《环境工程学》课程作业及答案

1、第一次作业1.根据我国的环境空气质量标准的二级标准，求出 SO、NQ、CO三种污染物日平均浓度限值的体积分数。解：由我国环境空气质量标准二级标准查得三种污染物日平均浓度限值如下：SO2： 0.15mg/m3, NO2： 0.12mg/m3 , CO: 4.00mg/m3。按标准状态下1耐干空气计算，其摩尔数为1103田H八- 44 643mol。故三种污染物体积百分数分别为：22.43oc 0.15 10SO： 0.052 ppm64 44.6433s 0.12 10no： 0.058 ppm46 44.6433cc 4.00 10co 3.20 ppm o28 44.6432. CCl 4气

2、体与空气混合成体积分数为1) CCl4在混合气体中的质量浓度1.50 X 10"的混合气体，在管道中流动的流量为10而、/s ,试确定：(g/m3N)和摩尔浓度c (mol/m3N)； 2)每天流经管道的CCl4质量是多少千克?解：D（g/m3N）1.50 10 4154322.4 10_ _31.031g/mN（mol/m 3n）41.50 1022.410 33. .36.70 10 mol /mN 。2)每天流经管道的CCl4质量为1.031 X 10X3600 X 24 X 10 3kg=891kg3.已知重油元素分析结果如下：C: 85.5% H : 11.3% O : 2

3、.0% N : 0.2% S : 1.0%,试计算：1）燃油1kg所需理论空气量和产生的理论烟气量；2 ）干烟气中SO的浓度和CO的最大浓度；3 ）当空气的过剩量为10%寸，所需的空气量及产生的烟气量。解：1kg燃油含：重量（g）摩尔数（g） 需氧数（g）C85571.2571.25H113-2.555.2527.625S100.31250.3125HO22.51.250N元素忽略。1）理论需氧量 71.25+27.625+0.3125=99.1875mol/kg设干空气 Q: N2体积比为 1: 3.78 ,则理论空气量 99.1875 X 4.78=474.12mol/kg 重油。即 47

4、4.12 X 22.4/1000=10.62m Rkg 重油。烟气组成为 CO71.25mol , H2O 55.25+11.25=56.50mol , SQ0.1325mol , N23.78 X99.1875=374.93mol 。理论烟气量 71.25+56.50+0.3125+374.93=502.99mol/kg 重油。即 502.99 X 22.4/1000=11.27 m 3N/kg 重油。2）干烟气量为 502.99 56.50=446.49mol/kg 重油。446.49SO百分比浓度为0.3125 100% 0.07%,71.25空气燃烧时co存在最大浓度 100% 15.

5、96%。446.493)4.1)普通煤的元素分析如下：C65.7%;灰分18.1%; S1.7%;计算燃煤1kg所需要的理论空气量和 SO在烟气中的浓度H3.2%;水分 9.0%; O2.3% (含 N 量不计)2)3)假定烟尘的排放因子为 80%计算烟气中灰分的浓度 假定用硫化床燃烧技术加石灰石脱硫。石灰石中含（以（以体积分数计）mg/m表示）;Ca35%当Ca/S为1.7 （摩尔比）时，计算燃煤1t过剩空气为10%寸，所需空气量为1.1 x 10.62=11.68m3N/kg重油, 产生烟气量为 11.267+0.1 X 10.62=12.33 m ）/kg 重油。% （质量）mol/10

6、0g煤C65.75.4751H3.23.20.584S1.70.0530.010O2.30.0720.013灰分18.13.306g/mol水分9.01.644g/molmol/mol故煤的组成为需加石灰石的量。解：相对于碳元素作如下计算:CH.584 So.010 O0.013,燃料的摩尔质量（包括灰分和水分）1005.47518.26g/molC o燃烧方程式为CH 0.584so.010O0.013n(O23.78N2)CO20.292H 2O 0.010SO2 3.78nN2n=1+0.584/4+0.010 0.013/2=1.14951)理论空气量1.1495 (1 3.78) 1

7、00022.4SO在湿烟气中的浓度为18.260.01010 3 m3/kg 6.74m3/kg；1 0.292 0.010 3.78 1.1495100% 0.174%1.644182)产生灰分的量为 18.1 1000 80% 144.8g/kg 100烟气量(1+0.292+0.010+3.78 X 1.1495+1.644/18 ) X 1000/18.26 X 22.4 X 10 3=6.826m3/kg144 8。灰分侬度为 103mg/m3=2.12 X104mg/ni6.8261000 1.7% ( C3）需石灰石32-00103.21kg/t 煤1.7 4035%5.干烟道气

