环境工程学 知识点 总结 考点 试卷 试题_文档库
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环境工程学 知识点 总结 考点 试卷 试题
生物脱磷机理：聚磷菌在好氧条件下超量摄取磷，在厌氧条件下释放磷
2同步脱氮除磷A /O工艺：污水与回流污泥先进入厌氧池厌氧分解去除一部分BOD ，部分含氮化合物反硝化成N 2释放，聚磷
-微生物释放出磷供给细菌。污水进入缺氧池，反硝化细菌以未分解的含碳有机物为碳源将好氧池内循环进来的NO 3还原为
-N 2释放。污水进入好氧池，NH 3-H 硝化生成NO 3，有机物氧化分解供给吸磷微生物能量，磷进入细胞组织后以富磷污泥的形
式从系统中排出
污泥含水率：
3V ：污泥体积m
m ：污泥质量kg 3 ρ：污泥固体浓度kg/m
大气组成：混合气体、水汽、悬浮微粒
干洁空气：去除水汽和微粒的空气。N 2
78.08%、O 2 20.95%、Ar 0.93%
大气污染：由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中呈现出足够的浓度达到足够的时间，因此危害人群的舒适、健康和福利或危害了环境的现象
大气污染物种类：颗粒污染物：粉尘：悬浮于气体介质中的细小固体粒子
烟：冶金过程形成的固体粒子的气溶胶
飞灰：燃料燃烧后产生的烟气带走的灰分中分散得较细的粒子
黑烟：燃烧产生的能见气溶胶，不包括水蒸气
雾：小液体粒子的悬浮体
总悬浮颗粒物：粒径小于100微米的所有固体颗粒
气态污染物：SO 2为主的含硫化合物、NO 和NO 2为主的含氮化合物、碳化合物、碳氢化合物、卤素化合物
受重视的二次污染物：硫酸烟雾、光化学烟雾
环境空气质量标准：一类区为自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的地区；二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区；三类区为特定工业区。
大气污染控制的含义：一是从立法角度，指用法律来限制或禁止污染物的扩散；二是取消那些使环境生态遭到严重破坏的污染源等手段把污染物排放量降到不致严重污染大气的程度
粒径分布（发散度）：某一粒子群中不同粒径的粒子的个数、质量、表面积等所占的比例
频数分布ΔR ：粒径d p 至d p +Δd p 间的粒子质量占粒子群总质量的百分数
频度分布f ：Δd p =1微米时粒子质量占粒子群总质量的比例
筛上累积分布R(%)：大于某一粒径d p 的粒子质量占粒子群总质量的比例
总捕集效率：在同一时间内净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物量之比
旋风除尘：利用旋转的含尘气流所产生的离心力将颗粒污染物从气体中分离出来
优点：结构简单，占地面积小，投资少，操作维修方便，压力损失中等，动力消耗不大，可用各种材料制造，适用于高温，高压及有腐蚀性气体，并可直接回收干颗粒物，捕集5~15微米的颗粒物除尘效率可达80%
缺点：对粒径小于5微米的颗粒捕集效率不高
捕集效率影响因素：入口风速（流量），除尘器结构尺寸，粉尘径与密度，气体温度，灰斗的气密性
静电除尘：利用静电力从气流中分离悬浮粒子的方法
与其他方法的区别：分离的能量通过静电力直接作用于尘粒上而不是作用在整个气流上，消耗能量很低
静电除尘原理：气体电离，粒子荷电，荷电粒子的迁移、颗粒的沉积与清除
电子雪崩：具有足够能量的电子撞击通过极间的中性气体分子，产生一个正离子和自由电子，这个电子又进一步引起碰撞电离，如此重复使电晕极周围产生大量自由电子和气体离子
袋式除尘：利用棉、毛或人造纤维加工的滤布捕集尘粒
除尘过程：首先含尘气体通过清洁滤布，纤维起捕尘作用，效率不高，其后一部分粉尘嵌入到滤料内，一部分覆盖在表面形成粉尘层起捕尘作用，效率大大提高
除尘机理：筛过作用、惯性碰撞、扩散和静电作用、重力沉降
湿式除尘：利用洗涤液与含尘气体充分接触，将尘粒洗涤下来而净化气体
除尘机理：惯性碰撞、扩散效应、黏附、扩散漂移与热漂移、凝聚作用
固体废物：人类一切活动过程产生的对原过程不再具有使用价值而被废弃的固态或半固态物质
分为：工业废物（废渣）、城市垃圾、农业废物。一般固废、危险固废
固体废物对人类环境的危害：占据大片土地、污染土壤、水体，危害人体健康、污染大气，影响环境卫生
三化原则：减量化、资源化、无害化
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环境工程原理I讲义-2
2004 年版环境工程原理讲义Principle to Environmental Engineering邓春玲昆明理工大学环境科学与工程学院2004 年 08 月环境工程原理讲义教学大纲March 8, 2004《环境工程原理讲义》教学大纲 环境工程原理讲义》班 人 级：环工 2001 级 01/02 数：66 人总学时数： 总学时数：130h(65h＋65h) 周学时数： 周学时数：4h/week 讲课学时： 讲课学时：110h(55h＋55h) 实验学时： 实验学时：20h(10h＋10h) 学 教 分：8p(4p＋4p) 材：杨昌竹等. 环境工程原理. 北京：冶金工业出版社，1994.10参考书目： 参考书目：[1] 姚玉英等. 化工原理. 天津：天津科学技术出版社，] 姚玉英等. 化工原理学习指导. 天津：天津大学出版社，] 柴诚敬等. 化工原理课程学习指导. 天津： 天津大学出版社， ] 蒋展鹏等. 环境工程学. 北京：高等教育出版社，] 刘家祺等. 分离过程. 北京：化学工业出版社，] M.L.Davis，D.A.Cornwell. Introduction to Environmental Engineering (3rd Edition). The McGraw-Hill Companies，Inc. 1998 [7] 陈魁. 试验设计与分析. 北京：清华大学出版社，] 郑明东等. 化工数据建模与试验优化设计. 合肥： 中国科技大学出版 社，] 方开泰. 均匀设计与均匀设计表. 北京：科学出版社，] Hydrocarbon Processing，August 1998 课时安排： 课时安排：1～16 周(2 月 25 日～6 月 10 日)，周三 9～10 节，周四 1～2 节 上课地点： 上课地点：主楼 306 教室 课程类别： 课程类别：考试课/开卷 考试安排： 考试安排：2004 年 6 月 24 日星期四(08：30～10：30)，主楼 517/518 教室 考试成绩： 考试成绩：平时成绩 20%―作业 8 分，出勤率 6 分，课堂纪律 6 分 期末考试 80%―考试卷面 100 分昆明理工大学环境科学与工程学院环境工程原理讲义目次目1 绪论 1.1 基本概念 1.2 主要内容 1.3 学习方法 1.4 思考题 2 环境工程中的动量传递过程 2.1 动量传递概论 2.2 流体流动 2.3 流体输送 2.4 非均相物系的分离 2.5 本章小结 2.6 思考题 2.7 习题 3 环境工程中的热量传递过程 3.1 热量传递概论 3.2 传热过程 3.3 蒸发和冷凝 3.4 本章小结 3.5 思考题 3.6 习题 4 环境工程中的质量传递过程 4.1 质量传递概论 4.2 吸收和解吸 4.3 吸附和脱附 4.4 蒸馏和精馏 4.5 液液萃取次昆明理工大学环境科学与工程学院环境工程原理讲义目次4.6 离子交换 4.7 膜分离 4.8 本章小结 4.9 思考题 4.10 习题 5 环境工程中的流程组合方法 5.1 流程组合原则 5.2 流程组合方式 5.3 流程组合评估 5.4 本章小结 5.5 思考题 5.6 习题 6 环境工程中的实验设计方法 环境工程中的实验设计方法 设计 6.1 概述 6.2 实验设计的基本概念 6.3 实验设计的基本原则 6.4 实验设计的基本方法 6.5 因子设计方法 6.6 正交设计方法 6.7 均匀设计方法 7 参考文献 8 附录 课程复习提纲昆明理工大学环境科学与工程学院环境 工程原理 讲义第 1 页1 绪论 1.1 基本概念 ― 环境工程：依靠系统的工程理论与实践来解决环境问题， 环境工程： 并减小或消除这些问题对社会和环 境所造成的影响，或带来的风险的一个专业学科和领域。 ― 环境工程中的基本过程：物理过程，化学过程，物理化学过程，生物化学过程。 环境工程中的基本过程： ― 环境工程原理：综合应用数学、物理、物理化学、机械原理等基础理论和基本知识，分析和 环境工程原理： 解决环境工程中各种单元过程、流程组合和实验研究中的基本和共性问题的一门工程学科。 ― 单元过程 单元操作和典型设备 ：具有某些共性的基本操作过程。环境工程原理主要限于物 单元过程(单元操作和典型设备)： 单元操作和典型设备 理/物理化学过程，一般不讨论化学反应和生物化学过程。有关化学和生化过程分别纳入环 境化学反应工程和环境生物工程等专业学科和领域。 如下的一个化工生产过程：常温常压 压缩机 P 预热器 反应器 分离器 粒化器粒状产品 在此生产过程中，除反应器外，均为物理操作，每一个都是化工单元操作。 ― 单元操作的分类：流体流动――流体输送、过滤、沉降； 单元操作的分类： 传热规律――加热、蒸发； 传质规律――吸收、干燥等。 ― 环境工程原理的理论基础：动量传递、热量传递和质量传递。即：三传理论。 环境工程原理的理论基础： ― 环境工程原理的基本内容：研究各单元过程及相互间的平衡关系和过程速率问题。利用平衡 环境工程原理的基本内容： 关系和过程速率，可以判断各单元过程进行的方向、途径和极限，并确定设备的规模和尺寸。 ― 环境工程原理的常用手段：物料衡算―质量守恒定律，能量衡算―能量守恒定律。利用物料 环境工程原理的常用手段： 衡算，可以确定各单元过程中物料量的变化及其相互间的关系；利用能量衡算，可以确定各单元过 程中能量的变化及其相互间的关系。环境工程原理中涉及到的能量形式主要是以热能和机械能为 主，以及相互间的转化。 物料衡算式：输入物料=输出物料+损失物料 1）无化学反应时，适用于任一组分； 2）有化学反应时，适用于任一元素。 能量衡算式：在化工原理中，主要指热量。 供给系统的热量=物料带走的热量+损失热量。 物料/能量衡算步骤和注意事项： 物料 能量衡算步骤和注意事项： 能量衡算步骤和注意事项昆明理工大 学环境科学与工程学院 20 04－ 08－1 0环境 工程原理 讲义第 2 页(1) 界定范围。环境工程工艺计算多以一个处理过程作为衡算对象；环境工程原理计算则常以 相对独立的一组(一个)设备， 或其中的一部分作为物料/能量衡算系统。 输入和输出这个系统的物料 /能量用箭头标明其来源、去向、物料/能量状态和物料量/能量。各物料量/能量之间的关系服从质 量/能量守恒定律。 (2) 确定基准。时间基准：间歇过程一般以一个操作循环(周期)为基准；连续过程通常以单位 时间为基准。数量基准：物料衡算中，气体可用体积(标准状态)、体积分率、分压分率、物质的量 分率表示，液体可用质量、物质的量、体积表示，固体可用质量表示；能量衡算中，大多以千焦(kJ) 每单位时间或每单位物料量表示。 (3) 列出方程。根据质量/能量守恒定律、各种平衡关系和约束条件列出方程组。未知项个数应 等于独立方程数。 (4) 数据处理。在物料/能量衡算过程中，基准的单位应统一。物性常数、设备参数、工艺参数 等通过文献查得。计算结果的数据位数依数字有效性而定。 