环境工程原理知识点总结

1、精选文库 4.为什么管道进口段附近的摩擦系数最大? 第II篇思考题 第一章绪论 1. 环境工程学”的主要研究对象是什么？ 2. 去除水中的溶解性有机污染物有哪些可能的方法？它们的技术原理是什么? 3. 简述土壤污染治理的技术体系。 4. 简述废物资源化的技术体系。 5. 阐述环境净化与污染控制技术原理体系。 6. 一般情况下，污染物处理工程的核心任务是： 利用隔离、分离和（或）转化技术原理，通过工程手段（利 用各类装置），实现污染物的高效、快速去除。试根据环境净化与污染防治技术的基本原理，阐述实现 污染物高效、快速去除的基本技术路线。 第二章质量衡算与能量衡算 第一节常用物理量 1. 什么是换

2、算因数？英尺和米的换算因素是多少? 2. 什么是量纲和无量纲准数？单位和量纲的区别是什么? 3. 质量分数和质量比的区别和关系如何？试举出质量比的应用实例。 并阐述与质量浓度的关 4. 大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度，试说明该单位的优点, 系。 5. 平均速度的涵义是什么？用管道输送水和空气时，较为经济的流速范围为多少? 第二节质量衡算 1. 进行质量衡算的三个要素是什么? 2. 简述稳态系统和非稳态系统的特征。 3. 质量衡算的基本关系是什么? 4. 5. 以全部组分为对象进行质量衡算时，衡算方程具有什么特征? 对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时，物质的转化速率如何表示

3、? 第三节能量衡算 1. 物质的总能量由哪几部分组成？系统内部能量的变化与环境的关系如何? 2. 什么是封闭系统和开放系统? 3. 简述热量衡算方程的涵义。 4. 对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现? 5. 对于不对外做功的开放系统，系统能量能量变化率可如何表示? 第三章流体流动 第一节管流系统的衡算方程 1用圆管道输送水，流量增加 1倍，若流速不变或管径不变，则管径或流速如何变化? 2. 当布水孔板的开孔率为 30%时，流过布水孔的流速增加多少? 试简述这种关系，并说明该方程 3. 拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系, 的适用条件。 4在管流系统中，

4、机械能的损耗转变为什么形式的能量？其宏观的表现形式是什么? 5. 对于实际流体，流动过程中若无外功加入，则流体将向哪个方向流动? 6. 如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率? 第二节流体流动的内摩擦力 1. 简述层流和湍流的流态特征。 2. 什么是 内摩擦力”简述不同流态流体中内摩擦力”的产生机理。 3. 流体流动时产生阻力的根本原因是什么？ 4什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些? 5.简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。 第三节边界层理论 1. 什么是流动边界层？边界层理论的要点是什么？ 2简述湍流边界层内的流态，以及流速分布和阻力特征。 并比较下列几组介质

5、沿平壁面流动时，哪 3. 边界层厚度是如何定义的？简述影响平壁边界层厚度的因素, 个边界层厚度较大: (1) 污水和污泥; (2) 水和油; (3) 流速大和流速小的同种流体。 精选文库 5.简述边界层分离的条件和过程。 ?请解释其原因。 6. 当逆压梯度相同时，层流边界层和湍流边界层分离点的相对位置如何 第四节 流体流动的阻力损失 1. 简述运动中的物体受到阻力的原因。流线型物体运动时是否存在形体阻力? 2. 简述流态对流动阻力的影响。 3分析物体表面的粗糙度对流动阻力的影响，举应用实例说明。 4. 不可压缩流体在水平直管中稳态流动，试分析以下情况下，管内压力差如何变化: (1 )管径增加一

6、倍; (2 )流量增加一倍; (3 )管长增加一倍。 5. 试比较圆管中层流和湍流流动的速度分布特征。 6试分析圆管湍流流动的雷诺数和管道相对粗糙度对摩擦系数的影响。 第五节管路计算 1. 管路设计中选择流速通常需要考虑哪些因素 2. 简单管路具有哪些特点? 3. 分支管路具有哪些特点? 4. 并联管路具有哪些特点? 5. 分析管路系统中某一局部阻力变化时，其上下游流量和压力的变化。 第六节流体测量 1. 简述测速管的工作原理和使用时的注意事项。 2. 分析孔板流量计和文丘里流量计的相同点和不同点。 3. 使用转子流量计时读数为什么需要换算？测定气体的流量计能否用来测量液体? 4. 简述转子流

7、量计的安装要求。 第四章热量传递 第一节热量传递的方式 1. 什么是热传导? 2. 3. 简述辐射传热的过程及其特点 4. 试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。 5. 若冬季和夏季的室温均为 18C，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么? 第二节热传导 1.简述傅立叶定律的意义和适用条件。 2.分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。 3.为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮? 4.当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分 布有何差异。 5.若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应

8、如何布置效果最好。 第三节对流传热 1.简述影响对流传热的因素。 2.简述对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施。 3.为什么流体层流流动时其传热过程较静止时增强? 4.传热边界层的范围如何确定？试分析传热边界层与流动边界层的关系。 5.试分析影响对流传热系数的因素。 6.分析圆直管内湍流流动的对流传热系数与流量和管径的关系, 若要提高对流传热系数，采取哪种措施最 有效? 7.流体由直管流入短管和弯管，其对流传热系数将如何变化？为什么? (2 )管径增加一倍。 答: hf 1 2 lUm d 2 层流时: 64 1/16。 Re 管长增加一倍时，阻力损失增加一倍；管径增加一倍时，阻力损

