环境工程原理课后习题(环工班)

1、v1.0可编辑可修改环工81301班姓名学号某一段河流上游流量为36000朋加，河水中污染物的浓度为L。有一支流流量为 10000 m3/d，其中污染物浓度为30mg/L。假设完全混合。(1) 求下游的污染物浓度(2) 求每天有多少kg污染物质通过下游某一监测点。解:( 1)根据质量衡算方程，下游污染物浓度为1qV12% 2qV1qV23.0 360003600030 10000100008.87mg/L330303第5页共34页(2)每天通过下游测量点的污染物的质量为m (cV1 %2) 8.87 (36000 10000) 10 3kg/d408.02kg/d某一湖泊的容积为10X 106

2、mi,上游有一未被污染的河流流入该湖泊，流量为50mi/s。一工厂以5 mi/s的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解 充分混合。求稳态时湖Cm1Cm2 k V污染物，浓度为100mg/L。污染物降解反应速率常数为 中污染物的浓度。1。假设污染物在湖中解军：设稳态时湖中污染物浓度为m，则输岀的浓度也为m则由质量衡算，得即5 X 100mg/L( 5 + 50)mm3/s - 10 X 106xxmm3/s = 0解之得4cm,测得水流过小孔时的流速U0与槽有一装满水的储槽，直径1m、高3m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直径为内水面高度z的关系u 0=( 2gz)试求放出1m水所需的时间。解军

3、：设储槽横截面积为 A，小孔的面积为 A由题得 A?U0= dV/dt，即 U0= dz/dt x A/A2所以有 一dz/dt x( 100/4 ) 2= (2gz)即有x= dt3mz1= Zo Inix(nX)积分计算得t=2 2有一个4 x 3m的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/ ( m h),有50%的太阳能被吸收用来加热流过取暖器的水流。水的流量为min。求流过取暖器的水升高的温度。解：以取暖器为衡算系统，衡算基准取为1ho输入取暖器的热量为 3000 x 12X 50% kJ/h = 18000 kJ/h设取暖器的水升高的温度为( T),水流热量变化率为 qmcp T根

4、据热量衡算方程，有18000 kJ/h =x 60x 1 xx TkJ/解之得 T=有一个总功率为1000MW的核反应堆，其中2/3的能量被冷却水带走，不考虑其他能量损失。冷却水来自于当地的一条河 流，河水的流量为100m3/s，水温为20C。(1) 如果水温只允许上升10C，冷却水需要多大的流量；(2) 如果加热后的水返回河中，问河水的水温会上升多少C。解：输入给冷却水的热量为Q= 1000 x 2/3MW= 667 MW(1) 以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为中，热量变化率为qmcp T o根据热量衡算定律，有qV x 103xx 10 kJ/m 3 = 667x 103KWQ= s(

5、2) 由题，根据热量衡算方程，得100 x 103 xx T kJ/m 3= 667x 103KWT=某燃烧炉的炉壁由 500mm厚的耐火砖、380mm厚的绝热砖及250mm厚的普通砖砌成。其入值依次为 W/(m K)，W/(m K)及W/(m K)。传热面积 A为1ni。已知耐火砖内壁温度为1000 C，普通砖外壁温度为 50 C。(1) 单位面积热通量及层与层之间温度；(2) 若耐火砖与绝热砖之间有一2cm的空气层，其热传导系数为 W/(m C )。内外壁温度仍不变，问此时单位面积热损失 为多少解：设耐火砖、绝热砖、普通砖的热阻分别为5、5、r3(1)由题易得0.5m1.4Wm 1K 12

6、m K/W2= m2 K/W3= m K /W所以有由题 T1= 1000 CT 2 = T1 QR =CT3= T1 Q( R+ R) =CT* = 50 C(2)由题，增加的热阻为r = m2 K/Wq=AT/ (r1 +2+3 + r)= m30mnm勺软木。石某一60 mnX 3mm的铝复合管，其导热系数为45 W/(m - K)，外包一层厚30mm的石棉后，又包一层厚为棉和软木的导热系数分别为 (m K)和W/(m K)。试求5 C,则此时每米管长的冷损失量为多少(1)如已知管内壁温度为-105 C,软木外侧温度为 5C,则每米管长的冷损失量为多少(2)若将两层保温材料互换，互换后假

