环境工程原理概述课件

环境工程原理第三次汇报目录CONTENTS绪论Introduction01质量衡算与能量衡算Mass Balance and Energy Balance02质量传递Practical Application05沉降Future Prospect06流体流动Fluid Flow03热量传递Experimental Method04吸收Absorb08过滤Filter07吸附Absorb09PARTTWO质量衡算与能量衡算质量衡算与能量衡算40301常用物理量02质量衡算能量衡算5常用物理量量纲VS无量纲准数用来描述物体或系统物理状态的可测量性质各种变量和参数组合成的没有单位的群数基本量 质量 长度 时间 温度 【M】【L】【t】【T】导出量：可由基本量的量纲的组合形式表示例如：雷诺系数 Re Re=uL/(意为惯性力与粘性力之比，用于判断物体流动状态。)单位：测量的标准，用用标标准（即准（即单单位）和具体数位）和具体数值值定量描述量定量描述量纲纲6常用物理量7质量衡算质量衡算稳态系统vsvs非稳态系统位置 时间位置 时间总质量衡算稳态反应系统稳态非反应系统8能量衡算内能机械能E势E动E静压能量衡算vsvs封闭系统开放系统能量和物质都能穿过只有能量穿过边界开放系统封闭系统一般默认系统环境无做功，即W=0Tip:Eq表示共同积累，包括物料积累，吸放热和做功”基准”一般为单位质量，1kg9能量衡算开放系统稳态无积累 Eq=0无相变有相变r 为饱和蒸汽冷凝潜热 kJ/kg封闭系统EQ=Q无相变稳态无积累Eq=0有相变L为潜热 kJ/kg10番外小总结仅供参考稳态无外界做功绝热水平E势=0圆直管内稳态流um不变E动=0不可压缩流体密度不变PARTTHREE流体流动衡算方程内摩擦力边界层理论阻力损失管路计算流体流动质量衡算能量衡算12流体流动不可压缩流体管内流动的连续方程圆形管道总能量衡算伯努利方程拓展牛顿粘性定律 动力粘性系数（黏度）适用于层流湍流 剪切应力流体流动-边界层理论13绕平板流动的边界层流动状态转变时的临界雷诺数n层流的边界层厚度，n湍流边界层的厚度，和为定值，厚度仅与流速有关，流速越大，边界层厚度越小。流体流动-边界层理论14圆直管流动的边界层n湍流边界层厚度，n层流边界层厚度，边界层交汇于管中心，则边界层厚度等于圆管半径，且不再变化。当 较小的时候，进口段形成的边界层交汇时，流态为层流当 较大的时候，进口段形成的边界层交汇发展为湍流15流体流动-阻力损失阻力损失影响因素粘性流体的内摩擦阻力形体阻力压差阻力取决于流体的流动特征，物体的表面特征。如雷诺数，物体形状，表面粗糙度速率分布阻力损失圆直管内沿程阻力损失阻力损失通式 范宁公式f 范宁摩擦因子摩擦系数层流湍流速率分布阻力损失（复杂，P68）n=6n=7n=10管道局部阻力损失P7916流体流动-管路计算管路计算简单管路计算（无分支）各管段质量流量不变 不可压缩流体阻力损失复杂管路计算分支管路并联管路不可压缩流体A qvB qv2CDEFqv1qv4阻力损失分段计算总机械能一定对于不可压缩流体a 总流量等于各支路流量之和b 各支路阻力损失相等c PARTFOUR热量传递18热量传递热传导 定义依靠物质粒子的振动，位移，相互碰撞产热 傅立叶定律导温系数a，热量传播能力导热系数热量传递热对流 定义保温层的临界直径对流传热机理 对流传热速率分子不规则热运动，对流必伴随导热流体不同情况下，传热机理不同传热边界层，普兰德数Pr=牛顿冷却定律19通过平壁的稳定热传导单层平壁多层平壁无限大平壁，忽略边缘传热，只沿垂直于壁面方向变化导热（速率）热阻 k/w导热通量热阻 m2*k/w表面间空隙形成附加热阻-接触热阻r0通过圆管壁的稳定热传导圆管壁的传热面积随半径发生变化单层对数平均半径 rm多层热传导20热对流间壁传热 总传热速率方程 R 传热总热阻rs 污垢热阻间壁热阻传热热动力平均温差 恒温传热（相变）变温传热 逆流与并流 错流与折流 PARTFIVE质量传递22质量传递质量传递基本原理传质机理分子扩散涡流扩散费克定律分子扩散系数DAB湍流中组分A总的质量扩散通量NAt只在物质表面，发生一级化学反应化学反应与扩散联合控制扩散控制反应控制 