課程名稱：環(huán)境分離工程

課程英文名稱：Environmental Separation Engineering

課程負(fù)責(zé)人：王博

教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員：王博，魏怡，程滕

授課學(xué)期：秋季學(xué)期

考核方式：考察

學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)

學(xué)分：2學(xué)分

課程簡(jiǎn)介、目標(biāo)與任務(wù)：

本課程將大氣污染控制工程中最常用的一種除塵設(shè)備-旋風(fēng)分離器的基本理論與實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題緊密聯(lián)系，側(cè)重于分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)；同時(shí)也涉及到水污染控制工程、大氣污染控制工程中膜分離方面。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生比較系統(tǒng)地掌握旋風(fēng)分離器和膜分離的基本理論與設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，具備從事環(huán)境分離工程等方面工作的能力。

教學(xué)方法：多媒體教學(xué)，采用教師講解與現(xiàn)場(chǎng)討論相結(jié)合的方式。

基本要求：要求學(xué)生在課前按照要求查找相關(guān)資料進(jìn)行旋流分離工程及膜分離工程的學(xué)習(xí)，能夠在課堂上積極進(jìn)行討論。

課程教材：

1.《Gas Cyclones and Swirl Tubes-Principles, Design, and Operation》，Alex C等，Springer，2008年；

2.《旋風(fēng)分離器-原理、設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用》，彭維明譯，化學(xué)工業(yè)出版社，2004年；

3.《膜分離技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）》，王湛等，化學(xué)工業(yè)出版社，2019年。

主要參考書：

1.《水力旋流器理論與應(yīng)用》，龐學(xué)詩(shī)等，中南大學(xué)出版社，2005年；

2.《環(huán)保設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)-大氣污染控制設(shè)備》，周興求等，化學(xué)工業(yè)出版社，2004年；

3.《膜分離技術(shù)概論》，黃維菊等，國(guó)防工業(yè)出版社，2008年；

4.《膜分離技術(shù)及其應(yīng)用》，任建新等，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年。

課程內(nèi)容與安排：

第一章  旋流分離工程

第一節(jié)  旋風(fēng)分離器引言（2學(xué)時(shí)；講授1hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：常見(jiàn)的顆粒分離設(shè)備的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍；旋風(fēng)分離器的分類；旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的特征；顆粒的粒徑、密度等基本屬性。

（2）重點(diǎn)：旋風(fēng)分離器分類的依據(jù)；旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的速度與壓強(qiáng)分布；顆粒當(dāng)量直徑的概念；顆粒粒徑分布曲線。

（3）難點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)流動(dòng)切向速度分布特征；強(qiáng)制渦與自由渦的區(qū)別；靜壓與動(dòng)壓的意義。

第二節(jié)  旋風(fēng)分離器工作原理、流場(chǎng)與壓降（3學(xué)時(shí)；講授2hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：旋風(fēng)分離器中的氣體流態(tài)與顆粒流動(dòng)；旋風(fēng)分離器的分離效率與壓降；流場(chǎng)模型與壓降模型。

（2）重點(diǎn)：旋風(fēng)分離器的幾種二次流動(dòng)；總分離效率、分級(jí)效率和切割粒徑的計(jì)算方法；壓降的來(lái)源；流場(chǎng)模型與壓降模型的基本假設(shè)。

（3）難點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)流動(dòng)中顆粒受力分析；分離效率與壓降的平衡關(guān)系；能量損失的特點(diǎn)。

第三節(jié)  旋風(fēng)分離器分離效率與理論模型（3學(xué)時(shí)；講授2hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：幾種旋風(fēng)分離器的分離效率模型；模型間對(duì)比；模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

