课程名称：环境分离工程

课程英文名称：Environmental Separation Engineering

课程负责人：王博

教学团队成员：王博，魏怡，程滕

授课学期：秋季学期

考核方式：考察

学时：32学时

学分：2学分

课程简介、目标与任务：

本课程将大气污染控制工程中最常用的一种除尘设备-旋风分离器的基本理论与实际工程中遇到的问题紧密联系，侧重于分析和解决工程实际问题能力的培养；同时也涉及到水污染控制工程、大气污染控制工程中膜分离方面。通过本课程的学习，能够使学生比较系统地掌握旋风分离器和膜分离的基本理论与设计方法，提高学生解决复杂工程问题的能力，具备从事环境分离工程等方面工作的能力。

教学方法：多媒体教学，采用教师讲解与现场讨论相结合的方式。

基本要求：要求学生在课前按照要求查找相关资料进行旋流分离工程及膜分离工程的学习，能够在课堂上积极进行讨论。

课程教材：

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

2.《旋风分离器-原理、设计和工程应用》，彭维明译，化学工业出版社，2004年；

3.《膜分离技术基础（第三版）》，王湛等，化学工业出版社，2019年。

主要参考书：

1.《水力旋流器理论与应用》，庞学诗等，中南大学出版社，2005年；

2.《环保设备设计手册-大气污染控制设备》，周兴求等，化学工业出版社，2004年；

3.《膜分离技术概论》，黄维菊等，国防工业出版社，2008年；

4.《膜分离技术及其应用》，任建新等，化学工业出版社，2003年。

课程内容与安排：

第一章  旋流分离工程

第一节  旋风分离器引言（2学时；讲授1hr、讨论1hr）

（1）教学内容：常见的颗粒分离设备的原理、优缺点和适用范围；旋风分离器的分类；旋转流动的特征；颗粒的粒径、密度等基本属性。

（2）重点：旋风分离器分类的依据；旋转流动的速度与压强分布；颗粒当量直径的概念；颗粒粒径分布曲线。

（3）难点：旋转流动切向速度分布特征；强制涡与自由涡的区别；静压与动压的意义。

第二节  旋风分离器工作原理、流场与压降（3学时；讲授2hr、讨论1hr）

（1）教学内容：旋风分离器中的气体流态与颗粒流动；旋风分离器的分离效率与压降；流场模型与压降模型。

（2）重点：旋风分离器的几种二次流动；总分离效率、分级效率和切割粒径的计算方法；压降的来源；流场模型与压降模型的基本假设。

（3）难点：旋转流动中颗粒受力分析；分离效率与压降的平衡关系；能量损失的特点。

第三节  旋风分离器分离效率与理论模型（3学时；讲授2hr、讨论1hr）

（1）教学内容：几种旋风分离器的分离效率模型；模型间对比；模型计算与实验对比。

（2）重点：分离效率模型的基本假设；分级效率曲线的特征。

（3）难点：理论模型的适用范围；鱼钩效应产生的原因。

第四节  计算流体动力学模拟（2学时；讲授1hr、讨论1hr）

（1）教学内容：计算流体力学的概念、基本理论；气体流场模拟与颗粒流动模拟的基本方法；旋风分离器的量纲分析；旋风分离器的放大。

（2）重点：计算流体力学模拟的一般步骤；欧拉法与拉格朗日法处理气固两相流的区别；旋风分离器的相似准则数。

（3）难点：湍流的概念及其处理方法；气固两相流间的相互作用关系；量纲分析法。

第五节  旋风分离器性能影响因素（3学时；讲授2hr、讨论1hr）

（1）教学内容：粉料浓度的影响；自然旋风长的影响；底流结构及注意事项；旋风分离器的磨损。

（2）重点：粉料浓度对分离效率和压降的影响；旋涡端部的性质和意义；底流密封的重要性；磨损严重区域及抗磨措施。

（3）难点：旋进涡核的特征及其对旋风分离器性能的影响；各影响因素间的相互作用关系。

第六节  旋风分离器设计要点（3学时；讲授2hr、讨论1hr）

（1）教学内容：切流式筒锥形旋风分离器的设计；带导流叶片的旋风管分离器的设计；串联和并联旋风分离器的设计。

（2）重点：入口过渡段的设计；稳涡器的设计；溢流管的设计；串联与并联的优缺点。

（3）难点：蜗壳式入口的数学表达式；并联设计时气流分配的均匀性。

本章节课程思政与专业知识结合点：影响旋风分离器性能的因素有很多，在设计中如何统筹考虑，实现最优化的设计是需要重点关注的难题。

第二章  膜分离工程

第七节  膜分离技术绪论（2学时；讲述1hr、讨论1hr）

（1）教学内容：膜及膜过程、膜分离过程的特点、膜分离过程的分类；各种分离膜材料的定义、材料、结构、制备方法及应用领域、不同类型的膜分离性能与其应用领域之间的关系。

