《环境工程原理》教学大纲

一、基本信息

课程名称		环境工程原理				课程编号	ENSE3106
英文名称		Principles of environmental  engineering				课程类型	专业基础课
总学时	54	理论学时		54	实验学时		实践学时
学分	3	预修课程	流体力学、物理化学等			适用对象	环境工程本科、辅修
课程简介 （200字左右）		《环境工程原理》主要讲述水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废弃物处理处置工程等环境污染防治以及生态修复工程中涉及的具有共性的基本现象和基本过程的基本原理。主要内容包括环境工程原理基础、分离过程原理和反应工程原理三部分。环境工程原理基础部分主要讲述物料与能量守恒原理、传递过程等。分离过程原理部分主要讲述沉淀、过滤、吸收、吸附的基本原理。反应工程原理部分讲述化学和生物反应计量学、动力学、各类反应器的过程解析等。

二、教学目标及任务

《环境工程原理》是环境工程专业的重要专业基础课，该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染控制工程，即水质净化与水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物处理与处置及资源化工程，以及其他污染控制工程中涉及的具有共性的工程学基础基本过程和现象，以及污染控制装置的基本原理。

通过本课程的学习应使学生能掌握物料与能量衡算、传热、传质、沉降、离心、过滤、吸收、吸附的基本原理和基本计算，掌握化学与生物反应动力学、各类化学及生化反应器理论，为后续专业课程的学习奠定基础。

课程学习结束后，学生应达到以下要求：①掌握环境工程学的基本概念和基本理论：主要包括物料与能量衡算、流体流动、热量传递和质量传递过程的基本概念和基本理论；②掌握分离过程的原理：主要包括沉淀、过滤、吸收、吸附、离子交换、膜分离等基本分离过程的原理；③掌握反应工程原理：主要包括化学与生物反应计量学及动力学，各类化学与生物反应器的解析与基本设计理论等。

本课程支撑环境工程专业毕业要求1、2、3、4、5、6和12。

三、学时分配

教学课时分配

章节	章节内容	讲课	实验	实践	合计
第一章	绪论	1			1
第二章	质量与能量衡算	3			3
第三章	热量传递	6			6
第四章	质量传递	6			6
第五章	沉降	3			3
第六章	过滤	3			3
第七章	吸收	6			6
第八章	吸附	4			4
第九章	其他分离过程	4			4
第十章	反应动力学基础	5			5
第十一章	反应动力学的解析方法	3			3
第十二章	均相化学反应器	3			3
第十三章	非均相化学反应器	3			3
第十四章	微生物反应器	4			4
合计		54			54

四、教学内容及教学要求 

第一章  绪论

1.      环境问题与环境学科的发展

2.      环境污染与环境工程学

3.      污染控制技术体系，包括水污染控制技术体系  大气污染控制技术体系  固体废物处理处置技术体系等。

4.      污染控制技术原理的基本类型

5.      环境工程原理课程的主要内容

本章重点、难点：环境污染与环境工程学；环境工程原理课程的主要内容

本章教学要求：了解环境问题与环境学科的发展；了解环境工程学的学科体系；了解环境净化与污染控制的基本方法与原理；了解环境工程原理课程的主要内容及学习方法。

第二章  质量与能量衡算

第一节  常用物理量

1.        计量单位

2.        物理量的单位换算

3.        量纲和无量纲准数

4.        常用物理量及其表示方法

习题要点：物理量的单位换算；各种浓度的相互换算

第二节  质量衡算

1.       质量衡算的基本概念

2.      总质量衡算

习题要点：质量衡算

第三节  能量衡算

1.      能量衡算方程

2.      热量衡算方程

3.      封闭系统的热量衡算

4.      开放系统的热量衡算

习题要点：各类能量衡算

本章重点、难点：计量单位、物理量的单位换算、量纲和无量纲准数、常用物理量及其表示方法。质量衡算的基本概念，总质量衡算。能量衡算方程，热量衡算方程，封闭系统的热量衡算，开放系统的热量衡算。