环境工程原理的课程性质： ― 环境工程原理的课程性质：专业基础课。连接基础理论和工程实际，具有桥梁和纽带作用。 基础课(高等数学，物理，物理化学，机械原理等) → 专业基础课(环境工程原理等) → 专 业课(空气污染控制工程，水污染控制工程，固体废物污染控制工程，噪声控制工程，环境工程 设计等) 环境工程原理的能力培养重点： ― 环境工程原理的能力培养重点：工程研究，定量计算，实验设计，单元集成，流程开发。 ― 环境工程和化工过程的区别和联系：区别：化工过程―将原料变成产品，并符合质量标准。 环境工程和化工过程的区别和联系：区别： 工过程的区别和联系 处理对象比较宏观，组成比较简单；环境工程―使废物得以净化，并符合排放标准。处理对 象比较微观，组成比较复杂。联系：理论基础相同，基本内容相同，常用手段相同。 联系： 联系 环境工程和化工过程的主要区别和联系序号 1 2 3 4 5 6 项目 过程实质 处理对象 结果评估 理论基础 基本内容 常用手段 环境工程 使废物得以净化， 并符合排放标准 化工过程 将原料变成产品， 并符合质量标准组成较复杂， 浓度较低， 尺度较小， 组成较简单， 浓度较高， 尺度较大， 比较微观 比较宏观 精度较低，偏差较大 精度较高，偏差较小动量传递、热量传递和质量传递。即：三传理论 研究各单元过程及相互间的平衡关系和过程速率问题 物料衡算―质量守恒定律，热量衡算―能量守恒定律昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境 工程原理 讲义第 3 页1.2 主要内容 ― 单元过程的基本原理：动量传递理论，热量传递理论，质量传递理论。 单元过程的基本原理： ― 典型设备的基本结构：动量传递设备，热量传递设备，质量传递设备。 典型设备的基本结构： ― 工艺流程的基本组合：流程组合原则，流程组合方式，流程组合评估。 工艺流程的基本组合： ― 实验研究的基本方法：文献检索，实验设计，数据处理，报告编写。 实验研究的基本方法： 1.3 学习方法 学习方法 方法正确，事半功倍；方法不当，事倍功半，甚至一事无成。 方法因人而异。最适合的才是最好的。 几点建议： ― 保持学习自觉性和主动性： 保持学习自觉性和主动性： 课堂讲授―课后作业― 学习自觉性和主动性 师生间互动―同学间互动―上下课互动。 问题讨论―模拟实践。每个环节都应投入精力。课前预习―课中学习―课后复习。提高学习效 率。 ― 掌握工程研究的基本方法：环境工程是一项复杂的系统工程。学会忽略次要问题，把握过程 掌握工程研究的基本方法： 的实质和共性。在误差许可范围内，将复杂的工程问题作适当简化，以突出其本质和核心问题。 但应清楚简化的理由和简化的方法，并对由此产生的偏差有正确的估计。 ― 重视案例研究和过程模拟：环境工程经过几十年的发展，取得了较大成功，积累了大量经验 重视案例研究和过程模拟： 教训，并形成许多典型案例。从中可以学到许多东西。再加上动手实践，将加深对基本原理的 理解和提高应用能力。学而不思则惘，思而不学则殆。 关注学科前沿的发展趋势： 随着经济增长和生活水平的提高， 人们对环境质量的持续改善提 ― 关注学科前沿的发展趋势： 出了更高的要求，由此促进超临界技术，集成化工艺，纳米材料等新工艺、新能源、新设备和 新材料的相继开发和投入应用，出现了一些新的单元过程，为解决环境污染问题提供了强有力 的技术支撑。 1.4 关于考试 题型：填空、选择、简答、计算题。考试范围来自平时作业，平时作业主要为课后作业及 补充作业，题目全部为原题。 1.5 思考题 ― 什么叫环境工程？其基本过程主要包括哪几个部分？ ― 环境工程原理的理论基础是什么？ ― 物料衡算和热量衡算各依据什么定律？衡算时，需要注意些什么？昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境 工程原理 讲义第 4 页― 环境工程和化工过程的主要区别和联系有哪些？昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境 工程原理 讲义第 5 页第一章 流体流动1.1 概述 1.1.1 流体 气体和液体统称为流体。 流体特性：流动性，无固定形状(随容器和边界条件而变)，流动时产生内摩擦。流体特性 决定了其性质的复杂多样性。 1.1.2 流体的分类 （1）状态――分为气体、液体、超临界流体等。 （超临界流体是一种介于气体、液体之间 的既非气态又非液态的物质。它具有密度大、易溶解其他物质的大多数液体的性质；也具有接 近气体，粘度小，因而传质速率大，表面张力小，流速大的特点。 ） （2）可压缩性――分为不可压缩流体（液体）和可压缩流体（气体） 。 （3）是否忽略分子间作用力――理想流体和粘性流体（实际流体） 。 （4）流变特性――牛顿型和非牛顿性流体。 1.1.3 定态流动和非定态流动 在流动系统中，流体上的各截面的有关参数（流速、压强、物性等）仅随位置而变，不随 时间而变，称为定态流动；若流体流动的有关物理量随位置和时间均发生变化，则为非定态流 动。 环境工程中主要涉及到定态流动的流体。所以，环境工程原理重点讨论流体的定态流动。 1.2 流体静力学基本方程式 流体静力学基本方程式主要讨论的是流体在重力及压力作用下的平衡规律及工程应用，实 质上是讨论静止流体内部压强变化的规律。 1.2.1 流体的密度 单位体积流体的质量。通常以ρ表示。单位：kg/m3。 纯液体密度随温度略有变化，但几乎不随压力而变化，可视为不可压缩流体；气体密度随 压力和温度而变化，为可压缩流体。 （1）纯液体的密度可以从手册中查得相关数据。 （2）对于理想气体，密度计算公式如下： ρ= PM RT T2 P1 T1 P220 04－ 08－1 0ρ1 = ρ 2昆明理工大 学环境科学与工程学院环境 工程原理 讲义第 6 页式中：M、R （2）混合液体和混合气体的平均密度用以下公式进行计算。 见公式（1-3）和（1-4） 。 1.2.2 流体的静压 （1）定义 静压――垂直作用于静止的流体内的单位截面积上的表面力，称为流体的静压强，简称压 强。通常以 p 表示。单位：Pa。 动压――流体内的动能全部转化为压力能所达到的压强，为动压。 总压――静压与动压之和。 （2）相应的公式转化关系 1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.Pa 1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.807×104Pa （3）绝对压强、表压、真空度 三者之间的转化关系及计算方法。表压与真空度的绝对值完全相等，它们与绝对压强之间 用大气压强来联系。 例 1-1 讲解。 ★作业题：习题 1。 作业题： 。 1.2.3 流体静力学基本方程式 （1）方程式的含义 该方程式描述的是当流体在重力和压力作用下达到平衡时，静止流体内部压强变化所遵循 的规律。 （2）公式的推导 p + ρgz = 常数 p1 + ρgz1 = p2 + ρgz 2 p2 = p1 + ρg ( z1 ? z 2 ) p = p0 + ρgh （3）公式适用条件：静止的连通着的同一连续的流体内。 （4）公式说明（见 P6） （5）例题 1-2 的讲解。 通过该例题的讲解，熟悉静力学方程式的应用。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境 工程原理 讲义第 7 页★作业题：习题 2、3、5。 作业题： 、 、 。预习作业：流体静力学方程式的应用。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境 工程原理 讲义第 8 页第二节流体在管内的流动1、基本定义 、 （1）流量――体积流量 Vs：单位时间流过管道任一截面的流体体积，m3/s； 质量流量 ws：单位时间内流过管道任一截面的流体质量，kg/s。 注意 Vs 与 ws 的换算关系。 （2）流速 u：m/s。注意：流体的流速通常指整个管道截面上的平均流速。 公式： 质量流速 G：单位时间内流过管道单位截面积的流体质量。kg/m2s （3）管径的选择 根据公式，管径与流量和流速有关。在实际生产中，管道的流量任务是一定的，因此，管 径的选择关键在于流速的合适选择。基建费和操作费之间的一个平衡点的选取。 常用流速范围见表 1-1。 2、定态流动与非定态流动 、 定义。 3、连续性方程式 、 在定态流动系统中，对直径不同的管段作物料衡算，以 1S 为基准，得到：当流体为不可压缩流体时，为：连续性方程式是定态流动系统中质量守恒原理的体现。 应用连续性方程式时注意： 1）在衡算范围内，流体必须是连续的，即流体充满管径，并连续不断从上游截面流入，从 下游截面流出。 2）它反映了在定态流动系统中，流量一定时，管路各截面上流速的变化规律。此规律与管 路的安排和管路上是否装有管件、阀门及输送机械无关。 4、机械能衡算方程式――柏努利方程式 、机械能衡算方程式――柏努利方程式 ―― 柏努利方程式是流体流动中机械能守恒和转化原理的体现，它描述的是一个系统的流体量 和流动参数之间的定量关系。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境 工程原理 讲义第 9 页推导柏努利方程式的思路是：从解决液体输送问题的实际需要出发，采取逐渐简化的方法， 流动系统的总能量衡算（包括热能和内能）――流动系统的机械能衡算（消去热能和内能）― ―不可压缩流体定态流动的机械能衡算。 1kg 流动流体具有的各项能量（J/kg）为： 内能 1-1 系统 2-2 系统 位能 动能 静压能 加入热量 加入功根据能量守恒定律，连续定态流动系统的能量衡算式为： 输入的总能量=输出的总能量 （1） 以 1kg 流体为基准，定态流动过程的总能量衡算式：（2） 流动系统的机械能衡算：（3） 柏努利方程式5、讨论 1）适用条件：适用于不可压缩流体定态连续的流动。 2）理想流体的机械能守恒和转化。 3）方程式中各项能量所表示的意义。式中的 gZ、u2/2、pv 表示的是截面上 1kg 流体具有 的能量；而 为两截面间的能量消耗；We 是 1kg 流体在两截面间所获得的能量，是输送机械的重要性能参数之一。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 10 页第二节 离心沉降 离心沉降――依靠惯性离心力的作用实现沉降的过程称为离心沉降。它适用于 1）两相密 度差较小；2）颗粒粒度较细的非均相物系。 较重力沉降的优点：1）可提高沉降速度；2）设备尺寸小。 重力沉降――气固非均相物系分离：降尘室； 液固非均相物系分离：沉降槽。 离心沉降――气固非均相物系分离：旋风分离器； 液固非均相物系分离：旋液分离器、沉降离心机。一、惯性离心力作用下的沉降速度1、离心加速度2 uT 与转轴距离为 R、切向速度为 uT，惯性离心力场强度为 （也即离心加速度） 。它不是常 R数，与转轴距离及切向速度有关，方向为沿旋转半径从中心指向外周。 2、惯性离心场受力 1）惯性离心力；2）向心力（沿半径指向旋转中心） ；3）阻力（沿半径指向中心） 。 若球形颗粒的直径为 d，密度为 ρ s ，与中心轴的距离为 R，切向速度为 uT，颗粒与流体在 径向上的相对速度 ur：2 uT 惯性离心力： d ρ s 6 R 3 2 uT 向心力： d ρ 6 R 3ππ阻力： ζπ4d2ρu 2 r 2三个力达到平衡时：π6d 3ρs2 2 uT π 3 u T ρu 2 π ? d ρ ?