任务2 了解重力沉降和离心沉降
任务2 了解重力沉降和离心沉降
颗粒的沉降速度不仅与颗粒的大小及密度有关，而且还与流体的____________有关。
根据作用力场的不同，可以分为____________沉降和___________沉降。
〖作业〗
1．与重力沉降相比，离心沉降有哪些优点及不足？
3分
7分
20分
15分
15分
15分
15分
任务2了解重力沉降和离心沉降
根据外力的不同，沉降又可分为重力沉降和离心沉降。
重力沉降就是颗粒在地球重力场的作用下，发生沉降运动。通过上述讨论知道，颗粒的重力沉降速度与颗粒的直径、密度及流体的粘度等性质有关，对一定的非均相物系，则颗粒的重力沉降速度是一定的，人们无法改变其大小。因此，在分离要求较高时，用重力沉降就很难达到要求。此时，若采用离心沉降，则可大大提高沉降速度，使分离效率提高，设备尺寸减小。
尽管离心分离沉降速度大、分离效率高，但离心分离设备要比重力沉降设备复杂，投资费用大，且需要消耗能量，操作严格而费用高。因此，对分离要求不高或处理量较大的场合，采用重力沉降更为经济合理，有时先用重力沉降，再进行离心分离也不失为一种行之有效的方法。
综合练习：在学习了上面的知识后，请你完成下面的填空：
沉降是借助于某种外力的作用，使两相之间发生____________而实现分离的操作。
【实例讲解】
沉降分离原理及方法
沉降分离原理及方法沉降分离是一种常用的物理分离方法，主要用于将混合物中的固体颗粒或浮游生物从液体中分离出来。
沉降分离原理基于不同物质的密度差异，通过重力作用使得较重的固体或浮游生物颗粒沉降到液体底部，从而实现分离的目的。
下面将详细介绍沉降分离的原理和常用的方法。
1.原理：沉降分离的原理是基于斯托克斯定律，即在流体中，一个颗粒的沉降速度与其体积、形状、密度以及流体的粘度和密度有关。
根据斯托克斯定律，一个颗粒在一定重力下的沉降速度可以用以下公式表示：v=(2g(ρp-ρm)r^2)/(9η)其中，v代表沉降速度，g代表重力加速度，ρp代表颗粒的密度，ρm代表流体的密度，r代表颗粒的半径，η代表流体的粘度。
根据上述公式可以看出，颗粒的沉降速度与颗粒的体积、密度以及流体的粘度有关。
通常情况下，沉降速度较慢的颗粒会更容易分离出来。
因此，在进行沉降分离时，可以通过控制颗粒的大小、密度以及流体的粘度来实现理想的分离效果。
2.方法：沉降分离的方法有许多种，下面介绍其中几种常见的方法。
（1）重力沉降：重力沉降是最基本也是最常用的沉降分离方法。
它利用物体在重力作用下向下沉降的特性，将混合物在重力的作用下静置一段时间，使得较重的固体颗粒沉降到液体底部。
然后通过倾倒或抽取的方式将上层液体倒掉，即可将固体与液体分离。
（2）离心沉降：离心沉降是通过离心力的作用加速沉降的过程。
离心沉降可以将颗粒分离得更彻底，分离速度更快。
离心沉降是利用离心机的转速和半径控制离心力的大小，通过调整离心机的参数，可以实现对不同颗粒的分离。
（3）沉降澄清：沉降澄清是通过调控液体的流速和流向，使颗粒在液体中进行不同速度的沉降，从而实现分离。
沉降澄清通常使用的装置是沉降澄清池或沉降澄清罐。
在这些装置中，通过设计合理的流场，使得颗粒在不同区域以不同的速度沉降，最终实现分离。
（4）浮选法：浮选法是通过将颗粒与空气或气泡结合在一起，使得颗粒浮在液体表面或高于液体表面，实现沉降分离的一种方法。
离心沉降
ηo=Σxiηpi Σ
分割粒径
• • • • • 粒级效率等于50％的颗粒直径 分割粒径 分割粒径) 粒级效率等于 ％的颗粒直径(分割粒径 对于标准旋风分离器 d50=0.27[µD/[ui(ρs-ρ)] µ ρ ρ 曲线。 ηP~d/d50曲线。 标准型旋风分离器，型号相同， 标准型旋风分离器，型号相同，结构尺 寸比例相同的旋风分离器可以用同一条 曲线。 曲线。
一、离心沉降速度 离心沉降速度
连续相运动方向
Fb Fd
Fu 颗粒沉降方向
• 假设，颗粒密度ρS , kg/m3, 颗粒直径d , m , 假设，颗粒密度ρ 颗粒直径d • 流体密度ρ 流体密度ρ , kg/m3 , • 颗粒在静止流体中流动。 颗粒在静止流体中流动。 惯性离心力作用下实现的沉降过程称为离心沉降。 颗粒受到三个力