本章教学要求：熟练掌握各种浓度的表示方法及其相互换算； 熟练掌握质量衡算方法和能量衡算方法；掌握常用物理量及其单位换算；掌握量纲的概念。

第四章  热量传递

第一节  热量传递的方式

1.  热量传递的方式

第二节  热传导

1.  傅立叶定律

2.  导热系数

3.  通过平壁的稳定热传导

4.  通过圆管壁的稳定热传导。

习题要点：导热计算

第三节  对流传热

1.  对流传热的影响因素

2.  对流传热的机理

3.  对流传热速率

4.  对流传热的经验公式

5.  保温层的临界直径

6.  间壁传热过程计算。

习题要点：对流传热速率和对流传热系数的计算；间壁式传热过程的计算

第四节  辐射传热

1.  辐射传热的基本概念

2.  物体的辐射能力

3.  物体间的辐射传热

4.  气体的辐射传热

5.  对流和辐射联合传热

习题要点：辐射传热计算

第五节  换热器

1.  换热器的分类与结构形式

2.  管式换热器

3.  板式换热器

4.  强化换热器传热过程的途径

本章重点、难点：通过平壁和圆管壁的稳定热传导；间壁传热过程计算；对流传热的机理及其影响因素；对流传热速率及传热系数的计算。

本章教学要求：了解热传导的基本原理；掌握傅立叶定律及平壁和圆筒壁的热传导计算；理解对流传热的基本原理、牛顿冷却定律及影响对流传热系数的因素；掌握对流传热系数的物理意义及经验关联式的用法，使用条件及注意事项；理解辐射传热的基本概念及两固体辐射传热的计算；掌握传热过程的计算，传热速度方程式，传热负荷，平均温度差，总传热系数计算及了解强化传热过程，途径；了解工业生产中常用换热器的类型，结构，并能进行列管式换热器的选型计算。

第五章  质量传递

第一节  环境工程中的传质过程

1.  环境工程中常见的传质过程

第二节  质量传递的基本原理

1.  传质机理

2.  分子扩散

3.  涡流扩散

第三节  分子传质

1.  等分子反向扩散

2.  单向扩散

3.  界面上有化学反应的稳态传质

习题要点：分子传质的扩散通量与浓度分布的计算

第四节  对流传质

1.  对流传质机理及传质边界

2.  对流传质速率方程

3.  典型情况下的对流传质系数

本章重点、难点：分子扩散；单向扩散；涡流扩散与涡流扩散系数的概念；分子传质的扩散通量与浓度分布的计算；对流传质的机理、传质速率方程和传质系数。

本章教学要求：掌握传质的基本概念；了解环境工程中常见的传质过程；掌握分子传质和对流传质的传质速率方程和传质系数。

第六章  沉降

第一节 沉降分离的基本概念

1.  沉降分离的一般原理和类型

2.  流体阻力与阻力系数

第二节  重力沉降

1.  重力场中颗粒的沉降过程

2.  沉降速度的计算

3.  沉降分离设备。

习题要点：重力沉降速度的计算

第三节  离心沉降

1.  离心力场中颗粒的沉降分析

2.  旋流器的工作原理

3.  离心沉降机工作原理

习题要点：旋风分离器、离心沉降机的计算

第四节  其他沉降

1.  电沉降

2.  惯性沉降

本章重点、难点：流体阻力与阻力系数；重力场中颗粒的沉降；离心力场中颗粒的沉降；旋流分离器的工作原理及有关计算；离心沉降机工作原理及有关计算。

本章教学要求：了解重力沉降和离心沉降的基本原理；掌握沉降速度基本计算方法；掌握旋风分离器的主要性能；了解电除尘器和惯性除尘器的工作原理。

第七章  过滤

第一节  过滤操作的基本概念

1.  过滤过程

2.  过滤介质

3.  过滤分类

第二节   表面过滤的基本理论

1.  表面过滤的基本方程

2.  过滤过程的基本计算

3.  过滤常数的测定

4.  滤饼洗涤

5.  过滤机生产能力的计算

习题要点：过滤过程的计算、过滤机生产能力的计算。

 第三节  深层过滤的基本理论

1.  流体通过颗粒床层的流动

2.      深层过滤过程中悬浮颗粒的运动

本章重点、难点：表面过滤的基本方程；过滤过程的基本计算；过滤常数测定；过滤机生产能力的计算；流体通过颗粒床层的流动；深层过滤过程中悬浮颗粒的运动。

本章教学要求：掌握过滤操作的基本概念；掌握恒压过滤过程的基本计算、过滤常数及其测定；掌握过滤机生产能力的计算。

第八章   吸收

第一节  吸收的基本概念

1.  吸收的定义与应用

2.  吸收的类型

第二节  物理吸收

1.  物理吸收的热力学基础

2.  物理吸收的动力学基础

第三节  化学吸收

1.  化学吸收的特点

2.  化学吸收的平衡关系

3.  化学吸收的传质速率

第四节  吸收设备及其主要工艺计算

1.  吸收设备工艺简述

2.  填料的类型及特性

3.  填料塔吸收过程的物料衡与操作线方程

4.  吸收剂的用量计算

5.  填料层高度的计算

6.  吸收过程的计算

习题要点：吸收设备的计算

本章重点、难点：物理吸收的热力学基础；物理吸收的动力学基础；化学吸收的平衡关系；化学吸收的传质速率；填料塔吸收过程的物料平衡与操作线方程；吸收剂的用量计算；填料层高度的计算。

