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1、环境工程原理的教学方法探讨与实践,清华大学环境科学与工程系张 旭2009年11月22日,环境工程原理课程定位,环境污染控制工程,环境净化与污染控制技术的基本原理和过程计算的基本理论分析问题和解决问题的方法论提高污染物去除效率理论基础和手段方法,问题提取,问题解决,环境工程原理课程定位,基础性综合性系统性抽象性,特点,问题和挑战,问题: 学生在接触专业课之前,对很多工程中的分离、反应过程不了解,很难建立概念模型,表面催化反应滤床中的传质过程管流系统:湍流流动中流体质点掺混和近壁处层流底层的关系 ,【例1】汽车尾气净化净化器,尾气中所含的NO与净化器中的催化剂接触,在净化剂表面发生还原反应,这一反
2、应过程可看作气体NO通过静止膜的一维稳态扩散过程。,气相主体,第三节 分子传质,【例2】填料床内装填可反应的固体颗粒,液体以表观速度流过床层,通过一定床层高度后,水中物质浓度发生变化。 对流传质过程和物料衡算相结合,在微元段内对苯酸作质量衡算,稳态情况下, 流出量流入量+溶解量,溶解量:,为单位床层体积的苯酸表面积,流入量,流出量,饱和浓度,第四节 对流传质,问题和挑战,思维在工程的实际过程和抽象的理论知识之间穿梭 学生用到最多的形容词:纠结。,如何让学生理解本课程作为专业基础课的 地位和作用?如何让学生建立工程概念?如何让学生理解工程中包涵的基本原理和基本理论?,要求: 先介绍实际污染控制等
3、过程,然后抽象出来,形成概念模型,再回到实际应用中,挑战:,教学方法探讨,探索课堂讲授与自学、课堂讨论、案例分析、实验等多种方式相结合的教学方式,以激发学生的学习兴趣、培养学生的创新思维。,教学方法主要体现在:,教学方法探讨,根据环境学科的科研进展和趋势,结合系里老师的科研成果,不断拓展和更新授课内容,激发学生追求真理、崇尚科学、勇于探索的热情。,增加了大量的水处理工程、大气污染控制工程、固体废弃物处理处置工程等环境污染控制以及生态修复方面的研究成果和工程应用实例。采用生动的例子和照片说明复杂的抽象问题。,教学方法探讨,实例图片展示和系统原理介绍提出其中具有共性的基本现象和所包含的基本原理让学
4、生了解所学的基础知识可以解决什么样的实际问题,使学生对课程内容的学习产生浓厚的兴趣提出一些科研中的难点,如土壤多相体系中传质过程的强化,以及传质动力学特征的描述等,激发学生的求知欲,环境工程原理基础,?,环境工程的重要任务之一:,污染控制,第一篇 环境工程原理基础,内涵,城镇污水处理厂: 去除污水中悬浮物、有机物、氮、磷等气体处理系统: 工业废气治理烟气脱硫 室内空气净化去除甲醛等挥发性有机污染物固体介质处理: 危险废物,固定重金属等 污染土壤修复,去除有机污染物或重金属等,环境工程原理基础,?,环境工程的重要任务之一:污染控制,从各种介质(水,气,固)中去除/分离污染物,方法、技术、工艺、设
5、备,分离/转化/隔离,快过程速率,加快过程速率,加快反应和输移过程速率,传质过程,提高速率、强化过程的措施,第一篇 环境工程原理基础,内涵,例2:水体污染控制,暴雨径流氮磷污染控制,沸石潜流湿地技术,填料植物微生物,有机物氮、磷,土壤层,沸石层,1、水流输移,3、植物衰亡,4、矿化作用,5、硝化作用,潜流湿地系统中氮素的迁移转化过程,控制暴雨径流中的氨氮,微生物分解:氨氮 硝酸盐 氮气,填料吸附和解析,氨氮,核心问题: 氨氮、氧、有机物、硝酸盐等的传质,生物膜,植物吸收,Org-N(0.02),NH4-N(0.06),NO3-N(0.08),植物态 N,衰亡 0.15,氨化 0.15,吸收 0
6、.93,吸附态 N,吸附 273.58,解吸 271.25,吸收 0.63,硝化 0.56,12.23,4.73,7.27,10.33,2.85,细胞态 N,同化 2.17,衰亡 2.14,11.64,N2,反硝化 4.23,来水,单位:g N d-1,氮素的去除途径:微生物分解,植物吸收,填料吸附,氮素的物料衡算,例3:污染土壤修复,富集作用(生物、基质)改善水分分布和持水能力增强气体传输、扩散,微生物修复石油污染土壤,多相非均质复杂体系,传质成为重要制约因素,(1)添加载体,强化传质:,(2)电动修复,施加电场 定向迁移,例4:流体输送,处理系统的流体输送给水排水管道工程 市政给水系统 建