ζ d2 r = 0 R 6 R 4 2平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度 ur 即为它在此位置上的离心沉降速度。解得： ur =2 4d ( ρ s ? ρ ) u T ? 3ρζ R昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 11 页从上式可以看出，颗粒的离心沉降速度与重力沉降速度计算公式相似。仅是将重力加速度 g 改为离心加速度。ut = 4d ( ρ s ? ρ ) ?g 3ζρ二者的区别：1）离心沉降速度不是颗粒运动的绝对速度，只是绝对速度在径向的分量，方 向为沿半径向外； ） 2 离心沉降速度随颗粒在离心力场中的位置变化， 但重力沉降速度是恒定的。 同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为：2 u r uT = = Kc u t gR比值 Kc 为惯性离心力场加速度与重力加速度之比，称为离心分离因数。它是反映离心分 离设备的重要指标。旋风或旋液分离器的分离因数一般为 5~2500，这表明离心沉降设备的分离 效果比重力沉降设备好。二、旋风分离器的操作原理旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。含尘气体在器内做螺旋 运动时，由于存在密度差，颗粒在惯性离心力作用下被抛向器壁而与气流分离。内外旋流旋转 方向相同，主要的除尘区为外旋流。 外旋流――下行的螺旋形气流；内旋流――上行的螺旋形气流。 气固分离设备的主要性能序号 1 2 3 4 5 6 设备类型 重力沉降室 惯性分离器/一般旋风分离器 高效旋风分离器 袋式除尘器 Ventruri 湿式除尘器 静电除尘器 分离效率/% 分离效率 50～60 50～70 200～5 80～90 95～99 &5 95～99 90～98 &1 应用范围，粒径 ? 应用范围，粒径/?m & 200三、旋风分离器的性能参数除离心分离因数 Kc 外，评价旋风分离器的主要性能指标是分离效率和压强降。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 12 页1、 旋风分离器的分离效率――包括理论上能够完全被除去的最小颗粒尺寸 （称为临界粒径， 用 dc 表示）及尘粒从气流中分离出来的质量分率。 ①临界粒径：用下式估算dc =式中：B――进气宽度，D/4； Ne――气流的有效转圈数； ui――进口气速。 显然，dc 越小，分离效率越高。 提高分离效率的措施：9 ?B πN e ρ s u i1）采用若干个小旋风分离器并联操作（称为旋风分离器组） ； 2）降低气体温度（减小粘度 ?）（气体的粘度随温度的升高而增大。 ； ） 3）适当提高入口气速。 ②分离总效率――指进入旋风分离器的全部颗粒被分离出来的质量百分率，即：η0 =C1 ? C 2 × 100% C1式中：C1――进口气体含尘浓度，g/m3； C2――出口气体含尘浓度，g/m3。 这种表示方法是最常用的，也是易于测定的，但是它不能表明旋风分离器对各种尺寸粒子 的不同分离效率。 ③粒级效率――指规定粒径 di 的颗粒被分离下来的质量百分率，即η pi =C1i ? C 2i × 100% C1i粒级效率 η pi 与颗粒直径 di 的对应关系称为粒级效率曲线。 粒级效率曲线中粒级效率恰好为 50%的颗粒直径称为分割粒径。对标准旋风分离器，d50 可用下式估算：d 50 ≈ 0.27?D ( ρ s ? ρ )u i④由粒级效率求总效率――如果已知气流中所含尘粒的粒度分布数据，则可用粒级效率估 算总效率：昆明理工大 学环境科学与工程学院 20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义n第 13 页η 0 = ∑ xiη pii =12、旋风分离的压强降――可表示为进口气体动能的倍数，即： ?p = ζρu i22式中：ζ 为比例系数，也即阻力系数。对于同一结构型式、尺寸比例相同的旋风分离器，ζ 为常数，不因尺寸大小而变化。对于标准旋风分离器， ζ =8。四、旋风分离器的结构形式及选用工业上常用旋风分离器类型及操作性能如下表所示。 旋风分离器的结构形式及其性能表 类型 性能 适宜气速，m/s 除尘粒度，?m 阻力系数值 CLT/A 12~18 &10 5.0~5.5 CLP/B 12~20 &5 4.8~5.8 扩散式 12~20 &5 7~8选择旋风分离器结构形式及决定其主要尺寸的依据有三个方面： 1）含尘气体的处理量，即生产能力 Vs； 2）允许的压强降； 3）除尘效率。 一般是在保证满足生产能力及允许的压强降的前提下，对效率作粗略估算。 注意：表中数据的压强降为气体密度为 1.2kg/m3 时测得的数值。当气体密度不同时，压强 降予以校正。校正公式根据 ?p = ζρu i22进行校正。习题昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 14 页第三节 过滤 过滤分离是分离悬浮液最常用、最有效的单元操作之一。与沉降相比，可以使悬浮液分离 更迅速更彻底；与干燥、蒸发相比，耗能较低。一、过滤操作的基本概念过滤是以多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，固体颗粒 被截留在介质上，从而实现固液分离的操作。被处理的悬浮液为滤浆或料浆，穿过多孔介质的 液体称为滤液，被截留的固体物质称为滤饼或滤渣。 1、过滤介质 、 过滤操作所采用的多孔物质称为过滤介质。工业上常用的过滤介质： 常用过滤介质表 过滤介质 织物介质 材质 截留颗粒直径棉、毛、丝、麻等天然纤维及合成纤 最小直径为 5~65?m 维、由玻璃丝、金属丝制成的网堆积介质细砂、木炭、石棉、硅藻土或非编织 用于深床过滤中 纤维多孔固体介质多孔陶瓷、多孔塑料、多孔金属的管 1~3?m 的微细颗粒 或板2、饼层过滤与深床过滤 、 饼层过滤――固体物质沉降于过滤介质表面而形成滤饼层的操作。对于饼层过滤，当颗粒 在孔道中形成“架桥”现象之后，真正发挥截留颗粒作用的是滤饼而不是过滤介质。 深床过滤――固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状过滤介质床层内部的过滤操 作。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 15 页二、过滤基本方程式1、滤液通过滤饼层流动的特点 、 1）滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构； 2）随着过滤进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐加大，因而过滤属于非定态操作。 3）细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触表面，滤液的流动大都在滞流区。 2、模型的简化 、 对于颗粒层不规则的通道简化成长度为 L 的一组平行细管。细管的当量直径可由床层的孔 隙率 ε 和颗粒的比表面积 a 来计算，细管长度 L 随滤饼层的厚度而变。 1）细管的全部流动空间等于床层的空隙容积。 2）细管的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积。 3、过滤速率和过滤速度 、 1）过滤速率――单位时间内获得的滤液体积，m3/s、m3/h； 2）过滤速度――单位过滤面积上的过滤速率，m3/s.m2、m3/h.m2。 4、不可压缩滤饼（s=0）的过滤基本方程式 、不可压缩滤饼（ ）的过滤基本方程式 dV A 2 ?p = dθ ?r 'ν (V + Ve ) 式中：A――过滤面积；V――滤液量，m3； θ ――过滤时间；r ' ――单位压强差下滤饼的比阻，1/m2； ?p ――流体通过管道时的压强降；ν ――滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3/m3；V――滤液量；Ve――过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3。5、提高过滤速率的措施 、1）提高过滤压强差；2）选用阻力低的过滤介质；3）及时清洗滤布；4）适当提高过滤操作温度（即降低粘度） 5）对可压缩滤饼采用助滤剂（即降低比阻） ； 以上措施对提高过滤速率是有利的。三、恒压过滤过滤操作有两种典型方式，即恒压过滤及恒速过滤。有时采用先恒速后恒压的操作方法。 工业过滤机中进行的过滤操作均可视为恒压操作。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 16 页1、恒压过滤方程式 、(V + Ve) 2 = KA 2 (θ + θe) (q + qe ) 2 = K (θ + θe)式中：K――过滤常数，由物料特性及过滤压强差所决定的常数，m2/s；θe 、qe――介质常数，反映过滤介质阻力大小的常数，s、m3/m2。K、 θe 、qe 均称为过滤常数。 2、过滤常数的测定 、 在一定的压强差下对料浆进行恒压过滤时，对过滤常数 K、θe 、qe 通过恒压过滤实验测定。 (q + qe) 2 = K (θ + θe) 对上式取微分后，得： dθ 2 2 = q + qe dq K K 上式表明 dθ 2 与 q 成直线关系，直线的斜率为 2/K，截距为 q e 。 dq Kdθ ?θ 用增量比 代替，则 dq ?q为方便计算，左端的?θ 2 2 = q + qe ?q K K 在直角坐标系中标绘 ?θ ~q 图，可得一条直线，由直线的斜率及截距可求得 K、qe，利用 ?qq e2 = Kθe 求得 θe 值。这样得到的 K、θe 、qe 为此种悬浮料浆在特定的过滤介质及压强差条件下的过滤常数。四、过滤设备1、分类 、1）按操作方式分：间歇过滤机、连续过滤机； 2）按操作压强差分：压滤、吸滤、离心过滤机。板框压滤机、叶滤机――间歇压滤型过滤机，转筒真空过滤机――连续吸滤型过滤机。 2、板框压滤机 、第二章习题更正昆明理工大 学环境科学与工程学院 20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 17 页作业题：第三章习题 9。补充： 补充： 助滤剂――实质是过滤介质，是一种放在隔板上的分散的颗粒物质，形成一个薄层。适于 处理细微粒子或亲水性的难过滤物料，并且滤饼无需回收。 一、助滤剂的条件 1）渗透性好；2）价格便宜；3）质地坚硬、粒度适当，能悬浮于料液中；4）化学性质稳 定，不会与料浆发生化学反应，不会污染料浆。 二、典型的助滤剂 硅藻土、珍珠岩、纤维素（包括石棉和纤维素） 、非活性炭粉粒等。 三、加入方法 1、预涂――用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由 助滤剂组成的滤饼，这种方法可以避免细颗粒堵塞介质的细孔，如果滤饼有粘性，会有助于滤 饼的脱落。 2、将助滤剂混在滤浆中一起过滤。第三章 复习总结本章重点讨论根据流体力学原理，利用流体和固相之间物理性质的差异，借助外力作用， 造成两相之间的相对运动，从而达到非均相混合物分离的目的， 从工程方法论来说，应加深对用数学模型法研究复杂工程问题方法步骤的理解。 