环境工程原理第三版课后复习资料

1、1.2 简要阐述环境工程学的主要任务与其学科体系解：环境工程学作为环境学科的一个重要分支，主要任务是利用环境学科以与工 程学的方法，研究环境污染控制理论、技术、措施和政策，以改善环境质量，保证人 类的身体健康和生存以与社会的可持续发展。图 1-2 是环境工程学的学科体系。1.3 去除水中的悬浮物，有哪些可能的方法，它们的技术原理是什么？ 解：去除水中悬浮物的方法主要有：沉淀、离心分离、气浮、过滤（砂滤等） 、过 滤（筛网过滤） 、反渗透、膜分离、蒸发浓缩等。 上述方法对应的技术原理分别为：重力沉降作用、离心沉降作用、浮力作用、物理阻 截作用、物理阻截作用、渗透压、物理截留等、水与污染物的蒸发性

2、差异。1.4 空气中挥发性有机物（ VOCs ）的去除有哪些可能的技术，它们的技术原理是 什么？解：去除空气中挥发性有机物 （VOCs ）的主要技术有： 物理吸收法、 化学吸收法、 吸附法、催化氧化法、生物法、燃烧法等。 上述方法对应的技术原理分别为：物理吸收、化学吸收、界面吸附作用、氧化还原反 应、生物降解作用、燃烧反应。1.5 简述土壤污染可能带来的危害与其作用途径。解：土壤污染的危害与其作用途径主要有以下几个方面：通过雨水淋溶作用，可能导致地下水和周围地表水体的污染; 污染土壤通过土壤颗粒物等形式能直接或间接地为人或动物所吸入；通过植物吸收而进入食物对食物链上的生物产生毒害作用等。1.6

3、 环境净化与污染控制技术原理可以分为哪几类？它们的主要作用原理是什么？解：从技术原理上看， 环境净化与污染控制技术原理可以分为“隔离技术”、 “分 离技术”和“转化技术”三大类。隔离技术是将污染物或者污染介质隔离从而切断污 染物向周围环境的扩散，防止污染近一步扩大。分离技术是利用污染物与污染介质或 其它污染物在物理性质或化学性质上的差异使其与介质分离，从而达到污染物去除或 回收利用的目的。转化技术是利用化学或生物反应，使污染物转化成无害物质或易于 分离的物质，从而使污染介质得到净化与处理。1.7环境工程原理课程的任务是什么？解：该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染控制工程，即水质净化与水

4、 污染控制工程、大气（包括室内空气）污染控制工程、固体废物处理处置与管理和资 源化工程、物理性污染（热污染、辐射污染、噪声、振动）控制工程、自然资源的合 理利用与保护工程、生态修复与构建工程以与其它污染控制工程中涉与到的具有共性 的工程学基础、基本过程和现象以与污染控制装置的基本原理，为相关的专业课程打 下良好的理论基础。第二章质量衡算与能量衡算2.1某室内空气中03的浓度是0.08 X 16）（体积分数），求：（1 ）在1.013 X 50a、25 C下，用 口 g/m3表示该浓度；（2）在大气压力为0.83 X 1Pa和15 C下，03的物质的量浓度为多少？解：理想气体的体积分数与摩尔分数

5、值相等由题，在所给条件下，1mol空气混合物的体积为V1 = V0 - P1/P1T0 =22.4L X 298K/273K 2445L所以。3浓度可以表示为0.08 X tmol X 48g/mol X24.45L ) -1 = 157.05 旳/m 3(2)由题，在所给条件下，1mol空气的体积为ViVo - Pi/PiTo=22.4L X 1.013 5paX 288K/(0.835PalX 273K ) =28.82L所以03的物质的量浓度为0.08 X 105mol/28.82L = 2.78 X t0mol/L2.2假设在25 C和1.013 X 50a的条件下，SO2的平均测量浓

6、度为400 口 g/nf,若允许值为0.14 X D,问是否符合要求?解：由题，在所给条件下，将测量的 SO2质量浓度换算成体积分数，即RT 103PM A8.3142981031.0131056440010 90.1510大于允许浓度，故不符合要求如果此方程在因次上是一致的，在国际单位制中A的单位必须是什么？解：由题易得，A的单位为kg/ (m3 K)2.5 一加热炉用空气(含 02 0.21,N 2 0.79 )燃烧天然气(不含 02与N2)。分析燃烧所得烟道气，其组成的摩尔分数为CO2 0.07，H2O 0.14，02 0.056，N2 0.734求每通入100m 3、30 C的空气能产

