液固旋流分离新技术

　　《液固旋流分离新技术》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。本书以三维旋转湍流场动力学、颗粒材料运动学和污染物传递分离的关联理论为基础，系统介绍了液固旋流分离新技术原理及工程应用，发展了液固旋流分离过程的检测新方法，建立了液固微旋流器并联放大工程设计模型，开发了颗粒自转、排序、过滤的强化液固旋流分离新技术，构建了以液固旋流分离为核心的甲醇制烯烃反应废水处理、沸腾床加氢液固在线分离、沸腾床外排催化剂资源化和废水深度处理的工艺流程和工程装置。 《液固旋流分离新技术》是多项国家和省部级成果的系统总结，提供了大量基础研究和工程应用数据，可供化工、材料、环境、制药、食品等领域科研人员、工程技术人员、生产管理人员以及高等院校化工、环境、给排水及相关专业研究生、本科生学习参考。

　　汪华林，华东理工大学教授，曾获上海科技精英、国家杰出青年基金获得者、何梁何利基金科学与技术创新奖、教育部长江学者特聘教授。获四川大学学士、硕士学位，1995年获华东理工大学博士学位，留校工作至今，曾到英国诺丁汉大学、美国加州大学伯克利分校做学术访问。20多年来，致力于物理法环境污染物减排与资源化科学技术研究，专注于液-液、液-固、气-液旋流分离理论和技术及高浓度难降解污染物源头控制及回收利用工艺，发现了旋流器中三维旋转湍流场中颗粒可高速自转、自转和公转速度不一致，创新了系列化学污染物物理分离的工艺流程和装置，实现了“颗粒高速自转”从现象发现到工程应用的突破，代表性成果被列入Elsevier出版的工程技术手册《Handbook of Spent Hydroprocessing Catalysts》（第二版）。应用至我国27个省区市的十五种类型110个重大化工装置、海上油气平台的废水废气废热废液综合防治中，实现了“不用或少用化学药剂”的污染物源头控制和资源化。获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1项。兼任中国通用机械工业协会分离机械分会技术委员会主任委员、全国化工机械与设备标准化技术委员会副主任委员、中国腐蚀与防护学会化工过程专业委员会副主任委员、中国化工学会化工机械专业委员会副主任委员、中国化工学会化工过程强化专业委员会副主任委员、中国化工学会过滤与分离专业委员会副主任委员。

第一章　绪论 / 1
第一节　污染物源头控制及资源化 1
第二节　液固分离应用领域 3
第三节　液固旋流分离研究进展 6
一、测试研究 9
二、模拟研究 13
三、分离性能 15
四、应用拓展 17
第四节　液固旋流分离过程强化研究进展 21
一、调整结构尺寸强化旋流分离过程 22
二、操作参数调整强化旋流分离过程 23
三、改善物料性质强化旋流分离过程 24
四、其他强化旋流分离过程的方法 24
第五节　旋流器内湍流流动-颗粒运动-污染物分离的关联 25
一、旋流场中颗粒自转强化污染物分离 26
二、旋流场中颗粒排序强化污染物分离 30
第六节　本章小结 31
参考文献 32

第二章　旋流动力学与颗粒运动学 / 38
第一节　旋流场流体运动基本形式 39
一、内旋流和外旋流 39
二、短路流 43
三、循环流 43
四、零轴速包络面和空气柱 44
五、颗粒公转和自转 45
第二节　颗粒自转运动 45
一、颗粒自转现象 45
二、剪切流场中非惯性颗粒自转模型 50
第三节　旋流场微球自转分析 52
第四节　重质旋流器内颗粒自转解析求解 54
一、基本假设 55
二、基本方程 55
三、模型修正 60
四、内流场方程简化 62
五、颗粒自转速度计算 63
第五节　旋流场颗粒自转调控 65
一、微球运动速度径向分布关系 66
二、公转速度 66
三、自转调控 66
四、颗粒自转与公转的关系 68
五、旋流场中颗粒自转和公转耦合 70
第六节　轻质旋流器内颗粒自转解析 71
一、内流场方程求解 72
二、内流场计算 75
三、轻质旋流器内流场分布 75
四、轻质旋流器内颗粒公转与自转 77
第七节　双锥轻质旋流器内颗粒自转解析 78
一、边界条件 78
二、流函数及速度分量求解 79
三、双锥旋流器内速度分布 82
四、双锥轻质旋流器内颗粒自转与公转 83
第八节　本章小结 84
参考文献 84