本章的主要内容是沉降和过滤两种机械分离方法，包括原理、过程及设备计算、影响因素 分析及强化措施，最后能进行设备选型。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 18 页非均相混合物分离方法气态非均相混合物液态非均相混合物微粒 d ≤ 1?m细粒 d ≥ 10?m粗粒 d ≥ 75?m悬浮液增浓乳浊液分离固液分离湿法除尘 袋滤器 静电除尘离心沉降重力沉降 惯性分离沉聚旋液分离器 离心分离机深床过滤饼层过滤旋风分离器 （普通型与高效型）降尘室沉降槽 旋液分离机砂滤 炭滤真空过滤机 压滤机 离心过滤机（单层与多层） 沉降离心机自由沉降干扰沉降流体通过颗粒床层流动昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 19 页计算的主要关系如下图所示。非均相物系分离计算的关系式沉降―颗粒相对于流体运动 颗粒受力 场力-浮力-阻力=ma 球形颗粒沉降 （自由沉降）饼层过滤―流体通过颗粒床层流动 颗粒通过颗粒床层流动特点分析 过滤速率与过滤速度 （流速与压降关系） dV A?p = dθ ?r 'ν (V + Ve)重力场ut = 4d ( ρ s ? ρ ) g 3ρζ离心力场uT =2 4d ( ρ s ? ρ ) uT ? 3ρζ R强化过滤操作的措施 恒压过滤方程式ζ = f (Re, ? s )滞流沉降区 ζ =24 Re t2 d 2 ( ρ s ? ρ ) uT ? 18? R 2 uT Rg(V + Ve) 2 = KA 2 (θ + θe) (q + qe) 2 = K (θ + θe)过滤常数 K、qe、 θe 由实验测定ut =d 2 (ρ s ? ρ )g 18?uT =离心分离因数 Kc =沉降设备设计或操作原则 θ ≥ θ t 降尘室Vs = blu t旋风分离器Vs = hBu i（Vs 与高度 H 无关） d c =9?B πNeρ s u i昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 20 页多层降尘室 Vs = (n + 1)blu t旋风分离器组 粒级效率曲线三、平壁的热传导1、单层平壁的热传导 、 假设 1）材料均匀，导热系数不随温度变化，或者可取平均值；2）平壁内的温度仅沿垂直 与平壁的方向变化，即等温面垂直于传热方向；3）平壁面积与平壁厚度相比很大，因此可以忽 略热损失。这是最简单的定态、一维、平壁热传导。则：Q = ?λ S q=Q λ = (t1 ? t 2 ) S bλ dt → Q = S (t1 ? t 2 ) dx b上式适用于 λ 为常数的定态传热过程。在工程计算中，对于各处温度不同的固体，导热系 数可以 1）取固体两侧壁面温度下 λ 的算术平均值；2）取两侧面温度的算术平均值下的 λ 值。 通常采用平均导热系数进行计算。 令R =b b ――导热热阻，℃/W； R ' = ――导热热阻，m2. ℃/W。 λS λ Q=t1 ? t 2 R ，从此式可以看出， 过程传热速率 = 热传导推动力 则上式变为 t ?t 热传导阻力 q= 1 2 R'上式表明：1）导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比； 2）导热距离越大，传热面积和导热系数越小，则导热热阻越大。 3）对于稳态传热（定态传热） ，导热速率 Q 为常数，也即系统任一段的热阻与该段的温度差成正比。 例题。 注意：当 λ 为常数时，平壁内温度分布为直线；当 λ 为温度的函数时，平壁内温度分布为昆明理工大 学环境科学与工程学院 20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 21 页曲线。 2、多层平壁的热传导 、 在多层平壁的稳态热传导时，除了与单层平壁热传导一样的假设外，还假设层与层之间接 触良好，即互相接触的两表面温度相同。 若各表面温度分别为 t1、t2、t3，且 t1&t2&t3，通过平壁截面的传热速率相等，即 Q1=Q2=Q3。 热传导速率方程式表示为：Q=t1 ? t n +1 = bi ∑λ S i∑ ?t ∑ ?R式中：i――表示平壁的序号。 由上式可见，多层平壁热传导的总推动力为各层温度差之和，即总温度差；总热阻为各层 热阻之和。四、圆筒壁的热传导与平壁的不同之处：1）传热面积不是常数；2）温度随半径变化；3）圆筒壁的稳态传热中， 各层的热传导速率 Q 是相同的，而热通量 q 却不同。 1、单层圆筒壁的热传导 、 设圆筒壁的内半径为 r1，外半径为 r2，长度为 L，圆筒内外壁面温度为 t1&t2，仿照平壁热 传导公式，得到单层圆筒壁的热传导速率方程式： Q= 2πLλ (t1 ? t 2 ) r ln 2 r1同时，上式也可写成：Q=平均面积为 S m = 2πrm L =S m λ (t1 ? t 2 ) r2 ? r12πL(r2 ? r1 ) S ? S1 ， 或者 S m = 2 r S ln 2 ln 2 r1 S1其中 rm =r2 ? r1 ――圆筒壁的对数平均半径。 r2 ln r1昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 22 页当r2 r ?r r +r r +r ≤ 2 时， 1 2 与 2 1 相差 4%，因此可用 1 2 代替 rm。 r r1 2 2 ln 2 r12、多层圆筒壁的热传导 、 三层圆筒壁的导热速率方程式为： Q= 2πL(t1 ? t 4 ) = r3 1 r4 1 r2 1 ln + ln + ln λ1 r1 λ 2 r2 λ3 r3 t1 ? t n+1 ri 1 ∑ 2πLλ ln r+1 i =1 i 1n3、保温层的临界直径 、保温层的临界直径 对于化工管道中的保温问题，通常情况下，热量损失是随保温层的增加而减少，但若在小 直径圆管外包扎性能不良的保温材料，则可能会使热量损失增大。原因是： 热量损失 Q =t1 ? t f ， r0 1 1 ln + 2πL ri 2πr0 Lα式中 R1 = 阻。r 1 1 ln 0 ――保温层的热阻， R2 = ――保温层外壁与空气的对流传热热 2πL ri 2πr0 Lα当 ro 增加时，热阻 R1 增大，R2 减小，有可能(R1+R2)整体下降，因而使得热损失增大。 定义 rc =λ 2λ 为热量损失最大时的临界半径，则临界直径 d c = α α1）若保温层的临界外径小于 dc，则增加保温层的厚度会使热损失增大； 2）在 d c & 2λ / α 时，增加保温层的厚度才会使热损失减小。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 23 页第三节 对流传热一、对流传热的分析热对流――由于流体质点的宏观运动引起的热传递称为热对流。由于流体内部温度分布不 均匀时肯定发生热传导，因此，流体的热对流总伴随着热传导。 通常，流体通过固体壁面（流体温度与壁面温度不同时）的传热过程称为对流传热。对流 传热是指流体与壁面之间的传热过程，它集热对流和热传导于一身的。 当流体流过固体壁面时，由于流体具有粘性，因此，流体在壁面附近流速减小形成边界层； 若边界层内的流动处理滞流层时，为滞流边界层 流动发展为湍流边界层，此时在靠近壁面处仍有滞流内层。由于流体的导热系数较低，因此，滞流内层的导热热阻较大。对流传热 的热阻主要集中中滞流内层，若要强化对流传热，则必须减薄滞流内层的厚度。二、壁面和流体间的对流传热速率1、对流传热速率方程式 对流传热是较复杂的传热过程，影响对流传热速率的因素很多，目前的工程计算仍按半经 验法处理。 根据传递过程速率的普遍关系，对流传热速率的通式为： 对流传热速率 = 对流传热推动力 = 系数 × 推动力 对流传热阻力以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以用牛顿冷却定律表示：Q = αS?t = ?t 1 / αS式中， α ――平均对流传热系数，w/(m2.℃)；S――总传热面积，m2；昆明理工大 学环境科学与工程学院 20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 24 页?t ――流体与壁面间温度差的平均值。牛顿冷却定律表达了复杂的对流传热问题，实质上是将矛盾集中到了对流传热系数 α ，因 此，研究各种情况下 α 的大小、影响因素及 α 的计算式，成为研究对流传热的核心。 针对换热器的传热面积的不同表示方法，对流传热速率方程式可以表示为： Q = α i (T ? Tw ) S i Q = α o (t w ? t ) S o 式中：Si、So――换热器的管内侧和外侧面积，m2；α i 、 α o ――换热器的管内侧和外侧流体对流传热系数；T、t――换热器的任一截面上热、冷流体的平均温度； Tw、tw――换热器的任一截面与热、冷流体相接触的壁温。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 25 页第五节 对流传热系数关联式对流传热是指运动流体与固体壁面之间的热量传递，故对流传热与流体的流动状况密切相 关。根据流体在传热过程中的状态，对流传热可分为两类。 1、流体无相变的对流传热：包括强制对流（强制层流和强制湍流） 、自然对流； 2、流体有相变的对流传热：包括蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。 对流传热速率方程式的关键转化为对流传热系数的计算， 求算对流传热系数的方法有两种： 理论方法和实验方法。由于过程的复杂性，对于工程上遇到的对流传热仍依赖于实验方法。一、影响对流传热系数的因素由对流传热的机理分析可知，影响对流传热的因素有：流体的种类和相变化的情况、流体 的物性（包括导热系数、粘度、比热、密度以及自然对流影响较大的体积膨胀系数等） 、流体的 温度、流体的流动状态、流体流动的原因和传热面的形状、位置和大小。 1、流体的种类和相变化的情况 、 固体、液体、气体的对流传热系数均不同，牛顿型流体和非牛顿型流体也不同。本教材仅 讨论牛顿型流体的对流传热系数。另外，液体发生相变化时，对流传热也会变化。 2、流体的物性 、 1）导热系数――当滞流内层的的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也 愈大。 2）粘度――流体在管中流动时，管径和流速一定，流体的粘度越大，雷诺 Re 愈小，也即 湍流程度低，因此，热边界层越厚，则对流传热系数越低。 3）比热和密度―― ρc p 表示单位体积流体所具有的热容量， ρc p 越大，表示流体携带热量 的能力越大，表示对流传热的强度越强。 4） 体积膨胀系数――体积膨胀系数越大的流体， 产生的密度差别截止大， 有利于自然对流。 3、流体的温度 、 流体温度对对流传热的影响主要体现在流体温度与壁面温度之差 ?t 、流体物性随温度变化 程度等方面，在对流传热计算中必须修正温度对物性的影响。 4、流体的流动状态 、 滞流和湍流的传热机理不同。 1）流体作滞流时，传热依靠分子扩散作用的热传导进行；昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 26 页2） 流体作湍流时， 主体的传热为涡流作用引起的热对流， 壁面附近的滞流内层仍为热传导。 