9、失减小为原来的 5. 试写出几种主要的强化间壁式换热器传热效果的具体措施。 答：根据传热基本方程，可通过增加传热面积、增大传热系数和推动力来强化传热。具体措施包括: (1)采用小直径管、异形表面、加装翅片等；(2)改变两侧流体相互流向，提高蒸汽的压强可以提高蒸汽 的温度，增加管壳式换热器的壳程数；(3)提高流体的速度，增强流体的扰动，采用短管换热器，防止结 垢和及时清除污垢等。 6. 网球的粗糙表面有利于减少运动阻力，试解释原因。 答：运动阻力包括摩擦阻力和形体阻力。由于球面面积较小，网球运动速度较快，形体阻力占主要地 位。表面粗糙可以使边界层湍流化，使边界层分离点后移，减少形体阻力，从而减少

10、运动阻力。 (2) 水作湍流流动，管长及管径不变，流量增加一倍，摩擦系数为 1 0.3164 Re。 答：压降 Pf (1) 层流时, 64，管长增加一倍时，压降增加一倍；管径增加一倍时，压降减小为原来 Re 的 1/16。 湍流时, 1 0.3164 Re，流量增加一倍时，压降增加，为原来的 5.19 (或 2(2+ ”4 倍。 8. 某热水管道采用两种导热系数不同的保温材料进行保温，若保温材料厚度相同，为了达到较好 的保温效果，应将哪种材料放在内层，试解释原因。 答：应将导热系数小的材料放在内层。 证明过程：设 1 当1在内层，有 Qi T1T2 R 2 L(Ti In T2)/ InB

11、2 2在内层，有 Q2 T1T2 R 2 L(T1 为比较Q1Q2的大小，将上两式相除，可得 | Q1/Q21， 因此应将 2放在内层。 7. 水在光滑圆形直管中流动，分析以下情况下因摩擦阻力而产生的压降的变化情况: (1) 水在管中呈层流流动，流量不变，管长增加一倍或管径增加一倍; 9. 转子流量计在安装和使用中应注意什么? 答：安装转子流量计时应注意: (1)转子流量计必须垂直安装，若倾斜度1度将造成0.8%的误差。 (2)转子流量计必须安装在垂直管路上，且流体流动的方向必须由下往上。 使用时应注意：测量流体和环境条件是否与出厂时标定的相同，如不同，需对读数进行校正 10.流体在管内流动时

12、，同时发生传热或传质过程。当流速增加致使流态发生变化时，对流动和传递 过程产生什么影响？当流体流过弯管时，与直管有什么不同? 答：流动转化为湍流后，流动阻力增加，传热或传质阻力减少。流体流过弯管时，由于离心力的作用,扰动加剧，使阻力损失增加，传递系数增大，传递过程被强化。 A在壁面法向上的浓度分布示意图。 11.流体中组分A的含量为CA，0，与平壁面接触，壁面上组分A的含量为CA,i，且CA，0cA,i。试绘 制当流体分别为静止、沿壁面层流流动和湍流流动时，组分 CA,i Cao CA,i Cao b.层流流动 .cAo a.静止时 CA,i C.湍流流动 答：图15-1 综合练习题1.1(1

13、1)图答案见上图。 12. 设冬天室内的温度为 丁1，室外温度为丁2, 丁12。在两温度保持不变的情况下，试绘制下列三 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; (3 )除了室外刮风外，还考虑砖墙与四周环境的辐射传热。 室内T1 室外T2 室内T1 室外T2 室内T1 室外T2 ，试分析 13.流体沿平壁面流动时，同时发生传质过程。当流速增加致使流动状态由层流变为湍流时 流动边界层厚度的变化，以及对流动阻力和传质阻力产生的影响。 答：边界层厚度与流速有关，流速增加，边界层厚度减少。流动由层流变成湍流，速度梯度变

14、大，摩 擦力增加，流动阻力增加；边界层厚度减少，而传质阻力主要集中在边界层，湍流加大了液体的对流，浓 度梯度增大，传质阻力减少。 14. 流体沿壁面流动时，有时会出现边界层分离的现象。试论述 (1)边界层分离的条件; (2 )流动状态对边界层分离和流动阻力的影响。 答：(1)边界层分离的条件：流体具有粘滞性，产生逆压梯度，将靠近界面的慢流体的速度阻滞为零, 即可发生边界层分离。 (2 )层流边界层速度变化较湍流小，慢速流体更容易被阻滞。所以，湍流边界层分离比层流延后。 由于湍流边界层分离延后，分离点下移，尾流区较小，所以其形体阻力小。 15. 有一个套管换热器，内管外侧装有翅片，用水冷却空气，

15、空气和水各应走哪里（管内和壳间）？ 试解释原因。 答：装有翅片的目的一方面是为了加大接触面积；另一方面是为了破坏边界层形成以提高对流传热系 数。由总传热速率方程 可以看到: Qbf 1 AAm2A2 要提高传热器的传热效果，应当提高限制步骤的传热效果。因此，在用水冷却空气的换热过程中，空 气对流传热慢，是制约因素。所以，翅片应放在空气一侧，即空气走壳间，水走管内。 16. 燃烧废气中含有 S02,欲采用吸收法去除。根据你所学的知识，分析提高去除效率的方法。 答：吸收法可近似认为单向扩散，NaDABP （pa Pao）。由上式可知，为了提高吸收效率，可 RTLpm 以增加SO2的浓度（浓缩尾气）