（2）重點(diǎn)：分離效率模型的基本假設(shè)；分級(jí)效率曲線的特征。

（3）難點(diǎn)：理論模型的適用范圍；魚鉤效應(yīng)產(chǎn)生的原因。

第四節(jié)  計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬（2學(xué)時(shí)；講授1hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：計(jì)算流體力學(xué)的概念、基本理論；氣體流場(chǎng)模擬與顆粒流動(dòng)模擬的基本方法；旋風(fēng)分離器的量綱分析；旋風(fēng)分離器的放大。

（2）重點(diǎn)：計(jì)算流體力學(xué)模擬的一般步驟；歐拉法與拉格朗日法處理氣固兩相流的區(qū)別；旋風(fēng)分離器的相似準(zhǔn)則數(shù)。

（3）難點(diǎn)：湍流的概念及其處理方法；氣固兩相流間的相互作用關(guān)系；量綱分析法。

第五節(jié)  旋風(fēng)分離器性能影響因素（3學(xué)時(shí)；講授2hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：粉料濃度的影響；自然旋風(fēng)長(zhǎng)的影響；底流結(jié)構(gòu)及注意事項(xiàng)；旋風(fēng)分離器的磨損。

（2）重點(diǎn)：粉料濃度對(duì)分離效率和壓降的影響；旋渦端部的性質(zhì)和意義；底流密封的重要性；磨損嚴(yán)重區(qū)域及抗磨措施。

（3）難點(diǎn)：旋進(jìn)渦核的特征及其對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響；各影響因素間的相互作用關(guān)系。

第六節(jié)  旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)要點(diǎn)（3學(xué)時(shí)；講授2hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：切流式筒錐形旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)；帶導(dǎo)流葉片的旋風(fēng)管分離器的設(shè)計(jì)；串聯(lián)和并聯(lián)旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)。

（2）重點(diǎn)：入口過(guò)渡段的設(shè)計(jì)；穩(wěn)渦器的設(shè)計(jì)；溢流管的設(shè)計(jì)；串聯(lián)與并聯(lián)的優(yōu)缺點(diǎn)。

（3）難點(diǎn)：蝸殼式入口的數(shù)學(xué)表達(dá)式；并聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)氣流分配的均勻性。

本章節(jié)課程思政與專業(yè)知識(shí)結(jié)合點(diǎn)：影響旋風(fēng)分離器性能的因素有很多，在設(shè)計(jì)中如何統(tǒng)籌考慮，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)是需要重點(diǎn)關(guān)注的難題。

第二章  膜分離工程

第七節(jié)  膜分離技術(shù)緒論（2學(xué)時(shí)；講述1hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：膜及膜過(guò)程、膜分離過(guò)程的特點(diǎn)、膜分離過(guò)程的分類；各種分離膜材料的定義、材料、結(jié)構(gòu)、制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域、不同類型的膜分離性能與其應(yīng)用領(lǐng)域之間的關(guān)系。

（2）重點(diǎn)：膜與膜過(guò)程的定義、膜分離的特點(diǎn)及分類，不同膜技術(shù)之間的分離性能差異，不同分離膜的主要膜材料及其制備方法特點(diǎn)。

（3）難點(diǎn)：膜分離技術(shù)在資源、環(huán)境中的關(guān)鍵作用；膜性能的表征方法；不同膜技術(shù)適用情況。

第八節(jié)  微濾與超濾（2學(xué)時(shí)；講授2hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：微濾分離原理及特點(diǎn)，微濾膜結(jié)構(gòu)及其表征、測(cè)定方法；微濾膜材料及膜過(guò)濾器，微濾膜分離過(guò)程，微濾技術(shù)的應(yīng)用；超濾分離機(jī)理及操作模式、超濾膜污染及清洗，超濾膜組件和裝置。

（2）重點(diǎn)：微濾的分離機(jī)理和操作模式，典型的微濾膜材料及幾種制備方法的特點(diǎn)，微濾膜的應(yīng)用領(lǐng)域；超濾的分離機(jī)理和操作模式，超濾的滲透分離機(jī)理模型，常用的超濾膜材料及其制備方法機(jī)理、超濾的結(jié)構(gòu)表征和性能評(píng)價(jià)方法，超濾膜污染成因及膜清洗的基本原則。