7、设石棉外侧温度仍为解：设铝复合管、石棉、软木的对数平均半径分别为r m3o由题有3r m=mm=.30In -27r m2=30mm=.60ln -30r m3=30mm=.90In -60(1)R/L=21 rm1b2bs22rm223rm324528.47 K30m/W 20.15 43.28K m/W3020.04 73.99K m/W4=X 10 K m/W m/W m/W= m/WQ/LT=mR/ LR/L=21 rm1b222rm2ba3rm3W245 28.47m/KW m/K20.04 43.28W m/K20.15 73.99-4=x 10 K m /W+ m /W+ m /

8、W= m /WQ/L= m，R/L水以1m/s的速度在长为3m的$ 25X管内，由20C加热到40C。试求水与管壁之间的对流传热系数。 解：由题，取平均水温 30C以确定水的物理性质。d= m, u= 1 m/s , p= kg/m 3,g = x 10-5 Pa s。Redu0.020 1 995.780.07 102.49 104流动状态为湍流所以得PrCp5380.07 104.174 100.61765.410.023d Re0.8 Pr0.44.59 103W/(m2 K)某流体通过内径为 50mm的圆管时，雷诺数 Re为1x 105，对流传热系数为 100 W / ( nt K)。

9、若改用周长与圆管相同、高 与宽之比等于1 : 3的矩形扁管，流体的流速保持不变。问对流传热系数变为多少解：由题，该流动为湍流Re0.8 Pr040.023 d Rq0.8 Pr40.023 2d1 Re20.8 P4因为为同种流体，且流速不变,所以有RC0.8 d2可得20.212矩形管的高为，宽为，计算当量直径，得2 (虫严1 ( 50 )0.2 100W /(m2 K) 111.17W/(m2 K)d229.452v1.0可编辑可修改列管式换热器由19根$ 19X 2mm长为的钢管组成，拟用冷水将质量流量为350kg/h的饱和水蒸气冷凝为饱和液体，要求冷水的进、出口温度分别为 15C和35

10、C。已知基于管外表面的总传热系数为700 W/ ( mb K),试计算该换热器能否满足要求。解：设换热器恰好能满足要求，则冷凝得到的液体温度为100 C。饱和水蒸气的潜热L= kg T2 = 85K,A T= 65Kt2InT2T185K65K85_ In6574.55K45第#页共34页由热量守恒可得 KMTm= qm_即 A-qmL_KTm350kg/h 22258.4kJ/kgRm2700W /(m K) 74.55K列管式换热器的换热面积为 A总=19 X 19mm炭性体咒1 1 1 qqmki p，整理数据如下qm25 C,下，甲醛气体被活性炭吸附的平衡数据如下:q/ g（气体）?

11、g（活性炭）-10气体的平衡分压/Pa02671600560012266试判断吸附类型，并求吸附常数。如果25C,下，在1L的容器中含有空气和甲醛的混合物，甲醛的分压为12kPa,向容器中放入 2g活性炭，密闭。忽略空气的吸附，求达到吸附平衡时容器内的压力。图9-1习题图中吸附平衡线由上述的平衡曲线，可以判断吸附可能是Langmuir或Freundlich 型#第19页共34页1/q105 1/p作1/q和1/p的直线v1.0可编辑可修改图9-2 习题图中1/q - 1/p的关系曲线由In q 1/nlnp Ink，整理数据如下：In pIn q作In q和In p的直线21第#页共34页图9

12、-3 习题图In q和In p的关系曲线由以上计算可知，用 Freundlich等温方程拟合更好一些。同时计算参数如下:1/31/n=，n=3，Ink=，k=，所以等温线方程为 q 0.016 p题设条件下，甲醛的物质的量为 npVRT12000 0.0018.314 2980.0048 问0.144 2q 8.314 298/ 300.001质量为 m 0.0048 30 0.144g假设达到吸附平衡时吸附量为q,则此时的压力为 p1/3将q 0.016p 代入，可以求得p 89 Pa89.3kPa所以此时甲醛的平衡分压已经很低，如果忽略的话，可以认为此时容器内的压力为101.3 12现采用

13、活性炭吸附对某有机废水进行处理，对两种活性炭的吸附试验平衡数据如下:1平衡浓度 COD /(mg? L-)10050010001500200025003000A吸附量/ mg? g（活性炭）-1B吸附量/mg? g（活性炭）-1试判断吸附类型，计算吸附常数，并比较两种活性炭的优劣。Langmuir吸附等温线方程为qkQm / 1 ky解:由数据可得吸附的平衡曲线如下：由直线可知,1平衡浓度COD/mgL-1炭性活ygm/量附吸8765431010002000300040002图9-4用 Langmuir习题图吸附等温线图9-5 习题图/q和的关系曲线吸附等温线方程可以很好地拟合吸附曲线。100

