第二节 重力沉降
本节的主要内容
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
第二节 重力沉降
一、重力场中颗粒的沉降过程
假设球形颗粒粒径为dP、质量为m。沉速如何计算?
浮力Fb 重力Fg
Fb
π 6
d
3 P
g
Fg
π 6
dP3P g
(6.2.2) (6.2.1)
根据牛顿第二定律,颗粒 将产生向下运行的加速度
第六章 沉降
第六章 沉降
本章主要内容
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
第一节 沉降分离的基本概念
本节的主要内容
一、沉降分离的一般原理和类型 二、流体阻力与阻力系数
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
流体: 液体 气体
重力场
离心力场
第二节 重力沉降
将颗粒沉速计算式(6.2.5)进行变换得到CD计算式:
ReP2
CD
4dP(P )g 3ut2
ReP2
ReP
dPut
CDReP2 4dP3(3P2)g
(6.2.9)
不包含沉降速度ut的摩擦数群。
无因次,也是ReP的函数。
CD与ReP的关系曲线转换成
C
D
R
e
2 P
与ReP的关系曲线。
Fg
Fb
m
du dt
(6.2.3)
阻力(曳力)FD
u2
FD CDAP 2
第二节 重力沉降
达到平衡时:
Fg Fb FD0
π 6dP 3 Pg6 πdP 3 gC Dπ 4dP 2(2 ut2)0
ut
4(P )dPg 3CD
(6.2.5)
ut——颗粒终端沉降速度(terminal velocity)
相对运动
电场
惯性力场
固体颗粒物
液珠
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 沉降过程类型与作用力
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10~20 m以上粉尘的分离 微细粒子(<0.01 m)的分离
u2
2
(6.1.10)
CD:阻力系数,是雷诺数的函数。 AP:颗粒的投影面积
CD f(ReP)
ReP
ud P
(6.1.11) 颗粒的雷诺数
第一节 沉降分离的基本概念
层流区 过渡区 湍流区
第一节 反应器与反应操作
本节思考题
(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
• 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)
第II篇 分离过程原理
本篇的主要内容 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
• 气体净化: 粉尘、液珠……
第一节 沉降分离的基本概念
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。
ut 1.74
(P )gdP
(6.2.8)
牛顿(Newton)公式
第二节 重力沉降
上述式子有何意义?
• 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
第二节 重力沉降
第II篇 分离过程原理
分离在环境污染防治中的作用
• 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等。
第II篇 分离过程原理
分离过程的分类?
• 机械分离:非均相混合体系(两相以上所组成的 混合物)