16、，换用高效的吸收液（碱液等）；同时即使更换新的吸收液；增大吸收液与 SO2的接触面积（雾状喷淋）；适当增加温度和压强，以加快碱液对SO2的吸收速率。 1. 2 态运行时, 某城市生活污水采用完全混合曝气法处理，水量为3X104m3/d，BOD5浓度为200mg/L，要求稳 出水BOD5浓度达到一级排放标准，即 30mg/L，曝气池中有机物的降解遵循一级反应，反应速 率为 （反应速率常数0.1d-1）。 r 0.1c (1) 确定曝气池的有效容积; (2) 若曝气池中污泥浓度为2000 mg/L，回流污泥浓度为 4000 mg/L，求沉淀池的污泥回流比 Ro V,X e R,Xr 解：（1）以曝

17、气池和沉淀池为衡算系统，以B0污涵衡流对象，由物料衡算方程得: d oCVeQV rVV dt 系统稳态运行， =0;代入相应数值得: dt 0 e rV 0.1 上 cVqV 200mg/ L 30mg/ L 0.1d 1 30mg/ L V qV 170 V 0.1d 1 30000m3 / d 17 104m3 30 (2)以曝气池为衡算系统，以污泥为衡算对象。由衡算方程，得 XrRcv X(1 R)qv 4000mg/L R 3 104m3/d 2000mg/L (1 R) 3 104m3/d 2000 (1 R) 0.5(1 R) 4000 R 1100% 1.3 一直径为2m的贮槽

18、中装有质量分数为 0.1的氨水，因疏忽没有加盖，则氨以分子扩散形式挥发。 假定扩散通过一层厚度为 5mm的静止空气层。在101KN/m2、20C下，氨的分子扩散系数为1.8 104m3，第二个池塘的容积为3.0 X104m3o有一股流量为lxi04m3/d的污水进入第一个池塘，有机 物浓度为120 mg/L。有机物降解符合一级反应动力学，降解速率常数为0.30d1。不考虑蒸发、渗漏或降雨 等因素，假设每一个池塘都呈完全混合状态，求稳定状态下每个池塘出水的有机物浓度。 解：以第一个池塘为衡算系统，在稳定状态下，由物料衡算方程得: Ov 0 0 0/1V1k 1(qV0 qV1 ) 1 10 10

19、4 m3/d 20mg / L 1 104 m3/d 120mg/L 0.3d 1 5 104m3/d C111 104m3/d C1 C1 =25.6mg/L 以第二个池塘为衡算系统，在稳定状态下，由物料衡算方程得: (qV0qV1 ) 1 V2k 2(qV0qV1 ) 2 4314343 11 10 m /d 25.6mg/L 0.3d3 10 m /d C211 10 m /d C2 C2=23.7mg/L 1.7现有一传热面积为3m2、由25X2.5mm的管子组成的列管式换热器，拟用初温为30C的水将某液 体由200C冷却到100C，水走管内。已知水和液体的定压比热容分别为4.18 k

20、J/(kg. K)和2.0kJ/(kg. K)，冷 侧和热侧的对流传热系数分别为2000 W/(m2 K)和250 W/(m2 K)。当水和液体的质量流量分别为1000kg/h 和1200kg/h时，通过计算说明该换热器是否满足要求；若不满足，可通过什么方法解决(定性分析)？(两 流体呈逆向流动，忽略管壁热阻和污垢热阻) 解：用30C的水将某液体由200 C冷却到100C时，由热量衡算方程，有 Cp水qm水丁7水Cp液qm液T液 4.18 1000丁水=2.0 1200 100 66.7KW T水 57.4，故水的最终温度为丁2水 3057.487.4 C 逆向传热时的平均温差为 T1丁2 T

21、m=89.8 C In1 T2 传热阻力为 R=（丄 1 11 11 1 一）一（）- 2 A2000 250 3 该换热器在此时能够传递的热量为 Q=工 89.8 R 0.0015 59.9KW 2 , d m1 2， dm1 dm2，令 dm1 = c， dm2 = a 因为1a 2C 1c2a (a c)( 1 2) 0 所以丄丄土 dm1dm2 d m1d m2 b( 1a 2C) b( ic2a) 即QQ2 为了达到较好的保温效果，导热系数为2的材料应放在内层 1.12纯气体A通过厚度为0.01m的气膜从主体向催化剂表面扩散，在催化剂表面发生瞬时化学反应A 已知总压力为1.013 X

22、105Pa,温度为300K，扩散系数Dab为 (g) t2B (g),生成的B又反向扩散回来。 1.5探05m2/s。试求A的扩散速率。 解：由Na Dab dCA dz c c(Na Nb) 因为Nb2Na 所以: c 1 Na Dab I yA,o yA,i 1yA,o Dab 盘1n1 yA,i 1.5 10 5 1.013 10 5 0.01 8.31 3001 0 2 0.042mol /m s 1.13 一直径为20mm的球形萘粒置于压力为1.013 X05Pa、温度为318K的空气中，已知该温度下萘 的蒸汽压为74 Pa,萘在空气中的扩散系数为6.9 X06m2/s,萘的分子量为

23、128，密度为1145kg/m3。试求以 下两种情况下，萘球全部升华所需要的时间。 (1)萘粒置于大范围静止空气中 止空气层的阻力)； (注：在大范围静止空气中的传质阻力相当于通过厚度为球半径的静 (2)空气以0.3m/s的速度流动, 此时的平均对流传质系数为6.4 X03m/s。 解：(1)设任一时刻萘球的半径为 r,有传质速率方程，有 Na DabP RTL PB,m( P PA,0) 又根据质量衡算, Na a dn dV 即Na Mdt dr 3 128 10 3dt dt 所以1145 dr 128 10 3dt 65 6.9 101.013 10 (74 0) 8.31 318 r