8、的组成为：CO11% （体积），Q8% CO2% SO120X 10一6 （体积分数）,颗粒物30.0g/m3 （在测定 状态下），烟道气流流量在 700mmH4口 443K条件下为5663.37m3/min ,水气含量8% （体积）。3试计算：1）过量空气百分比；2） SO的排放侬度（g/m3）； 3）在标准状态下（1atm和273K）,干烟道体积；4）在标准状态下颗粒物的浓度。解：1） N2%=1- 11%- 8%- 2%- 0.012%=78.99%由大气污染控制工程 P46 （211）空气过剩8 0.5 2100% 50.5%0.264 78.99 (8 0.5 2)2）在测定状态下，

9、气体的摩尔体积为、/PM T2V2TiP2101325 22.4 443 39.46L / mol ；273 700 133.322取1m3烟气进行计算,则 SO120 x 10 6m3,排放浓度为120 10 6339.46 10(18%)3 ,364 0.179 g / m。3)5663.3738%) 2957mN / min。39.4634) 30.0 五7 52.85g/mN。=10.3 m、d84.1 =19.1 m、d15 9=5.6 md84.1d501.85。第二次作业1.已知某粉尘粒径分布数据（见下表），1）判断该粉尘的粒径分布是否符合对数正态分布；2）如果符合,求其几何标准

10、差、质量中位直径、个数中位直径、算数平均直径及表面积-体积平均直径。粉尘粒径/m02244661010 2020 40>40浓度/ g3 m0.812.2255676273解：在对数概率坐标纸上作出对数正态分布的质量累积频率分布曲线，读出质量中位直径ds。（MMD按大气污染控制工程P129（5-24）In MMD In NMD 3ln2 a NMD 3.31m； g12P129 （5 26）In dL In NMD -In a dL 4.00 m； 2 g52P129 （5 29）Indsv In NMD -In g dsv 8.53 m。22.根据对某旋风除尘器的现场测试得到：除尘器进

11、口的气体流量为10000nVh ,含尘浓度为4.2g/ nV除尘器出口的气体流量为 12000 m3N/h ,含尘浓度为340mg/ m）。试计算该除尘器的处理气体流量、漏风率和 除尘效率（分别按考虑漏风和不考虑漏风两种情况计算）。1 3解：气体流量按 P141 （5-43） QN（Q1NQ2N）11000m：/s；2漏风率 P141 (5 44)Q1 NQ2NQ1N100%200010000100%20%；除尘效率:考虑漏风，按 P142 (547)1 2NQ2N1N Q1N不考虑漏风，按 P143 (5 48)1 2N1N0竺 91.9%4.23.对于题2中给出的条件，已知旋风除尘器进口面

12、积为0.24m2,除尘器阻力系数为9.8 ,进口气流温度为1 0.340 12000 90.3%4.2 10000423K,气体静压为-490Pa,试确定该处尘器运行时的压力损失(假定气体成分接近空气)解：由气体方程PV 6rt得MPMRT一 _ 5 一一 一一(1.01 10490) 298.31 4230.832g/L42310000 273 17.9m/ s0.24 3600按大气污染控制工程 P142 (545)9.84.有一两级除尘系统，已知系统的流量为2.22m3/s ,0832 17.92 1311Pa。2工艺设备产生粉尘量为 22.2g/s,各级除尘效率分别为80骑口 95%试

13、计算该处尘系统的总除尘效率、粉尘排放浓度和排放量。解：按大气污染控制工程P145 (5 58)t 1 (1 i)(12) 1 (1 95%)(1 80%)99%22.23. 33粉尘侬度为 g / m 10g/m ,排放浓度10 (199%) =0.1g/m ;2.22排放量 2.22 X0.1=0.222g/s 。5.某燃煤电厂除尘器的进口和出口的烟尘粒径分布数据如下，若除尘器总除尘效率为98%,试绘出分级效率曲线。粉尘(邨鬲/ m<0.60.60.70.70.80.81.0122334质量频率/%进口 g12.00.40.40.73.56.024.0出口 g27.01.02.03.0

14、14.016.029.0粉尘(隔/m45566881010122030质量频率进口 g113.02.02.03.011.08.0/%出口 g26.02.02.02.58.57.0解：按大气污染控制工程P144 (5 52) i 1 P% (P=0.02)计算，如下表所示:g1i粉尘(隔/m<0.60.60.70.70.80.81.0122334质量频率进口 g12.00.40.40.73.56.024.0/%出口 g27.01.02.03.014.016.029.0i /%93959091.49294.797.6粉尘(隔/m45566881010122030其他质量频率进口 g113.0