本章教学要求：了解吸收的概念和吸收的类型；掌握气-液平衡和亨利定律及其应用；掌握双膜理论的要点及传质速率方程；熟练掌握吸收塔的物料衡算方程和操作线方程；熟练掌握吸收剂用量的计算、填料层高度的计算。

第九章  吸附

第一节 吸附分离操作的基本概念

1.  吸附分离操作的分类

2.  吸附分离操作的应用

第二节  吸附剂

1.  常用吸附剂的特性

2.  几种常用的吸附剂

第三节  吸附平衡

1.  单组分吸附气体

2.  双组分气体吸附

3.  液相吸附

第四节  吸附动力学

1.  吸附剂颗粒外表面界膜传质速率

2.  吸附剂颗粒内表面扩散速率

3.  内表面扩散阻力控制时的吸附过程

4.  外表面界膜控制时的吸附过程

第五节  吸附操作与吸附穿透曲线

1.  接触过滤吸附

2.  固定床吸附

习题要点：吸附操作的计算

本章重点、难点：常用吸附剂的特性；吸附平衡；吸附剂动力学；接触过滤吸附；固定床吸附。

本章教学要求：掌握吸附分离操作的有关概念；掌握等温吸附方程及吸附动力学方程；掌握吸附操作与吸附穿透曲线的有关概念及计算。

第十章  其他分离过程

第一节  离子交换

1.  离子交换剂概述

2.  离子交换的基本原理

3.  离子交换的速度

第二节  萃取

1.  萃取分离的特点

2.  萃取过程的热力学基础

3.  萃取剂的选择

4.  萃取过程的流程和计算。

第三节  膜分离

1.  膜分离概述

2.  膜分离过程的传递过程

3.  反渗透和纳滤

4.  微滤与超滤

5.  电渗析

6.  其它膜分离。

本章重点、难点：离子交换的基本原理、离子交换的速度；萃取过程的热力学基础、萃取过程的流程和计算；膜分离过程的传递过程、反渗透和纳滤、微滤与超滤、电渗析、其它膜分离

本章教学要求：掌握离子交换的基本原理；掌握离子交换速度的控制及其影响因素；熟悉萃取剂的选择及萃取过程的流程与计算；熟悉膜分离的原理、特点及发展状况。

第十一章 反应动力学基础

第一节  反应器和反应操作

1.  反应操作

2.  反应器

3.  反应器的操作方式

4.  反应器内物料的流动与混合状态

5.  反应器的类型

6.  反应器的设计

7.  反应器的放大

第二节  反应的计量关系

1.  反应式与计量方程

2.  反应的分类

3.  反应进度与转化率

第三节  反应动力学

1.  反应速率的定义及表示方法

2.  反应速率方程

3.  均相反应动力学

习题要点：均相反应动力学的计算

本章重点、难点：反应器内物料的流动与混合状态；反应器的设计和放大；反应式与计量方程；反应进度与转化率；反应速率方程；均相反应动力学

本章教学要求：了解反应器的类型及操作方式、掌握反应器操作的几个工程概念；掌握反应式与计量方程、反应进度和转化率的概念及有关计算；掌握反应速率的定义及表示方法、反应速率方程的表达式、均相反应动力学及有关计算。

第十二章  反应动力学的解析方法

第一节 动力学实验及实验数据的解析方法

1.  动力学实验的一般步骤

2.  动力学实验数据的一般解析方法

3.  反应器的物料衡算

习题要点：反应器的物料衡算

第二节  间歇反应器的解析

1.  间歇反应器的基本方程

2.  间歇反应器的动力学实验方法

3.  实验数据的积分解析法

4.  实验数据的微分解析法

第三节  连续反应器的解析

1.  槽式连续反应器

1.  平推流反应器

本章重点、难点：动力学实验的一般步骤；动力学实验数据的一般解析方法；反应器的物料衡算；间歇反应器的基本方程；间歇反应器的动力学实验方法；实验数据的积分解析法、实验数据的微分解析法。槽式连续反应器、平推流反应器