7、筑给水系统 建筑热水供应系统 ,质量衡算与能量衡算,流体输送、流体中的分离或混合过程,加热、冷却、设备保温等,热量传递,通过吸收、吸附、萃取、膜分离,以及生物、化学反应等,分离去除污染物,质量传递,给水排水管道工程,流体流动,给水处理、,污水处理,,废气处理,固体废弃物处理,,污染土壤修复,污染水体修复,物质和能量的输移,第I篇 环境工程原理基础,为什么要学习分离过程?在环境领域哪些问题涉及分离过程?分离都有什么手段?本篇主要讲授内容?,第II篇 分离工程原理,混合体系,自然界是混合体系。在生活和生产过程中常常会遇到对混合体系中的物质进行分离的问题。在环境净化和污染控制领域,研究对象通常都是混
8、合体系(非均相和均相),问题的出现?,形形色色的固体废物,大气烟尘,成份复杂的废水,混合污染体系,例1:给水处理工艺,原水混凝 沉淀过滤 消毒饮用水,北京水源九厂,例2:大气烟尘净化,除尘器(分离去除粉尘),排放,旋风分离器,水力旋流器,教学方法探讨,突出课程重点和难点,针对不同难易程度的内容,采取灵活的、针对性强的教学方式,教学方法探讨,简单的内容,采取学生自学方式 如:常用物理量及单位换算 常用物理量及其表示方法,只强调本课程中重要的概念: 质量比、质量流量、通量等,教学方法探讨,复杂、难以理解的内容重点讲授精心制作课件,帮助同学理解抽象的内容 质量传递部分的总体流动 剪切应力产生的原因及
9、其作用 边界层分离等,在静止介质中由于分子扩散所引起的质量传递问题,静止流体,相界面,组分A通过气相主体向相界面扩散,依靠分子扩散,NA,在相界面附近,组分A沿扩散的方向将建立一定的浓度分布,第三节 分子传质,空气与氨的混合气体 (静止),氨,空气,氨的分压 p减小,流体自气相主体向相界面流动,空气分压增大反向扩散,可视为空气处于没有流动的静止状态,相界面,氨的扩散量增加,相界面上,氨溶解于水,气相总压减小,形成总压梯度,第三节 分子传质,一、单向扩散,总通量流动所造成的传质通量叠加于流动之上的分子扩散通量,总通量?,第三节 分子传质,(一)扩散通量,(1)实际流体具有黏性,容器中被搅动的水最
10、终会停 止运动,在空气中摆动的物体,随着时间的推移,摆动不断衰减,最终会停止。,黏性:在运动的状态下,流体所产生的抵抗剪切变形的性质,第二节 流体流动的内摩擦力,二、流体流动的内摩擦力,(一)牛顿黏性定律,现象(1):,结论(1):,(2)流动的流体内部存在相互作用力,?,第二节 流体流动的内摩擦力,剪切力:流体内部相邻两流体层的相互作用力剪切应力:单位面积上所受到的剪切力,现象(2):,结论(2):,层流流动的分子存在不规则热运动,发生分子动量传递,相邻两层流体动量不同,使相邻两流体层产生相互作用力,黏性流体,圆心处施加力使其流动,速度变化比较大、黏性力不能忽略的区域边界层,流速很小,速度梯
11、度很大,1904年,普兰德(Prandtl)提出了“边界层”概念,认为即使对于空气、水这些黏性很低的流体,黏性也不能忽略,但其影响仅限于壁面附近的薄层,即边界层;离开表面较远的区域,则可视为理想流体。,边界层,理想流体,因剪切应力而受阻减速,无滑移,u0,y,x,第三节 边界层理论,一、边界层的概念,流体流过表面曲率较大的曲面时,边界层外流体的速度和压强均沿流动方向发生变化,边界层内的流动会受到很大影响,流道断面变化,流速变化,压强变化,?,?,u 增大,压强减小,u 减小,压强增加,第三节 边界层理论,三、边界层分离,(二)过程,分离点,逆压区,流体惯性力与压强差克服流体的黏性力,顺压区,流