k1极小分子传质化学反应的稳态传质等分子反向扩散单向扩散NB=0恒温恒压：DAB为常数浓度分布方程PARTSIX沉降24沉降沉降沉降概念重力沉降离心沉降原理待分离颗粒与流体间存在密度差流体阻力形状阻力摩擦阻力阻力系数其它沉降电沉降惯性沉降终端电沉降速率静电力与流体阻力达到平衡沉降过程沉降速率的计算沉降分析旋流器工作原理颗粒的终端速率重力沉降沉降过程沉降速率的计算颗粒的终端速率离心沉降速率离心分离因数决定离心沉降速率可提高的倍数旋风分离器分离气体非均相混合物旋流分离器分离液体非均相混合物沉降分析离心沉降速率离心分离因数决定离心沉降速率可提高的倍数旋风分离器分离气体非均相混合物旋流分离器分离液体非均相混合物25重力沉降重力沉降重力场中颗粒的沉降过程阻力FD浮力Fb重力Fg流体沉降瞬间，颗粒与流体无相对运动，u=0，所以流体阻力FD=0此时向下净作用力最大，随着沉降继续，做减加速运动，经过短时间后，三力平衡，颗粒开始匀速下沉，此时速率称为终端速率。颗粒的终端速率26无量纲准数K，用来判别沉降属于什么区域。重力沉降重力沉降球形：层流区 Re2 过渡区 2Re1000 湍流区 湍流边界层 K36K3.3x105阻力系数 沉降速率 K27离心沉降离心力场中颗粒的沉降分析a 惯性离心力 Fc 沿径向向外b 周围流体的浮力Fb，方向指向中心轴c 流体阻力FD 沿颗粒运动方向向后三项达到平衡，即有离心沉降速率特点沉降方向向外，背离旋转中心由于离心力随旋转半径而变，所以颗粒的离心沉降速率不恒定，重力沉降速率恒定。离心沉降速率在数值上远大于重力沉降速率28旋流器的工作原理旋风分离器设备静止，流体旋转产生离心惯性离心力：分离因数 约 5-2500分离性能指标临界直径：能够从气体中，全部分离出来的最小颗粒的直径dc kg/m3总分离效率=分离粉尘/总粉尘粒级效率=进入分离器，粒径为d的颗粒被分离下来的比例 kg/m3d50为粒级效率为50%时的颗粒直径，也称为分割直径为简单分析，作如下假设：1.气体进入旋风分离器，旋转的平均切线速率等于入口气体速率ui.2.在筒内，颗粒与气体之间的相对运动为层流。3.颗粒在沉降过程中，所穿过气流的最大厚度等于进气筒宽度B29旋流分离器-分离悬浮液设备静止，流体旋转旋流器的工作原理特点：1.形状细长，直径小，圆锥部分长，有利于颗粒分离。2.中心常有处于负压的气柱，有利于提高分离效果。离心沉降机a.改变转速，任意调整离心力大小，调整分离因数Kcb.用于悬浮液的固液分离Kc高达数十万，c.常速离心机Kc3000 高速离心机 3000Kc5000030沉降其它沉降电沉降惯性沉降颗粒的直径与密度越大，气速越大气流旋转半径越小，除尘效率越高。但由于惯性沉降除尘效率不高，一般只用于第一级除尘，压力形式依形式而定。终端电沉降速率静电力与流体阻力达到平衡电除尘器的优点是，除尘效率高，可去除0.1微米以下的颗粒。阻力小气流经过电除尘器的压降一般不超过200帕PARTSEVEN过滤32过滤过滤过滤表面过滤深层过滤分离气液非均相混合物过滤介质孔隙小于待虑流体中的固体，后期形成滤饼，是真正有效的过滤介质。过滤介质孔隙大于待虑流体中的固体。过滤基本方程过滤过程计算过滤常数恒压过滤恒速过滤过滤常数K，qe的计算压缩指数s的计算特征：过滤发生在过滤介质内部筛分：混合颗粒的粒度分布采用一套标准筛测量的方法平均直径：将比表面积等于混合颗粒的比表面积的颗粒粒径定义为混合颗粒的平均直径颗粒床层的孔隙率：单位床层孔隙体积其大小反映颗粒的疏密程度和对流体的阻滞程度对于均匀球粒，最松排列的空隙率为0.48，最紧密排列时为0.26。非球形颗粒任意堆积时的床层空隙率一般为0.350.7大于球粒 流动速率颗粒床层的空床流速即最大流速33表面过滤表面过滤Darcy定律Ruth过滤方程设1m3 滤液 fm3滤饼 V 滤液？滤饼 厚度Lx面积A 所以：L=Vf/ArL=rVf/A恒压过滤，K为常数若过滤介质阻力可忽略不计，则简化为：刚开始过滤，滤饼未形成，阻力小，但若恒压压力使得细小杂菌冲过或堵塞恒压过滤，u不变一直恒速，压力不断上升，损害仪器若过滤介质阻力可忽略不计，则简化为：所以一般先恒速后恒压过滤34表面过滤表面过滤过滤常数的测定K，qe,S 对于恒压过滤，过滤积分方程改写为：t/q q 2qe/K 斜率1/K 在不同的过滤压差下做过滤实验求得相应的K，由上式可得s。