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环境工程原理复习 华虹 复习 环境工程原理课程共分三部分 第一篇环境工程原理基础第二篇分离过程原理第三篇反应工程原理 环境工程原理采用工程学的方法 将各种不同的工艺流程中共性问题抽出进行讨论 课程内容具有普适性和通用性 质量守恒定律热量守恒定律动量传递基本理论热量传递基本理论质量传递基本理论反应动力学理论 环境工程原理的基本理论 环境工程原理基础讨论的主要内容 衡算 质量衡算 热量衡算 衡算范围衡算基准进 出衡算范围各流体的量及变化 组成的表达方式 浓度换算 衡算范围内有无物料累积 是否发生化学反应 是否发生相变等 热量传递 基本概念 传热的基本方式 稳定传热与不稳定传热 温度场 温度梯度等 稳定导热的基本定律 傅立叶 Fourier 第一定律 数学表达式导热系数 W m 相关计算 单层平壁 多层平壁 单层 多层 圆筒壁导热计算等 对流传热 什么是对流传热 对流传热速率方程 牛顿冷却定律 Q A T 对流传热系数 W m2 传热面积 传热推动力 传热阻力 对流传热系数的经验关联式 Re Pr Gr C a k g 经验常数 应用范围 定性温度 特征尺寸 查阅相应图 表 量纲一致性检验 有无相变 圆形直管 弯管 板 管内 管外 大空间自然对流 总传热速率方程 Q K TA 推动力 对数平均温度差 与冷 热两股流体流向及状态有关 总传热系数 选经验值 现场测定 计算 相应公式 总阻力 Ri Ro Rm rSi rSo 传热效率 实际的传热量Q最大可能的传热量Qmax 如果热流体为最小值流体 则传热效率为 如果冷流体为最小值流体 则传热效率为 如果已知传热效率 则可根据两股流体的进口温度来确定换热器传热量Q 传热单元数 NTU 如 基于冷流体的传热单元数 流体的热容流量 传热效率和传热单元数的关系 并流 逆流 当两流体之一有相变时 质量传递 基本概念 传质的基本方式 分子扩散 对流扩散 分子扩散的基本定律 费克 Fick 定律 JA NAz DAB dcA dz Fick定律中组成的表达方式 扩散系数D的物理意义 分子传质 静止流体中的质量传递 等分子反向扩散 纯分子扩散 单向扩散 一组分通过另一停滞组分的扩散 传递方式 传递类型 分子扩散 传质速率 Stefan定律 漂流因数 组分B的对数平均分压 当p pBm Stefan定律表达为Fick定律 扩散控制过程 传质 反应 扩散 反应控制过程 传质主要受反应速率影响 传质主要受扩散速率影响 界面上有化学反应的稳态传质 对流传质速率方程 气相组成以分压表示 液相组成以体积摩尔浓度表示 气相组成以摩尔分率表示 液相组成以摩尔分率表示 对流传质 机械分离 传质分离 常用分离技术 沉降 过滤 吸收 吸附 萃取 膜分离 分离过程原理 干燥 沉降 单颗粒的几何特性参数 表示颗粒大小的参数 粒径 dp 体积 Vp 表面积 A 球形颗粒的比表面积 球形颗粒与非球形颗粒的差异以形状系数表征 deV deS 2 球形颗粒的 颗粒群的特性 粒度 粒径 分布 颗粒的平均粒径 粒子的密度 重力沉降 球形颗粒的自由沉降速度 阻力系数 CD f Rep 滞流区 Rep 2 过渡区 2 Rep 103 Stokes方程 Allen方程 湍流区 103 Rep 2 103 Newton方程 ut的计算方法 试差法摩擦数群法 重力沉降设备 降尘室 多层降尘室 沉降槽 相关计算 离心沉降 离心沉降速度 沉淀池 离心沉降设备 旋风分离器 B h 含尘气体 入口管 出口管 外壳 锥底 灰尘 D D1 S h D2 H1 H2 尘粒 含尘气体 净化气体 B 标准旋风分离器各部分的尺寸都是圆筒直径D的倍数 旋风分离器的性能评价指标 临界粒径 dc 临界粒径dc越小 分离效果越好 标准旋风分离器N通常取5 压力损失 压强降 标准旋风除尘器CD 8 0 分离效率 总效率 0 进口气体含尘量kg m3 出口气体含尘量kg m3 分效率 粒级效率 i d50 粒级效率恰为50 的颗粒直径 过滤 过滤速率 过滤基本方程 或 滤饼体积m3 滤液体积m3 s 0 1 过滤过程计算 过滤常数K和介质常数qe 吸收 吸收的基本概念 吸收的影响因素 吸收过程进行的方向与极限 主要影响因素 p T 气液平衡和亨利定律 亨利定律的不同形式 亨利系数之间的关系 吸收过程机理 双膜理论 双膜理论 示意图 1 吸收速率方程式形式 用一相主体与界面处的浓度差表示推动力 气膜 液膜 吸收速率方程式 用两相主体的浓度之差表示推动力 气相 液相 2 吸收系数 吸收系数的单位 单位推动力 单位推动力 如 kPa和kmol m3 当推动力以摩尔分率表示时 吸收系数的单位化简为 3 吸收阻力 吸收阻力是吸收系数的倒数 吸收设备的主要工艺计算 全塔物料衡算 qnGY1 qnGY qnLX1 qnLX qnLX2 qnGY2 m n qnGY1 qnLX2 qnGY2 qnLX1 qnG Y1 Y2 qnL X1 X2 Y2 Y1 1 A 操作线方程与操作线 Y qnL qnG X Y1 qnL qnG X1 2 