7、生多少m3烟道气？烟道气温度为 300 °C，炉内为常压。解：假设燃烧过程为稳态。烟道气中的成分来自天然气和空气。取加热炉为衡算系统。以N2为衡算对象，烟道气中的 N2全部来自空气。设产生烟道气体积为 V2。根据质量衡算方程，有0.79 X1V1/RT1 = 0.734 XV2/RT2即0.79 X 100m303K = 0.734 V2/573KV2 = 203.54m 32.8 某河流的流量为 3.0m 3/s ，有一条流量为 0.05m 3/s 的小溪汇入该河流。为研 究河水与小溪水的混合状况，在溪水中加入示踪剂。假设仪器检测示踪剂的浓度下限 为 1.0mg/L 。为了使河水和

8、溪水完全混合后的示踪剂可以检出，溪水中示踪剂的最低 浓度是多少？需加入示踪剂的质量流量是多少？假设原河水和小溪中不含示踪剂。解：设溪水中示踪剂的最低浓度为p则根据质量衡算方程，有 0.05 p=( 3 + 0.05 ) X 1.0解之得p= 61 mg/L加入示踪剂的质量流量为 61 X 0.05g/s 3#5g/s2.9假设某一城市上方的空气为一长宽均为100 km、高为1.0 km的空箱模型。干净的空气以 4 m/s 的流速从一边流入。假设某种空气污染物以 10.0 kg/s 的总排放 速率进入空箱，其降解反应速率常数为0.20h 1。假设完全混合，( 1 )求稳态情况下的污染物浓度；(

9、2)假设风速突然降低为 1m/s ，估计 2h 以后污染物的浓度。解：( 1 )设稳态下污染物的浓度为 p则由质量衡算得10.0kg/s (0.20/3600 ) X pX 100 X 100 X 1Xm10s 4 X 100 X 1 Xpm3/s = 0 解之得p= 1.05 X 10ng/m 3(2)设空箱的长宽均为 L,高度为h，质量流量为qm，风速为u。根据质量衡算方程有 qm uLh k L2h L2h dt带入已知量，分离变量并积分，得3600dt0d105 10 2 10-6 6.6 10-5积分有p= 1.15 x 1mg/m 32.10某水池内有1 m 3含总氮20 mg/L

10、的污水，现用地表水进行置换，地表水进入水池的流量为10 m3/min，总氮含量为2 mg/L，同时从水池中排出相同的水量。 假设水池内混合良好，生物降解过程可以忽略，求水池中总氮含量变为5 mg/L时,需要多少时间？解：设地表水中总氮浓度为 po，池中总氮浓度为 p由质量衡算，得积分，有it05120 ) d求得 t = 0.18 min2.11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4cm，测得水流过小孔时的流速 U0与槽内水面高度z的关系U0 = 0.62 (2gz ) 。5试求放出1m3水所需的时间。解：设储槽横截面积为 A1，小孔的面积为A2由题得

11、A2U0 = dV/dt，即 U0 = dz/dtXA 2所以有一dz/dt x(100/4 ) 2 = 0.62 (2gz ) °5即有226.55 XZ dz = dtZ0 = 3m乙=zo 1m 3 x(nX0.25计=1.73m积分计算得t= 189.8s2.12给水处理中，需要将固体硫酸铝配成一定浓度的溶液作为混凝剂。在一配料用的搅拌槽中，水和固体硫酸铝分别以150kg/h和30kg/h的流量加入搅拌槽中，制成溶液后，以120kg/h的流率流出容器。由于搅拌充分，槽内浓度各处均匀。幵始时槽内预先已盛有100kg纯水。试计算1h后由槽中流出的溶液浓度。解：设t时槽中的浓度为P

12、，dt时间内的浓度变化为d p由质量衡算方程，可得30 120d10060tdt10)0冷dt0冃 dC + 120Cdt时间也是变量，一下积分过程是否有误？即(30 120C ) dt =( 100 + 60t ) dC由题有初始条件t = 0， c = 0积分计算得：当t = 1h时C= 15.23 %2.13有一个4 x 3n2的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/ (m2 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 0.8L/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1h 0输入取暖器的热量为 3000 x 12 x 50k%h

13、= 18000 kJ/h 设取暖器的水升高的温度为(»,水流热量变化率为qmCp T 根据热量衡算方程，有18000 kJ/h = 0.8 x 60 x 1 x 4.1S3TkJ7h.K 解之得 T= 89.65K2.14 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 100m 3/s ，水温为 20 Co(1) 如果水温只允许上升10 C,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 2MW = 6