15、2.02.03.011.08.024.0/%出口 g26.02.02.02.58.57.00i /%99.1989898.398.598.2100据此可作出分级效率曲线。6.某种粉尘的粒径分布和分级除尘效率数据如下，试确定总除尘效率。平均粒径/m0.251.02.03.04.05.06.07.08.010.014.020.0>23.5质量频率/%0.10.49.520.020.015.011.08.55.55.54.00.80.2分级效率/%83047.56068.575818689.5959899100解：按大气污染控制工程 P144 (5 54) 丁 ,g.72.86%。Till7

16、.计算粒径不同的三种飞灰颗粒在空气中的重力沉降速度，以及每种颗粒在30秒钟内的沉降高度。假定飞灰颗粒为球形，颗粒直径分别为为 0.4、40、4000 m,空气温度为387.5K,压力为101325Pa,飞灰真密 度为 2310kg/m3。解：当空气温度为 387.5K 时 0.912kg/m3,2.3 10 5。当dp=0.4 m时，应处在Stokes区域。首先进行坎宁汉修正：v y亘5巫* 532.2m/s,.M . 3.142 28.97 109.4 10 8 m , Kn 0.499 v22 9.4 1020.40.47。则-1.10C 1 Kn1.257 0.4exp(-)Kn1.61

17、, usdp p18gC1.41 10 5m/s。当dp=4000 m时，应处于牛顿区,us 1.741dp( p ) g17.34m/SoRepdp u 4000 10 60.912 17.342.3 10 52750500，假设成立。当dp=0.4 m时，忽略坎宁汉修正，usdp p18 g0.088m/S。经验证Ra<1,符合Stokes公式。us,因此计算沉降高度时可近似按 us计算。考虑到颗粒在下降过程中速度在很短时间内就十分接近dp=0.4 m h=1.41 X 10 5X30=4.23 X 10 F dp=40 m h=0.088 X 30=2.64m；dp=4000 m

18、h=17.35 X30=520.5m8 .试确定某水泥粉尘排放源下风向无水泥沉降的最大距离。水泥粉尘是从离地面4.5m高处的旋风除尘器出口垂直排出的，水泥粒径范围为 25500 m,真密度为1960kg/m3,风速为1.4m/s,气温293K,气压为 101325Pa。解：粒径为25 m,应处于Stokes区域，考虑忽略坎宁汉修正:d2usp p g 3.69 10 2m/s。竖直方向上颗粒物运动近似按匀速考虑，则下落时间184.5 2us3.69 10122s ,因止匕 L=v.t=1.4 xi22m=171m第三次作业1.欲通过在空气中的自由沉降来分离石英（真密度为 2.6g/cm 3）和

19、角闪石（真密度为3.5g/cm3）的混合物, 混合物在空气中的自由沉降运动处于牛顿区。试确定完全分离时所允许的最大石英粒径与最小角闪石粒径的最大比值。设最大石英粒径dp1,最小角闪石粒径dp2。由题意，1.74 Jdp1 p1 g1.74J-dp2 p2 gd p1p23.5故 1.35。dp2p12.63 .2.直径为200 m、真密度为1850kg/m的球形颗粒置于水平的筛子上，用温度293K和压力101325Pa的空气由筛子下部垂直向上吹筛上的颗粒，试确定：1）恰好能吹起颗粒时的气速；2）在此条件下的颗粒雷诺数；3）作用在颗粒上的阻力和阻力系数。解：在所给的空气压强和温度下，1.205k

20、g /m3,1.81 10 5Pa s。dp=200 m时，考虑采用过渡区公式，按大气污染控制工程P150 （582）:us1.140.7140.7140.153dp ( p ) g0.4280.2860.153(200 10 6)1.1418500.7149.81°714(1.81 10 5)0.4281.2050.2861.03m/sRep200 10 6 1.03 1.20551.81 1013.85,符合过渡区公式阻力系数按P147 (5 62) CP18.5C 0.6Rep3.82。阻力按 P146 (559)1 .216 22Fp-CDApu2-3.82 -(200 10

