環(huán)境工程原理第三版課后答案資料

1、1.2 簡(jiǎn)要闡述環(huán)境工程學(xué)的主要任務(wù)及其學(xué)科體系解：環(huán)境工程學(xué)作為環(huán)境學(xué)科的一個(gè)重要分支，主要任務(wù)是利用環(huán)境學(xué)科以及工程學(xué)的方法，研究環(huán)境污染控制理論、技術(shù)、措施和政策，以改 善環(huán)境質(zhì)量，保證人類的身體健康和生存以及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。圖 1-2 是環(huán)境工程學(xué)的學(xué)科體系。1.3 去除水中的懸浮物，有哪些可能的方法，它們的技術(shù)原理是什么？解：去除水中懸浮物的方法主要有：沉淀、離心分離、氣浮、過(guò)濾（砂濾等） 、過(guò)濾（篩網(wǎng)過(guò)濾） 、反滲透、膜分離、蒸發(fā)濃縮等。 上述方法對(duì)應(yīng)的技術(shù)原理分別為：重力沉降作用、離心沉降作用、浮力作用、物理阻截作用、物理阻截作用、滲透壓、物理截留等、水與污染物 的蒸發(fā)性差異。

2、1.4空氣中揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的去除有哪些可能的技術(shù)，它們的技術(shù)原理是什么？解：去除空氣中揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的主要技術(shù)有：物理吸收法、化學(xué)吸收法、吸附法、催化氧化法、生物法、燃燒法等。上述方法對(duì)應(yīng)的技術(shù)原理分別為：物理吸收、化學(xué)吸收、界面吸附作用、氧化還原反應(yīng)、生物降解作用、燃燒反應(yīng)。1.5 簡(jiǎn)述土壤污染可能帶來(lái)的危害及其作用途徑。解：土壤污染的危害及其作用途徑主要有以下幾個(gè)方面：通過(guò)雨水淋溶作用，可能導(dǎo)致地下水和周圍地表水體的污染；污染土壤通過(guò)土壤顆粒物等形式能直接或間接地為人或動(dòng)物所吸入：通過(guò)植物吸收而進(jìn)入食物鏈，對(duì)食物鏈上的生物產(chǎn)生毒害作用等。1.6 環(huán)境凈化與污染控制技術(shù)原

3、理可以分為哪幾類？它們的主要作用原理是什么？解：從技術(shù)原理上看，環(huán)境凈化與污染控制技術(shù)原理可以分為 “隔離技術(shù) ”、 “分離技術(shù) ”和“轉(zhuǎn)化技術(shù)”三大類。隔離技術(shù)是將污染物或者污染介質(zhì) 隔離從而切斷污染物向周圍環(huán)境的擴(kuò)散， 防止污染近一步擴(kuò)大。 分離技術(shù)是利用污染物與污染介質(zhì)或其它污染物在物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)上的差異使其 與介質(zhì)分離，從而達(dá)到污染物去除或回收利用的目的。轉(zhuǎn)化技術(shù)是利用化學(xué)或生物反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化成無(wú)害物質(zhì)或易于分離的物質(zhì)，從而使污染介 質(zhì)得到凈化與處理。1.7環(huán)境工程原理課程的任務(wù)是什么？ 解：該課程的主要任務(wù)是系統(tǒng)、深入地闡述環(huán)境污染控制工程，即水質(zhì)凈化與水污染控制工程、大氣（

4、包括室內(nèi)空氣）污染控制工程、固體廢物 處理處置與管理和資源化工程、物理性污染（熱污染、輻射污染、噪聲、振動(dòng)）控制工程、自然資源的合理利用與保護(hù)工程、生態(tài)修復(fù)與構(gòu)建工程以 及其它污染控制工程中涉及到的具有共性的工程學(xué)基礎(chǔ)、基本過(guò)程和現(xiàn)象以及污染控制裝置的基本原理，為相關(guān)的專業(yè)課程打下良好的理論基礎(chǔ)。第二章質(zhì)量衡算與能量衡算2.1某室內(nèi)空氣中03的濃度是0.08 X10-6 （體積分?jǐn)?shù)），求：（1）在1.013 X05Pa、25C下，用口 g/帛表示該濃度；（2）在大氣壓力為0.83 X 05Pa和15C下，03的物質(zhì)的量濃度為多少？解：理想氣體的體積分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)值相等由題，在所給條件下，1mo