14、67 MW(1) 以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为qV ，热量变化率为 qmcp T 。根据热量衡算定律，有q, X 103 X 4.183 X 10 kJ3m 667 X fKWQ= 15.94m 3/s( 2 )由题，根据热量衡算方程，得100 X 10X 4.183 ZXTkJ/m 3 = 667 X 你W T= 1.59K第三章流体流动3.1 如图 3-1 所示，直径为 10cm 的圆盘由轴带动在一平台上旋转， 圆盘与平台间 充有厚度s =1.5mm的油膜。当圆盘以 n=50r/min 旋转时，测得扭矩 M=2.94 X 1-4 N m。设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，试确定油的

15、黏度。解：在半径方向上取 dr，则有dM = dF r由题有dFdA2 2dA= (r dr) r 2 r dr所以有d u2 n 3dM=2 r dr r 4r d rdy两边积分计算得代入数据得2.94 X PN m=x (05m ) 4xn x(50/60 ) s/ ( 1.5 X 40m )可得i= 8.58 X013Pa s3.2常压、20 C的空气稳定流过平板壁面，在边界层厚度为1.8mm处的雷诺数为6.7 X 10求空气的外流速度。解：设边界层厚度为3;空气密度为p,空气流速为u。由题，因为湍流的临界雷诺数一般取5 X 10> 6.7 X勺,所以此流动为层流。对于层流层有同

16、时又有两式合并有即有4.641 X( 6.7 X) 10 = u X 1 X 3kg/m 3X 1.8mm/( 1.81 X 1Pa s)u = 0.012m/s3.3污水处理厂中，将污水从调节池提升至沉淀池。两池水面差最大为10m，管路摩擦损失为4J/kg ,流量为34 m 3/h。求提升水所需要的功率。设水的温度为25 C解：设所需得功率为 Ne,污水密度为pN e = Weqv p=( g A z 舟 Zqh p=(9.81m/s 2 X 10m+4J/kg) X 1 X I0g/m 3 X 34/3600m 3/s=964.3W3.4 如图所示,有一水平通风管道,某处直径由 400mm

17、 减缩至 200mm 。为了粗 略估计管道中的空气流量,在锥形接头两端各装一个 U 管压差计,现测得粗管端的表 压为 100mm 水柱, 细管端的表压为 40mm 水柱, 空气流过锥形管的能量损失可以忽 略,管道中空气的密度为 1.2kg/m 3,试求管道中的空气流量。图 3-2 习题 3.4 图示解：在截面1-1禾2-2 '之间列伯努利方程：u12/2 + pi/ p=U22/2 +P2/ p由题有U2= 4U1所以有 U12/2 + P1/ pT6u12/2 + P2/ p即15u 12=2 X (p-p 2)/ p = X (op p )g(RR2)/ =2 X(1000-1.2

18、 )kg/m 3X 9.81m/s2X(0.1m 0.04m )/(1.2kg/m 3)解之得U1 = 8.09m/s所以有U2 = 32.35m/sq v = uiA = 8.09m/s Xn >200mm ） 2 = 1.02m 3/s3.5如图3-3所示，有一直径为1m的高位水槽，其水面高于地面 8m 为100mm 的管道中流出，管路出口高于地面 2m，水流经系统的能量损失 出口的能量损失）可按hf 6.5u2计算，式中u为水在管内的流速，单位为算（1）若水槽中水位不变，试计算水的流量；，水从内径（不包括m/s。试计1m所（2）若高位水槽供水中断，随水的出流高位槽液面下降，试计算液

19、面下降 需的时间。图3-3习题3.5图示解：(1)以地面为基准，在截面1-1和2-2 '之间列伯努利方程，有U12/2 + p p®1 = U22/2 + P2/ pdgZ2 +Ehf由题意得p 1 = P2，且U1= 0所以有9.81m/s 2x(8m 2m )= u2/2 + 6.5u2解之得u = 2.90m/sqv = uA = 2.90m/sXnX0.204m= 2.28 X 0m3/s(2) 由伯努利方程，有ui2/2 + gzi = U22/2 + gZ2 +Yh即ui2/2 + gzi = 7u22 + gz2由题可得ui/u 2 = ( 0.1/1 ) 2

20、= 0.01取微元时间dt，以向下为正方向则有 ui =dz/dt所以有(dz/dt ) 2/2 + gzi = 7 (100dz/dt ) 2/2 + gz2积分解之得t= 36.06s3.7水在20 °C下层流流过内径为13mm、长为3m的管道。若流经该管段的压降为21N/m 2。求距管中心5mm处的流速为多少？又当管中心速度为0.1m/s时，压降为多少？解：设水的黏度u=1.0 x T0Pa.s，管道中水流平均流速为Um根据平均流速的定义得:r。4 dpfUm=WA8 dl2 ro1 dpf 28 dl “所以代入数值得21N/m 2 = 8 x 1.0 x-3Ras XX 3