由于涡流致使管子中心温度分布均匀，滞流内层的温度梯度增大，因此，湍流时的对流传 热系数较滞流时的大。 5、流体流动的原因 、 自然对流和强制对流的流动原因不同，具有不同的传热规律和流动。 强制对流是由于外力的作用，通常，强制对流传热系数要比自然对流传热系数大几倍至几 十倍。 6、传热面的形状、位置和大小 、传热面的形状、 传热面的形状、传热面方向和布置及流道尺寸都会直接影响对流传热系数，这些影响因素 都反映在 α 的计算式内。二、对流传热过程的因次分析所谓因次分析，即根据对问题的分析，找出影响对流传热的因素，然后通过因次分析的方 法确定相应的无因次数群 （准数） 继而通过实验确定求算对流传热的关联式， ， 供设计计算使用。 准数的名称、符号和含义 对流传热准数序号 1 准数名称 努塞尔特准数 符号 Nu 关系式 含义 表示对流传热系数的准数αl λluρ2雷诺准数Re?3 普兰特准数 Pr表示惯性力与粘性力之比，是表征流动状 态的准数 表示速度边界层和热边界层相对厚度的一 个参数，是表征物性影响的准数 表示自然对流影响的准数cp?λ4 格兰斯霍夫准数 Grβg?tl 3 ρ 2 ?2昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 27 页三、流体无相变时的对流传热系数★1、流体在圆形管内作强制湍流时 、λ ? d uρ ? α = 0.023 ? i ? di ? ? ? ? ?0.8? cp? ? ? ? λ ? ? ? ?n适用条件：1）低粘度 ? &2cp；2）流体被加热时，n=0.4，流体被冷却时，n=0.3； 3） Re&10000， 0.7&Pr 普兰特准数） （ &120； 管长与管径之比 4） ? ? d i ? 0.7 ? 时，则 α 应乘以 ?1 + ? ? ? 进行校正。 ? ?L? ? ? ?4）Nu（努塞尔特准数） Re 准数中的 l 取管内径 di。 、 5）温度 t 取为流体进出口温度的算术平均值。 L L & 60 。 若 & 60 di di一般，在换热器的设计及操作中，为了提高总传热系数，流体多呈湍流流动。 例题。 2、流体在管外作强制对流 、 流体在管束外作强制垂直流动时，平均对流传热系数用下式计算： 错列管速： Nu = 0.33 Re 0.6 Pr 0.33 直列管速： Nu = 0.26 Re 0.6 Pr 0.33 应用范围：Re&3000；特性尺寸：管外径 d0；流速：取流体通过每排管子中最狭窄通道处 的速度。 定性温度：流体进出口温度的算术平均值。 管束排数为 10，否则应乘以修正系数进行修正。四、壁温的估算在某些对流传热系数的关联式中，需要用试算法来确定壁温。具体的方法是：根据算出的α i 、 α 0 及污垢热阻，用下列近似关系式核算，即：t0 ? t w t w ? ti = 1 1 + Rso + Rsiαα上述的 t0、ti 和 tw 是指管外流体、管内流体及管壁的平均温度。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 28 页― 热传导，对流传热和辐射传热 3 种传热方式的比较：如表所示。 3 种传热方式的比较序号 1 2 3 项目 描述定律 数学方程 结合结果 热传导 Fourier 定律 dQ＝－λ(?t/?n)dS 对流传热 Newton 冷却定律 dQ＝α(T－Tw)dS 辐射传热 Boltzmann 定律 E＝C0(T/100)4两流体通过壁间换热高(低)温设备散热(冷)传热三要素： ― 传热三要素：平均温差，传热面积，总传热系数。 强化传热过程的途经： ― 强化传热过程的途经：增大平均温差(提高传热速率)，增大传热面积(提高传热速率)，增大 总传热系数(降低各项热阻)。 ―昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 29 页4 环境工程中的质量传递过程 环境工程的实质是使废物得以净化，并符合排放标准。从环境工程原理看，废物净化过程 也就是将污染物从废物物系(废气、废水、固体废物等)中分离去除，并使之达标。分离是利用 物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个或某些组分从一相进入另一相而实现的。其间， 发生了物质的转移和组成的变化，即质量传递(简称传质)。按照热力学第二定律，一切自发过 程的发生都是熵增加的过程。分离则是熵减少的过程，需要外界对物系做功(或输入能量)才能 进行。因此，欲分离去除废物物系中的污染物，必须采取一定的手段和措施。 环境工程中常见的传质分离过程有： (1) 基于平衡关系的传质分离过程 《教材》第 66 页，图。 教材》 ― 吸收和解吸：气体中某组分从气相溶解入液相的过程为吸收，常用于废气中有害组分的 净化；液体中溶解的某种组分从液相回到气相的过程为解吸(脱吸)，常用于废水中有害气体的 脱除。吸收和解吸属于气－液两相间的传质过程。 ― 吸附和脱附：气体或液体中某组分从气相或液相趋附于固体表面的过程为吸附；反之为 脱附。吸附常用于废气或废水中有害组分的净化；脱附用于吸附剂再生和物料回收。吸附和脱 附属于气－固两相或液－固两相间的传质过程。 ― 增湿和干燥： ― 蒸馏和精馏： ― 离子交换： ― 萃取： ― 浸沥： 《教材》第 66 页，图。 教材》 (2) 基于过程速率的传质分离过程 ― 膜分离： ― 场分离： 4.1 质量传递概论 4.1.1 基本概念 质量传递(传质 传质)： ― 质量传递 传质 ：物系组分在相间的转移过程。又称分离操作。 传质类型： ― 传质类型：气―液传质(吸收)，液－气传质(解吸)，气－固传质(吸附)，固－气传质(脱附)，昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 30 页液－液传质(萃取)，液－固传质(离子交换)，固－液传质(浸沥)等。 传质和物料输送： 传质过程系通过利用物系中不同组分间某种物性的差异， 而使其中某个或 ― 传质和物料输送： 某些组分从一相进入另一相来实现的，其间发生了物质的转移和组成的变化；物料输送过程虽 然也发生了物质的转移，但它系外力所致，而且在转移过程中，物料本身没有发生组成和相的 改变。因而不属传质过程。 4.1.2 分子扩散与 Fick 定律 ― 分子扩散：当流体内部某组分存在浓度差时，由于流体分子的无规则热运动，导致该组分从 高浓度处向低浓度处转移的传质现象。 《教材》第 67 页，图。 教材》 (1) 分子扩散是物系分子微观运动的结果。 (2) 在静止流体，或在垂直于流动方向作层流流动的流体中，均可发生分子扩散现象。 (3) 按照扩散速率恒定与否，可将分子扩散分为不稳定分子扩散(du≠0)和稳定分子扩散(du ＝0)。 ― 扩散通量：单位时间内，在与浓度梯度方向垂直的单位传质面积上传递的物质的量。单位： kmol/m2?s。 ― Fick 定律：当组分 A 在介质 B 中发生分子扩散时，物系中任一点处组分 A 的分子扩散速率 (扩散通量)与该位置上组分 A 的浓度梯度成正比，即： Ja＝－DABdCa/dz 式中：Ja―组分 A 在 z 方向上的分子扩散通量，kmol/m2?s； DAB―组分 A 在介质 B 中的分子扩散系数，m2/s； dCa/dz―组分 A 在 z 方向上的浓度梯度，(kmol/m3)/m。 负号表示扩散沿组分 A 浓度降低的方向进行。 Fick 定律与描述热传导的 Fourier 定律和描述流体流动的 Newton 定律不仅在表达形式上相 似，而且具有相似的意义和应用。 4.1.3 分子扩散系数 ― 分子扩散系数 DAB：组分 A 在单位浓度梯度下的扩散通量。它是组分 A 的一种传递属性， 表示组分 A 在介质 B 中的扩散能力。 (1) DAB 不仅与组分 A 的本身性质有关，而且还与介质 B 的性质有关。 (2) DAB 受物系温度、压力和浓度影响较大。温度降低，DAB 减小；压力或浓度增加，分子昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 31 页扩散阻力加大，DAB 减小。 ― (3) DAB 通常可在物理化学手册中查得。 ― 气体中的扩散系数：一般较小。物系总压为 101.325Pa 时，一些气体组分在蒸汽或空气中的 扩散系数约为 0.1～1.0cm2/s。若已知某气体组分在一定温度和压力下的扩散系数，则可用下式 估算另一温度和压力下的扩散系数： D＝D0(p0/p)(T/T0)1.5～1.75《教材》第 73 页，例 2－2。 教材》 － 。 ― 液体中的扩散系数：由于液体中的分子远比在气体中密集，所以，液体中的扩散系数远小于 气体中的扩散系数。其数量级一般在 10－9～10－5 左右。 4.1.4 一维稳定分子扩散 ― 等分子反向扩散： 《教材》第 67～69 页，2.2.1。 教材》 ～ 。 ― 单向扩散： 《教材》第 69～71 页，2.2.2。 教材》 ～ 。4.1.5 湍流流体中的扩散 ― 涡流扩散： 《教材》第 76 页，2.2.4.1。 教材》 。 ― 对流扩散： 《教材》第 76～78 页，2.2.4.2。 教材》 ～ 。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 32 页4.2 吸收和解吸 吸收和解吸() 4.2.1 概述 吸收的定义： ― 吸收的定义：利用物系(混合气体)中某个或某些组分在同一液体(溶剂)中的溶解度差异而使 混合气体得以分离的过程称为吸收。 物系中，能被吸收溶解的组分称为溶质 吸收质 溶质或吸收质 惰性组分或载 溶质 吸收质；不被吸收溶解的组分称为惰性组分 载 惰性组分 吸收剂；所得的溶液称为吸收液 吸收液；吸收剩余的气体称为吸收尾气或净化气 吸收尾气 净化气 净化气。 体；所用的溶剂称为吸收剂 吸收剂 吸收液 吸收尾 解吸(脱吸 溶液中被吸收溶解组分(溶质)脱出的过程称为解吸(脱吸)。 脱吸)： 解吸为吸收的逆过程。 ― 解吸 脱吸 ： 针对溶剂而言，解吸(脱吸)又称为溶剂的再生。 吸收的分类： ― 吸收的分类：参见下表。序号 分类依据 吸收类型 物理吸收 1 吸收过程 的性质 化学吸收 基 本 含 义 组分只是溶解于溶剂中，而不 与其发生化学反应，或化学反 应并不显著 组分与溶剂发生显著的化学 反应 只有一个组分被溶剂吸收，其 余组分则很少被吸收 两种及更多组分同时被吸收 被吸收组分浓度较低 xB&0.1 被吸收组分浓度较高 xB≥0.1 吸收过程中物系温度恒定，或 变化不大，或及时散热 吸收过程中物系温度变化较 明显 环境工程实例 (1) 水吸收废气中的甲醇 (2) 水吸收废气中的二氧 化硫 (1) 碱液吸收废气中的氮 氧化物 (2) 碱液吸收废气中的硫 氧化物 水吸收空气中的氨 用水同时净化废气中的氟 化氢和四氟化硅 多数废气组分的吸收 轻柴油回收挥发烃蒸气 多数废气组分的吸收都可 视为等温吸收(污染物浓 度低，吸收剂用量大) 用水吸收废气中的氯化氢 生产盐酸2被吸收组 分数量 被吸收组 分浓度单组分吸收 多组分吸收 低浓度吸收 高浓度吸收 等温吸收34物系的温 度变化非等温吸收环境工程原理中，重点要讨论的是低浓度、单组分、等温、物理吸收。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 33 页吸收的特点及经济性： ― 吸收的特点及经济性：技术成熟，操作简便，适 其经济性取决于吸收过程的能耗、 溶剂的损失率和解 费用。