5、l空氣混合物的體積為 V1= V0P0T1/P1T0= 22.4L X298K/273K =24.45L所以O(shè)3濃度可以表示為0.08 106mol M8g/mol (24.45L)1 =157.05 g/m3(2)由題，在所給條件下，1mol空氣的體積為Vi = V0P0T1/P訂o=22.4L 兇.013 105Pa288K/(0.83 仞5PaX273K)= 28.82L所以。3的物質(zhì)的量濃度為-6- 90.08 兇0 6mol/28.82L = 2.78 10 9mol/L2.2假設(shè)在25 C和1.013 105Pa的條件下，SQ的平均測(cè)量濃度為400屈/用，若允許值為0.14 10-

6、6，問(wèn)是否符合要求?解：由題，在所給條件下，將測(cè)量的S02質(zhì)量濃度換算成體積分?jǐn)?shù)，即RT 103、8.31429810396A40010 - _0.1510 -pM A1.01310564大于允許濃度，故不符合要求如果此方程在因次上是一致的，在國(guó)際單位制中A的單位必須是什么？解：由題易得，A的單位為kg/ (m3 K)2.5 一加熱爐用空氣(含O2 0.21,N2 0.79)燃燒天然氣(不含。2與2)。分析燃燒所得煙道氣，其組成的摩爾分?jǐn)?shù)為 CO? 0.07,出0 0.14, O2 0.056, N2 0.734。求每通入100m3、30C的空氣能產(chǎn)生多少m3煙道氣？煙道氣溫度為300C，爐內(nèi)

7、為常壓。N2為衡算對(duì)象，煙道氣中的 N2全部來(lái)自空氣。設(shè)產(chǎn)生解：假設(shè)燃燒過(guò)程為穩(wěn)態(tài)。煙道氣中的成分來(lái)自天然氣和空氣。取加熱爐為衡算系統(tǒng)。以煙道氣體積為V2。根據(jù)質(zhì)量衡算方程，有0.79 QVRT1= 0.734 *2V2/RT20.79 100m3/303K = 0.734 /573KV2 = 203.54m32.8某河流的流量為3.0m3/s，有一條流量為0.05m3/s的小溪匯入該河流。為研究河水與小溪水的混合狀況，在溪水中加入示蹤劑。假設(shè)儀器檢測(cè) 示蹤劑的濃度下限為1.0mg/L 0為了使河水和溪水完全混合后的示蹤劑可以檢出， 溪水中示蹤劑的最低濃度是多少？需加入示蹤劑的質(zhì)量流量是多少?

8、 假設(shè)原河水和小溪中不含示蹤劑。解：設(shè)溪水中示蹤劑的最低濃度為p則根據(jù)質(zhì)量衡算方程，有 0.05 =( 3+ 0.05) X1.0解之得p= 61 mg/L加入示蹤劑的質(zhì)量流量為 61X0.05g/s= 3.05g/s2.9假設(shè)某一城市上方的空氣為一長(zhǎng)寬均為100 km、高為1.0 km的空箱模型。干凈的空氣以4 m/s的流速?gòu)囊贿吜魅?。假設(shè)某種空氣污染物以10.0kg/s的總排放速率進(jìn)入空箱，其降解反應(yīng)速率常數(shù)為0.20h。假設(shè)完全混合，(1 )求穩(wěn)態(tài)情況下的污染物濃度；(2)假設(shè)風(fēng)速突然降低為1m/s，估計(jì)2h以后污染物的濃度解：(1)設(shè)穩(wěn)態(tài)下污染物的濃度為p則由質(zhì)量衡算得10.0kg/s