21、m/ 13mm/2 ) 2解之得Um = 3.7 x 10m/s又有U max = 2 U m所以U =2U m 1 （ r/r 0）2（1）当 r= 5mm ，且 r0 = 6.5mm ，代入上式得U = 0.03m/s（2）Umax = 2 U mp f '= U max ' /Umax =0.1/0.074 X 21N/m= 28.38N/m3.8温度为20 C的水，以2kg/h的质量流量流过内径为 10mm 求算流动充分发展以后：（1 ）流体在管截面中心处的流速和剪应力；（2）流体在壁面距中心一半距离处的流速和剪应力（3）壁面处的剪应力解：（ 1 ）由题有U m = q

22、 m/ pA=2/3600kg/s/（ 1 X I3kg/m 3Xn= 7.07 X 103m/s=282.8 v 2000管内流动为层流，故的水平圆管，试02.0m12/4 )管截面中心处的流速U max 2 Um 1.415 X J0m/s管截面中心处的剪应力为 0（2）流体在壁面距中心一半距离处的流速：UUmax（1r2/r02）U1/2 1.415 X 120m/s X 3/4 1.06 X2 1m0/s由剪应力的定义得流体在壁面距中心一半距离处的剪应力：t/2 2 口 m/r o 2.83 X 1 03N/m 2（3）壁面处的剪应力：t 2 T2 5.66 X l0N/m 23.9

23、一锅炉通过内径为 3.5m 的烟囱排除烟气， 排放量为 3.5 X 15om 3 /h ，在烟气平均温度为260 C时，其平均密度为 0.6 kg/m 3,平均粘度为2.8 X WPa s。大气温度为20 C,在烟囱高度范围内平均密度为1.15 kg/m 3。为克服煤灰阻力，烟囱底部压力较地面大气压低 245 Pa 。问此烟囱需要多高？假设粗糙度为 5mm 。解：设烟囱的高度为h，由题可得Uqv/A10.11m/sRe du p /=口7.58 X 410相对粗糙度为£ /d 5mm/3.5m 1.429 X V0查表得入0.028所以摩擦阻力建立伯努利方程有ui2/2 + pi/

24、pHgzi = U22/2 + P2/ pdgZ2 +Yh由题有ui =U2, pi = po 245 Pa, p2 = po p 空gh即(h x 1.15 kg/m3 x 9.8m/s2 245Pa ) / (0.6kg/m 3) = h x 9.8m/E+ h x 0.028/3.5m( 1o.11m/s )2/2解之得h = 47.64m3.10 用泵将水从一蓄水池送至水塔中，如图 3-4 所示。水塔和大气相通，池和塔 的水面高差为 60m ，并维持不变。水泵吸水口低于水池水面 2.5m ，进塔的管道低于 塔内水面 1.8m 。泵的进水管 DN150 ，长 60m ，连有两个 90 &

25、#176;弯头和一个吸滤底阀。 泵出水管为两段管段串联，两段分别为DN150、长23m和DN100、长100 m,不同管径的管道经大小头相联， DN100 的管道上有 3个 90°弯头和一个闸阀。泵和电机 的总效率为60 %。要求水的流量为 140 m3/h，如果当地电费为0.46元/ ( kW h) 问每天泵需要消耗多少电费？(水温为25 C,管道视为光滑管)3.11如图3-5所示，某厂计划建一水塔，将 20 C水分别送至第一、第二车间的吸 收塔中。第一车间的吸收塔为常压,第二车间的吸收塔内压力为 20kPa (表压)。总管 内径为50mm钢管，管长为(30 + Z0)，通向两吸收

26、塔的支管内径均为 20mm，管长 分别为28m和15m (以上各管长均已包括所有局部阻力当量长度在内)。喷嘴的阻力损失可以忽略。钢管的绝对粗糙度为0.2mm。现要求向第一车间的吸收塔供应1800kg/h的水，向第二车间的吸收塔供应2400kg/h的水，试确定水塔需距离地面至少多高？已知20 C水的粘度为1.0 X 10-3 Pa s，摩擦系数可由式计算。图3-5习题3.11图示解：总管路的流速为uo= qm0/ (pn2r) = 4200 kg/h/(1 X 1tkg/m 3 XnX0.0252 )= 0.594m/s第一车间的管路流速为U1= qm1/pn2)=1800kg/h/(1 X 1

27、:tkg/m 3 XnX0.012 )= 1.592m/s第二车间的管路流速为U2= qm2 /pn2)=2400 kg/h/(1 X 1:tkg/m 3 XnX0.012 )= 2.122m/s则 Reo = du p /= 29700沁=0.1(£ /d58/Re ) °23 = 0.0308Re1= du p /=18402d = 0.1(£ /d58/Re ) °23 = 0.036Re2= du p /=询2400d = 0.1(£ /d58/Re ) °23 = 0.0357以车间一为控制单元，有伯努利方程ui2/2 +