Y1 Y X2 X X1 Y f X A M B 操作线Y f X 平衡线 塔顶的状况 稀端 塔底的状况 浓端 吸收剂用量 qnL 的计算 液气比对设备尺寸和操作费用的影响 最小液气比的求法 qnLmin qnG Y1 Y2 X1 X2 a b qnLmin qnG Y1 Y2 X1 X2 qnLmin qnG Y1 Y2 Y1 m X2 填料层高度的计算 基本计算式 或 传质单元高度与传质单元数 HOG qnG KYa HOL qnL KXa 传质单元数的计算 对数平均推动力法 或 同理 或 解析法 关联图p 296图8 4 3 吸附 吸附的基本概念 一 单组份气体吸附吸附等温方程 1 Freundlich方程 2 Langmuir方程 3 BET方程 4 温度对吸附平衡的影响 5 吸附势能 二 吸附热 1 等量吸附热 Qa 2 微分吸附热 Qd 3 积分吸附热 Qi 三 双组分气体吸附 四 液相吸附 五 吸附动力学 1 吸附传质机理 吸附过程是非稳态过程 2 吸附质扩散过程分析 吸附动力学 外扩散速率 内扩散速率 内扩散阻力控制的吸附过程 内扩散阻力和外扩散阻力同时存在时的吸附过程 外扩散阻力控制的吸附过程 外扩散传质速率 或 流体相传质系数 吸附剂比表面积 内扩散速率方程 吸附速率总传质方程 式中 吸附质含量为q的吸附剂呈平衡状态的流体中吸附质的浓度 以表示推动力的总传质系数 以表示推动力的总传质系数 与吸附质浓度的流体呈平衡状态的吸附剂上吸附质的含量 吸附剂的比表面积 单级吸附工艺计算 1 质量衡算 2 操作线方程 3 吸附速率方程 或 穿透点与穿透曲线 穿透点 检测从吸附器流出的流体 吸附质浓度突然升高到一定的最高允许值时的浓度 穿透曲线 以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 穿透时间 从过程开始到穿透点所需时间 吸附区 未吸附区 吸附区 未吸附区 饱和区 吸附区 饱和区 操作过程中床层浓度及流出物浓度的变化规律 饱和区 流出物组成 吸附剂组成 流体组成 e 流出物浓度曲线 f 柱内吸附剂的吸附负荷曲线 g 柱内流体浓度分布 柱深Z 柱深Z 穿透曲线 穿透点 穿透时间 操作过程中床层浓度及流出物浓度的变化规律 固定床吸附器的设计计算 主要内容 根据给定系统 分离要求和操作条件计算穿透时间为某一定值时所需床层高度 一定床高所需的穿透时间 三角形相图中的相平衡关系 R3 R2 R1 A B S E3 E2 E1 P M Q M3 M2 M1 J 溶解度曲线 单相区 两相区 联结线 设溶剂B和溶剂S部分互溶 则平衡组成P和Q一定在底边BS上 平衡混合物总组成M与P和Q的关系 若溶质A在B或S中都能完全溶解 则在M中逐渐加入A形成的混合物组成将沿MA移动如M1 M2 M3等 与之平衡的两相分别为R1E1 R2E2 R3E3等 联接线段长度PQ R1E1 R2E2 萃取 膜分离 表征膜性能或效率的参数 膜的选择性 截留率 分离因子 流体的渗透性 流动性 渗透性 流动性 又称渗透通量或渗透速率 表示单位时间通过单位面积的体积流量 m3 m 2 s 1 也可以换算成质量通量或摩尔通量 膜技术应用简介 反渗透 RO 和纳滤 NF 微滤 MF 和超滤 UF 干燥 一 概述 1 干燥 用加热的方法使固料中的水分气化的单元操作 分类 常压真空 干燥 连续式间歇式 大批量生产 小批量生产 热传导 对流 辐射 联合干燥 过程 空气 热量 物料表面 物料内部 水分 干燥介质 是载热体 是载湿体 气化 扩散 传热过程 传质过程 二 湿空气的性质和H I图 六个性质 四个温度 1 总压 2 湿度 水气 干气 3 相对湿度 4 比容 湿气 干气 5 比热 干气 6 比热 干气 真实温度 等焓达饱和 等湿达饱和 对饱和空气 对不饱和空气 常用公式 熟练应用湿空气的H I图 三 干燥系统的物料衡算 热量衡算 干燥水分量 空气消耗量 1 湿基含水量 水 湿料 湿料 产品 干基含水量 水 干料 干料 2 物料衡算 干燥器 干燥前后干物料量不变 则 或用干基 物料水分减少 空气水分增加 3 热量衡算 4 空气通过干燥器时的状态变化 当 时 可视为等焓过程 即 等焓干燥 当 但则 非等焓过程 当则 补充热 热损失物料带走的热 当足够大 使 则空气在恒温下进行干燥 5 干燥速率和干燥时间 结合水分 非结合水分 平衡水分 自由水分 干燥曲线 干燥速率曲线 干燥速率 等速干燥阶段 降速干燥阶段 反应工程原理 反应过程基本理论 反应工程学 反应过程速率的影响因素 传递过程 流动状态等 反应器分类 釜式和管式 间歇式 半连续式 半间歇式 和连续式 反应器的放大 经验放大 相似放大 模型放大 模型建立方法 物理模型 数学模型 数学模型的五类方程 反应动力学方程物料衡算方程 热量衡算方程 动量衡算方程 参数计算式 物性参数 传递参数 理想反应器 理想混合反应器 完全混合反应器 活塞流反应器 完全不混合反应器 间歇操作的理想混合反应器 理想的间歇操作反应器的操作特点 理想间歇操作反应器设计的主要目标 建立数学模型 建立物理模型 间歇操作均相化学反应器操作特点