9、(0.20/3600) XpXlOOX100X1X109 m3/s 4X100xixio6pm3/s= 0解之得23p= 1.05 X0- mg/m(2)設(shè)空箱的長(zhǎng)寬均為 L,高度為h,質(zhì)量流量為qm,風(fēng)速為u。根據(jù)質(zhì)量衡算方程qm! _qm2 _k衛(wèi)dt有 qm -uLh t _k ThL2h帶入已知量，分離變量并積分，得3600 dt = d亍h_.05漠丄10-6 _6.6 X10_5 P積分有p= 1.15 10-2mg/m32 mg/L，同時(shí)從水池中排2.10某水池內(nèi)有1 m3含總氮20 mg/L的污水，現(xiàn)用地表水進(jìn)行置換，地表水進(jìn)入水池的流量為10 m3/min，總氮含量為出相同的

10、水量。假設(shè)水池內(nèi)混合良好，生物降解過(guò)程可以忽略，求水池中總氮含量變?yōu)? mg/L時(shí)，需要多少時(shí)間？解：設(shè)地表水中總氮濃度為p，池中總氮濃度為p由質(zhì)量衡算，得10 (2-：)積分，有110 (2-/)求得 t = 0.18 minU0與槽內(nèi)水面高度z的2.11有一裝滿水的儲(chǔ)槽，直徑1m、高3m?，F(xiàn)由槽底部的小孔向外排水。小孔的直徑為4cm，測(cè)得水流過(guò)小孔時(shí)的流速關(guān)系U0= 0.62 (2gz) 0.5試求放出1m3水所需的時(shí)間。解：設(shè)儲(chǔ)槽橫截面積為 A1,小孔的面積為A2由題得 A2u0= dV/dt，即 u0= dz/dt X1/A2所以有dz/dtx( 100/4) 2= 0.62 (2gz

11、) 0.5即有226.55 XZ-0.5dz = dtZ0= 3mz1= z0- 1m3x ( nX 0.25m -1= 1.73m積分計(jì)算得t = 189.8s2.12給水處理中，需要將固體硫酸鋁配成一定濃度的溶液作為混凝劑。在一配料用的攪拌槽中，水和固體硫酸鋁分別以150kg/h和30kg/h的流量加入攪拌槽中，制成溶液后，以 120kg/h的流率流出容器。由于攪拌充分，槽內(nèi)濃度各處均勻。開(kāi)始時(shí)槽內(nèi)預(yù)先已盛有100kg純水。試計(jì)算1h后由槽中流出的溶液濃度。解：設(shè)t時(shí)槽中的濃度為p, dt時(shí)間內(nèi)的濃度變化為dp由質(zhì)量衡算方程可得r由質(zhì)量衡算方程，可得30 _120100 60tJ時(shí)間也是變

12、量，一下積分過(guò)程是否有誤？30Xdt =( 100+ 60t) dC + 120Cdt即(30 - 120C) dt =( 100+ 60t) dC由題有初始條件t = 0, C= 0積分計(jì)算得：當(dāng)t = 1h時(shí)C = 15.23%2.13有一個(gè)4X3m2的太陽(yáng)能取暖器，太陽(yáng)光的強(qiáng)度為3000kJ/(m2h)，有50%的太陽(yáng)能被吸收用來(lái)加熱流過(guò)取暖器的水流。水的流量為0.8L/min。求流過(guò)取暖器的水升高的溫度。解：以取暖器為衡算系統(tǒng)，衡算基準(zhǔn)取為1h。輸入取暖器的熱量為 3000X12X50 % kJ/h= 18000 kJ/h設(shè)取暖器的水升高的溫度為/ T)，水流熱量變化率為qmCpAT根