其中，以解吸费用所占比列最大。如果溶液本 产品，则无需溶剂再生。此时，吸收过程最经济。 吸收的必要条件： ― 吸收的必要条件：混合气体中的某种或某些组分 (溶剂)中有一定的溶解度。 吸收的应用： ― 吸收的应用： 【环境工程领域 工业废气中几乎所有可溶性气态污 环境工程领域】 环境工程领域 净化或回收处理， 都可用吸收操作。 常见的气态污染 氧化硫、氮氧化物、卤化物、硫化氢、氨、二氧化碳、 有机物(VOC)等。 【化工领域 化工领域】吸收常用于：(1) 分离气体混合物，以 化工领域 需组分(如用洗油处理焦炉气，以回收其中的苯系吸收液 A+S 混合气体 A+B 吸收尾气 B+A’+S’ 吸收剂 S用性强。 吸(再生) 身就是在液体染物的 物有： 二 挥发性吸收过程示意图回收所 物)；(2)净化或精制气体，以满足生产需要(如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳)；(3) 制取液 相产品或半成品(如用水吸收氯化氢制取盐酸)。 4.2.2 吸收过程的基本方程式 4.2.2.1 吸收的简化处理 由于环境工程原理中，重点讨论的是低浓度、单组分、等温、物理吸收，因此，通常可做 以下假设： (1) 流经吸收设备(吸收塔)的气体流量和液体流量可视为常量； (2) 吸收过程是等温进行的，因而可不考虑热量衡算。 上述假设将使气体吸收过程的分析和计算大为简化，而又不至于导致分析和计算结果的较 大误差。这在环境工程上是允许的。 4.2.2.2 吸收过程的气液相平衡 (1) 相组成的表示方法 ― 质量分数 α：混合物中某组分 B 的质量占混合物总质量的分率，常用 αB 表示。对于 A－B 两组分物系，有：αA＋αB＝1 ― 物质的量分数 x：混合物中某组分 B 的物质的量占混合物总物质的量的分率，常用 xB 表示。 对于 A－B 两组分物系，有：xA＋xB＝1昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 34 页质量分数和物质的量分数的换算关系： xA＝αA/MA/(αA/MA＋αB/MB) 或 αA＝xAMA/( xAMA＋xBMB)― 物质的量比 X：混合物中 A、B 两组分物质的量之比，常用 X 表示。 物质的量分数 x 和物质的量比 X 间的关系为： X＝x/(1－x) 或： x＝X/(1＋X)― 浓度：单位体积中的物质量。常表示为质量浓度和物质的量浓度。 定义组分 A 的质量浓度为：ρA＝mA/V 式中：ρA―组分 A 的质量浓度，kg/m3； mA―组分 A 的质量，kg； V―物系总体积，m3。 定义组分 A 的物质的量浓度为：cA＝nA/V 式中：cA―组分 A 的物质的量浓度，kmol/m3； nA―组分 A 的物质的量，kmol； V―物系总体积，m3。 对于理想气体混合物，其物质的量浓度可表示为：cA＝pA/RT 式中：pA―物系中组分 A 的分压，Pa。 对于理想气体混合物，组分 A 的物质的量比等于其分压比：yA＝pA/P 式中：yA―组分 A 的物质的量比； P―混合气体的总压，Pa。 ― 质量浓度和物质的量浓度的关系：cA＝ρA/MA 【例】常温常压下，用吸收法处理焦炉气中的苯。焦炉气流量为 1800m3/h，其中含苯 156kg/h， 例 其他为惰性组分。试求焦炉气中苯的物质的量分数和物质的量比。 【解】取：物系总压为 101kPa，温度为 25℃。 解 苯的摩尔质量为 78kg/kmol，焦炉气中苯的物质的量为 nA＝mA/M＝156/78＝2kmol/h 苯的分压为 pA＝nRT/V＝2×8.314×(25＋273)/kPa 苯的物质的量分数为：yA＝pA/P＝2.75/101＝0.0272 苯的物质的量比为：YA＝yA/(1－yA)＝0..0272)＝0.0279昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 35 页【讨论】(a) 计算条件未全给出时，应通过查阅文献获取，或根据题意和常识设定；(b) 当混合 讨论】 物中某组分的物质的量分数很小时，物质的量分数和物质的量比在数值上近似相等。 (2) 气体在液体中的溶解度 ― 相平衡及溶解度：在恒定的温度和压力下，使一定量的溶剂(吸收剂)和混合气体接触，溶质 (吸收质)便由气相向液相转移。随着溶液中溶质浓度的升高，吸收速率逐渐减小，解吸速率逐 渐增大。经过气液两相足够长的时间接触后，吸收速率和解吸速率趋于相等，即溶质在气相中 的分压和在液相中的浓度均不再发生变化，处于动态平衡。这种状态称为相际平衡，简称相平 衡或平衡。平衡状态下，气相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压；液相中的溶质浓度称为 平衡浓度或饱和浓度，常称为平衡溶解度，或简称为溶解度。习惯上用单位质量(或体积)的液 体中所含溶质的质量来表示。 ― 相平衡的影响因素：在气液平衡系统中，共有 4 个变量：温度、压力、气相组成和液相组成。 根据相律，气液相平衡系统的自由度数 F 为： F＝K－Φ＋2 式中：K― 独立组分数； Φ― 相数。 对于单组分物理吸收系统，独立组分为溶质 A、溶剂 S、惰性气体 B，即 K＝3，相数为气 液两相，即Φ＝2，因此，自由度数 F＝3－2＋2＝3，即在温度、压力、气相组成和液相组成 4 个变量中，有 3 个是独立变量，另一个为这 3 个变量的函数。这样，溶解度 cA*可表示为温度 t、 压力 P 和气相组成 yA 的函数： cA*＝φ(t，P，yA) 根据实验，当物系总压 P 不高(小于 5×105Pa)时，气相可视为立项气体混合物。此时，组 分 A 的分压 pA 与物系总压 P 的关系服从道尔顿分压定律，即 pA＝yAP 上式表明，在物系总压不高时，溶解度主要受温度和溶质分压的影响，即 cA*＝f(t，pA) 当温度一定时，溶解度只是溶质分压的单质函数，即 cA*＝F(pA) 综上所述，影响相平衡的主要因素有：温度、压力、气相组成和液相组成。说明溶解度不 仅与气体和液体的性质有关，而且与物系的温度、总压和气相组成有关。在物系总压不高时，昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 36 页溶解度主要受温度和气相组成影响。 ― 溶解度曲线：气体溶解度与其影响因素之间的关系一般可通过实验测定。在二维坐标系上根 据实验数据绘制的气液相平衡关系曲线称为溶解度曲线，又称气液平衡曲线。如下图所示。p SO2，283K NH3，303KNH3，283K HCl，283K ，x p―溶质在气相中的分压，kPa；x―溶质在溶液中的物质的量分数 ―溶质在气相中的分压， ； ―几种常见气体在水中的溶解度曲线 从溶解度曲线，可以看出以下几点规律： ① 不同性质的气体组分(溶质)在同一温度和分压下，溶解度各不相同。这也是利用吸收过 程能够分离气体混合物的依据； ② 当溶质的分压一定时，溶解度随温度升高而减小，即：降温有利于提高溶质的溶解度； ③ 当温度一定时，溶解度随溶质分压的升高而增大，即：加压有利于提高溶质的溶解度； ④ 当物系压力较低(&5×105Pa)时，对于稀溶液，其溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压 成正比。 (3) Henry 定律 ― 数学表达式 当物系总压不高(一般&5×105Pa)时，在一定温度下，气体混合物中某组分在稀溶液中的溶 解度与该组分的平衡分压成正比，此即 Henry 定律。其数学表达式为： cA*＝HpA 对于单组分吸收，则有昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 37 页c*＝Hp或p*＝c/H式中：c*―溶质的在液相中的溶解度，kmol/m3； p*―溶质的在气相中的平衡分压，Pa； H―Henry 系数，kmol/(m3?Pa)。 ― 几种表达方式 (a) 将 p 和 c 关联的 Henry 定律：若用物质的量浓度 c 表示溶解度，则有 p*＝c/H 式中：p*―溶质的在气相中的平衡分压，Pa； c―溶质的在液相中的溶解度，kmol/m3； H―溶解度系数(Henry 系数)，kmol/(m3?Pa)。 (b) 将 p 和 x 关联的 Henry 定律：若用物质的量分数 x 表示溶解度，则有 p*＝Ex 式中：p*―溶质的在气相中的平衡分压，Pa； x―溶质的在液相中的溶解度； E―Henry 系数，Pa。 (c) 将 y 和 x 关联的 Henry 定律：若用物质的量分数 x 表示溶解度，用 y 表示溶质在气相中 的物质的量分数，则有 y*＝mx 式中：y*―物系达到相平衡时，溶质的在气相中的物质的量分数； x―溶质的在液相中的溶解度； m―相平衡常数(Henry 系数)。 (d) 将 Y 和 X 关联的 Henry 定律：若用物质的量比 X 表示溶解度，用 Y 表示溶质在气相中 的物质的量比，则有 X＝x/(1－x) Y＝y/(1－y) 因为 所以， y*＝mx Y*＝mX/(1＋(1－m)X)对于稀溶液，X 通常很小，因此，上述关系式可简化为： Y*＝mX昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 38 页式中：Y*―溶质在气相中的物质的量比； X―溶质的在液相中的物质的量比； m―相平衡常数(Henry 系数)。 ― 几个 Henry 常数之间的关系 E、H 和 m 等 3 个 Henry 常数之间的关系为： H＝ρs/(EMs) m＝E/P H＝c/(Ex) 式中：ρs― 溶剂密度，kg/m3； Ms― 溶剂相对分子质量，kg/kmol； P― 物系总压，Pa。 ― 几点注意事项 (a) Henry 定律有不同表达式。在具体使用时，应以方便为原则。通常，实验测定时，采用 p*＝Ex，而作吸收计算时，则多用 y*＝mx 或 Y*＝mX； (b) 溶解度常数 H 和 Henry 系数 E 与物系总压无关，而相平衡常数 m 与物系总压有关。计 算时，一定要与相应的压力一致； (c) 溶解度常数 H 随温度升高而减小， Henry 系数 E 和相平衡常数 m 则随温度上升而增大； (d) 从相平衡可知，低温和高压有利于吸收操作，但温度和压力的确定还应考虑吸收速率 等因素。 4.2.2.3 相平衡与吸收过程的关系 相平衡与吸收过程的关系(参见《教材》第 91 页～第 92 页) (1) 指明吸收过程的极限 平衡是吸收过程的极限。相平衡关系限制了溶质在吸收液中的最高浓度和在净化气中的最 低浓度。实际的吸收过程是达不到平衡状态的，所以，溶质在吸收液中的浓度 x&x*，在净化气 中的浓度 y&y*。 (2) 判断吸收过程的方向 当不平衡的气液两相接触时，溶质将从一相转移到另一相。至于是发生吸收还是解吸，取 决于相平衡关系。也就是说，过程的方向是使物系趋于平衡状态。 (a) 当 y&y*，或 x&x*时，过程的方向是发生吸收； (b) 当 y＝y*，或 x＝x*时，过程处于气液平衡状态；昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 39 页(c) 当 y&y*，或 x&x*时，过程的方向是发生解吸。 (3) 计算吸收过程的推动力 吸收过程的推动力决定过程进行的速率。