21、 6)21.205 1.0323.试确定某水泥粉尘排放源下风向无水泥沉降的最大距离。水泥粉尘是从离地面7.83 10 8N。4.5m高处的旋风除尘器出口垂直排出的，水泥粒径范围为25500 m,真密度为1960kg/m3,风速为1.4m/s,气温293K,气压为 101325Pa。解：粒径为25 m,应处于Stokes区域，考虑忽略坎宁汉修正:usd2 p18 g3.69 102m/s。竖直方向上颗粒物运动近似按匀速考虑，则下落时间4.5 2us3.69 10122s,因止匕 L=v.t=1.4 X122m=171m4 .某种粉尘真密度为2700kg/ m3,气体介质(近于空气)温度为433K

22、,压力为101325Pa,试计算粒径为10和500 m的尘粒在离心力作用下的末端沉降速度。已知离心力场中颗粒的旋转半径为200mm该处的气流切向速度为16m/So解：在给定条件下0.815kg/m3,2.5 10 5 Pa s。当dp=10 m,粉尘颗粒处于 Stokes区域:dp pUc2Ut18 R(1 10 6)2 2700 162518 2.5 100.20.768m/s。dp=500 m ,粉尘颗粒处于牛顿区:c,220.55 d pUc13 utd p p 。因此6RUc23.03d p p Ut80.2m/S。经验证，Rep=1307>500,假设成立5 .直径为1.09

23、m的单分散相气溶胶通过一重力沉降室，该沉降室宽 20cm,长50cm,共18层，层间距 0.124cm,气体流速是8.61L/min ,并观测到其操作效率为 64.9%。问需要设置多少层可能得到 80%勺操作 效率。解：按层流考虑，根据大气污染控制工程P163 (6 5) 三 n2nl上 18 -80- 22.2,因此需要设置23层。2n2164.96.有一沉降室长 7.0m,高12m,气速30cm/s,空气温度300K,尘粒密度2.5g/cm 3,空气粘度0.067kg/(kg.h), 求该沉降室能100%甫集的最小粒径。解： 0.067 kg /(m.h) 1.86 10 5Pa smin

24、18 VoH pgL18 1.86 10 5 0.3 122.5 103 9.81 78.4 10 5m 84 m 100 m，符合层流区假设。7.气溶胶含有粒径为0.63和0.83 m的粒子(质量分数相等)以3.61L/min的流量通过多层沉降室。给出下列数据，运用斯托克斯定律和坎宁汉校正系数计算沉降效率。3L=50cm,1.05g/cm , W=20cmh=0.129cm,0.000182g/(cm.s) , n=19 层。解：设空气温度为298K,首先进行坎宁汉修正:- 8RT 8 8.314 298v J3- 466.6m/s,. M . 3.142 28.97 100.499 v1.

25、82 10 50.499 1.185 466.66.6 10 8m, Kn2 6.6 100.630.21C 1 0.211.2571.100.4e 叼 1.264。故4d2.-pgC 1.58 10 5m/s18UsLW(n 1)1.58 10 5 0.5 0.2 2033.61 10 /600.525。用同样方法计算可得0.83 m粒子的分级效率为0.864 。因此总效率i 0.5(0.525 0.864) 0.6958.某旋风除尘器处理含有 4.58g/m3灰尘的气流(2.5 10 5 Pa S),其除尘总效率为90%粉尘分析试验得到下列结果。粒径范围/m捕集粉尘的质量百分数/%逸出粉尘

26、的质量百分数/%050.576.05101.412.910151.94.515202.12.120252.11.525302.00.730352.00.535402.00.440452.00.3>4584.01.11)作出分级效率曲线；2)确定分割粒径。解：根据大气污染控制工程P144 (553)i ( P=0.1 )计算分级效率，结果如下Pg2i /g3i表所示：粉尘(邨鬲/m055101015152020252530303535404045>45质量捕集g30.51.41.92.12.12.02.02.02.084.0频率/%出口 g276.012.94.52.11.50.70

27、.50.40.31.1i/%5.5949.4179.1790.0092.6596.2697.3097.8398.3699.85据此可作出分级效率曲线。由上表可见，510 m去除效率为 49.41。因此在工程误差允许范围内，dc=7.5 m。9.含尘气流用旋风除尘器净化，含尘粒子的粒径分布可用对数正态分布函数表示，且“20 m ,1.25。在实际操作条件下该旋风除尘器的分割直径为5 m,试基于颗粒质量浓度计算该除尘器的总除尘效率。解：按大气污染控制工程P170 (618)质量百分比范围/%02020404060608080100平均粒径/m3.58.013.019.045.0m,使用者希望总效率