旋风分离器类型 XLT/A型 XLP/B型 XLK型(扩散式)
旋液分离器 旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉 降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备，它的结 构与操作原理和旋风分离器类似。
4、旋风分离器性能 旋风分离器性能
• 主要指标： 主要指标： • 尘粒从气流中的分离效果 • 气流经过旋风分离器的压强降
(1) 临界粒径
• 指旋风分离器能分离下来的最小粒径， 指旋风分离器能分离下来的最小粒径， 用于判断分离器的效率高低。 用于判断分离器的效率高低。 • 假设： 假设： • 在旋风分离器中，气流按螺旋路线等速 在旋风分离器中， 运动，其切向速度等于进口气速ui， 运动，其切向速度等于进口气速 ， • 颗粒穿过整个气层厚度 ，到达器壁被分 颗粒穿过整个气层厚度B， 离， • 颗粒在滞流情况下作自由离心沉降
平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速 度ur便是它在此位置上的离心沉降速度：
《化工原理》课程教学大纲
《化工原理》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：260353课程名称：《化工原理》英文名称：Principles of Chemical Engineering课程类别：专业基础课学时：90学时，化工原理（上册）40，化工原理（下册）40，实验10学分：4个适用对象：环境工程专业考核方式：期末考试成绩（占70%）加平时成绩（占30%），其中期末考试为闭卷考试，平时成绩包括考勤，作业、实验和平时测验等。
先修课程：数学、物理、化学、物理化学二、课程简介中文简介：化工原理课程属化学工程技术科学学科，是理论性和实践性都很强的学科，是环境工程专业必修的一门专业基础课程。
本课程的总学时为90学时，其中80学时为课堂教学，而10个学时为实践教学。
其中课堂教学章节和实验教学内容都是按环境工程专业的专业特点而设定的，而与环境工程专业关系不为紧密的则建议自学。
英文简介：Chemical engineering is a technology of chemical engineering subdiscipline. This course specialize in strong theory, practice and is a compulsory courses to environmental engineering specialty. The total period is 90, including 80 period classroom teaaching and 10 period practice teaching. The content of this course is arranged according to the characteristics of environmental engineering. It is suggested that those content that has little relation with environmental engineering should be self-studied.三、课程性质与教学目的(一)课程性质《化工原理》是环境工程专业一门重要的专业基础课，它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。
项目二_非均相物系的分离与设备
• （1） 旋液分离器 • 旋液分离器又称水力旋流 器，用以分离以液体为主 的悬浮液或乳浊液的设备。 工作原理与旋风分离器大 致相同。设备主体也是由 圆柱、圆锥两部分组成， 如图所示。料液由圆筒部 分以切线方向进入，作旋 转运动而产生离心力，下 行至圆锥部分更加剧烈。 料液中的固体粒子或密度 较大的液体受离心力的作 用被抛向器壁，并沿器壁 按螺旋线下流至出口（底 流）。澄清的液体或液体 中携带的较细粒子则上升， 由中心的出口溢流而出。
