环境工程原理概述.ppt

,环境工程原理第三次汇报,汇报人：靳彤彤 20140008,环境工程一班,Huanjing Gongcheng Yuanli,目录,CONTENTS,PART TWO,质量衡算与能量衡算,4,5,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，用标准（即单位）和具体数值定量描述量纲,6,常用物理量,7,质量衡算,8,能量衡算,一般默认系统环境无做功，即W=0,9,能量衡算,10,番外小总结 仅供参考,PART THREE,12,流体流动,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,层流的边界层厚度，,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,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。,15,流体流动-阻力损失,管道局部阻力损失P79,16,流体流动-管路计算,管路计算,PART FOUR,18,热量传递,19,热传导,20,热对流,间壁传热,PART FIVE,22,质量传递,PART SIX,24,沉降,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,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,27,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,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/m3 d50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B,29,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Kc b. 用于悬浮液的固液分离 Kc高达数十万， c. 常速离心机Kc50000,30,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。,PART SEVEN,32,过滤,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,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/A,rL=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,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：,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（1m）起作用； b.重力沉降，当颗粒较大时，重力沉降起主要作用； c.流体运动作用力（惯性力），如惯性离心力，使颗粒偏离流线而运动到滤料表面。,(2)附着行为：影响附着的作用力有： 静电作用力（静电斥力或静电引力） 范德华引力,(3)脱落行为：影响附着颗粒脱落的主要因素有： 流体对附着颗粒的剪切作用 运动颗粒对附着颗粒的碰撞作用。,过程中悬浮颗粒的运动主要包括几个行为,PART NIGHT,37,吸收,吸收,基本概念,物理吸收,化学吸收,设备工艺计算,液体溶剂吸收剂 混合气体中能显著溶于液体的组分溶质 几乎不溶解的组分惰性组分 吸收后得到的溶液吸收液 吸收后的气体净化气,物理吸收&化学吸收 等温吸收&非等温吸收 单组分吸收&多组分吸收,处理量大，吸收组分浓度低，吸收效率与吸收速率要求较高,热力学基础,动力学基础,亨利定律 溶解度用物质的量浓度表示,单组分物理吸收 气液相摩尔比 溶液浓度低时：,判断传质方向,计算相际传质推动力,气相,液相,（摩尔分数） （气体分压.物质浓度,传质极限是平衡状态 可以通过增加塔高，减少处理气体的量，增加吸收剂的量来实现。,38,物理吸收 动力学基础传质速率快慢及其影响因素,气液传质三步骤 溶质由气相主体传递至两相界面，即气相内的传递； 溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相际传递； 溶质由界面传递至液相主体，即液相内的传递。,相内传递,相际传递,G,L,溶质A,pA,pAi,cAi,cA,气相主体,液相主体,相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的气膜和液膜。 在相界面处，气液两相在瞬间即可达到平衡，界面上没有传质阻力。 在膜层以外，气液两相流体都充分湍动，不存在浓度梯度，组成均一，没有传质阻力,基本论点,39,物理吸收,气相对流传质的速率方程：,液相对流传质的速率方程：,kG以气相分压差为推动力气膜传质系数，kmol/(m2 s Pa),kL以液相浓度差为推动力的液膜传质系数，m/s,双膜模型假设溶质以稳态分子扩散方式通过气膜和液膜，因此，气相和液相的对流传质速率相等。 以上两式中均用到了相界面处溶质的浓度，很难直接准确测定，因此一般希望能够直接用气液两相主体浓度来计算传质速率。,40,物理吸收,总传质速率方程 传质阻力分析,以液相浓度差为推动力的总传质速率,气膜阻力kG 液膜阻力kL,称为气膜控制,对于易溶气体：H值很大，液膜阻力相对很小,对于难溶气体：H值很小, 液膜阻力相对很大,称为液膜控制,41,吸收设备的主要工艺计算,分为吸收塔和板式塔 常用逆流方式，使气液充分接触,假设：1.气液两相摩尔流量恒定 2.等温吸收 3.出塔时气液达到平衡,操作线方程式与操作线 逆流吸收塔的操作线方程式,平衡线,吸收剂用量,最小吸收剂用量,实际吸收剂用量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,PART NINE,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。,PART TEN,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;0.2-1.2mm 3.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,NV,NV,料液,渗透液,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