个人环境工程原理总结

环境工程原理重点 第四章 热量传递 至少一个计算题 1 传热的几种形式 热传导热传导 物体各部分之间无宏观运动 通过物质的分子 原子和电子的振动 位移和相 互碰撞发生的热量传递过程 对流传热 对流传热 流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程 仅发生在液体和 气体中 通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程 辐射传热辐射传热 物体由于热的原因而发出辐射能的过程 2 傅立叶定律 P122 热量通量与温度梯度成正比 负号表示热量通量方向与 温度梯度的方向相反 即热量是沿着温度降低的方向传递 单层壁传导 平壁厚度为 b 壁面两侧温度分别为 T1 T2 T1 T2 一维稳态热传导 例题 4 2 1 某平壁厚度 b 为 400mm 内表面温度 T1 950 外表面温度 T2 300 导热系数 W m K T 的单位为 若将导热系数分别按常量 取平均导热系数 和变量计算 试求导热热通量和平壁内的温度分布 解 1 导热系数按平壁的平均温度 取为常数 W m K 以 x 表示沿壁厚方向上的距离 在 x 处等温面上的温度为 即温度分布为直线关系 2 导热系数取为变量 分离变量并积分 y T A Q q d d x AQ d dT 1 0 xTT 2 xb TT 21 TTA b Q A b R b r 221 m 625 2 300950 2 W TT Tm 625 1 625001 0 0 1 m 2641 4 0 300950 625 1 21 b TT q m xxx q TT m 1625950 625 1 2641 950 1 x T T x T q d d 001 0 0 1 d d bT T xqTT 0 dd 001 0 0 1 2 1 对于平壁上的稳态一维热传导 热量通量不变 因此 在 x 处 整理 得 多层壁传导 主要串联热阻叠加原则 3 圆管热导 圆管多层 对于半径为 r 的等温圆柱面 根据傅立叶定律 有 稳态导热时 径向的 Q 为常数 将上式分离变量并积分 4 对流传热 牛顿冷却公式 0 y y T T 5 保温层临界直径 间壁传热 考试最可能考 当保温层厚度增加 即 d2 增大 时 R1 增加 R2 减少 由此得到热损失 Q 为最大值时的保温层直 径 保温层的临界厚度 6 P155 159 平均温差 1 逆流和并流时的传热温差 在微元中热 冷流体的温差为 平均传热温差 对数平均温差 换热器两端温差大的数值 换热器两端温差小的数值 1 2 12 m ln T T TT T 1 T 2 T 2 错流和折流时的传热温差 按逆流计算对数平均温差 再乘以温度修正系数 mTm TT 22 1212 0 001 2 TTTTqb 22 1212 22 2 10 001 2 10 001 950300 950300 0 42 2641W m qTTTT b 22 11 0 001 2 TTTTqx 2 0 001 950 950 2641 2 TTx 2 0 001 140126410 2 TTx A b A b A b TT RRR TTT Q 3 3 2 2 1 1 41 321 321 r rL r AQ d dT 2 d dT 2 1 2 1 d2 d T T r r TL r r Q R TT r r TT LQ 21 1 2 21 ln 2 L r r R 2 ln 1 2 TAQ dd 21 1 2 12 1 1 2 ln RR TT LdL dd TT Q fcfc L dd R 2 ln 12 1 Ld R 2 2 1 0 1 ln 1 2 1 2 d d 2 12 2 22 1 2 d dd dd TTL d Q fc c dd 2 2 2 1 ddc ch TTT 温度修正系数 无量纲 按逆流计算的对数平均温差 温度修正系数小于 1 即 m T 错流和折流时的传热温差小于逆流时的温差 传热单元数 m