24、pB,m 其中，PB,m Pb,0PB,i DAB PB,i “13 105 013 105 74)1.013 105 ln 1.013 1.013 105 10574 r dr 2.15 10 11dt 边界条件 t= 0, r = 0.01; t=t, r = 0 积分得: 0.012 2.15 10 11t t 2.33 106s 645.99h （2）Na kc( CA,iCa,0) 6.4 8.31 318 10(74 0) 2 0.000179mol /m2 s 又Na dr 128 10 3dt 所以t r。 NA 128 10 3 5.00 105s 138.82h 分离过程原

25、理 2.1简答题 1. 进口气速不变，增大旋风分离器的直径，对离心力有何影响？转速不变，增大离心机转鼓直径，对 离心力有何影响? 2 u 参考答案：对旋风分离器，离心力Fc m丄，进口气速不变，离心力与直径成反比，所以增大直 rm 径，离心力减小。 2 对离心机，离心力 Fc mr ，转速不变，离心力与直径成正比，所以增大直径，离心力增加。 2. 在过滤过程中，滤饼层的可压缩性通常用什么参数来表示？试分析说明滤饼层为不可压缩和可压缩 两种情况时，增加过滤压差对过滤速度的影响。 参考答案：通常用压缩指数 s来表示。由K 乙匚 可知，增加过滤压差，过滤速度都会增加, r0C 但是滤饼层不可压缩时，

26、过滤速度会增加得更快。 3. 试比较深层过滤和表面过滤的特点和差异。 参考答案：从两者的过滤介质、过滤过程、过滤机理和应用范围加以比较。 4. 试说明反渗透膜材质是如何影响膜的截留率的? 参考答案: KwP KwP ，可见膜材料的选择性渗透系数直接影响截留率。要实现高 Ka 效分离，Kw要尽可能大，Ka要尽可能小，也就是膜材料必须对溶剂的亲和力强，而对溶质的亲和力弱。 5. 空气中含有SO2和CH4两种气体，其分压相同，试判断哪种污染物更易被水吸收？为什么? 参考答案：SO2更容易被水吸收。因为 SO2在水中的溶解度系数更大，而且能够跟水结合并进一步解 离。 6. 采用活性炭吸附某含酚废水，当

27、采用单级吸附饱和后，将饱和后的活性炭填充到固定床中，从顶部 通入同样浓度的含酚废水，问活性炭是否还能吸附酚？为什么? 参考答案：还能吸附。因为单级吸附饱和后，所对应的平衡浓度较低，通入新的废水后，液相浓度增 加，活性碳又处于不饱和状态，所以还会继续吸附。 2.2某水中含有颗粒直径为 0.2mm的悬浮液，颗粒所占的体积分率为0.1，在9.81 X 103Pa的恒定压差 下过滤，过滤时形成不可压缩的滤饼，空隙率为 0.6，过滤介质的阻力可以忽略，试求（1）每平方米过滤 面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间; (2) 若将此过滤时间延长一倍，可再得多少滤液。 （水的粘度为 1X 10-3Pa -

28、s) 解：（1）首先计算形成滤饼的比阻 滤饼的空隙率为 0.6,颗粒的比表面积 dp 0.2 6 10 3 3 104 m2/m3,取比例系数Kl 5 可得滤饼的比阻为: 2a251 0.6 3 104 2 0.63 0.33 ._10 2 10 m-2 又假设每得到1m3滤液形成的滤饼体积为 C,则根据水的物料衡算可得 1 0.6c1 c 1 0.1，得 c 0.333m3 （滤饼）/ m3（滤液） 所以，恒压过滤的过滤常数可计算为 K0.33 1010 1 3 9.81 103 0.3338.93 10 3m2/s 由恒压过滤方程q2Kt 得 t q2/K 1.52 / 8.93 10 3

29、 2.52 102s (2)若是时间延长一倍，则 t 5.04 102s 2 由恒压过滤方程q Kt 8.93 10 32 5.04 10 4.5 所以 q 2.12m3 所以延长一倍的时间，再得到的滤液量为 2.12 1.5 0.62 m3 2.3在310kPa的操作压力下，采用吸收法去除混合气体中的组分A，已知混合气体中 A的分压为100kPa， 吸收液中A的摩尔分数为0.003,以摩尔分数差为推动力的气膜和液膜传质系数分别为 ky 3.77 103 kmol/m2s、kx 3.0610 4 kmol/m2 s，亨利系数 E 为 1.067 X04 kPa，试求: (1)组分A的传质速率;

30、 (2)分析传质阻力，判断是否适合采取化学吸收; (3)如果采用化学吸收，传质速率提高多少。假设发生瞬时不可逆反应。 解：(1)以气相分压差为推动力的气膜传质系数为 kG32口1 1.22 10 5 kmol/kPam2s 310 以液相浓度差为推动力的液膜传质系数为 kL 35.50 10 6m/s 55.6 55 63 溶解度系数 H .4 5 21 10 kmol/kPa m3 1.067 10 所以以气相分压差为推动力的气相总传质系数为 Kg 1/kG 1/ HkL1/ 1.22 10 51/ 5.21 10 3 5.50 10 6 2.86 10 8 精选文库 kmol/kPa m2

31、 s 传质推动力为P P p 100 32.01 67.99 k Pa 所以传质速率为 Na Kg P 2.86 10 8 67.99 1.94 10 6 kmol/m2 s （2）传质阻力分析 总传质阻力1/ Kg1/ 2.86 10 8 3.50 107 (m2 s kPa)/kmol 其中气膜传质阻力为1/ kG 1/ 1.22 10 5 8.20 104(m2 s kPa)/kmol，占总阻力的 0.2% 变)，求此时颗粒的临界直径为多少? 液膜传质阻力占总阻力 99.8%，传质过程为液膜控制，适合采用化学吸收。 A摩尔分数为0 （3 ）采用化学吸收时，忽略液相传质阻力，且认为液相中