开眼界：龙卷风
• 当流体围绕某一中心轴作圆周运 动时，便形成惯性离心力场。龙 卷风就是自然界中流体旋转形成 离心力场的实例。 • 龙卷风是从强流积雨云中伸向地 面的一中小范围强烈旋风。龙卷 风出现时，往往有一个或数个如 同“象鼻子”样的漏斗状云柱从 云底向下伸展，同时伴随狂风暴 雨、雷电或冰雹。龙卷风经过水 面，能吸水上升，形成水柱，同 云相接，俗称“龙取水”。经过 陆地，常会卷倒房屋，吹折电杆， 甚至把人、畜和杂物吸卷到空中， 带往他处。
2.其他离心沉降设备
（2） 沉降离心机
蝶片式离心机
管式超速离心机
卧式螺旋卸渣沉降离心机示意图
3.提高离心沉降速度的方法
• 离心沉降是利用连续相与分散相在离心力场中所 受离心力的差异使重相颗粒迅速沉降实现分离的 操作。离心沉降速度是指重相颗粒相对于周围流 体的运动速度。设法提高离心沉降速度，无疑可 使分离效果提高，设备尺寸减少。同学们想一想， 有哪些提高离心沉降速度的方法呢？从下列影响 离心沉降速度的的因素着手，针对不同情况，采 取不同措施。
悬浮液和乳浊液
• 自然界里的大多数物质是混合物，混合物可分为均相混合 物和非均相混合物两大类。相是具有相同组成，相同物理 性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的界 面。 • 均相混合物的定义：均相混合物内部各处物质均匀而不存 在相界面，如空气、酒精等。 • 非均相混合物的定义：非均相混合物的内部有隔开两相的 界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同，如悬浮液、 乳浊液、含尘气体等。 • 固体颗粒分散于液体中，因布朗运动而不能很快下沉，此 时固体分散相与液体的混合物称悬浮液。悬浮液中的固体 颗粒的粒径为10-3-10-4cm，大于胶体。血液,泥水,氢氧化 铜和水的混合液，碳酸钙和水的混合液等都是悬浮液。
离心沉降速度与重力沉降速度的比较
离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在
离心力场中的位置而变。
阻力同系一数颗：粒层在流同时一种 介质2R4中e 的u离r 心 沉d 2降1速8s度 与 重 u力Rt 2沉降速
1、气体处理量
旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流
量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在
15～25m/s。 旋风分离器的处理量
V ui B h
2、临界粒径 判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。
临界粒径 ： 理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小
颗粒直径。 1） 临界粒径的计算式 a) 进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运 动，且切线速度恒定，等于进口气速ut=ui；
中折线obcd。
实测的粒级效率曲线，直径小于10μm的颗粒，也有可观的
分离效果，而直径大于dc的颗粒，还有部分未被分离下来 直径小于dc的颗粒中
有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面，在停留时间内能够
达到壁面上
有些在器内聚结成了大的颗粒，因而具有较大的沉降速度 直径大于dc的颗粒
气体涡流的影响，可能没达到器壁。 即使沉到器壁也会被重新扬起
颗粒到达器壁所需要的时间：t
停留时间为： 2Rm N
B ur
18Rm B d 2 sui2
ui
对某尺寸的颗粒所需的沉降时间θt恰好等于停留时间θ
，该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用dc表