28、gzi + pi/ p+ Yfh = gzo + po/ ppi=p o，故(1.592m/s ) 2/2 + 9.8m/s 2 X 3m+ 0.0308 (为.594m/s )2 x( 30 + zo) m/ ( 2 X 0.05m )+ 0.036 X1(592m/s ) 2X 28m/( 2 X 0.02m )9另m/s 2Xz解之得zo= 10.09m以车间二为控制单元，有伯努利方程U22/2 +gz2 + p2/ p+ Yfh = gzo + po/ p(2.122m/s ) 2/2+9.8m/s 2X 5m+20kPa/ ( 1X 130kg/m 3)+ 0.0308 X0.(59

29、4m/s )2 X(30 + zo) m/ ( 2 X 0.05m ) + 0.0357 2X22m/s ) 2 X 15m/( 2 X 0.02m )=9.8m/s 2Xzo解之得zo= 13.91m故水塔需距离地面 13.91m3.13 某管路中有一段并联管路，如图 3-7 所示。已知总管流量为 120L/s 。支管 A 的管径为 200mm ，长度为 1000m ；支管 B 分为两段， MO 段管径为 300mm ，长度 为 900m ， ON 段管径为 250mm ，长度为 300m ，各管路粗糙度均为 0.4mm 。试求 各支管流量与 M 、 N 之间的阻力损失。解：由题，各支管粗糙

30、度相同，且管径相近，可近似认为各支管的入相等，取 入=0.02。将支管 A、MO 、ON 段分别用下标 1 、2、3 表示对于并联管路，满足hfA = hfB，所以有2 2 2l1 U11 2 U2 l3 U3d"2d3"2又因为MO和ON段串联，所以有U2 Xd22= U3 Xd32联立上述两式，则有2500 Ui2= 2744.16 U22Ui = 1.048 U2又 qv = Ui ndi 2/4 + U2 nd22/4解之得 U2= 1.158m/s ，u 1 = 1.214m/sqVA = u 1 nd 2/4 = 38.14L/sqVB = U2 nd22/4

31、= 81.86L/shFmn =入来 XU12/2d 1 = 73.69m 2/s2第五章质量传递5.1在一细管中，底部水在恒定温度298K下向干空气蒸发。干空气压力为0.1 X 1pa、温度亦为298K。水蒸气在管内的扩散距离 (由液面到管顶部)L= 20cm 在0.1 X 1Pa、298K的温度时，水蒸气在空气中的扩散系数为 Dab = 2.50 X -1 m 2/s 试求稳态扩散时水蒸气的传质通量、传质分系数与浓度分布。解：由题得，298K下水蒸气饱和蒸气压为 3.1684 X 10a，则p A,i = 3.1684X 31F0a， p a,0 = 0pB,m50.984110 PaPb

32、,0 - p B,iln pB ,0 p B ,i(1)稳态扩散时水蒸气的传质通量:Na传质分系数：D AB P PA,i - PA,ORTp B,mL4I21.6210 mol cm sNapA jpA,08f25.11 10 mol cm s Pa(3)由题有1标1 yAi色，1 yA,iyA,0 = 0yA,i = 3.1684/100 = 0.031684简化得 yA 1 0.96831 5z)5.2在总压为2.026 X 1Pa、温度为298K的条件下，组分 A和B进行等分子反向扩散。当组分A在两端点处的分压分别为pA,1 = 0.4 X 10a和pA,2 = 0.1 X P 时,由

33、实验测得k0G = 1.26 X 10mol/(m 2 s Pa)，试估算在同样的条件下，组分通过停解：由题有，等分子反向扩散时的传质通量为0NapA,2D AB pA,1 pA,2RTL滞组分B的传质系数kG以与传质通量Na单向扩散时的传质通量为Na心pA1 pA2Dabp Pa, 1 Pa, 2RTpB,mL所以有 Na kG Pa,1 Pa,2 pB,m又有 PB,mPB'2 PB'11.75 105Paln pB,2/pB,1即可得=1.44 X5mbl/(m 2 s Pa)Na kG Pa,1 Pa,20.44mom2 s5.3浅盘中装有清水，其深度为5mm，水的分子

34、依靠分子扩散方式逐渐蒸发到大气中，试求盘中水完全蒸干所需要的时间。假设扩散时水的分子通过一层厚4mm、温Dab度为30 C的静止空气层，空气层以外的空气中水蒸气的分压为零。分子扩散系数=0.11m 2/h.水温可视为与空气相同。当地大气压力为1.01 x iPa解：由题，水的蒸发可视为单向扩散Na Dabp PaPa，。RTpB,mZ30 C下的水饱和蒸气压为4.2474 X 1Pa,水的密度为 995.7kg/m 3故水的物质的量浓度为995.7 X 108 =0.5532 X 51mol/m 330 C时的分子扩散系数为Dab = 0.11m 2/hPA,i =4.2474 X 31Pa,