TKAQ 第六章 沉降 1 斯托克斯公式 算完后要检验 层流区 ReP 2 CD 24 ReP ut 颗粒终端沉降速度 2 18 1 P P t gdu 过渡区 2 ReP 103 艾仑 Allen 公式 6 0 Re 27 0 PPP t gd u 2 沉降分离设备 水处理 平流沉淀池 P220 重力降尘器能除去最小粒径 位于沉淀池 降尘室 最高点的颗粒 沉降至池底需要的时间为 流体通过沉淀池 降尘室 的时间为 为满足除尘或悬浮物要求 t停 t沉 即 流体中直径为 dc的颗粒完 全去除的条件 3 P225 离心沉降 离心沉降速度 D PP tc C rd u 3 4 2 重力沉降 D PP t C gd u 3 4 旋风分离器 临界直径 影响因素 填空题 根据颗粒离心沉降速度方程式 假设气体密度 颗粒密度 P 相应于临界直径 dc的颗粒 沉降速度为 根据假设颗粒在沉降过程中所穿过的 m icP Pm P t r ud dru 1818 1 22 2 2 6 0 Re 5 18 P D C t h t u 沉 iv lV t uq 停 t Vt Vu qu lb h 气流最大厚度等于进气口宽度 B 颗粒最大沉降时间为 22 18 iPc m t ud Br u B t 沉 若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为 N 则运行的距离为 2 rmN 故气体在筒内的停 留时间为 令 t沉 t停 得 i m u Nr t 2 停 Nu B d Pi c 9 一般旋风分离器以圆筒直径 D 为参数 其它参数与 D 成比例 B D 4 D 增加 dc增大 分离效率减少 第七章 过滤 P243 过滤理论 过滤速度 u 定义为 dt 微分过滤时间 s dV dt 时间 内通过过滤面的滤液量 m3 A 过滤面积 m2 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 m Rc 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 rLLr p u mm 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 假设每过滤 1m3滤液得滤饼 f m3 可把过滤介质的阻力转化成厚度为 Le的滤饼层阻力 emm rLLr e e fV L A 则 2 e dVAp dtrf VV 1 可压缩滤饼 s prr 0 r0 单位压差下滤饼的比阻 m 2 Pa 1 s 滤饼的压缩指数 将比阻计算式代入式 1 主要掌握 K 的表达形式 则 2 恒压过滤 在过滤过程中 过滤压差自始自终保持恒定 K 为常数 tV e dtKAdVVV 0 2 0 2 tKAVVV e 22 2 若过滤介质阻力可忽略不计 则简化 恒速过滤 恒速过滤是指在过滤过程中过滤速度保持不变 即滤液量与过滤时 间呈正比 常数 At V Adt dV 代入式 2 2 2 e VV KA dt dV tA K VVV e 22 2 若忽略过滤介质阻力 则简化为 Adt dV u cm RR p u fVLA 1 0 s e dVA p Adtrf VV 1 0 2 s p K r f tKAV 22 Ktq 2 utq 2 e dVKA AdtVV tA K V 22 2 第八章 吸收 吸收的基本概念 依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度 或化 学反应活性 的不同 而将气体混合物分离的操作过程 本质上是混合气体组 分从气相到液相的相间传质过程 类型 1 按溶质和吸收剂之间发生的反应 物理吸收 水净化含 SO2锅炉尾气 化学吸收 碱液净化含 SO2锅炉尾气 2 按混合气体中被吸收组分数目 单组分吸收 如用水吸收 HCl 气体制取盐酸 多组分吸收 碱液吸收烟气 含 SO2 NOx CO2 CO 等 3 按体系温度是否变化 如果液相温度明显升高 