課程名稱：環境分離工程
課程英文名稱：Environmental Separation Engineering
課程負責人：王博
教學團隊成員：王博，魏怡，程滕
授課學期：秋季學期
考核方式：考察
學時：32學時
學分：2學分
課程簡介、目標與任務：
本課程將大氣污染控制工程中最常用的一種除塵設備-旋風分離器的基本理論與實際工程中遇到的問題緊密聯系，側重于分析和解決工程實際問題能力的培養；同時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。通過本課程的學習，能夠使學生比較系統地掌握旋風分離器和膜分離的基本理論與設計方法，提高學生解決復雜工程問題的能力，具備從事環境分離工程等方面工作的能力。
教學方法：多媒體教學，采用教師講解與現場討論相結合的方式。
基本要求：要求學生在課前按照要求查找相關資料進行旋流分離工程及膜分離工程的學習，能夠在課堂上積極進行討論。
課程教材：
1.《Gas Cyclones and Swirl Tubes-Principles, Design, and Operation》，Alex C等，Springer，2008年；
2.《旋風分離器-原理、設計和工程應用》，彭維明譯，化學工業出版社，2004年；
3.《膜分離技術基礎（第三版）》，王湛等，化學工業出版社，2019年。
主要參考書：
1.《水力旋流器理論與應用》，龐學詩等，中南大學出版社，2005年；
2.《環保設備設計手冊-大氣污染控制設備》，周興求等，化學工業出版社，2004年；
3.《膜分離技術概論》，黃維菊等，國防工業出版社，2008年；
4.《膜分離技術及其應用》，任建新等，化學工業出版社，2003年。
課程內容與安排：
第一章 旋流分離工程
第一節 旋風分離器引言（2學時；講授1hr、討論1hr）
（1）教學內容：常見的顆粒分離設備的原理、優缺點和適用范圍；旋風分離器的分類；旋轉流動的特征；顆粒的粒徑、密度等基本屬性。
（2）重點：旋風分離器分類的依據；旋轉流動的速度與壓強分布；顆粒當量直徑的概念；顆粒粒徑分布曲線。
（3）難點：旋轉流動切向速度分布特征；強制渦與自由渦的區別；靜壓與動壓的意義。
第二節 旋風分離器工作原理、流場與壓降（3學時；講授2hr、討論1hr）
（1）教學內容：旋風分離器中的氣體流態與顆粒流動；旋風分離器的分離效率與壓降；流場模型與壓降模型。
（2）重點：旋風分離器的幾種二次流動；總分離效率、分級效率和切割粒徑的計算方法；壓降的來源；流場模型與壓降模型的基本假設。
（3）難點：旋轉流動中顆粒受力分析；分離效率與壓降的平衡關系；能量損失的特點。
第三節 旋風分離器分離效率與理論模型（3學時；講授2hr、討論1hr）
（1）教學內容：幾種旋風分離器的分離效率模型；模型間對比；模型計算與實驗對比。
（2）重點：分離效率模型的基本假設；分級效率曲線的特征。
（3）難點：理論模型的適用范圍；魚鉤效應產生的原因。
第四節 計算流體動力學模擬（2學時；講授1hr、討論1hr）
（1）教學內容：計算流體力學的概念、基本理論；氣體流場模擬與顆粒流動模擬的基本方法；旋風分離器的量綱分析；旋風分離器的放大。
（2）重點：計算流體力學模擬的一般步驟；歐拉法與拉格朗日法處理氣固兩相流的區別；旋風分離器的相似準則數。
（3）難點：湍流的概念及其處理方法；氣固兩相流間的相互作用關系；量綱分析法。
第五節 旋風分離器性能影響因素（3學時；講授2hr、討論1hr）
（1）教學內容：粉料濃度的影響；自然旋風長的影響；底流結構及注意事項；旋風分離器的磨損。
（2）重點：粉料濃度對分離效率和壓降的影響；旋渦端部的性質和意義；底流密封的重要性；磨損嚴重區域及抗磨措施。
（3）難點：旋進渦核的特征及其對旋風分離器性能的影響；各影響因素間的相互作用關系。
第六節 旋風分離器設計要點（3學時；講授2hr、討論1hr）
（1）教學內容：切流式筒錐形旋風分離器的設計；帶導流葉片的旋風管分離器的設計；串聯和并聯旋風分離器的設計。