35、 Pa,o = 0pB,mpB,0 pB,i5 kIn Pb,oPb,i0.9886 10 Pa又有Na = c水V/(A t)(4mr的静止空气层厚度认为不变)所以有c 水 V/(A DAB=p(p A,i pA,o)/(RTpB,m Z)可得t = 5.8h5.5 一填料塔在大气压和295K下，用清水吸收氨一空气混合物中的氨。传质阻力可以认为集中在1mm厚的静止气膜中。在塔内某一点上，氨的分压为6.6 x 10J/m 2 水面上氨的平衡分压可以忽略不计。已知氨在空气中的扩散系数为0.236 x -40n2/s试求该点上氨的传质速率。解：设PB,1 ,PB,2分别为氨在相界面和气相主体的分压

36、，pB,m为相界面和气相主体间的对数平均分压由题意得：pB,mPb，2 Pb，10.97963 105Paln Pb,2Pb,1N a DabP Pa,1 注 6.57 10 2 mol m2 sRTPB,mL5.6 直径为2m的贮槽中装有质量分数为 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1.01 x 1Pa、293K下，氨的分子扩散系数为1.8 x 15m2/s，计算12h中氨的挥发损失量。计算中 不考虑氨水浓度的变化，氨在20 °C时的相平衡关系为P=2.69 x 10(Pa)，x为摩尔分数。解：由题，设溶液质量为 a

37、 g氨的物质的量为0.1a/17mol总物质的量为(0.9a/18 + 0.1a/17)mol所以有氨的摩尔分数为0.1a 17x 0.9a18_0.1a 170.1053故有氨的平衡分压为p = 0.1053 x 2.69X?ab0 0.2832x 51Pb即有 pA,i = 0.2832x 51Pa， Pa0 = 0PB,0pB,iPB，m lnPb,0PB,i0.8608 105Pa所以 nA DABp % pA,。RTP B,mL4.912 / 210 mol mn=N a兰 t 6.66 103mol45.8溴粒在搅拌下迅速溶解于水,3min后，测得溶液浓度为50 %饱和度，试求系统

38、的传质系数。假设液相主体浓度均匀,单位溶液体积的溴粒表面积为a，初始水中溴含量为0,溴粒表面处饱和浓度为CA,S。解：设溴粒的表面积为A，溶液体积为V，对溴进行质量衡算，有d(VcA)/dt = k(CA,s ca)A因为a = A/V，则有dCA/dt =ka (ca,s ca )对上式进行积分，由初始条件，t = 0时，ca = 0，得Ca/c as = 1 e-kat所以有ka= tt 1空Ca,s180s 'in 1 0.53.85 10 3s 111.005 x -3Pa s ;空气的密度为.205kg/m 3，黏度为1.81x 15：Pa 。）第六章沉降6.1直径60 ym

39、的石英颗粒，密度为2600kg/m 3,求在常压下，其在20 C的水中998.2kg/m 3，黏度为和20 C的空气中的沉降速度（已知该条件下，水的密度为解：（1）在水中假设颗粒的沉降处于层流区,由式（6.2.6）得:检验:RePp gdp Ut186 260 10 63 3.1318 1.005 1032600 998.29.8110 3m/sdPut60 1061.005 103.13 100.186 2位于在层流区，与假设相符，计算正确。（2）在空气中应用K判据法，得6 360 109.81 1.205 26001.81 10 5 220.336所以可判断沉降位于层流区，由斯托克斯公式，

40、可得:18gdp22600 9.816 260 1018 1.81 100.28m/s6.2密度为2650kg/m 3的球形颗粒在20 C的空气中自由沉降，计算符合斯托克斯 公式的最大颗粒直径和服从牛顿公式的最小颗粒直径（已知空气的密度为 1.205kg/m 3，黏度为 1.81 x 15Pa 。）解：如果颗粒沉降位于斯托克斯区，则颗粒直径最大时，所以，同时所以，代入数值，解得dp 7.22 10 5m同理，如果颗粒沉降位于牛顿区，贝y颗粒直径最小时,所以，同时ut 1.74 J pgdP所以，代入数值，解得dp 1.51 10 3m第七章过滤7.1用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为V