称为非等温吸收 如果液相温度基本保持不变 称为等温吸收 1 物理吸收 亨利定律 判断传质的方向 根据相平衡 计算平衡时溶质在气相或液相中的组成 与实际的组成比较 可 以判断传质方向 实际液相组成 平衡组成 溶质从气相 液相 2 双膜理论 怎么画过程要清楚 P270 相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面 界面两侧分别有一层虚拟 的气膜和液膜 在相界面处 气液两相在瞬间即可达到平衡 界面上没有传质阻力 在膜层以外 气液两相流体都充分湍动 不存在浓度梯度 组成均一 没有 传质阻力 3 KG与 kG之间关系搞清楚 例题 8 2 2 P274 总传质阻力等于气膜阻力和液膜阻力之和 4 传质阻力分析 选择 简答 化学吸收不要求 书上 P273 5 吸收因数 考试时会告诉公式 例 8 4 1 第九章 吸附 1 概念 分类 常见吸附剂及其性质 吸附操作是通过多孔固体物质与某一混合组分体系 气体或液体 接触 有选 择地使体系中的一种或多种组分附着于固体表面 从而实现特定组分分离的操 作过程 按作用力性质分类 分物理吸附和化学吸附 按吸附剂再生方法分类 变温吸附和变压吸附 111 GGL KkHk 按原料组成分类 大吸附量分离和杂质去除 按分离机理分类 位阻效应 动力学效应和平衡效应 常用吸附剂的主要特性常用吸附剂的主要特性 吸附容量大吸附容量大 由于吸附过程发生在吸附剂表面 所以吸附容量取决于吸附剂表 面积的大小 选择性高 选择性高 对要分离的目的组分有较大的选择性 稳定性好 稳定性好 吸附剂应具有较好的热稳定性 在较高温度下解吸再生其结构不会 发生太大的变化 同时 还应具有耐酸碱的良好化学稳定性 适当的物理特性 适当的物理特性 适当的堆积密度和强度 廉价易得廉价易得 几种常用的吸附剂 几种常用的吸附剂 活性炭 活性炭 a 比表面积越大 吸附量越大 但应注意对一些大分子 微孔所提供比表面积越大 吸附量越大 但应注意对一些大分子 微孔所提供 的比表面积基本上不起作用 的比表面积基本上不起作用 b 表面化学特性 表面化学特性 活性炭本身是非极性的 但由于活性炭本身是非极性的 但由于 表面共价健不饱和易与其它元素如氧 氢结合 生成各种含氧官能团 表面共价健不饱和易与其它元素如氧 氢结合 生成各种含氧官能团 活性炭纤维 硅胶 活性氧化铝 沸石分子筛活性炭纤维 硅胶 活性氧化铝 沸石分子筛 2 怎么选一个吸附剂 需要根据被分离对象 分离条件和吸附剂本身的特点确定 需要进行试验研究 3 吸附平衡 很少考计算 考填空 朗格缪尔公式 单层 与弗兰德里希方 程的区别 多层 弗兰德里希 Freunlich 方程 两边取对数 q 平衡吸附量 L kg k 和吸附剂种类 特性 温度以及所用单位有关的常数 n 常数 和温度有关 p 吸附质气相中的平衡分压 Pa 随着 p 增大 吸附量 q 随之增加 但 p 增加到一定程度后 q 不再变化 Freundlich 方程为经验公式 压力范围不能太宽 低压或高压区域不能得到满意 的实验拟合结果 朗格谬尔 langmuir 公式 条件 吸附剂表面性质均一 每一个具有剩余价力的表面分子或原子吸附一 个气体分子 吸附质在吸附剂表面为单分子层吸附 吸附是动态的 被吸附分子受热运动影响可以重新回到气相 吸附过程类似于气体的凝结过程 脱附类似于液体的蒸发过程 吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力 吸附达到平衡时 吸附速度与脱附速度相等 则 p 吸附质的平衡分压 Pa q qm 分别为吸附量和单分子层吸附容量 L kg k1 Langmuir 常数 与吸附剂和吸附质的性质和温度有关 该值越大表示吸 附剂的吸附能力越强 公式变换得 当 p 很小时 则 q k1qmp 呈亨利定律 即吸附量与气体的平衡分压成正比 当 p 时 q qm 此时 吸附量与气体分压无关 吸附剂表面被占满 形成 1 n qkp 1 lglglgqkp n p k k d a 1 1 