（2）重點：入口過渡段的設計；穩渦器的設計；溢流管的設計；串聯與并聯的優缺點。
（3）難點：蝸殼式入口的數學表達式；并聯設計時氣流分配的均勻性。
本章節課程思政與專業知識結合點：影響旋風分離器性能的因素有很多，在設計中如何統籌考慮，實現最優化的設計是需要重點關注的難題。
第二章 膜分離工程
第七節 膜分離技術緒論（2學時；講述1hr、討論1hr）
（1）教學內容：膜及膜過程、膜分離過程的特點、膜分離過程的分類；各種分離膜材料的定義、材料、結構、制備方法及應用領域、不同類型的膜分離性能與其應用領域之間的關系。
（2）重點：膜與膜過程的定義、膜分離的特點及分類，不同膜技術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。
（3）難點：膜分離技術在資源、環境中的關鍵作用；膜性能的表征方法；不同膜技術適用情況。
第八節 微濾與超濾（2學時；講授2hr、討論1hr）
（1）教學內容：微濾分離原理及特點，微濾膜結構及其表征、測定方法；微濾膜材料及膜過濾器，微濾膜分離過程，微濾技術的應用；超濾分離機理及操作模式、超濾膜污染及清洗，超濾膜組件和裝置。
（2）重點：微濾的分離機理和操作模式，典型的微濾膜材料及幾種制備方法的特點，微濾膜的應用領域；超濾的分離機理和操作模式，超濾的滲透分離機理模型，常用的超濾膜材料及其制備方法機理、超濾的結構表征和性能評價方法，超濾膜污染成因及膜清洗的基本原則。
（3）難點：微濾過程的操作模式；超濾過程的數學解釋；微濾與超濾技術的應用。
第九節 反滲透（3學時；講授2hr、討論1hr）
（1）教學內容：反滲透的基本原理，反滲透過程的傳質機理及模型，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，反滲透的應用。
（2）重點：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理，濃差極化與膜污染，反滲透的進水要求、后處理及清洗原則，反滲透的工業應用。
（3）難點：反滲透滲透分離機理的經典模型；成膜原理；影響膜分離過程的因素。
第十節 正滲透、滲透汽化、膜蒸餾（3學時；講授2hr、討論1hr）
（1）教學內容：正滲透原理及膜過程，典型的正滲透膜材料，正滲透汲取液，正滲透過程的應用及發展前景；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、膜蒸餾的應用領域。
（2）重點：正滲透過程的原理和基本特點，正滲透汲取液的種類及特點，正滲透的應用領域及發展前景；滲透汽化、膜蒸餾的特點及分離過程機理。
（3）難點：滲透壓驅動與壓力驅動過程區別；滲透汽化和膜蒸餾的關系；幾種技術的適用情況。
第十一節 電滲析、離子交換膜與膜生物反應器（3學時；講授2hr、討論1hr）
（1）教學內容：電滲析基本原理與過程，離子交換膜、電滲析的應用；膜生物反應器的原理及特點、膜生物反應器的分類、膜生物反應器用膜及膜組件，膜生物反應器膜污染及其控制，膜生物反應器的應用。
（2）重點：電滲析的基本原理和過程，離子交換膜的概念和分類，離子交換膜的主要制備方法；膜生物反應器的定義、特征和功能，膜生物反應器的應用。
（3）難點：電驅動與壓力驅動過程區別；離子交換膜材料；膜生物反應器適用情況。
第十二節 膜技術認識性實習（3學時；講授1hr、示范1hr、實踐1hr）
（1）教學內容：聚酰胺反滲透膜的制備，聚砜納濾膜的制備，電滲析設備的使用方法。
（2）重點：界面聚合法制備反滲透膜；相轉化法制備納濾膜；電滲析技術的適用情況。
（3）難點：界面聚合過程原理；相轉化法過程原理；離子交換膜在電滲析設備中的應用。
本章節課程思政與專業知識結合點：不同膜分離技術的適用情況不同，在設計中如何辯證分析，選擇最適合實際工況的膜分離技術是設計中必須要考慮的問題。
蘭州大學
English
zyhjxy@lzu.edu.cn