32、则此时传质速率为 53 Na kG p 1.22 10 5 100 1.22 10 3 kmol/m2 s 比原传质速率提高627倍 2.4某活性炭吸附苯酚的吸附等温试验方程式为q= 2.5 C.5，其中q为吸附容量（mg/g），C为吸附平 衡溶质浓度（mg/L ）。今有浓度为100mg/L、体积为200mL的苯酚溶液，问：（1）采用单级间歇操作进行 处理，欲将溶液中的苯酚浓度降低到10mg/L，需要投加多少活性炭？ （ 2 ）将经过单级操作的活性炭加入 固定床中，持续吸附浓度为100mg/L的苯酚溶液，最多还可以吸附多少苯酚？（3）在固定床中吸附饱和 的活性炭是否还可以继续吸附? 解：（1）

33、单级吸附饱和时，活性炭吸附量为 q 2.5 100.57.9 mg/g 由质量衡算可得 0100 102.28 g 7.9 所以需要2.28g活性炭 （2）固定床中的活性炭达到吸附平衡时，对应的平衡浓度为 100mg/L 所以活性炭吸附量为q 2.5 1000.525 mg/g 附量。 (3)理论上，增加溶液中苯酚的平衡浓度，活性炭还可以继续吸附苯酚，直到达到活性炭的饱和吸 2.5以甲苯为萃取剂，采用萃取法处理含 A废水。已知待处理的废水体积为10L,密度为1000 kg/m3， 废水中的A浓度为1000mg/L，萃取剂量为2 kg。如果要求萃取后废水中 A浓度达到1mg/L以下，问是否 能达

34、到要求？如果能达到，应采取什么样的萃取方式？请通过计算说明。假设 A的分配系数为10,并不随 溶液组成而变化。 解：XmF 6 0.001，要求达到的浓度为XmR 1 10 (1)采用单级萃取 XmR BXmF B 10S0-00033 10 6，达不到要求 (2)采用多级错流萃取 设有n级，每级萃取剂用量2/n X mnR B 10S/n XmF B 10S/nO.001 1 10 6 达不到要求。 (3)采用多级逆流萃取 多级逆流操作县最大斜率为 max 1XmO X mF X mn 10 O-001 06 10 0.001 1 10 6 多级逆流的最小萃取剂用量为 Smin1 kg 2k

35、g max 所以，理论上可以采用多级逆流萃取达到要求。 2.6采用一半径为r的旋流分离器分离某悬浮液，假设能完全分离的颗粒的临界直径为 de。如果将旋 流分离器的半径减少为原来的1/2，而其他条件(如液体进口处切向速度、进口宽度和旋流分离器高度均不 解：旋流分离器分离颗粒的临界直径可以表达为 精选文库 dc ui p 从这个式子可以看到，颗粒的临界直径与分离器半径无关，所以改变半径不会影响临界直径。 2.7某水中含有颗粒直径为 0.2mm的悬浮液，颗粒所占的体积分率为0.1，在9.81 X 103Pa的恒定压差 下过滤，过滤时形成不可压缩的滤饼，空隙率为 0.6，过滤介质的阻力可以忽略，试求（

36、1）每平方米过滤 面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间; （2） 若将此过滤时间延长一倍，可再得多少滤液。 （水的粘度为 气体中溶质摩尔分数为y1 = 0.3，入塔吸收剂的溶质摩尔分数为X2=0.005，如果要求出口处气体中溶质摩尔 1X 10-3Pa - s） 解：（1）首先计算形成滤饼的比阻 滤饼的空隙率为 0.6,颗粒的比表面积 dp 0.2 6 10 3 3 104 m2/m3,取比例系数Kl 5， 可得滤饼的比阻为: 2a251 0.6 3 104 2 0.63 0.33 1010m-2 又假设每得到1m3滤液形成的滤饼体积为 C,则根据水的物料衡算可得 1 0.6c1 C 1 0

37、.1，得 C 0.333m3 （滤饼）/ m3 （滤液） 所以，恒压过滤的过滤常数可计算为 K tc 0.33 1010 1 3 9.81 10 3 0.3338.93 10 m2/s 由恒压过滤方程q2Kt 得 t q2/K 1.52 / 8.93 10 3 2 2.52 10 s （2）若是时间延长一倍，则 t 5.04 102s 由恒压过滤方程q2 Kt 8.93 10 3 5.04 102 4.5 所以 q 2.12m3 所以延长一倍的时间，再得到的滤液量为 2.12 1.5 0.62 m3 2.8采用吸收法去除某有害气体,已知气液两相的相平衡关系为y* = 1.2X。采用逆流操作。假

38、设进口处 精选文库 分数降低为y2=0.001，问能否达到要求？请说明理由。如果达不到，有办法可使出口处气体溶质摩尔分数 达到要求吗? 解：不能达到要求。因为入塔吸收剂的摩尔分数为X2=0.005，与之平衡的气相摩尔分数为 y21.2x20.006 y2 可以通过改变条件，使平衡关系发生变化，减小平衡常数；或者降低入塔吸收剂溶质的摩尔分数。 2.9某活性炭吸附苯酚的吸附等温试验方程式为q = 2.5 C0.5，其中q为吸附容量（mg/g）, C为吸附平 衡溶质浓度（mg/L）0今有浓度为100mg/L、体积为200mL的苯酚溶液，问：（1）采用单级间歇操作进行处 理，欲将溶液中的苯酚浓度降低到