（2）重点：膜与膜过程的定义、膜分离的特点及分类，不同膜技术之间的分离性能差异，不同分离膜的主要膜材料及其制备方法特点。

（3）难点：膜分离技术在资源、环境中的关键作用；膜性能的表征方法；不同膜技术适用情况。

第八节  微滤与超滤（2学时；讲授2hr、讨论1hr）

（1）教学内容：微滤分离原理及特点，微滤膜结构及其表征、测定方法；微滤膜材料及膜过滤器，微滤膜分离过程，微滤技术的应用；超滤分离机理及操作模式、超滤膜污染及清洗，超滤膜组件和装置。

（2）重点：微滤的分离机理和操作模式，典型的微滤膜材料及几种制备方法的特点，微滤膜的应用领域；超滤的分离机理和操作模式，超滤的渗透分离机理模型，常用的超滤膜材料及其制备方法机理、超滤的结构表征和性能评价方法，超滤膜污染成因及膜清洗的基本原则。

（3）难点：微滤过程的操作模式；超滤过程的数学解释；微滤与超滤技术的应用。

第九节  反渗透（3学时；讲授2hr、讨论1hr）

（1）教学内容：反渗透的基本原理，反渗透过程的传质机理及模型，反渗透膜材料及制备，反渗透膜的污染及清洗，反渗透元件与装置，反渗透的应用。

（2）重点：渗透、反渗透、渗透压的概念，反渗透膜的材料及其制备方法机理，浓差极化与膜污染，反渗透的进水要求、后处理及清洗原则，反渗透的工业应用。

（3）难点：反渗透渗透分离机理的经典模型；成膜原理；影响膜分离过程的因素。

第十节  正渗透、渗透汽化、膜蒸馏（3学时；讲授2hr、讨论1hr）

（1）教学内容：正渗透原理及膜过程，典型的正渗透膜材料，正渗透汲取液，正渗透过程的应用及发展前景；渗透汽化、膜蒸馏的基本原理，典型的渗透汽化、膜蒸馏膜材料，渗透汽化、膜蒸馏的应用领域。

（2）重点：正渗透过程的原理和基本特点，正渗透汲取液的种类及特点，正渗透的应用领域及发展前景；渗透汽化、膜蒸馏的特点及分离过程机理。

（3）难点：渗透压驱动与压力驱动过程区别；渗透汽化和膜蒸馏的关系；几种技术的适用情况。

第十一节  电渗析、离子交换膜与膜生物反应器（3学时；讲授2hr、讨论1hr）

（1）教学内容：电渗析基本原理与过程，离子交换膜、电渗析的应用；膜生物反应器的原理及特点、膜生物反应器的分类、膜生物反应器用膜及膜组件，膜生物反应器膜污染及其控制，膜生物反应器的应用。

（2）重点：电渗析的基本原理和过程，离子交换膜的概念和分类，离子交换膜的主要制备方法；膜生物反应器的定义、特征和功能，膜生物反应器的应用。

（3）难点：电驱动与压力驱动过程区别；离子交换膜材料；膜生物反应器适用情况。

第十二节  膜技术认识性实习（3学时；讲授1hr、示范1hr、实践1hr）

（1）教学内容：聚酰胺反渗透膜的制备，聚砜纳滤膜的制备，电渗析设备的使用方法。

（2）重点：界面聚合法制备反渗透膜；相转化法制备纳滤膜；电渗析技术的适用情况。

（3）难点：界面聚合过程原理；相转化法过程原理；离子交换膜在电渗析设备中的应用。

本章节课程思政与专业知识结合点：不同膜分离技术的适用情况不同，在设计中如何辩证分析，选择最适合实际工况的膜分离技术是设计中必须要考虑的问题。