35深层过滤(1)迁移行为：颗粒偏离流线运动到滤料内部空隙表面，推动力主要包括：a.扩散作用力（布朗运动），主要对非常小的颗粒（qnLmin 填料层高度42吸收设备的主要工艺计算1.设计型计算：给定任务与要求，计算完成任务所需参数统统依据物料衡算方程，相平衡关系，填料层高度计算式2.操作型计算：给定吸收塔条件，计算最终吸收结果吸收过程的计算类型PARTNINE吸附44吸附吸附是通过多孔固体物料于某一混合组分体系接触的放热过程用于气固和液固物理吸附：吸附质分子与吸附剂表面分子间存在的范德华力所引起的，也称为范德华吸附。吸附热较小（吸附热在数值上与冷凝热相当），可在低温下进行；过程是可逆的，易解吸；相对没有选择性，可吸附多种吸附质；相对分子质量越大，分子引力越大，吸附量越大；可形成单分子吸附层或多分子吸附层。化学吸附：又称活性吸附，是由吸附剂和吸附质之间发生化学反应而引起的，其强弱取决于两种分子之间化学键作用力的大小。如石灰吸附CO2 CaCO3 吸附热大，一般在较高温下进行；具有选择性，单分子层吸附；化学键作用力大时，吸附不可逆。分离机理位阻效应动力学效应平衡效应45吸附剂常用吸附剂的主要特性吸附容量大：由于吸附过程发生在吸附剂表面，所以吸附容量取决于吸附剂表面积的大小。选择性高：对要分离的目的组分有较大的选择性。稳定性好：吸附剂应具有较好的热稳定性，还应耐酸碱。适当的物理特性：适当的堆积密度和强度，良好的流动性。廉价易得 46吸附平衡单组分吸附吸附平衡理论吸附平衡状态，当气固性质一致时，平衡吸附量是气压与温度的函数。低温高压情况下，吸附量最大。1.弗兰德里希（Freunlich）方程：1.可取对数幻化成直线，观察图像2.随着p增大，吸附量q也增加。p增加到一定程度后，q不再变化。3.压力范围不可太宽，适中时可得到合适的拟合图像4.n一般大于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。5.当n10，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。2.朗格谬尔（Langmuir)公式方程推导的基本假定：吸附剂表面性质均一。单分子层吸附。吸附是动态的，被吸附分子受热运动影响可重回气相。吸附过程好比气体凝结，脱附类似于液体蒸发吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力。吸附表面覆盖率k1是朗缪尔常数，与吸附剂和吸附质的性质和温度有关，该值越大表示吸附剂的吸附能力越强。当p很小时，则：q=k1qmp，呈亨利定律，即吸附量与气体的平衡分压成正比。当p时，q=qm，此时，吸附量与气体分压无关，吸附剂表面被占满，形成单分子层。47吸附动力学流体吸附外表面吸附剂内表面外扩散内扩散吸附慢，即为外扩散控制慢，即为内扩散控制一、吸附剂颗粒外表面界膜传质速率二、吸附剂颗粒内表面扩散速率 三、吸附扩散速率的计算方法 1.内表面扩散，吸附速率方程3.同时存在2.外表面扩散，吸附速度 0时，qm0；rr0时，*qm/m。解（9.4.13）可以求得半径为r0的吸附剂颗粒的吸附量qm与时间关系为48吸附操作与吸附穿透曲线接触过滤吸附 液固 固定床吸附溶液中溶质吸附能力强，吸附速度快，分离效率高，回收效果好，年处理量高达百万吨传质速率为液膜控制 从而使吸附成为大型操作单元1.穿透曲线：已流出流体量或流出时间为横坐标，出口流体浓度为纵坐标得到的浓度变化曲线。2.穿透点：浓度急剧上升的点。此时吸附区下端移动到吸附塔出口。3.终点：取接近初始浓度的S型曲线上端的拐点为穿透曲线终点。PARTTEN其他分离过程50离子交换固液，也是吸附的一种离子交换树脂的物化性质1.交联度：交联度越大，树脂结构越紧密，溶胀越小，稳定性和选择性越好。2.粒度;0.2-1.2mm3.密度：真密度指溶胀后质量/其本身所占体积 视密度指溶胀后质量/其堆积体积4.溶胀性：强酸阳离子4%-8%弱酸阳离子约100%强碱阴离子5%-10%弱碱阴离子约30%5.交换容量：可分为理论交换容量和工作交换容量6.