39、20mg/L，需要投加多少活性炭？（2）如果将在上一单级操作中饱和后的 活性炭，再次全部投入到同样体积和浓度的苯酚溶液中，问此次能否使溶液中的苯酚浓度再次降低到 20mg/L ?请用操作线定性说明。（3）重复的操作直至活性炭不再吸附苯酚为止，求此时活性炭的饱和吸 附量为多少? 解：（1）由物料衡算，需要投加得活性碳的量为 O.2100 201.431g 2.5 200-5 （2）不能。图略。 （3 ）当活性碳不能吸附时, 其饱和吸附量与处理液的初始浓度平衡 所以 q 2.5 1000.5 25 mg/g 2.10以三氯甲烷为萃取剂, 采用萃取法处理含酚废水。已知待处理的含酚废水体积为10L,密

40、度为1000 kg/m3，废水中的酚浓度为100 mg/L，萃取剂量为2 kg。如果要求萃取后废水中酚浓度达到15mg/L以下, 问是否能达到要求？如果能达到，应采取什么样的萃取方式？请通过计算说明。假设酚的分配系数为 15, 并不随溶液组成而变化。 解：1采用单级萃取 XmR BXmF 2 5 10 51 5 10 5，不能达到要求 B 15S 2采用二级错流萃取 XmR1 BXmF 4 10 5 B 15S XmR2 BXmR2 B 15S2 1.6 10 51.5 10 5，不能达到要求 3采用三级错流萃取 XmR1 BXmF B 15S1 5 10 5 XmR2 BX mR1 B 15

41、S2 2.5 10 5 XmR3 BXmR2 B 15S3 1.25 10 51.5 10 5，达到要求。 2.11 (1) 1.2 MPa， 问是否能正常运行达到脱盐目的？ 解: (1)膜通量可以表示为 Nw RmRpRg 采用超滤膜过滤含高浓度乳化油废水，试分析随着压力的增加，膜通量将如何变化? 采用反渗透膜进行海水淡化，操作温度为25 C,海水中NaCI质量分数为2.0%，如果操作压力为 在此过滤过程中，初期，随着压力的增加，膜通量增大；由于容易形成凝胶层，所以凝胶层形成之后, 再增大压力，凝胶层厚度也会增加，凝胶层阻力随之增加，抵消了压力增加对膜通量的贡献，所以一旦凝 胶层形成，膜通量

42、就不会随压力增大而增加。 (2)进料盐浓度为Co 2/58.5 0 349 mol/L 98/1000 所以渗透压为 c0RT 0.349 8.314 298 2/10001.73 mPa 渗透压大于操作压力，所以不能正常脱盐。 2.12采用转筒离心机分离悬浊液中的固体颗粒，已知颗粒直径为 50 m，颗粒密度为 6600kg/m3，悬浊 液密度为1000kg/m3，黏度为1.2 X10-3Pa s，转筒尺寸为 h=500mm, r1=50mm, r2=100mm,离心机转速为 250r/min 。 (1)求离心机完全去除固体颗粒时的最大悬浊液处理量。 (2)如果改用直径D与离心机相同的漩流分离

43、器处理该悬浊液，假设进液口宽度 B=D/4，液体 在旋流分离器中的旋转圈数为 5,采用什么样的操作条件，才能使漩流分离器的分离效率与离心机相 精选文库 同。 解: (1)假设颗粒运动位于层流区，则颗粒的沉降时间为 182 2l nil dp1 18 1.2 10 3 所以悬浊液的最小停留时间为 6600 1000 5.0 10 5 2 250/60 In1.56s 0.05 1.56s 最大处理量为 V 3.140.12 % I 0.052 0.5 1.56 0.00755m3/s (3)在上述并流操作条件下，如果要使气体出口处气体中溶质摩尔分数达到0.02，应如何调整 检验：沉降速度 Ut

44、18 dp% 6600 1000 5.0 10 5 18 2 0.1 3 1.2 10 2 2250/60 0.044m/s 雷诺数Rep 1000 5.0 10 5 0.044 1.2 10 3 1.82，假设真确。 (2)在旋流分离器中分离相同的颗粒，需要的进口流速为 Ui _9 B dc2 0.05 检验: Ut 9 1.2 10 3 2 N 5.0 10 53.146600 1000 -2.4 m/s 5 18 rm dp 2Ui2 0.05m/s Rep d10005.010 35O.。5182，假设正确。 1.2 10 3 2.13对某有害气体采用吸收法处理，已知气液两相的相平衡关

45、系为 y* 1.2X。假设气体中溶质摩尔分 数为0.3，吸收剂中的溶质摩尔分数为0.01，液气比为2。 (1)采用逆流操作时，请画出操作线和平衡线的关系示意图。假设气体出口处气体中溶质摩尔 分数为0.02，计算气体进口和出口处的推动力。 (2)采用并流操作(气体和吸收剂均从塔底部进入)时，请画出操作线和平衡线的关系示意图。 如果同样要求气体出口处气体中溶质摩尔分数达到 0.02，问是否能够达到要求？气体中溶质摩尔分数 最低能达到多少? 精选文库 操作参数？请通过计算说明。 解：（1）Y 0.429，Y2 0.0204，X2 0.01 气体出口处与液相平衡的气相摩尔分数为Y*1.2 0.01 0