14、50010001500200025003000/q(A)/q(B)1，变形后可得，整理数据如下:q qm kiqm作/q和的直线分别求得方程的常数为活性炭 A：1/qm=， qm=526， 1/k 1qm=，k1=活性炭 B：1/qm=， qm=667， 1/k 1qm=，k=v1.0可编辑可修改A的吸附系数比较大，吸附的性能较比较两种活性炭的吸附平衡常数，可以看到B的饱和吸附量要大于 A比表面积较大，吸附容量比较大；而25 22页共34页用H型强酸性阳离子树脂去除海水中的Na+、K+离子（假设海水中仅存在这两种阳离子），已知树脂中H离子的浓度为L，KKh 3.0海水中 K,2.0 Na K+

15、离子的浓度分别为L和L，求交换平衡时溶液中 Na+、Kf离子的浓度。已知，。解：kHKyK1 xkxk1yKNayNa 1XNa3.0， K h2.0XNa1yNa同时 0.3yNa0.1 1XNa，0.3yK 0.02 1 Xk联立以上几式，求得XK 0.023，XNa0.162所以平衡时溶液中的浓度Na为mol/L ，K为mol/L用反渗透过程处理溶质为3% （质量分数）的溶液，渗透液含溶质为150X 10-6。计算截留率 卩和选择性因子，并说明这种情况下哪一个参数更适用。解：溶质的量很少，可以忽略溶质对溶液体积和总摩尔数的影响，所以截留率：0.03 0.000150.9950.03y /

16、 yB0.03/ 0.97a/b206选择性因子：Xa/xb0.00015/0.99985在溶质的量与溶液相比很少，选择性因子很大时，采用截留率表征分离情况，结果更为清晰，容易理解。采用电渗析的方法除盐，已知料液的NaCl浓度为L，实验测得传质系数为m/s，Dbl 7.8 10 2膜中ci-离子的迁移数为,bl边界层中Cl-离子迁移数为，求该电渗析过程的极限电流密度。解：由式（）得极限电流密度:v1.0可编辑可修改21第29页共34页；ZDbl fcbi limbl tmtbi1 7.8 102 26.8 0.3 1030.52 0.312.99 103 A/m2用45kg纯溶剂S萃取污水中的

17、某溶质组分A，料液处理量为39kg，其中组分A的质量比为XmF 0.3，而且S与料液组分mFB完全不互溶，两相平衡方程Ym 1.5Xm，分别计算单级萃取、两级错流萃取（每级萃取剂用量相同）和两级逆流萃取组分的萃出率。解：（1）单级萃取料液中b的量为B 39/1.330 kg(2)根据物料衡算b XmF S又因为YmE1.5X mR所以萃余相溶质质量比为 XmR所以溶质A的萃出率为%两级错流YmEB XmRBXmF30 0.3B 1.5S0.09230 1.5 45两级错流的情况下，每级的萃取剂用量为则第一级萃余相的浓度为X mR1BXmF30 0.3B 1.530.1430 1.5 22.5因

18、为第一级的萃余相浓度就是第二级的原料液浓度,因此可以计算第二级的萃余相浓度X mR2BXmR130 0.14B 1.5S,30 1.5 22.50.066因此溶质A的萃出率为78%（3）两级逆流两级逆流的物料衡算为B XmF Xm1 SYm1 丫m2， B X ml X m2SYm2又根据相平衡方程 Ym 1.5Xm由以上三个方程式可以求得X20.036所以溶质A的萃出率为88%ZN 2气态NH在常温高压条件下的催化分解反应2NH=Nz+3H2可用于处理含NH废气。ZH2现有一 NH和CH含量分别为95%和通过NH催化分解反应器后气体中 NH的含Xa12 Znh3,0Xnh31NH 3ZNH