41、2 V 6 10 5A2t式中：t的单位为s(1) 如果30min内获得5m 3滤液，需要面积为0.4m 2的滤框多少个?(2)求过滤常数K，qe，te。252解：(1 )板框压滤机总的过滤方程为 V V 6 10 At在t 30 60 1800s内，V 5m3，则根据过滤方程5256 10 5 A21800求得，需要的过滤总面积为A 16.67m2所以需要的板框数n0.441.67542(2 )恒压过滤的基本方程为V2 2VVe KA2t与板框压滤机的过滤方程比较，可得K 6 105m2/sVe 05m3，% 器 0.03m3/m2te2 2qe 0.03K 6 1015ste为过滤常数，与

42、qe相对应，可以称为过滤介质的比当量过滤时间,7.2如例7.3.3中的悬浮液，颗粒直径为0.1mm，颗粒的体积分数为0.1，在9.81 x iPa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，滤液黏度为1x 10 Pa s。试求:（1）每平方米过滤面积上获得1.5m 3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?解：（1）颗粒的比表面积为a46 10 m2/m32 2滤饼层比阻为r竺存42256 1010.630.61.331010m-2过滤得到1m 3滤液产生的滤饼体积0.1f1 0.60.90.10.61/31 0.6过滤常数K

43、¥ 1 10 3 21.3T0010 1/3 443 10m2/s所以过滤方程为q2 Kt当 q=1.5 时，s（2）时间延长一倍，获得滤液量为33q 4.43 102 508 2.1 m所以可再得0.6m 3的滤液。7.3用过滤机处理某悬浮液，先等速过滤20min，得到滤液2m 3，随即保持当时的压差等压过滤40min，则共得到多少滤液（忽略介质阻力）？解：恒速过滤的方程式为式（）所以过滤常数为此过滤常数为恒速过滤结束时的过滤常数，也是恒压过滤幵始时的过滤常数，在恒压过滤过程中保持不变，所以由恒压过滤方程式（），2 2 2 2 2V V1 KA t V V12V/A2t1A2t2V

44、2竺tt1所以 v2 红t2 V2 ZZ 40 22 20t1所以总的滤液量为 V 4.47 m 3第八章吸收8.1在30C，常压条件下，用吸收塔清水逆流吸收空气-SO 2混合气体中的SO2，已知气-液相平衡关系式为y 47.87x，入塔混合气中SO2摩尔分数为0.05，出塔 混合气SO2摩尔分数为0.002，出塔吸收液中每100 g含有SO2 0.356 g，试分别计 算塔顶和塔底处的传质推动力，用y、 x、 P、 c表示。第九章解：（1）塔顶出塔SO2的摩尔分数为y 0.002，入塔吸收液中SO2的摩尔分数为X?0所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为x2* 0.002/ 47.87 4.1

45、7 10 5与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为y2 0所以 x2 x2* x2 4.17 10 5 0 4.17 10 5y2 y2 y2* 0.002 0 0.002P2 101.325 y2 101.325 0.002 0.2026 kPa忽略吸收液中溶解的SO2，则摩尔浓度可计算为c 1000/18 55.6 mol/Lc2 55.6 x2 55.6 4.17 10 5 0.00232 mol/L（2）塔底入塔SO2的摩尔分数为y 0.05，出塔吸收液中SO2的摩尔分数为所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为x1* 0.05/ 47.87 0.0010444与出塔吸收液平衡的气相摩尔分数为y

46、1 47.87x1 47.87 0.001 0.04787所以 x1 x1* x1 0.0010444 0.001 4.44 10 5y1 y1 y10.05 0.04787 0.00213p 101.325 y 101.325 0.002130.2158 kPaq 55.6 x 55.6 4.44 10 50.00247 mol/L8.2吸收塔内某截面处气相组成为y °.°5，液相组成为x 0.01，两相的平衡关系为55y 2x，如果两相的传质系数分别为ky 1.25 10 kmol/(m 2 s)kx, 1.25 10 kmol/(m 2 s),试求该截面上传质总推动力

47、、总阻力、气液两相的阻力和传质速率。解：与气相组成平衡的液相摩尔分数为 y 2X 2 0.01 0.02所以，以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为yyy*0.05 0.02 0.03同理，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为x* 0.05/ 2 0.025所以，以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为xx*x0.025 0.01 0.015以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为11/ kx 1/ mky1/ 1.25 101/ 2 1.25 100.83 10 5 kmol/(m 2s)以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为Ky Kx/m 0.83 10 5/2 0.42 105kmol/(m 2 S

48、)传质速率 na kx x 0.83 10 5 0.015 1.25 107 kmol/(m 2 s) 或者 Na Ky y 0.42 10 5 0.03 1.26 10 7 kmol/(m 2 S) 以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数分析传质阻力总传质阻力 1/ kx 1/ 0.83 10 51.20 105(m 2 s)/kmol其中液相传质阻力为 1/kx 1/ 1.25 10 5 0.8 105(m 2 s)/kmol占总阻力的66.7%气膜传质阻力为 1/ mky 1/ 2 1.25 10 5 0.4 105(m 2 s)/kmol占总阻力的33.3%8.3用吸收塔吸收废气中的SO