（3）難點(diǎn)：微濾過(guò)程的操作模式；超濾過(guò)程的數(shù)學(xué)解釋；微濾與超濾技術(shù)的應(yīng)用。

第九節(jié)  反滲透（3學(xué)時(shí)；講授2hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：反滲透的基本原理，反滲透過(guò)程的傳質(zhì)機(jī)理及模型，反滲透膜材料及制備，反滲透膜的污染及清洗，反滲透元件與裝置，反滲透的應(yīng)用。

（2）重點(diǎn)：滲透、反滲透、滲透壓的概念，反滲透膜的材料及其制備方法機(jī)理，濃差極化與膜污染，反滲透的進(jìn)水要求、后處理及清洗原則，反滲透的工業(yè)應(yīng)用。

（3）難點(diǎn)：反滲透滲透分離機(jī)理的經(jīng)典模型；成膜原理；影響膜分離過(guò)程的因素。

第十節(jié)  正滲透、滲透汽化、膜蒸餾（3學(xué)時(shí)；講授2hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：正滲透原理及膜過(guò)程，典型的正滲透膜材料，正滲透汲取液，正滲透過(guò)程的應(yīng)用及發(fā)展前景；滲透汽化、膜蒸餾的基本原理，典型的滲透汽化、膜蒸餾膜材料，滲透汽化、膜蒸餾的應(yīng)用領(lǐng)域。

（2）重點(diǎn)：正滲透過(guò)程的原理和基本特點(diǎn)，正滲透汲取液的種類及特點(diǎn)，正滲透的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景；滲透汽化、膜蒸餾的特點(diǎn)及分離過(guò)程機(jī)理。

（3）難點(diǎn)：滲透壓驅(qū)動(dòng)與壓力驅(qū)動(dòng)過(guò)程區(qū)別；滲透汽化和膜蒸餾的關(guān)系；幾種技術(shù)的適用情況。

第十一節(jié)  電滲析、離子交換膜與膜生物反應(yīng)器（3學(xué)時(shí)；講授2hr、討論1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：電滲析基本原理與過(guò)程，離子交換膜、電滲析的應(yīng)用；膜生物反應(yīng)器的原理及特點(diǎn)、膜生物反應(yīng)器的分類、膜生物反應(yīng)器用膜及膜組件，膜生物反應(yīng)器膜污染及其控制，膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用。

（2）重點(diǎn)：電滲析的基本原理和過(guò)程，離子交換膜的概念和分類，離子交換膜的主要制備方法；膜生物反應(yīng)器的定義、特征和功能，膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用。

（3）難點(diǎn)：電驅(qū)動(dòng)與壓力驅(qū)動(dòng)過(guò)程區(qū)別；離子交換膜材料；膜生物反應(yīng)器適用情況。

第十二節(jié)  膜技術(shù)認(rèn)識(shí)性實(shí)習(xí)（3學(xué)時(shí)；講授1hr、示范1hr、實(shí)踐1hr）

（1）教學(xué)內(nèi)容：聚酰胺反滲透膜的制備，聚砜納濾膜的制備，電滲析設(shè)備的使用方法。

（2）重點(diǎn)：界面聚合法制備反滲透膜；相轉(zhuǎn)化法制備納濾膜；電滲析技術(shù)的適用情況。

（3）難點(diǎn)：界面聚合過(guò)程原理；相轉(zhuǎn)化法過(guò)程原理；離子交換膜在電滲析設(shè)備中的應(yīng)用。

本章節(jié)課程思政與專業(yè)知識(shí)結(jié)合點(diǎn)：不同膜分離技術(shù)的適用情況不同，在設(shè)計(jì)中如何辯證分析，選擇最適合實(shí)際工況的膜分離技術(shù)是設(shè)計(jì)中必須要考慮的問(wèn)題。