12、体惯性力克服黏性力和逆压强,流体质点的速度逐渐减小,D点近壁面处流体质点速度为零,D点之后?,第三节 边界层理论,三、边界层分离,分离点,尾流,(1)壁面附近的流体速度方向相反,发生倒流(逆压梯度),D点之后:,(2)产生旋涡尾流区(3)旋涡中的流体具有很大的角速度和旋转动能,使其压力降低,产生较大的形体阻力,第三节 边界层理论,三、边界层分离,绕过圆柱的稳态流动,尾部的反向流动是典型特征,且随Re的增加变得更加明显,教学方法探讨,复杂、难以理解的内容重点讲授精心制作课件,帮助同学理解抽象的内容对于不同过程,突出共性,帮助同学分析问题的本质,也避免类似过程的重复讲授 如沉降分离、传质平衡等,相
13、对运动,流体:液体气体,固体颗粒物液珠,流体阻力,例:沉降分离的一般原理和类型,例:吸收、吸附、萃取的传质平衡共性问题,先把吸收的工艺讲透吸附、萃取两个过程讲解时,学生就容易理解。,教学方法探讨,复杂、难以理解的内容重点讲授制作直观的多媒体课件,帮助同学理解抽象的内容对于不同过程,突出共性,帮助同学分析问题的本质,也避免类似过程的重复讲授由过程的表观现象入手,剖析宏观机理和微观过程,透过现象看本质 如表面过滤、沉降分离、传质等,回转真空过滤机工作过程示意,第二节 表面过滤的基本理论,某一过滤时间t时的过滤状态,相应的滤液量为V,过滤速度u定义为:,dt微分过滤时间, s dVdt时间内通过过滤
14、面的滤液量, m3 A过滤面积, m2,(表观),(7.2.1),第二节 表面过滤的基本理论,过滤速度与推动力之间的关系可用下式(Darcy 定律)表示:,Rm:过滤介质过滤阻力, 1/mRc:滤饼层过滤阻力, 1/m,假设rm,r分别为过滤介质和滤饼层的过滤比阻, 1/m2 Rm= rmLm;Rc= rL,(7.2.2),(7.2.4) Ruth 过滤方程,r:与过滤介质上形成的滤饼层的孔隙结构特性有关L:与滤液量有关,在过滤过程中是变化的。,第二节 表面过滤的基本理论,将比阻计算式代入式(7.2.8),得:,令,则:,(7.2.10),(7.2.11),第二节 表面过滤的基本理论,三、沉降
15、分离设备,例1:污水处理厂,污水处理:平流沉淀(砂)池,例2:气体净化:降尘室(除尘器),l,b,h,沉淀池或降尘室工作过程示意图,dc,气体混合物中组分分离吹脱去除液体中挥发性组分汽提,去除水、气体和固体中污染物的过程,吸收,萃取,吸附,膜分离,离子交换,传质过程:,分离中的传质过程:,第一节 环境工程中的传质过程,根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度不同,使气体与液体充分接触,其中易溶的组分溶于溶剂进入液体,而与非溶解的气体组分分离,气体混合物中组分分离,废气中SO2的去除废气中氨的去除,第一节 环境工程中的传质过程,某石油化工区地下水色-质联机检测谱图,稠环芳烃类: 15.73 %
16、苯系物类 : 62.66%烷烃类 : 7.83%酯、醛、酮 :13.78%,石油类污染物:540mg/L,吹脱去除液体中挥发性组分,第一节 环境工程中的传质过程,试验系统图,吹脱,吹脱去除液体中挥发性组分,第一节 环境工程中的传质过程,气水比5:1油去除率50%60%,不同气水比时油浓度变化曲线,吹脱去除液体中挥发性组分,第一节 环境工程中的传质过程,气体混合物中组分分离吹脱去除挥发性组分汽提,液体混合物中组分分离染料废水处理样品石油烃分离测定,去除水、气体和固体中污染物的过程,吸收,萃取,吸附,膜分离,离子交换,传质过程:,分离中的传质过程:,第一节 环境工程中的传质过程,利用液体混合物中各
17、组分在不同溶剂中溶解度的差异分离液体混合物,液体混合物中组分分离,染料废水处理,第一节 环境工程中的传质过程,气体混合物中组分分离吹脱去除挥发性组分汽提,液体混合物中组分分离染料废水处理样品石油烃分离测定,气体或液体混合物中组分分离活性炭吸附水中有机物,去除水、气体和固体中污染物的过程,吸收,萃取,吸附,膜分离,离子交换,传质过程:,分离中的传质过程:,第一节 环境工程中的传质过程,当某种固体与气体或液体混合物接触时,气体或液体中的某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相,气体或液体混合物中组分分离,活性炭吸附水中有机物,第一节 环境工程中的传质过程,气体混合物中组分分离吹脱去除挥发性