28、不小于 98%有关法规规定排11.板间距为并假定德意希方程的形式为气中含尘量不得超过 0.1g/m3。假定电除尘器入口处粉尘浓度为30g/m3,且粒径分布如下:25cm的板式电除尘器的分割直径为0.9e kdp,其中 捕集效率；K经验常数；d颗粒直径。试确定：1）该2(d pi/dc)21 (d pi/dc)2(d pi/5)21 (dpi/5)d；25 d：10 iqddpid2i0 25宙 qddpi。 piIndg=20 m ,1.25, q12 dpie到 1n gdpi d g)2g1.79e到 d piln加(褛)2代入上式，利用Matlab积分可得010.利用一高压电除尘器捕集烟

29、气中的粉尘,iqddpi 96.3%。已知该电除尘器由四块集尘板组成，板高和板长均为板间距24.4cm,烟气体积流量2m3/s ;操作压力为1atm,设粉尘粒子的驱进速度为12.2cm/s 。366cm, 试确定：D当烟气的流速均匀分布时的除尘效率；2）当供入某一通道的烟气为烟气总量的50%而其他两个各供入25%寸的除尘效率（参考图 627）。解:1) Q'=2/3=0.667 m 3/s , S=3.662=13.4m2,i1 exp(13.40.667/20.122) 99.3%。2)vmax0.5 一 ，一 ,一1.5,查图 6 27 得 Fv=1.751/3(1 )Fv 1 (

30、1 99.3%)1.7598.8% 。除尘器效率能否等于或大于 98% 2）3）能否满足使用者需要。出口处烟气中尘浓度能否满足环保规定;解：1）由题意0.51 exp( k0.9)k 0.77dp=3.5exX0.773.5)93.2%dp=8.0m,exp(0.778.0)99.8%dp=13.0exX0.7713.0) 100%0.293.2%0.299.8% 1 0.2 3 98.6% 98%2) 98.6%2i =0.42g/m 3>0.1g/m 3。不满足环保规定和使用者需要。12.对于粉尘颗粒在液滴上的捕集，一个近似的表达式为exp (0.018M 0.5 r/R 0.6R2

31、)。其中m是碰撞数的平方根，R=d/d。，对于密度为2g/cm3的粉尘，相对于液滴运动的初速度为30m/s,流体温度为297K,试计算粒径为1) 10 m； 2) 50 m的粉尘在直彳至为50、100、500 m的液滴上的捕集效率。解：1)粉尘粒径dp=10 m当液滴直径为50 m时,R=0.2;碰撞数NIdp p(up UD)18 De366.3, X NI 19.14。由给出计算公式可得50.3%同理可得液滴直径为100 m、500 m时捕集效率为42.6%、10.1%。2) dp=50 m用同样方法计算可得颗粒在直径为50 m、100 m、500 m的液滴上捕集效率分别为0、10.2%、

32、25.0%。13. 一个文丘里洗涤器用来净化含尘气体。操作条件如下：L=1.36L/m3,喉管气速为 83m/s ,粉尘密度为0.7g/cm3方程，烟气粘度为 2.23 x 10 5Pa.s ,取校正系数0.2 ,忽略Cc,计算除尘器效率。烟气中粉尘的 粒度分布如下：粒径/ m质量百分数/%<0.10.010.10.50.210.51.00.781.05.013.05.010.016.010.015.012.015.020.08.0>20.050.0解：按大气污染控制工程 P211 (6-53)p 1.03 10 3vT()1.03 10 3 (83 102)2 1.36 10 3

33、 96.5cmH2。Qg由(655)6.1Pi exp 一10 9 l_2 -gCcdpf2 g220.33dp粒径小于0.1m所占质量百分比太小，可忽略;粒径大于20.0m ，除尘效率约为1 ；因此P四10012.00.33 0.320.78e0.33 12.521001008.0e 100_ 2 0.33 0.752e13.0 e10020.33 3216.00.33 7.52e1000.33 17.520.0152%故 1 P 98.48%6.21直径为2mm的雨滴以其终末沉降速度穿过300m厚的大气近地层，大气中含有粒径为 3 m的球形颗粒，颗粒的质量浓度为80 g/m3。1)每个雨滴下降过程中可以捕集多少颗粒？2)由于捕集这些颗粒，雨滴的质量增加了百分之几？解：由Air Pollution Control Engineering » P300 9.48 式 M DD ZC t。t 通过 P293 Figure49.18读取。取 p 2 103kg/m3,雨滴Db=2mm处于牛顿区，利用大气污染控制工程P150 (5-83) V 1.742,0 10 3(1.0 1031,205) 9.81/1.2051/27.0m/s。因止匕,Ns