在吸收过程中，通常以实际状态的气液相组成与 其平衡状态组成的偏离程度Δy(＝y－y*)或Δx(＝x*－x)来定量表示吸收过程的推动力。实际 组成偏离平衡组成越远，则过程推动力越大，过程速率也就越快。 4.2.3 吸收传质机理和速率 吸收传质步骤(参见《教材》p93，3.3.1) 4.2.3.1 吸收传质步骤 分析吸收过程的目的在于解决两个基本问题，即：吸收过程的极限和吸收过程的速率。吸 收过程的极限取决于相平衡关系；吸收过程的速率则是由过程的推动力决定的。 吸收过程中，气液两相间的物质传递包括 3 个步骤： (1) 溶质由气相主体传递到相界面，即：气相内的物质传递； (2) 溶质在两相界面上从气相转入液相，即：相界面上发生溶解过程； (3) 溶质由相界面传递到液相主体。即：液相内的物质传递。 一般说来，相界面上发生的溶解过程比较容易进行，阻力较小。所以，通常认为相界面上 气液两相中的溶质浓度满足相平衡关系。这样，吸收过程总的传质速率将分别由气相和液相内 的传质速率所决定。 4.2.3.2 双膜理论模型(参见《原理》p141，图 4－7) 双膜理论是描述吸收过程的简化模型。其要点可归纳为流动和传质两大部分。 (1) 流动部分 ― 相互接触的气液两相存在一个固定的相界面。 ― 相界面的两侧分别存在气膜和液膜。 ― 膜内流体呈层流流动，膜外流体呈湍流流动。膜层厚度取决于流动状况。湍流愈剧烈， 膜层愈薄。 (2) 传质部分 ― 传质为定态过程。因此，沿传质方向上的溶质传递速率为常量。 ― 气液相界面上无传质阻力，即：在相界面上，气液两相呈平衡关系。 ― 在相界面两侧的膜层内，传质过程以分子扩散方式进行。 ― 膜外湍流主体内的传质阻力可忽略。因此，气液两相间的传质阻力主要取决于相界面两 侧的膜层传质阻力。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 40 页双膜理论将整个气液两相间的传质过程简化为通过气液两个层流膜层的分子扩散过程，从 而大大简化了吸收过程的计算。 【溶质渗透理论 溶质渗透理论】(参见《原理》p142) 溶质渗透理论 4.2.3.3 吸收速率方程 (1) 吸收速率 传质速率) 吸收速率(传质速率 传质速率 (参见《教材》p93，3.3.1) (2) 吸收速率方程 ― 气膜吸收速率方程 (参见《教材》p93，3.3.1.1) ― 液膜吸收速率方程 (参见《教材》p93，3.3.1.2) ― 相际吸收速率方程 (参见《教材》p94，3.3.1.3) (3) 应用注意事项 ― 各吸收速率方程中吸收系数(阻力)与推动力的正确组合及其单位的一致性。吸收系数的倒数 即为阻力。例如：以ΔY(＝Y－Y*)表示推动力时，总阻力为 1/Ky，气膜阻力为 1/ky，液膜阻力 为 m/kx；以ΔX(＝X*－X)表示推动力时，总阻力为 1/Kx，气膜阻力为 1/mky，液膜阻力为 1/kx。 ― 吸收速率方程式只适用于表示定态操作的吸收塔内任一截面上的速率关系， 而不能直接用来 描述全塔的吸收速率。在塔内不同截面上，气液两相组成各不相同，吸收速率也不相同。 ― 在使用总吸收速率方程式时，在整个吸收过程所涉及的组成范围内，平衡关系需为直线，即 符合 Henry 定律。否则，即使 kG 和 kL 为常数，总吸收系数仍随组成而变化。因此，不宜用总 吸收速率方程式进行吸收塔的计算。但对易溶气体，KG ? kG，或难溶气体 KL ? kL，此时，可使 用 KG 和 KL 及与其对应的总吸收速率方程式。对于中等溶解度而平衡关系不为直线时，不宜采 用总吸收速率方程式。 4.2.3.4 传质系数关系 (参见《教材》p94～95，3.3.2) 4.2.3.5 气液界面浓度 (参见《教材》p95，3.3.3) 4.2.3.6 吸收控制步骤昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 41 页(参见《教材》p95～97，3.3.4) 4.2.3.7 吸收控制实例吸收过程控制因素实例 吸收过程控制因素实例项目气体溶解性 影响吸收速率 的主要因素气膜控制易溶气体 气膜阻力 (1) 水吸收 NH3 (2) 水吸收 HCl (3) 碱 液 或 氨 水 吸 收 SO2 (4) 浓硫酸吸收 SO2 (5) 弱碱吸收 H2S液膜控制难溶气体 液膜阻力 (1) 水或弱碱吸收 CO2 (2) 水吸收 Cl2 (3) 水吸收 O2双膜控制介于易溶难溶之间的气体 气膜和液膜阻力 (1) 水吸收 SO2 (2) 水吸收丙酮 (3) 浓硫酸吸收 NO2环境工程实例(参见《原理》p144，表 4－4)昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 42 页4.2.4 吸收设备 吸收设备() 4.2.4.1 吸收设备及分类 (1) 吸收设备的功能 气体吸收过程与气液两相接触面大小、相界面更新状况等密切相关。吸收设备的功能就在 于建立较大的且能迅速更新的相界面。具体地说： ― 使气液两相充分地接触，以提供尽可能大的传质面积和传质系数； ― 使充分接触的气液两相能够及时有效地分离，以更新相界面； ― 使气液两相最大限度地接近逆流，以提供最大的传质推动力。 通常，相界面的形成方法主要有以下 3 种：(a) 生成液膜；(b) 气体以气泡形式分散于液体 中；(c) 液体以液滴形式分散于气体中。 (2) 吸收设备的分类 按照相界面的形成方法，吸收设备可分为： ― 膜式吸收设备：管束塔、填料塔、湍球塔等。 ― 气体分散式吸收设备：板式塔(泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等)。 ― 液体分散式吸收设备：喷洒塔、喷射塔、Venture 吸收塔等。 按吸收设备结构，吸收设备可分为： ― 板式塔：一般当处理物料量较大(塔径大于 0.8m)时，多采用板式塔。 ― 填料塔：一般当塔径要求在 0.8m 以下时，多采用填料塔。现在也有塔径超过 3m 的填料塔 在工业生产中运行。 按照气液接触状况，吸收设备可分为： ― 逐级接触式：板式塔。因塔内气液流动方式不同，又分为逆流塔板和错流塔板。在错流塔板 中，气液两相组成呈阶梯式变化。液体横向流过塔板，气体垂直穿过液层。但从吸收塔整体来 看，气液两相逆向流动。液相从塔顶流至塔底，而气相则从下向上流动。在逆流塔板中，气液 两相同时由塔板上的孔道逆向穿流而过。塔板结构简单。但需要较高气速才能维持板上液层， 操作范围较小，分离效率不高，实际应用较少。 ― 微分接触式：填料塔。一般气液两相为逆向流动，两相组成呈连续变化。 正常操作情况下，在错流塔板中，液体为连续相，气体在液体中分散；在填料塔中，气体 为连续相，液体则沿填料表面流动。 4.2.4.2 吸收设备的特点昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 43 页膜式吸收塔的主要特点序号 1 类 型 概 况 特 点管束塔 (结构图见教材第 98 页图 3－7)结构类似管壳式换热器，垂直 安装。核心构件为液体分布器、 管束(降膜管)和气体分布器。 吸 收剂靠重力作用沿管子内壁下 降形成液膜。气体和液体逆流 或并流接触完成吸收过程。(1) 气膜和液膜间互不贯透， 压降 较小，能耗较低，单位能耗所获 得的传质量较大； (2) 管外(壳程)可通入冷却剂对 管内物料进行冷却，适用于有较 高热效应的吸收过程，可使其接 近于等温吸收； (3) 因管束元件结构和尺寸相同， 所以，不存在比例放大问题。2填料塔 (结构图见教材第 98 页图 3－8)结构为直立圆筒体。主要构件 有填料支撑装置、液体分布器、 液体再分布器和除沫器。以填 料作为气液接触的基本单元。 气液两相在被吸收剂润湿的表 面接触完成传质过程。填料既 有增大传质面积的作用，又有 提高气液两相湍流程度的功 能。总体上使吸收速率加快。 又称流化填料塔，为填料塔的 一种特殊塔型。主要构件有栅 板、液体喷淋器和除沫器。塔 内放置轻质球形填料。气体以 一定气速将其托起，吸收剂则 喷洒在小球表面，形成液膜。 悬浮小球在气流作用下处于流 化状态，作无规则运动，使液 膜表面不断更新，大大强化了 吸收过程。(1) 由于以填料为气液接触单元， 所以，吸收传质面积较大，气液 湍流程度较高，吸收速率较快； (2) 结构简单， 可适用于各种腐蚀 介质存在的场合； (3) 压降较小； (4) 散热效果较差； (5) 易被气体中的颗粒物堵塞。 (1) 因气液固三相剧烈湍动， 故吸 收速率快，且不易被固体杂质及 粘性物料堵塞，适用于处理含固 体杂质较多的废气； (2) 气速较高， 处理能力大， 但压 降也较大，雾沫夹带严重； (3) 小球湍动， 造成一定程度的返 混现象，影响传质过程； (4) 塑料小球耐热性较差， 使用寿 命较短。3湍球塔 (结构图见教材第 99 页图 3－9)昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 44 页气体分散式吸收塔的主要特点序号 1 类 型 概 况 特 点泡罩塔 (结构图见教材第 100 页图 3－11)结构为板式塔。气液接触单元 为泡罩。(1) 操作单性较大； (2) 处理能力较小； (3) “气升管－泡罩”结构复杂， 气体通道曲折多变，阻力较大， 因而也限制了气速的提高。2筛板塔 (结构图见教材第 100 页图 3－12)结构为板式塔。和泡罩塔的区 别在于取消了泡罩和升气管， 而只在塔板上开设许多均匀分 布的筛孔。上升气流通过筛孔 分散成细小的流股，在板上液 层中鼓泡，形成泡沫层，为气 液两相提供了良好的传质吸收 条件。(1) 结构比较简单，金属耗量少； (2) 与泡罩塔相比，造价可减少 40%，塔板压降减少 30%，塔板 效率提高 15%，生产能力增加 20%～40%3浮阀塔 (结构图见教材第 101 页图 3－13)结构上兼有泡罩塔和筛板塔的 (1) 操作弹性大； 有点。气液接触单元为“浮阀” (2) 塔板效率高； (安置在塔板开孔上方可以上 (3) 生产能力大； 下浮动的阀片)。 (4) 塔板压降比泡罩塔小， 和筛板 塔接近； (5) 结构比泡罩塔简单， 比筛板塔 复杂。液体分散式吸收塔的主要特点序号 1 类 型 概 况 特 点喷洒塔 (结构图见教材第 102 页图 3－15)结构为空心塔。塔内不同位置 上安装有一层或多层液体喷 嘴。高压液体经喷洒成液滴而 分散在气体中。气体以逆流方 式和液滴接触而被吸收。 结构类似于喷射泵。液体从位 于吸收塔顶部的压力喷嘴高速 喷出，形成射流，产生真空将 气体吸入，并流流经吸收管， 射流被破碎为液滴群而和气体 强烈混合，增大气液两相接触 面积，完成吸收过程。(1) 结构简单，造价低廉； (2) 气体压降小，且不易堵塞； (3) 喷洒液体能耗较高； (4) 适用于除尘和吸收易溶气体。 (1) 气体不需风机输送； (2) 吸收塔进出口压降很小； (3) 能耗较高； (4) 所用液量大， 但循环使用可节 省液量， 并提高溶液中溶质浓度； (5) 适合于强腐蚀性气体和吸收 塔进出口不允许有压降或仅允许 极低压降的气体的吸收。 (1) 吸收效率较高； (2) 能耗较高； (3) 噪声较大； (4) 适合于受气膜阻力控制的气20 04－ 08－1 02喷射吸收器 (结构图见教材第 102 页图 3－16)3Venture 吸收器 (结构图见教材第 102 页图 3－17)由 Venture 管(渐缩管、喉管、 渐扩管)和气液分离器(旋风分 离器)组成。