本章教学要求：了解反应器动力学实验的一般步骤、掌握动力学实验数据的一般解析方法及反应器的物料衡算；了解间歇反应器的基本方程，掌握间歇反应器的动力学实验方法及实验数据的解析方法。

第十三章  均相化学反应器

第一节 间歇与半间歇反应器

1.  间歇反应器

2.  半间歇反应器

习题要点：间歇反应器和半间歇反应器的设计计算

第二节  完全混合流反应器

1.  单级反应器

2.  多级串联反应器

习题要点：单级反应器和多级串联全混流反应器的设计计算

第三节 平推流反应器

2.  简单的平推流反应器

3.  具有循环操作的平推流反应器

习题要点：简单的平推流反应器和推流循环反应器的设计计算

本章重点、难点：间歇反应器、半间歇反应器；单级反应器、多级串联反应器；平推流反应器、循环操作的平推流反应器

本章教学要求：了解间歇反应器和半间歇反应器的操作方法；掌握间歇反应器和半间歇反应器的设计计算；掌握单级反应器和多级串联反应器的操作方法及其设计计算方法；掌握简单的平推流反应器和推流循环反应器操的操作方法及其设计计算方法。

第十四章  非均相化学反应器

第一节  固相催化反应器

1.  固相催化反应与固相催化剂

2.  固相催化反应过程

3.  固相催化反应的本征动力学

4.  固相催化反应的宏观动力学

5.  固相催化反应器的设计与操作

习题要点：固体催化反应器的设计计算

    第二节  气—液反应器

1.  气—液反应

2.  气—液反应动力学

3.  气—液反应器的设计

习题要点：填料反应器和鼓泡塔的设计计算

 本章重点、难点：固相催化反应过程；固相催化反应的本征动力学；固相催化反应的宏观动力学；固相催化反应器的设计与操作；气—液反应、气—液反应动力学、气—液反应器的设计

本章教学要求：了解催化反应的特征及其在环境工程中的应用、固体催化剂、固相催化反应过程、反应物的化学吸附与脱附速率、表面化学反应；一般掌握催化反应的动力学研究方法；掌握固体床催化反应器和流化床反应器的设计计算与操作；掌握气—液反应的动力学方程，掌握填料反应器和鼓泡塔的设计计算。

第十五章  微生物反应器

第一节  微生物与微生物反应

1.  微生物及其特性

2.  微生物反应及其在污染控制中的利用

第二节  微生物反应的计量关系

1.  微生物反应综合方程

2.  细胞产率系数

3.  代谢产物的产率系数

习题要点：细胞产率系数和代谢产物的产率系数的计算

第三节  微生物反应动力学

1.  微生物生长速率

2.  基质消耗速率

3.  微生物生长速率与基质消耗速率的关系

4.  代谢产物的生成速率

第四节  微生物反应器的操作与设计

1.  微生物的间歇培养

2.  微生物的半连续培养

3.  微生物的连续培养

习题要点：生物反应器内基质浓度与细胞浓度的计算

本章重点、难点：微生物反应综合方程、细胞产率系数、代谢产物的产率系数；微生物生长速率、基质消耗速率、微生物生长速率与基质消耗速率的关系、代谢产物的生成速率；微生物的间歇培养、微生物的半连续培养、微生物的连续培养

本章教学要求：了解微生物反应的特点及其影响因素，微生物反应在污染控制中的利用；了解微生物浓度的表达方式、微生物细胞的组成、微生物反应的综合计量式；掌握各种细胞产率系数和代谢产物的产率系数的计算；掌握各种生物反应器内基质浓度与细胞浓度的计算方程和设计计算。

五、考核方式及要求

采用闭卷考试，题型主要包括填空题（或选择题）与计算题等。最终成绩由期末考试成绩（占70％）和平时成绩（占30％）组成。

六、推荐教材及教学参考书

教  材：《环境工程原理》（第二版），胡洪营，等，编，高等教育出版社，2011年，标准书号：ISBN 978－7－04－031796－1。

参考书：《化工原理》（上册）（修订版），夏清，陈常贵，编著，天津大学出版社，2005年，标准书号：ISBN 7－5618－2086－0。

《化工原理》（下册）（修订版），夏清，陈常贵，编著，天津大学出版社，2005年，标准书号：ISBN 7－5618－2087－9。

 

 

大纲修订人：孔火良

大纲审定人：李荣

修订日期： 2015年4月30日