1111 mm qk qpq 单分子层 4 吸附动力学 传质过程 简述 P315 1 吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面 外扩散 2 吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散 内扩散 3 吸附质在吸附剂的内部表面上被吸附 一般第 3 步的速度很快 吸附传质速率主要取决于第 1 和 2 两步 外扩散速度很慢 外扩散控制 内扩散速度很慢 内扩散控制 6 P318 吸附操作 概念 计算 例 9 5 2 穿透曲线 穿透点 穿透时间 穿透曲线示意图 G 溶液流入速率 m3 m2s 0 溶液中溶质浓度 kg m3 z 固定床吸附塔填充高度 m B 穿透点浓度 kg m3 E 穿透曲线终点浓度 kg m3 B 出口处溶质浓度达到 B时的流量 m3 m2 a 吸附区移动了吸附区高度 za区间的流量 m3 m2 穿透时间 伯哈特 亚当斯 Bohart Adams 法 通过实验发现 在一定的初始浓度 空床速度和达到一定的穿透浓度的条 件下 固定床的床高和穿透时间呈直线关系 该关系又称 BDST 法 Bed Depth Service Time 利用该关系可以较方便地计算时间 tb 穿透时间 穿透时间 h N0 吸附剂的动态吸附容量 吸附剂的动态吸附容量 kg m3 z 床高 床高 m 0 入口料液中吸附剂浓度 入口料液中吸附剂浓度 kg m3 v 空床线速度 空床线速度 m h K 比例系数 比例系数 m3 kg h B 穿透浓度 穿透浓度 kg m3 第十一章 反应动力学基础 1 P397 反应操作 反应器概念 反应器操作方式 反应操作 利用化学或生物反应进行工业生产或污染物处理时 需要通过反应 条件等的控制 使反应向有利的方向进行 为达到这种目的而采取的 一系列工程措施通称为反应操作 反应器 进行化学或生物反应的容器的总称 反应器的操作方式 间歇操作 分批操作 充 排式操作 连续操作 半间歇 操作 半连续操作 2 反应动力学 气液气固反应速率表征 反应速率的定义及表示方法 一般定义 气 固相反应的反应速率表示方法 以固体催化剂的质量 m 表面积 S 颗粒体积 Vp 为基准的反应速率 气 液相反应的反应速率表示方法 00 00 1 ln 1 b B N z t vK 以液相界面积 S 液相体积为基准的反应速率 液相 体积 VL 气泡 体积 VG 气体 气体 V 气液混合物 体积 V VL VG 液相 体积 VL 气泡 体积 VG 气体 气体 V 气液混合物 体积 V VL VG rA V rAS S rAVL VL 3 均相反应动力学 单一反应速率 单一反应 恒温恒容 的速率方程 反应反应速率方程速率方程的积分形式半衰期 t1 2 PA 0 级 krA 0 AA CCkt 2 0 kCA PA 1 级 AA kCr ln 0 AA CCkt k 2ln PA 2 2 级 2 AA kCr 11 0 AA CC kt 1 0 A kC PBA BA 2 级 BAA CkCr 00 00 ln ABBA BBAAA CC CCCC kt 2ln 0 0 00 BA AB ABBA A C C CCk PnA 级 n 1 n AA kCr 11 1 1 11 0 n A n A CCn kt 1 12 1 1 0 nkC n A n 注 为计量系数 A B 第十五章 反应动力学解析方法 P530 间歇反应解析 物料守恒 间歇反应动力学实验及其数据的解析方法 积分法积分法 判断实验数据与某积分形式的速率方程是否一致 微分法微分法 根据试验数据求出不同浓度时的反应速率 作图法或计算法 之后根 据反应速率与反应物浓度的关系 确定反应速率方程 积分解析法 积分解析法 例题例题 12 2 1 污染物 A 在某间歇反应器中发生分解反应 于不同时间测得反应器中 A 的浓度 如下表所示 试分别利用积分法和微分法求出 A 的反应速率方程表达式 t min 07 51522 