46、.012 所以推动力为 Y Y2 Y 0.02040.0120.0084 气体进口处液相摩尔分数为X10.5 0.429 0.02040.01 0.214 气体出口处与液相平衡的气相摩尔分数为 Y 1.2 0.2140.257 所以推动力为 Y % Y 0.429 0.2570.172 (2 )并流操作，气体出口最大为 丫2 丫2 由物料衡算机平衡关系，可以求得 X20.14，所以出口气体最低为 % 丫2*1.2 0.14 0.17 0.0204 不能达到处理要求。 (3)可以通过增加液气比来实现 58.4可以实现。 0.4290.020458 4，即将液气比提高到 0.0170.01 10L

47、,密度为1000 kg/m3，废水中的酚 2.14采用萃取法处理含酚废水。已知待处理的含酚废水体积为 浓度为100 mg/L，要求萃取后废水中酚浓度达到15mg/L以下。假设酚的分配系数为 15,并不随溶液组成 而变化。 (1)采用单级萃取时，问需要添加多少kg的萃取剂? (2)将单级萃取后的萃取相与同样体积和同样浓度的含酚废水再次接触进行萃取操作，问废水 中的酚浓度可以降低到多少？并请画出操作线和平衡线的关系示意图。 重复（2）的操作，求最终得到的萃取相中酚的最大浓度为多少? （25 分） 解：（1单级萃取 料液中B的量为B 10kg 根据物料衡算B XmF S YmE B X mR 又因为

48、YmE 15XmR 所以需要的萃取剂为 S B XmF XmR 3.78 kg 15XmR （2）再次萃取后，由物料衡算和平衡关系 B XmF B XmR S YmE S YmE YmE15XmR 可得 YmE5.57 10 4，浓度为 3.7mg/L （3 ）重复操作，最终得到的萃取相中的浓度是与处理液浓度平衡的浓度 3 所以YmE max 15XmR 1.5 10 ，浓度为 1500 mg/L 三、反应工程原理 3.1简答题 1.简述影响均相连续反应器内反应物的转化率的主要因素。 解：（1）反应器：反应器的操作方式（全混流、平推流等）、反应器有效容积；（2）反应：反应级数、 反应速率常数；

49、（3）操作条件：反应停留时间、进料浓度、温度。 2.西勒（Thiele）模数的物理意义是什么？具体说明西勒（ Thiele）模数的大小如何影响催化剂的有效 系数? 解：物理意义是最大反应速率与最大内扩散速率的比值 OS值越大，内扩散阻力越大，有效系数越小 （1）s5-9时，n值小于0.1，且Tr1Oso此时宏观反应速率主要受扩散的影响。 3. 根据环境净化与污染防治技术的基本原理，阐述实现污染物高效、快速去除的基本技术路线。 解：原理体系：利用隔离、分离、转化等技术原理，通过工程手段，实现污染物的高效、快速去除。 、快速地 去除。 技术路线：通过隔离/分离/转化方式的优选与组合，实现对污染物的

50、高效（去除效率、能耗） 接关系的主要因素，不包括温度、pH等环境条件） 有哪些? 解：根据公式 rss ksS 1 /2 (DsfkXf) S tanh m 其中 所以，影响微生物膜反应速率（以表面积为基准） 的因素为 基质的特性：基质在微生物膜内的有效扩散系数 Dsf,基质反应速率常数k; 即通过对装置的优化设计以及对操作方式和操作条件的优化，实现对介质的混合状态和流体流态的优 、快速去除。 化和对迁移（物质、能量）和反应速率的强化，从而实现对污染物的高效（去除效率、能耗） （主要指与微生物膜和基质本身特性有直 4. 影响以微生物膜表面积为基准的基质消耗速率的主要因素 微生物膜特性：膜内的微

51、生物浓度Xf,:微生物膜的厚度 d 微生物的膜内微生物种类 表面的基质浓度 5. 简要说明为什么气液相反应的宏观速率方程根据本征反应速率的快慢有不同的表达形式。 解：气液相反应过程是包括传质和反应的多个步骤的综合过程。宏观反应速率控制步骤为传质过程或 反应过程，由本征反应速率和传质速率快慢所决定。控制步骤不同，反应区域与浓度分布亦不同，反应速 率方程和传质形式发生改变，从而使宏观速率方程具有不同的表达形式。 6. 试比较固体催化剂的有效系数与微生物膜的有效系数的定义有何不同? 解：固相催化剂的有效系数（n,也称效率因子: 催化剂的实际反应速率 催化剂表面与内部无浓度及温度差时的理想反应速率 微

52、生物膜的有效系数 (n) 以面积为基准的实际反应速率 rss ( rss) max 0（ Qdz 0 （ Qdz生物膜厚度 无限大时，能达到的以 面积为基准的反应速率 两种定义中反应速率最大值或理想值的定义不同 1. 一般情况下，反应器内的流体流动状态会对反应结果产生影响，为什么? 解：反应过程和传递过程是反应工程的关键，而反应器内流体的流动状态将直接影响反应过程和传递过程，即流动状态不同，将使反应器内的浓度分布、 温度分布和流速分布的不同， 可能造成反应器各 流团” 停留时间分布、组分分布和反应速率分布的不同，从而影响反应的结果。 ，并说明理由？ 8.若将反应速率的定义写成一rA= dcA/

53、dt，该定义式成立的条件是什么 解：成立的条件为恒容反应。 根据反应速率的一般定义 rA 1 driA V dt (nA =cAV) 对于恒容反应有 所以反应速率的定义 1 d(CAV) dCA rA药 V dt 巴0 dt dCA r A dt Ca dV V dt 9. 进行反应速率方程的实验测定时，常采用间歇反应器，为什么? 解：间歇反应器获取数据较为方便 （1）平推流反应器和全混流反应器需调节至稳态，才可进行实验测定，获取数据；间歇反应器只需 一次性将物料加入反应器，便可进行实验测定。 T或进口浓度CA0，测定反应器出口浓 （2）平推流反应器和全混流反应器需进行多次实验，改变时间 度C