19、30XNH3Zn2,03ZH2,02 znh3,0Xnh31NH 3ZNH30XNH3CH 4 ,0ZA0ZAZa0(10.95 0.03aza)0.95(1 1 0.03)Znh3,0Xnh3 /21NH 3ZNH30XNH33znh3 ,0Xnh3 / 21NH 3ZNH3,0XNH30.94.95 .94/20.23611 0.95 0.943 .95 .94/20.70811 0.95 0.94NH3 ZCH421NH 3ZNH 3,0XNH 30.050.95 0.945 %的气体，0.026量减少为3%，试计算NH的转化率和反应器出口处N2、H，和CH的摩尔分数。（CH为惰性组分，

20、不参与反应）解：在气相反应中，NH分解膨胀因子为将已知数据zNh3,0 0.95 ； zNh30.03代入式可得:根据题意：Zn2,00 , Zh2,00, Zch4,00.05，由表可得:在连续反应器内进行的恒容平行反应（1）和，当原料中（反应器进口）的 A B浓度均为3000mol/m3时，出口反应液33中的A R的浓度分别为250mol/m和2000mol/m。试计算反应器出口处的A的转化率以及B和S的浓度（原料中不含R和S）。（1） a+b=r第 24页共34页（2） 2A=R+S解：在反应式（1 ）和（2）中，设A的转化率分别为XA1和XA2则有CaCao (1XaiXa2 )CRC

21、R0CA0 XA1CA0 XA2 / 23333将题中数据 cao= 3000 mol/m ; ca= 250 mol/m ; cro= 0 mol/m ; cr= 2000 mol/m 代入,求解方程可得XA1=； XA2 =所以反应器岀口处A的转化率为a= XA1 + XA2 = + =3B 的浓度为 Cb= Cbo CaoXai = 1749 mol/m的浓度为 c s= Cso+CsoXa2/2 = 750 mol/m3在不同率因子。求出反应的活化能和频且 6286 3温度下测得的某污染物催化分解反应的速率常数k如下表所示,R温度，(K)k/mol/(g h)解:根据表中数1/T /K

22、据求出Ink和1/T值，做lnk-1/T曲线如下图11-3 习题图lnk-1/T 曲线根据式可得所以反应的活化能为 Ea=x 104kJ/kmol频率因子为 ko=x 104mol/(g h)v1.0可编辑可修改液相反应A+ 24 P的反应速率方程为rA (mol m 3h 1) Cb在50C时的反应速率常数为 4.5mol/(m 3 h)，现将组成为33.,CA0= m, cbo= m, cpo=0,温度为50C的反应原料，以h的流量送入一平推流反应器，使反应在50 C恒温条件下进行：试计算A的转化率为80%时所需的反应器有效体积。解:反应为恒容恒温反应，根据表的设计方程3cA7CA 2(C

23、B0CB0BCA0XABCA0)klnCB0(1 XA)CB0BCA0XA变形可得InCB0 (1Xa)(CB0BCA0)k将 a b= 2, CA(=m,CB0=,乂人=代入上式可得:所以反应器体积V= t qv=采用CSTR反应器实现习题的反应，若保持其空时为3h，则组分A的最终转化率为多少P的生成率又是多少第26页共34页解:根据反应式 rArp 2rQ2ca 2 0.5cA代入恒温恒容的CSTF反应器基本方程幺生可得Ca0 XarACa0Ca将已知数据ca0= 2kmol/m3和疋=3h代入方程可得解得 ca 0.2573kmol/m3,所以转化率Xa=%对P进行物料衡算亦有Cp0一和

24、rP将rp2ca代入，解得Cprp2Ca2 3 0.25731.544kmol/m3所以P的收率v1.0可编辑可修改xpCp Cp0 Cp Cp0 1.544/277.2%SmaxcA0注：由题和题可知，CSTR和间歇式反应器的t和 t数值相同时，两者转化率和收率都不相等，因此在反应器由实验室的间歇式向工程上的CSTR过渡时，应注意两者的区别。此外，在本题中连续操作的收率大于间歇操作，这是由于A的浓度较低有利于目的产物P的生成某反应器可将污染物 A转化成无害的物质 C，该反应可视为一级反应，速率常数k为h-1，设计转化率Xa为99%。由于该反应器相对较细长，设计人员假定其为平推流反应，来计算反应器参数。但是，反应器的搅拌装置动力较强，实际的混和 已满足完全混和流反应器要求。已知物料流量为h，密度为L;反应条件稳定且所有的反应均发生在反应器中。(1) 按照PFR来设计，反应器体积为多少，得到的实际转化率为多少(2) 按照CSTR来设计，反应器体积又为多少解: (1)对于一级反应