530 cA mg L 50 832 019 712 37 6 第十二章 均相化学反应器 间歇反应器的操作方法 将反应物料按一定比例一次加到反应器内 然后开始搅拌 使反应器内物料 的浓度和温度保持均匀 反应一定时间 反应率达到所定的目标之后 将混合 物料排出反应器 之后再加入物料 进行下一轮操作 如此反复 间歇反应器反应时间 恒容恒温间歇与平推流反应器的设计方程 反应反应速率方程设计方程 krA ktxccc AAAA 00 0 kct A 0 A c 0 kct A AA kcr ktxcc AAA 1ln ln 0 2 AA kcr kt cc AA 0 11 n AA kcr 1 1 1 111 00 n A n A n A n A xccc ktn 1 1 n PA Am Am A cK cV r 1ln 1 0 AmAA m xKxc V t PBA B BAA ckcr 1 lnln 0 00 0 0 AB AABB AB BA xc xcc cc cc ktcc ABB 00 完全混合流连续反应器完全混合流连续反应器 恒容全混流反应器的设计方程 A A c c A A r dc t 0 反应反应速率方程设计方程 AA kcr 1 0 kcc AA 2 AA kcr 1 41 2 1 2 1 0 AA ck k c PA n AA kcr n AAA kccc 0 PBA BAA ckcr 1 00 0 AABA A A xccx x kc QA PA k k 2 1 AA ckkr 21 AP ckr 1 AQ ckr 2 1 21 0 kk c c A A 1 21 1 0 kk kc c A P 1 21 2 0 kk kc c A Q QPA kk 21 AA ckr 1 PAP ckckr 21 PQ ckr 2 1 1 0 k c c A A 1 1 21 1 0 kk kc c A P 1 1 21 2 21 0 kk kkc c A Q 例 12 2 2 乙酸的水解反应 可以近似地看作一级反应 该反应在 300K 时的速率方程为 rA 2 77 10 3CAmol m3s 将乙酸浓度为 600mol m3的液体以 0 050m3 min 的速度送入一完 全混合流反应器 试求以下几种情况时的乙酸的转化率 1 反应器的体积为 0 80m3时 2 0 40m3的反应器 二个串联使用时 3 0 20m3的反应器 四个串联使用时 1 反应器的体积为 0 80m3时 平均空间时间 2 0 40m3的反应器 二个串联使用时 每个槽的平均空间时间 3 0 20m3的反应器 四个串联使用时 每个槽的平均空间时间 第十三章 固相催化反应过程 7 个步骤 P456 固相催化反应的发生场所 催化剂的表面 外 内表面 反应物的外扩散 反应物的外扩散 反应物的内扩散 反应物的内扩散 反应物的吸附 反应物的吸附 表面反应 表面反应 产物的脱附 产物的脱附 产物的内扩散 产物的内扩散 产物的外扩散产物的外扩散 1 本征动力学推导形式 P460 基本假设 三个反应步骤中必然存在一个控制步骤 除控制步骤外 其他步骤处于平衡状态 吸附过程和脱附过程属理想过程 即可用兰格谬尔吸附模型来描述 反应 A P 的基本过程 AA PA PP 各过程的速率方程 A 的吸附速率 AavAaA kpkv 表观反应速率 PsAss kkr P 的脱附速率 vPPPPP pkkv 1 VPA 反应物吸附过程控制 1 1 PPS P AS P A aA pKK p KK K p kr 表面反应过程控制 PPAA PSPAA SA pKpK pKKpK kr 1 产物脱附 1 1 SAA PPAAS PA KpK KppKK kr 2 固相催化反应的宏观动力学 P463 宏观反应速率 RA 催化剂颗粒体积为基准的平均反应速率 RA与 rA之间的关系 P P V P V PA A dV dVr R 0 0 影响因素 本征反应速率 催化剂颗粒大小 形状 扩散速率 3 效率因子和西勒模数关系 例 13 1 1 