18、组分汽提,液体混合物中组分分离染料废水处理样品石油烃分离测定,气体或液体混合物中组分分离活性炭吸附水中有机物,去除水中阴阳离子制作纯水去除水中重金属,高分子薄膜为分离介质,组分选择性地透过膜制作纯水海水淡化截留某些组分,去除水、气体和固体中污染物的过程,吸收,萃取,吸附,膜分离,离子交换,传质过程:,分离中的传质过程:,第一节 环境工程中的传质过程,以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质,当膜的两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差)时,混合物中的某一或某些组分可选择性地透过膜,从而与混合物中的其它组分分离,膜分离,电渗析,第一节 环境工程中的传质过程,反应中的传质过程:,催化氧化法净化
19、汽车尾气,第一节 环境工程中的传质过程,生物膜法净化污水,质量传递的推动力,温度差,压力差,电场或磁场的场强差,浓度差,第一节 环境工程中的传质过程,气相、液相、固相之间的传质过程对于污染物分离过程具有重要影响,主要内容,传质的机理,分子扩散,涡流扩散,实际传质过程中的速率?,费克定律,受流动影响,静止介质中的扩散,流动流体中的扩散,分子传质,对流传质,第二节 质量传递的基本原理,教学方法探讨,始终贯穿“启发式教学”的思想,使学生积极思考、主动参与,注重启发学生的创造力,教学方法探讨,通过日常生活和环境工程中的现象或过程,启发学生思考基本现象,理解基本原理,引导学生的开放性思维 例如,在热量传
20、递单元中以房间内的人体为感知对象,让同学回忆冬季和夏季、有风和无风等情况下对冷热的感觉,然后回答为什么,从中理解传热的过程和机理,使学生在简单的现象中掌握抽象的基础知识 以房间暖气片和实验室的加热装置分析对流传热过程,流体在外加能量的作用下处于流动状态,自然对流传热,流体由于内部温度差产生密度差而流动,套管式换热器,暖气片,第一节 热量传递的方式,水浴锅,强制对流传热,对流传热过程的分类,教学方法探讨,通过具有研究性质的作业,鼓励学生自己得出结论,知识掌握得牢固,锻炼了分析问题的能力 例如,在热量传递单元中通过计算和数学推导,得出两种导热性能不同的保温材料的正确布置方式分析高尔夫球和鲨鱼皮泳衣
21、中包含的流体力学原理,从而得出摩擦损失和局部损失对流动阻力的影响 房间与室外环境的传热过程,思考题1:高尔夫球表面有300500个小凹坑,试解释原因思考题2:“鲨鱼皮”泳衣比传统泳衣降低4%的阻力,创造了流体力学的奇迹,试分析其原理。,第三节 边界层理论,塑形排水槽让水流 “粘”在身边,粗糙表面摩擦阻力大。但是,当表面粗糙促使边界层湍流化以后,造成分离点后移,形体阻力会大幅度下降。,(2)物体表面的粗糙度的影响,(3)几何形状的影响,尾流区的大小,形体阻力,第四节 流体流动的阻力损失,湍流时,摩擦阻力较层流时大。但与层流时相比,分离点后移,尾流区较小,形体阻力将减小;层流时,摩擦阻力小,但尾流
22、区较湍流时大,形体阻力较大。,(1)流态的影响,层流边界层和紊流边界层都会发生分离,在相同的逆压梯度下,层流边界层和紊流边界层哪个更容易发生分离?,(由于层流边界层中近壁处速度随y的增长缓慢,逆压梯度更容易阻滞靠近壁面的低速流体质点),结论:湍流边界层的分离点延后产生,第三节 边界层理论,三、边界层分离,(四)流态的影响,层流底层厚度,在湍流流动时,管壁的粗糙度对摩擦系数产生影响,其影响与Re和相对粗糙度有关,相当于光滑管,与粗糙度无关,与Re无关,阻力平方区,第四节 流体流动的阻力损失,(3.4.19),管壁凸出的平均高度,管壁凸出的平均高度,设冬天室内的温度为 ,室外温度为 , 。在两温度