示这种颗粒的直径，即临界粒径 。
18Rm B dc2 sui2
2Rm N
ui
p c ui2
生物分离-第三章-离心与沉降
离心过滤
离心过滤就是应用离心力代替压力差作为过滤推动力的分离方法， 也称为过滤式离心机。 左图为工业上常用的篮式过滤离心 机，过滤离心机的转鼓为一多孔圆 筒，圆筒转鼓内表面铺有滤布。 操作时，被处理的料液由圆筒口连 续进入筒内，在离心力的作用下， 清液透过滤布及鼓壁小口被收集排 出，固体微粒则被截留于滤布表面 形成滤饼
沉降设备的分类：
• • • • 矩形水平流动池 圆形水平流动池 垂直流动式圆形池 方形池
传统
沉降设备
新型 • 斜板式沉淀池 • 斜管式沉淀池
矩形水平流动池： 沉降特性好，池壁可两池共 用，节省费用
圆形水平流动池： 截面是圆形，高径比小，但 处理量较大，液体从中进入， 向外筒壁流动，通过溢流堰 排出
v0-泵送作用下的液体流速，m/s vc- 粒子在离心力作用下的运动速度， m/s 在多数场合下，vo随r的变化而变化，即r减小时，vo增大，因碟片 间的环隙通道截面积随r减小而缩小。且vo还是微粒位置的y坐标的
函数，即在碟片表面v0=0。 vo可表示为：
Q---为离心机泵送液体的流量，m3/s
n—碟片间隙数
μ—介质黏度，Pa〃s；
v —微粒运动速度，m/s。
这个等式仅当球形微粒较小时方能成立，即：
如果Re>1时，阻力为 f—摩擦系数 当球形粒子在介质中运动时速度较小，因此作用其上的阻力也 较小，当阻力与浮力平衡时，微粒加速度为零。联立方程 3.1 和3.2，得到下式， 此式给出了微粒稳定状态和最终速度
单位面积上的过滤体积可改写为
可得近似离心式过滤机由开始操作至滤饼厚度为(R0-Rc)时的过滤时 间
从一种发酵液中分离提取类固醇，类固醇晶体的 浓度为16kg/m3，料液密度为1000kg/m3.在过滤分 离小试中，处理0.25L发酵液需32min，实验室装 置的过滤面积为8.3· 10-4m2，过滤压降为105Pa， 所得滤饼密度为1090kg/m3，过滤介质阻力可忽 略。扩大实验使用篮式过滤离心机处理发酵液， 离心机转鼓内径为1.02m，高0.45m，转速为 530r/min，在过滤转速时，测知转鼓内的液层和 滤饼的厚度之和为0.055m。求处理1.6m3这种发 酵液所需的分离时间
环境工程原理教学大纲
《环境工程原理》教学大纲一、基本信息二、教学目标及任务《环境工程原理》是环境工程专业的重要专业基础课，该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染控制工程，即水质净化与水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物处理与处置及资源化工程，以及其他污染控制工程中涉及的具有共性的工程学基础基本过程和现象，以及污染控制装置的基本原理。
通过本课程的学习应使学生能掌握物料与能量衡算、传热、传质、沉降、离心、过滤、吸收、吸附的基本原理和基本计算，掌握化学与生物反应动力学、各类化学及生化反应器理论，为后续专业课程的学习奠定基础。
课程学习结束后，学生应达到以下要求：①掌握环境工程学的基本概念和基本理论：主要包括物料与能量衡算、流体流动、热量传递和质量传递过程的基本概念和基本理论；②掌握分离过程的原理：主要包括沉淀、过滤、吸收、吸附、离子交换、膜分离等基本分离过程的原理；③掌握反应工程原理：主要包括化学与生物反应计量学及动力学，各类化学与生物反应器的解析与基本设计理论等。
本课程支撑环境工程专业毕业要求1、2、3、4、5、6和12。
三、学时分配四、教学内容及教学要求第一章绪论1.环境问题与环境学科的发展2.环境污染与环境工程学3.污染控制技术体系，包括水污染控制技术体系大气污染控制技术体系固体废物处理处置技术体系等。
4.污染控制技术原理的基本类型5.环境工程原理课程的主要内容本章重点、难点：环境污染与环境工程学；环境工程原理课程的主要内容本章教学要求：了解环境问题与环境学科的发展；了解环境工程学的学科体系；了解环境净化与污染控制的基本方法与原理；了解环境工程原理课程的主要内容及学习方法。