对反应器不要求 球形催化剂的最大最大反应速率 n 级反应 n Asvc kR3 3 4 球形催化剂的内部最大最大扩散速率式催化剂内部球心处的 A 的浓度为零 4 2 RcDR Ase 浓度梯度达到最大 2 1 2 2 3 3 3 R 4 3 4 s e n Asv Ase n ASv D ck RcDR ckR 内部最大扩散速率 最大反应速率 S称西勒 Thiele 模数 e n Asv s D ckR 1 3 例 13 1 1 利用直径为 0 3cm 的球形硅铝催化剂进行粗柴油的催化分解反应 该反应可以认为一级反应 且在 630 时的本征动力学方程为 rA 7 99 10 7pA mol s cm3 已知粗柴油的有效扩散系 De 7 82 10 4cm2 s 试计算该催化反应 的催化剂的有效系数 解 根据气体方程 RTcRT V n p AA 所以本征动力学方程的反应常数为 137 0 6 630273 10314 8 1099 7 sk 一级反应的西勒数为 38 4 1082 7 6 3 15 0 3 4 e s D kR 21 0 38 4 3 1 38 4 3tanh 1 38 4 1 3 1 3tanh 1 1 sss 4 P472 双膜理论画法图 13 2 2 a b 气液相反应双膜模型中组分 A 的传质示意图 二级不可逆气液相反应PlBgA B 本征反应速率方程为 本征反应速率方程为 BAA ckcr A 的扩散进入量 反应量 dz dc D A LA dzrA A 的扩散出去量 dz dz dc c dz d D A ALA 反应物 A 的物料衡算式 dz dz dc c dz d Ddzr dz dc D A ALAA A LA 二级不可逆气液相反应 A A LA r dz cd D 2 2 同理 B 的基本方程 2 2 ABB B LB rr dz cd D 5 界面反应临界浓度界面反应临界浓度 P474 例 13 2 1 瞬间反应 A g B l P 的反应平面随液相中 B 的浓度的升高而向 气液界面移动 当 B 的浓度高于某临界浓度 cBL C以上时 反应平面与气液界面 重合 此时的反应称界面反应 试推导出 cBL C的表达式 并给出气液界面反应 的宏观速率方程 解 1 根据题意 在气液界面处 A B 的浓度均为零 B 在液膜中的扩散速率 0 CBL L LB B c D N 由 得 故 LLALA Dk LALAL kD CBLLA LA LB B ck D D N A 在气膜中的扩散速率 AGAAGAA pkpkN 0 根据 NA和 NB的关系式 B B A NN 1 CBLLA LA LB B AGA ck D D pk 1 故 A LALB LAGAB CBL p kD Dk C 例题例题 13 2 2 废气中的 0 1 硫化氢用乙醇胺溶液 RNH2 CBL 1 2mol m3 吸收 吸收 反应为瞬间反应 求总反应吸收速度 气相 322 RNHHSlRNHgSH 扩散阻力很小 pAi pA 时 求化学吸收增强因子 已知 液相传质系数 kLA 4 3 10 5 m s 气相传质系数 kGA 5 9 10 7 mol m2 s Pa 组分 A 的液相扩散系数 DLA 1 48 10 9 m2 s 组分 B 的液相扩散系数 DLB 0 95 10 9 m2 s 组分 A 的亨利常数 HA 12 2 Pa m3 mol 压力为 101 3kPa 温度为 293K 解 先确定反应界面在相界面还是在液膜内 由例题 13 2 1 的结果得 3 3 59 97 17 2 001 0 10 3 101 103 41095 0 1048 1 109 51 mmol p kD Dk c A LALB LAGAB CBL 由于 cBL 1 2mol m3 cBL C 因此反应在液膜内进行 总传质系数 KG的计算 775 1005 5 1 109 5 1 103 4 2 1211 GALA A G kk H K 由式 13 2 26 得 1059 5 2 1 1048 1