选择性：离子的水化半径和化合价影响其变化，水化半径越小，化合价越高的，则与树脂亲和力越高，越易被树脂交换离子交换基本原理一、离子交换反应 包括可逆反应和强型树脂交换反应，弱型树脂交换反应（这类不能进行中性盐分解反应）二、离子交换平衡与选择性系数1.一价离子间：平衡常数也成称为离子交换树脂的选择性系数。如果选择性系数大于1，说明树脂对B离子更加亲和，反应向右进行。2.二价离子对一价离子的交换选择性系数：该系数大于1时，有利于B离子优先交换到树脂相，反之，有利于再生。51离子交换步骤：液体离子外迁移液体离子内扩散离子交换固体离子内扩散固体离子外迁移外扩散或液膜扩散“液膜扩散控制”离子交换速率内扩散或孔道扩散“孔道扩散控制”离子交换速率如何判定由谁控制？Helfferich数（He）He=1，两种控制同时存在，且作用相同。He1，液膜扩散控制，通过破坏液膜层，提高速率He1,内扩散控制，通过改善颗粒结构，提高速率52膜分离（一）膜分离过程的分类，及主要分离过程根据推动力的不同：压力差：微滤、超滤、反渗透、气体分离、渗透蒸发浓度差：渗析电位差：电渗析、膜电解温度差：膜蒸馏二、分离特点 膜分离过程不发生相变，能耗较低，能量转化效率高。可在常温下进行，特别适于对热敏感物质的处理。不需要投加其他物质，可节省化学药剂，并有利于不改变分离物质原有的属性。在膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，能回收有价值的物质。膜分离装置简单，可实现连续分离，适应性强，操作容易且易于实现自动控制。53膜分离过程中的传递过程膜分离过程中的传递过程膜分离的表征参数渗透性选择性截留率分离因子A/B膜传递的推动力膜传递过程的模型通量N和推动力通过微孔的传递多孔模型基于扩散的传递溶解-扩散模型 反渗透与纳滤超滤与微滤电渗析渗透压过程与机理通量截留率回收率氢键理论优先吸附毛细孔流机理 当膜毛细孔孔径接近或等于纯水层厚度t 两倍时，渗透通量最高；2t称为膜的“临界孔径”溶解扩散模型（较好说明反渗透膜机理）54通过微孔的传递多孔模型 基于扩散的传递溶解-扩散模型 多孔模型是借助Kozeny-Carman方程来描述流体透过膜的过程。该模型可以用于描述多孔膜中的传递过程。多孔膜一般用于微滤和超滤过程。传质阻力集中在空隙中dm NVNV料料液液渗渗透透液液主要用于描述致密膜，假设膜是一个连续体，溶剂和溶质透过膜需要三步：1.溶剂和溶质在膜上游侧吸附溶解；2.溶剂和溶质在化学位梯度下，以分子扩散形式透过膜；3.透过物在膜下游侧表面解吸。溶质的渗透能力取决于物质在膜中的溶解度系数和扩散系数。膜传递过程模型55反渗透与纳滤两者本质相似，差别在于：所分离的溶质的大小，和所用压差的高低通量 截留率 回收率溶剂（水）通量：溶质通量：膜材料的选择通过常数Kw和KA直接影响分离效率。如果要实现高效的分离，常数Kw应尽可能大，而KA 尽可能地小。即膜材料必须对溶剂的亲合力高，而对溶质的亲合力低。因此，在反渗透过程中，膜材料的选择十分重要。这与微滤和超滤有明显区别。透过液与原料液体积之比称为回收率：56微滤与超滤超滤膜的孔径在0.05m至1nm，微滤膜孔径在100.05m超滤：主要分离生物大分子 微滤：主要分离悬浮物微粒、细菌等微滤或超滤的基本分离过程主要有：在膜表面及微孔内被吸附（一次吸附）；在膜孔中停留而被去除（阻塞）；在膜面被机械截留（筛分）。而一般认为物理筛分起主导作用 超滤微滤水通量用达西定律浓差极化：当含有不同大小混合液流动通过膜面，在压力差作用下，混合液中小于膜孔的组分透过膜，而大于膜孔的组分被截留，被截留的部分形成浓度边界层，形成由膜表面到主体溶液的浓度差，其存在导致紧靠膜面的溶质反向扩散到主体溶液，即为浓差极化，这是不可逆的但可以避免57电渗析电渗析中使用的是阳离子交换膜（简称阳膜，以符号CM表示）和阴离子交换膜（简称阴膜，以符号AM表示）。阴、阳离子交换膜具有带电的活性基团，能选择性地分别使阴离子或阳离子透过。阴膜阳膜性能要求1.具有较高的选择透过性：这是衡量离子交换膜性能优劣的重要指标，其定义式为2.较好的化学稳定性3.较低的离子反扩散和渗水性4.较高的机械强度5.较低的膜电阻THANKS