第二章质量与能量衡算第一节常用物理量1.计量单位2.物理量的单位换算3.量纲和无量纲准数4.常用物理量及其表示方法习题要点：物理量的单位换算；各种浓度的相互换算第二节质量衡算1.质量衡算的基本概念2.总质量衡算习题要点：质量衡算第三节能量衡算1.能量衡算方程2.热量衡算方程3.封闭系统的热量衡算4.开放系统的热量衡算习题要点：各类能量衡算本章重点、难点：计量单位、物理量的单位换算、量纲和无量纲准数、常用物理量及其表示方法。
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综合练习：在学习了上面的知识后，请你完成下面的填空：
沉降是借助于某种外力的作用，使两相之间发生____________而实现分离的操作。
教学过程
教学内容
时间分配
【组织教学】
【复习提问】
【导入新课】
【新课板书】
【实例讲解，引入课题】
【概念】
【概念】
【学生活动，教师引导，学生独立完成】
【新课板书】
【挂图】
【利用生活常见豆浆引起学生兴趣】
【播放做豆浆视频】
【概念】
【由生活引申进入生产实例】
【概念】
【新课板书】
【实例讲解】
【新课板书】
【新课板书】
对于离心分离设备，通常用离心加速度和重力加速度的比值来表示离心的分离效果，我们把这一比值称为离心分离因数，用Kc表示：
（1-32）
式中ns和n均表示转速，其单位分别为r/s（转/秒）和r/min（转/分）。
由上式可知，要提高Kc，可通过增大半径R和转速ns来实现，但出于对设备强度、制造、操作等方面的考虑，实际上，通常采用提高转速并适当缩小半径的方法来获得较大的Kc。目前，超高速离心机的离心分离因数已经达到500000，甚至更高。
离心沉降就是依靠惯性离心力的作用而实现的沉降。当流体围绕某一中心轴作圆周运动时，便形成惯性离心力场。和重力沉降一样，在离心力的作用下，颗粒将沿径向发生沉降，其沉降速度即是颗粒与流体的相对速度。离心沉降速度与重力沉降速度的差异只是在于将重力加速度（重力场强度）换成了离心加速度（离心力场强度）。重力场强度是恒定的，而离心力场强度却随半径和切向速度而变，由于离心力场强度远大于重力场强度，因此离心沉降速度远大于重力沉降速度，而且离心力场强度（半径和切相速度）可以人为控制和改变，因此，只要我们选择合适的转速与半径，就能够根据获得足够的离心沉降速度，来完成要求较高的分离任务。
【实例讲解】
【新课板书】
【新课板书】
【新课板书】
【实物讲解】
【新课板书】
【新课板书】
【概念】
【Hale Waihona Puke 念】【概念】【新课板书】
【新课板书】
【作业】
课前组织教学，要求学生准备好书本，作业本，笔记本，组织教学秩序，使学生进入学习状态。
1.蒸发操作的对象什么，吸收的应用有哪些？
2.简述蒸发操作的条件。
在我们的生活中，常常会接触到这样一些混合物，例如用于消毒的酒精是乙醇和水的混合物，泥浆水是液体和固体的混合物，含尘气体是气体和固体的混合物等等。而在化工生产中，也有很多的原料、半成品及排放的废弃物等都是混合物，为了减少生产资料的浪费或者为了保护环境不受污染，要对这些混合物进行分离，现在工业生产中都使用什么样的方法对混合物进行分离呢？
任务2了解重力沉降和离心沉降
根据外力的不同，沉降又可分为重力沉降和离心沉降。
重力沉降就是颗粒在地球重力场的作用下，发生沉降运动。通过上述讨论知道，颗粒的重力沉降速度与颗粒的直径、密度及流体的粘度等性质有关，对一定的非均相物系，则颗粒的重力沉降速度是一定的，人们无法改变其大小。因此，在分离要求较高时，用重力沉降就很难达到要求。此时，若采用离心沉降，则可大大提高沉降速度，使分离效率提高，设备尺寸减小。
颗粒的沉降速度不仅与颗粒的大小及密度有关，而且还与流体的____________有关。
根据作用力场的不同，可以分为____________沉降和___________沉降。
〖作业〗
1．与重力沉降相比，离心沉降有哪些优点及不足？
3分
7分
20分
15分
15分
15分
15分