23、保持不变的情况下,试绘制稳态时下列三种情况下从室内空气到室外大气温度分布示意图。(1)室外平静无风,不考虑辐射传热; (2)室外冷空气以一定流速流过砖墙表面,不考虑辐射传热; (3)室外除了刮风外,还考虑砖墙与四周环境的辐射传热。,第四章 热量传递,(1)三种传热过程的温度分布特征(2)串联热阻叠加原则(3)传热速率与推动力和热阻的关系(4)总热阻减小使热流量增大,热阻不变的温差会增大,教学方法探讨,采取讲授与案例相结合的方式,引导和鼓励学生独立思考、充分讨论、大胆发言,训练了学生的思维 例如,例如在学习传质部分时以去除烟气中的二氧化硫为例,让大家讨论去除方法和工艺,其中包含了传质的方式、机理
24、、传质速率和强化传质的措施最后,通过介绍实际脱硫工程所采用的工艺和设备,使同学不仅将整章知识贯穿起来,而且对基本原理的理解也得到了升华。,例1:废气治理,SO2,燃煤烟气除硫,水,效果和效率问题,任务:克服传质限制,SO2,水,气泡,水,溶解平衡,措施: 减小传质阻力 增加传质面积,讨论:传质的方式、机理、传质速率和强化传质的措施,例1:废气治理,SO2,燃煤烟气除硫,碱,石灰石/石灰石膏,(2)逆流接触的反应器,逆流推动力增大,流动使传质强化(3)碱液以液滴形式与SO2接触,增大接触面积。,(1)在相界面处,SO2到达液膜即发生反应,不存在向液相主体的传质过程,传质阻力减少。,气泡,碱液,教
25、学方法探讨,对于课程难点组织专题讨论,促进培养学生独立思考问题的能力,诱导学生的创新欲望对于流体流动、热量传递、质量传递,引导同学们分析、寻找它们的之间的相似性和内在规律,对于任何处于不平衡状态的体系,一定会有分布不均匀的物理量由高强度区向低强度区转移,这一过程即为传递过程。,当体系中存在速度、温度和浓度梯度时,就会分别发生动量、热量和质量的传递过程。,动量传递:体系中动量由高速流体层向低速流体层转移,热量传递:热量由高温区向低温区转移温度差,质量传递:一个或几个组分由高浓度区向低浓度区转移,速度差,浓度差,传递现象的类似性,分子传递类比表,(2)非常相似的数学表达式现象方程,(1)共同的物理
26、本质,即都是基于分子的热运动,(3)对于理想气体,根据气体动力学理论可以推导三者的分子传递系数相等。,涡流传递速率,涡流动力粘性系数,涡流导热系数,涡流质量扩散系数,涡流热量通量,涡流扩散引起的组分A的质量通量,涡流剪切应力(动量通量),涡流传递系数不是物性,受流体宏观运动的影响,影响因素较多,涡流扩散引起的组分A的质量通量,但是这三种传递过程具有类似性,这种类似性不仅表现在分子传递中,在涡流传递中也具有类似性。,动量、热量和质量传递在传递机理、数学表达式以及传递特征量等方面表现出类似性。,动量传递、热量传递、质量传递,三种不同的物理现象,物理量之间还存在关联关系 类比法的理论基础,类似率,解
27、决湍流传递的重要方法之一,雷诺类似率,范宁摩擦系数,作用:用流体力学的实验代替传热和传质实验,或由一个已知过程的系数求得其它系数,这些类似关系和定量关系使研究三类传递过程的问题得以简化,学生对教学方法的评价,重视对学生的启发,让学生一直都在思考。同时,老师还准备了很多生动的例子,来说明抽象的概念。善于激发同学们积极思考问题,开阔思路。能从宏观上教授学生思考问题的方法。课堂与学生互动较好。通过一些实例把专业知识讲的生龙活虎,很能开阔同学们的视野。经常补充课外知识。老师经常在课堂中给我们传达科研或者做其他事情的正确思想,能够在课堂上给我们讲很多科研以及实验的东西,这些东西在其他地方都很难学到,很难能可贵。理论知识联系实际问题,鼓励学生用知识自己解决实际问题,上课经常让同学们去做一些研究性质的作业,锻炼各种能力。,体 会,教材建设非常重要,需要补充完善主讲教师加强学习,读经典著作投入精力制作高水平的课件加强实验或演示实验教师亲自答疑,了解同学们的问题,启发我们的讲课思路,完善课件的制作,对改进教学具有很好的作用加强交流,互相学习,取长补短,谢谢!,
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