进入渐缩管的气体 被逐渐加速，在喉管处气速达昆明理工大 学环境科学与工程学院环境工程原理讲义第 45 页到最大(约 60～120m/s)。吸收 剂从喉管壁上的小孔喷入，被 高速气流分散成雾滴，从而形 成极大的气液相界面，并完成 吸收过程。 气体(夹带雾滴)流经 渐扩管时，气速逐渐下降，压 力逐渐上升，细小雾滴凝聚成 较大液滴，经旋风分离器实现 气液分离。体吸收过程。4.2.4.3 吸收设备的选择原则 为了强化吸收过程，降低设备投资和运行费用，吸收设备应满足以下要求： (1) 气液两相间应有较大的接触面积和一定的接触时间； (2) 气液两相间扰动愈强烈，吸收阻力就愈低，吸收效率就有可能较高； (3) 气流通过塔设备时，压力损失应小，操作应稳定； (4) 结构要简单、维修操作应方便，造价低廉，应具有相应的抗腐蚀和防赌塞能力。 因此，在选择吸收设备时，应主要考虑以下原则： a 与气体污染物的性质(温度、压力、流量、组分、浓度等)相适应； b 吸收效率应尽量高； c 压降和能耗应尽量低； d 处理能力(负荷)应足够大； e 操作弹性范围应尽量宽； f 造价和运转费用应尽量低。 上述要求和原则在实际中很难同时满足。需要视具体情况而定。 4.2.5 填料塔的设计计算 4.2.5.1 填料的选择 (1) 几何特性 表征填料几何特性的主要参数有以下几项： ― 比表面积σ：单位体积填料层所具有的填料表面积称为填料比表面积，常用σ表示，单位为 m2/m3。 填料的比表面积愈大， 所提供的气液传质面积愈大。 对于同一种类型的填料， 尺寸愈小， 则比表面积愈大。 ― 空隙率ε：单位体积填料层所具有的空隙体积称为填料的空隙率，常用ε表示，单位为 m3/m3。 填料的空隙率愈大，气体通过能力愈大，气体流动阻力就愈小。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 46 页－― 填料因子ψ：比表面积σ与空隙率的三次方ε3 之比称为填料因子，常用ψ表示，单位为 m 1。 填料因子ψ需由实验测定。它反映了实际操作时填料的流体力学性能。ψ值愈小，说明流体阻力 愈小。此时，可以提高液泛速度。 (2) 基本要求 参见《教材》p103，3.5.1.1 (3) 主要类型 Raschig ring 拉西环 Pall ring，Paul ring 鲍尔环 参见《教材》p103～104，3.5.1.2 4.2.5.2 吸收剂的选择 参见《教材》p106，3.5.2 吸收剂性能的优劣是决定吸收效果的关键因素之一。在废气中气态污染物的吸收处理操作 中，对吸收剂的选择应遵循以下原则： (1) 溶解度要大，以提高吸收速度，并减少吸收剂用量； (2) 选择性要好，以有利于待处理对象与其他组分的分离回收； (3) 挥发度要低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失； (4) 粘度要小，以改善吸收塔内的流体流动状况，减少传质和传热阻力及能耗； (5) 吸收液即为产品，以减少再生环节，降低操作处理费用； (6) 毒性和腐蚀性要低，以保护操作人员和设备； (7) 化学稳定性要好，以便于再生和保证其使用过程安全可靠； (8) 价格低廉，易于获得，以降低操作处理费用。 环境工程中常用的吸收剂及其组合见下表所示。 参见《教材》p106，表 3－4。 4.2.5.3 流体力学性能 (1) 气液两相流动方式 参见《教材》p106～107，5.3.3。 (2) 压降与气速的关系 参见《教材》p107，3.5.3.1。 (2) 压降与气速的关系昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 47 页参见《教材》p108，3.5.3.2。 4.2.5.4 塔径的计算 填料塔直径 D 与气体处理量和所选取的空塔气速…… 参见《教材》p109，3.5.4 吸收过程中，由于吸收质不断进入液相，故混合气体流量由塔底到塔顶逐渐减少。计算塔 径时，一般取塔底气量为依据。 计算塔径的关键是确定适宜的空塔速度 u。常用方法有： (1) 泛点气速法； (2) 气相动能因子(F 因子)法 (3) 气相负荷法 根据上诉方法计算出的塔径，还应按塔径公称标准作适当圆整。圆整后，再对空塔气速和 液体喷淋密度进行校正。 4.2.5.5 物料衡算与操作线方程 参见《教材》p111～112，3.5.5 需要指出的是，操作线方程式及操作线都是由物料衡算得到的，与系统的平衡关系、操作 温度和压力、塔的够型等都无关。 4.2.5.6 吸收剂用量的确定 吸收剂用量的确定() (1) 最小液气比吸收剂用量 参见《教材》p112～113，3.5.6.1 (1) 适宜液气比与吸收剂用量 参见《教材》p113，3.5.6.2 4.2.5.7 填料层高度的计算 参见《教材》p113，3.5.7 4.2.5.8 吸收系数的确定 参见《教材》p120～123，3.5.8 (1) 实测法确定吸收系数 参见《教材》p121，3.5.8.1 (2) 经验式计算吸收系数 参见《教材》p121，3.5.8.2昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 48 页(3) 准数关联式计算吸收系数 参见《教材》p121～122，3.5.8.3 ― 填料湿润表面积：雷诺准数，佛鲁德准数，韦伯准数； ― 液相传质系数：雷诺准数，施密特准数； ― 气相传质系数：雷诺准数，谢伍德准数，施密特准数。 4.2.5.9 强化吸收过程的途经 吸收速率是计算吸收设备的重要参数。吸收速率高，吸收设备单位时间内吸收的量也随之 增加。根据吸收速率方程式，通常可采取以下措施强化吸收过程，提高吸收效果： (1) 提高气液两相的相对运动速度，以降低气膜、液膜的厚度，从而减小吸收过程的传质 阻力； (2) 选用对溶质溶解度较大的溶剂作吸收剂，以增加其溶解度； (3) 适当提高供液量，以降低液相主体中溶质的浓度，从而增大吸收推动力； (4) 增加气液相接触面积，以加大单位时间内溶质的溶解量。 一定的物系在已经确定的吸收设备中进行吸收操作，当气相流量和入口浓度一定时，操作 控制的目标是获得尽可能高的溶质吸收率，即降低气相出口浓度。 影响溶质吸收率的因素主要有：物系本身的性质(溶解度、平衡分压等)、设备状况(结构、 传质面积等)和操作条件(温度、压力、液相流量、溶剂入口浓度等)。 因为气相入口条件难以改变，吸收设备又是固定的，所以，吸收过程中可以调节的因素通 常只有溶剂入口条件，包括流量、温度、浓度三大要素。 增大溶剂用量，操作线斜率增大，出口气体浓度降低，平均推动力增大，但还受到再生设 备的制约。另外，采用此法也是有限度的； 降低温度，气体溶解度增大，平衡常数减小，平衡线下移，平均推动力增大。但降温涉及 能耗问题； 降低溶剂入口浓度，液相入口推动力增大，全塔平均推动力增大。 总之，应综合考虑各种因素的影响，使之达到整个吸收过程的最优化。 4.2.6 板式塔的设计计算 4.2.6.1 流体力学性能 参见《教材》p129，3.6.4 ― 气体通过塔板的压降 p129，3.6.4.1昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 49 页― 液面落差 p130，3.6.4.2 ― 液泛(p132，3.6.4.3)：板式塔中降液管液面升至上层塔板溢流堰顶部，管内液体漫到上层塔 板。这种现象称为液泛。 开始发生液泛的条件为：降液管内泡沫液高度等于降液管高度，即： Hf＝Ht＋hw 防止发生液泛的条件为： Hd/φ&Ht＋hw ― 液沫夹带 p133，3.6.4.4 ― 气泡夹带 p134，3.6.4.5 ― 漏液 p134，3.6.4.6 ― 塔板的负荷性能 p135，3.6.4.7 4.2.6.2 板式塔操作线方程 参见《教材》p126，3.6.1 4.2.6.3 板式塔塔板数的计算 参见《教材》p126，3.6.2 ― 图解法：p127，图 3－29 ― 解析法：p127，式 3－66 4.2.6.4 板式塔的吸收效率 参见《教材》p127～128，3.6.3 (1) 单板效率：气相塔板效率，液相塔板效率 (2) 全塔效率 ― 定义：为完成指定的分离任务，所需的理论塔板数 N 与所需的实际塔板数 NP 之比，即：ET ＝N/NP ― 确定方法：类比分析法，经验关系式 4.2.6.5 板式塔塔径的计算 参见《教材》p136，3.6.5 ― 关键：确定适宜的操作气速。 ― 步骤：a、初步选定板间距；b、计算最大气速；c、选取设计气速；d、计算塔截面积；e、 计算塔径，f、结果取整。塔径 1m 以下，间隔为 100mm；塔径 1m 以上，间隔为 200mm。昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 50 页4.2.7 各种吸收塔的特点及比较 参见《教材》p149～150，3.7.4序号 1 项目 流动形态 填料塔 气体在填料空隙中 流过；液体在填料 表面呈无规则膜状 流动。两相湍流， 压降较小。 板式塔 气体在塔板上穿过 液体层形成泡沫层。 两相湍动剧烈，压降 较大。 管束塔 气体在直管中流动；液 体在直管壁上呈膜状向 下流，湍流程度较差， 但压降很小，适合于气 膜阻力控制的吸收过 程。2传热性能因难以在塔内安装 塔 板 上 可 以 安 装 换 本身就与管壳式换热器 换热构件，所以传 热构件，传热性能较 类似，可和壳程介质换 热性能较差。 好。 热。适合于热效应较大 的吸收过程。 填料可由耐腐蚀材 塔 板 需 用 耐 腐 蚀 材 管束需用耐腐蚀材料制 料制作， 造价较低。 料制作，造价较高。 作，造价较高。 填料空隙较小，容 塔 板 液 体 通 道 截 面 降膜管液体通道较小， 易堵塞。 积较大，不易堵塞。 容易堵塞。 由于填料对泡沫具 液沫夹带较重，容易 液沫夹带较重，容易产 有 限 制 和 破 碎 作 产生液泛，抗发泡性 生液泛， 抗发泡性较差。 用，所以抗发泡性 差。 较好。 结构简单，容易制 造安装。单位体积 的造价几乎不随塔 径而变。塔径小于 0.8mm 时，造价低 于板式塔。 结构比较复杂。塔径 结构复杂，安装要求很 小于 0.6m 时，因塔 高。 板安装较难而很少 采用。单位体积的造 价随塔径增大而降 低。塔径较大时，造 价低于填料塔。3 4 5耐腐蚀性 防堵塞能力 抗发泡性6制造安装昆明理工大 学环境科学与工程学院20 04－ 08－1 0环境工程原理讲义第 51 页4.2.8 化学吸收 化学吸收() 4.2.8.1 化学吸收的气液相平衡 吸收过程中，如果溶解于液体中的溶质 A 与吸收剂 B 发生了化学反应，生成反应产物 M、 N，那么，溶质在气液两相间的平衡既要满足相平衡关系，又要服从化学平衡关系。即有：气相 相平衡aAG化学平衡 液相 aAL＋bB mM＋nN化学吸收中的气液相平衡和化学平衡关系化学平衡关系为： K＝[M]m[N]n/([A]a[B]b) 式中：[M]，[N]，[A]，[B] ― 各组分浓度，kmol/m3； a，b，m，n ― 各组分的化学反应计量系数； K ― 化学平衡常数。 由上式可得： [A]＝{[M]m[N]n/(K[B]b)}1/a 根据 Henry 定律，有： p*A＝[A]/H＝{[M]m[N]n/(K[B]b)}1/a/H 式中，H―溶解度系数，kmol/(m3?kPa) 化学吸收中，溶质 A 在溶液中的总浓度等于与溶剂 B 反应生成 M 和 N 所消耗的量与保持 气液相