第三章　液固旋流分离过程检测及调控 / 91
第一节　相位多普勒粒子分析 91
一、PDPA测试系统的组成及原理 91
二、旋转流场的PDPA实验系统设计和搭建 94
三、旋转湍流场PDPA检测及调控 99
第二节　粒子图像测速 105
一、PIV测试系统的原理和组成 105
二、旋转流场的PIV实验系统搭建和流程设计 108
三、旋转湍流场PIV检测与调控 111
第三节　体三维测速 122
一、旋转流场V3V测试原理和平台构建 123
二、旋转流场V3V测试流程及方法 127
三、旋转流场V3V检测及调控 131
第四节　旋流场中颗粒自转和公转检测 139
一、检测原理 139
二、检测设备和方法 141
第五节　表/界面污染物SERS检测 151
一、微流控制备具有SERS活性的多孔颗粒 151
二、颗粒表面污染物旋流分离在线SERS检测 154
三、界面SERS检测 167
第六节　本章小结 178
参考文献 178

第四章　颗粒排序强化液固旋流分离 / 180
第一节　排序型旋流器概况 180
一、颗粒排序方法 180
二、排序强化旋流分离 182
三、进口排序型旋流器 182
第二节　颗粒排序与微旋流分离器的设计 184
一、旋转流颗粒排序理论研究 184
二、基于离心沉降颗粒排序器设计 188
三、颗粒排序方式及排序微旋流器的设计 194
第三节　颗粒排序对微旋流器内流体流动的影响 201
一、计算数学模型 201
二、颗粒排序对微旋流器内流体流动的影响 205
三、颗粒排序对微旋流器内压力场的影响 213
第四节　颗粒排序对微旋流器内颗粒运动特性的影响 214
一、控制方程 214
二、边界条件 216
三、模拟计算及讨论 216
第五节　颗粒排序对微旋流器分离性能的影响 227
一、实验 227
二、颗粒排序对微旋流器操作性能的影响 228
三、颗粒排序对微旋流器分离效率的影响 230
第六节　本章小结 234
参考文献 235

第五章　液固分离双分支流理论并联放大 / 239
第一节　微旋流器并联形式 239
第二节　直线型并联分支流理论 240
一、基本分支模型 240
二、常用分支流计算方法 241
三、Wang模型 242
第三节　U-U型微旋流器并联理论 245
一、模型假设 245
二、进口-底流数学模型 245
三、模型求解 249
四、实验与理论对比 252
五、U-U型并联设计准则 256
六、U-U型并联300倍放大案例 262
第四节　Z-Z型微旋流器并联理论 269
一、数学模型 270
二、方程求解 275
三、实验与理论对比 280
四、Z-Z型并联设计准则 283
第五节　U-Z型微旋流器并联理论 292
一、解析解 292
二、实验与理论对比 295
三、U-Z型并联设计准则 295
第六节　U-U、Z-Z、U-Z三种并联方式对比 298
一、理论模型的统一性分析 298
二、轴向速度分量的修正系数 299
三、实验结果 299
四、理论解析解 299
第七节　微旋流器并联应用实例 300
一、甲醇制烯烃废水液固分离微旋流器并联设计 300
二、旋流释碳器并联设计 301
第八节　本章小节 303
参考文献 304

第六章　过滤-旋流分离耦合（沸腾床分离）技术 / 306
第一节　沸腾床分离概况 306
一、沸腾床分离技术 306
二、深层过滤技术概况 306
三、深层过滤滤料 307
四、过滤-旋流分离耦合 308
第二节　深层过滤理论 310
一、分离过程中的相互作用 310
二、分离理论模型 315
第三节　沸腾床动力学及结构设计 325
一、沸腾床流化概述 325
二、沸腾床气-液-固三相流动 327
三、沸腾床结构设计 336
第四节　旋流再生器再生原理及结构设计 339
一、气-液-固分离发展概况 339
二、旋流再生器分离过程分析 343
三、旋流过程中颗粒自转和公转 352
四、旋流再生器结构设计与验证 355
第五节　过滤-旋流分离技术实验研究 357
一、小试实验 357
二、侧线中试实验 365
三、工业装置应用研究 366
第六节　本章小结 371
参考文献 371

第七章　液固分离成套技术应用 / 377
第一节　甲醇制烯烃反应废水处理技术 377
一、概述 377
二、液固微旋流器开发 386
三、工业应用 392
四、问题及优化 402
第二节　缺氧/好氧过程旋流强化技术 406
一、概述 406
二、旋流强化缺氧/好氧过程原理 408
三、工业应用 418
第三节　沸腾床含高浓度无机颗粒物的有机废液处理技术 426
一、概述 426
二、旋流自转分离方法 428
三、工业示范试验 436
四、工业应用 444
参考文献 449

索引 451