49、2，条件为常压，30 C,相平衡常数为26.7，在塔内某一截面上，气相中 SO2分压为4.1kPa，液相中SO2浓度为0.05kmol/m 3，气相传质 系数为kG 1.5 10 kmol/(m 2 h kPa)，液相传质系数为139 m/h，吸收液密度近似水 的密度。试求：(1 )截面上气液相界面上的浓度和分压；(2) 总传质系数、传质推动力和传质速率。解：(1)设气液相界面上的压力为Pi，浓度为c忽略SO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为C0 1000/18 55.6 kmol/m 3溶解度系数H 工 阪6oo2o6kmol/(kPa3)mmp026.7 101.325在相界面上，气液两相平衡，

50、所以ci 0.0206p又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等，所以kG p p kL c, c所以 1.5 10 24.1 P，0.39 c,0.05由以上两个方程，可以求得p, 3.52 kPa， c 0.0724kmol/m 3(2 )总气相传质系数a 110.00523 kmol/(m 2 h kPa)1/kc 1/HkL 1/0.015 1 / 0.0206 0.39总液相传质系数 Kl Kg /H 0.00523/0.02060.254 m/h与水溶液平衡的气相平衡分压为p* c/H 0.05/0.0206 2.43 kPa所以用分压差表示的总传质推动力为ppp* 4.1 2.4

51、3 1.67 kPa与气相组成平衡的溶液平衡浓度为c* Hp 0.0206 4.1 0.084 kmol/m 3用浓度差表示的总传质推动力为 c c* c 0.084 0.05 0.034 kmol/m 3传质速率 na kg p 0.00523 1.67 0.0087 kmol/(m 2 h)或者 Na Kl c 0.254 0.034 0.0086kmol/（m 2 h）8.4 101.3kPa 操作压力下， 在某吸收截面上， 含氨 0.03 摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m 3的溶液发生吸收过程，已知气膜传质分系数为kG 5 10mol/（m 2 s kPa）,4液膜传质分系数为k

52、L 1.5 10 m/s，操作条件下的溶解度系数为 H o.73kmol/（m 2 kPa）, 试计算：（1 ）界面上两相的组成；（2）以分压差和摩尔浓度差表示的总传质推动力、总传质系数和传质速率；（3）分析传质阻力，判断是否适合采取化学吸收，如果采用酸溶液吸收，传质速 率提高多少。假设发生瞬时不可逆反应。解：（1 ）设气液相界面上的压力为 pi ，浓度为 ci 因为相界面上，气液平衡，所以 ci Hpi ， ci 0.73pi 气相中氨气的分压为 p 0.03 101.3 3.039kPa 稳态传质条件下，气液两相传质速率相等，所以kG p pi kL ci c5 10 6 3.039 pi

53、 1.5 10 4 ci 1根据上面两个方程，求得 pi 1.44kPa， ci 1.05kmol/m 3 （2）与气相组成平衡的溶液平衡浓度为 c Hp 0.03 101.3 0.73 2.22kmol/m 3用浓度差表示的总传质推动力为c c c 2.22 1 1.22kmol/m 3 与水溶液平衡的气相平衡分压为p* c/ H 1/ 0.73 1.370kPa所以用分压差表示的总传质推动力为 p p p 3.039 1.370 1.669kPa总气相传质系数 a ii478 106kmol/(m 2 s kPa)G 1TkG1/ HkL 1/ 5 106_1/ 0.73 1.5 10 4

54、总液相传质系数 Kl Kg /H 4.78 10 6/0.73 6.55 10 6 m/S传质速率 Na Kg p 4.78 10 6 1.669 7.978 10 6 kmol/(m 2 S)或者 Na Kl c 6.55 10 6 1.227.991 10 6kmol/(m 2 S)(3) 以气相总传质系数为例进行传质阻力分析总传质阻力 1/ kg 1/ 4.78 10 62.092 105 (m 2 s kPa)/kmol其中气膜传质阻力为 1/kG 1/ 5 10 6 2 105 (m2 s kPa)/kmol占总阻力的95.6%液膜传质阻力为 1/ HkG 1/ 0.73 1.5 10 49.1 103(m 2 s kPa)/kmol占总阻力的4.4%所以这个过程是气膜控制的传质过程，不适合采用化学吸收法。如果采用酸液吸收氨气，并且假设发生瞬时不可逆反应，则可以忽略液膜