54、a ；间歇反应器只需进行一次实验。 10. 气液相反应的宏观速率方程根据本征反应速率的快慢有不同的表达形式，为什么？ 解：气液相反应过程是包括传质和反应的多个步骤的综合过程。宏观反应速率控制步骤为传质过程或 反应过程，由本征反应速率和传质速率快慢所决定。控制步骤不同，反应区域与浓度分布亦不同，反应速 率方程和传质形式发生改变，从而使宏观速率方程具有不同的表达形式。 11. 简要阐述环境净化与污染控制技术原理体系以及在实际工程中实现污染物高效、快速去除的基本 技术路线。 解：（1）原理体系：利用隔离、分离、转化等技术原理，通过工程手段，实现污染物的高效、快速去 除。 （2）技术路线：通过隔离/分

55、离/转化方式的优选与组合，实现对污染物的高效（去除效率、能耗） 快速地去除。 即通过对装置的优化设计以及对操作方式和操作条件的优化，实现对介质的混合状态和流体流态的优 、快速去除。 化和对迁移（物质、能量）和反应速率的强化，从而实现对污染物的高效（去除效率、能耗） 12. 对于不可逆液相反应，利用间歇反应器和理想平推流反应器进行反应操作时的基本方程有何异同？ 简要分析其理由。 解：间歇反应器基本方程为 dxA nAO 药rAV 平推流反应器的基本方程为 q dxAr qn AO rA dV 异同：方程的基本形式相同，但间歇反应器为反应速率正比于转化率随时间的变化率，而平推流反应 器为反应速率正

56、比于转化率随空间的变化率。 原因：平推流反应器可以看作一个微元在流动过程中进行间歇反应，其反应时间可用流动的距离或体 积进行表示。即在空间上的平推流反应器与在时间上的间歇反应器。 13. 简述影响球形催化剂有效系数的主要因素及其产生的影响。 解：球形催化剂的效率系数的定义为 n大小有关 西勒模数反映了反应过程受本征反应及内扩散的影响程度，与 根据 R kvCAsn1 3 V De 可知n的主要影响因素有催化剂颗粒半径R,扩散系数De,反应速率常数kv，催化剂表面反应物浓 度 CAS O R、kv、 cAs、n越大，本征反应速率越大，则扩散过程对反应速率影响越大, n值越小; n值越大。 De越

57、大，扩散速率越大，则本征反应对反应速率影响越大, 14. 分析气-液相快速反应的特点。根据气-液相拟一级快速反应的宏观速率方程，简述提高反应速 率的措施。 解：特点为A与B之间的反应速率较快，反应发生在液膜内的某一区域中，在液相主体不存在 分，也不发生A和B之间的反应。 拟一级快速反应的宏观反应速率方程 AS kbACAi tanh 其中, L JkCBL / DlaJkCBL Dla / kbA 提高反应速率的措施: 提高Hatta （八田）数：可以通过提高 B在液相主体的浓度CBL、A在液相中的扩散系数 Dla O 提高CAi :加大气相中A的分压 提高kLA:改善传质，即提高 A在液相中

58、的扩散系数 Dla，减少液膜厚度 采用循环连续反应器，进行回流，提高反应器内菌体浓度。 B 一次性加 入，A连续加入)和连续反应器进行反应操作情况下, A和B的转化率的定义式。(10分) 解: (1)在间歇反应器中, A转化率为 XA=1-nA/nA0 3.9对于二级不可逆液相反应oAA+aBBT P,试分别给出利用间歇反应器、半间歇反应器( B转化率为 (2)在半间歇反应器中, A转化率为 XA1 n A0qnAot xB=1-nB/nB0 B转化率为 xB=1-nB/nB0 (3)在连续反应器中, A转化率为 XA=1-qA/qnA0 A的分解 研究。已知 A的分解反应为不可逆反应，现需要

59、确定该反应的本征速率方程(- rA=kcAn） 请你为该研究 B转化率为 XB=1-qB/qnB0 3.10某研究单位拟利用以粒状活性炭为载体的二氧化钛催化剂进行水中低浓度有机污染物 。（20 分） 保持温度、压力、进口物料组成不变，选取进料流量 qnt和催化剂填装量 m1，改变催化剂粒径dp, 单位设计一个系统的、可操作性强的实验方案(利用间歇反应器) 解：(1)测定消除外扩散影响的实验条件 在一反应器内装入质量为 m1的催化剂，此时的填充层高度为 h1，在保持相同温度 T压力P、进口 物料组成的条件下，改变进料流量qnA0，测定相应的转化率XA ； 在同一反应器内装入质量为 m2的催化剂，

60、此时的填充层高度为 h2,在同样的温度、压力、进口物 料组成的条件下测定不同qnA0时的XA ； 做XAm/qnA0曲线，求两曲线重合处的进料流量qvt和流速。 (2) 测定消除内扩散影响的实验条件 测定相应的转化率XA； 做XAdp曲线，曲线中XA不随dp变化而变化的区域，则为无内扩散阻力的粒径条件。选取该区域 的催化剂，粒径为dpt dpt、进料流量为qvt，则 (3) 测量本征速率方程 在相同反应器中，保持温度、压力、进口物料组成不变，选取催化剂粒径为 可消除内外扩散的影响。改变进料浓度CA0，测定出口浓度CA，根据积分法或微分法计算本征速率方程。 精选文库 (3)采用平推流反应器进行反