13、據(jù)熱量衡算方程，有18000 kJ/h= 0.8 X0X1X4.183 TkJ/h.K解之得 T =89.65K2.14有一個(gè)總功率為1000MW的核反應(yīng)堆，其中2/3的能量被冷卻水帶走，不考慮其他能量損失。冷卻水來(lái)自于當(dāng)?shù)氐囊粭l河流，河水的流量為100m3/s，水溫為20Co/1)如果水溫只允許上升10C，冷卻水需要多大的流量；(2)如果加熱后的水返回河中，問(wèn)河水的水溫會(huì)上升多少Co解：輸入給冷卻水的熱量為Q= 1000 X2/3MW = 667 MW/1)以冷卻水為衡算對(duì)象，設(shè)冷卻水的流量為qV，熱量變化率為qmcp=T o根據(jù)熱量衡算定律，有CV X1O3M.183 10 kJ/m3=6

14、67X103KW3(2)由題，根據(jù)熱量衡算方程，得Q= 15.94m3/s100 103X4.183 T kJ/m3 = 667X103kwT = 1.59K第三章流體流動(dòng)3.1如圖3-1所示，直徑為10cm的圓盤由軸帶動(dòng)在一平臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，圓盤與平臺(tái)間充有厚度8 =1.5mm的油膜。當(dāng)圓盤以n=50r/min旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)得扭矩M=2.94X10-4Nm 設(shè)油膜內(nèi)速度沿垂直方向?yàn)榫€性分布，試確定油的黏度。解：在半徑方向上取 dr,則有dM = dFT由題有dF= t- dA=dy22dA二二(r dr) r2二 r drdu = 2?rnrdy所以有du2 n 3dM=2 - r d r r 二4

15、- r 3d rdy6兩邊積分計(jì)算得M= l感 2 n r46代入數(shù)據(jù)得442 32.94 10 N-m =口( 0.05m) 4 X n x (50/60) s/ (1.5 10 m)可得=8.58 10 Pa s-31.8mm處的雷諾數(shù)為6.7 104。求空氣的外流速度。3.2常壓、20C的空氣穩(wěn)定流過(guò)平板壁面，在邊界層厚度為解：設(shè)邊界層厚度為 8空氣密度為p空氣流速為uo由題，因?yàn)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)一般取5X1056.7 X04，所以此流動(dòng)為層流。對(duì)于層流層有Rex同時(shí)又有Rex =XU兩式合并有0.54.641 Re =即有4.641 x(6.7 X04) 0.5 = uxixio3kg

16、/m3xi.8mm/ (1.81 兇05Pas)u= 0.012m/s3.3污水處理廠中，將污水從調(diào)節(jié)池提升至沉淀池。兩池水面差最大為10m，管路摩擦損失為4J/kg，流量為34 m3/h。求提升水所需要的功率。設(shè)水的溫度為25Co解：設(shè)所需得功率為 比，污水密度為pNe= Weqv p =( gAz+Zhf) qv p=(9.81m/s2 X0m+4J/kg) XX03kg/m3X34/3600m3/s=964.3W3.4如圖所示，有一水平通風(fēng)管道，某處直徑由400mm減縮至200mm。為了粗略估計(jì)管道中的空氣流量，在錐形接頭兩端各裝一個(gè) U管壓差計(jì),現(xiàn)測(cè)得粗管端的表壓為100mm水柱，細(xì)管

17、端的表壓為40mm水柱，空氣流過(guò)錐形管的能量損失可以忽略，管道中空氣的密度為1.2kg/m3,試求管道中的空氣流量。圖3-2習(xí)題3.4圖示解：在截面1-1和2-2之間列伯努利方程:2 2u1 /2 + p1 / = U2 /2 + p2/ p由題有u2 = 4U1所以有 u/2+ p1/ = 1652/2 + p2/ p即15 u12= 2X0-)/ p= (0-p 溝保隔/ =2X (1000-1.2) kg/m3x9.81m/s2 x (0.1m0.04m) / (1.2kg/m3)解之得u1= 8.09m/s所以有匕=32.35m/sqv= UiA = 8.09m/s x nCSOOmm

18、） 2= 1.02m3/s3.5如圖3-3所示，有一直徑為1m的高位水槽，其水面高于地面 8m,水從內(nèi)徑為100mm的管道中流出，管路出口高于地面2m,水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失（不包括出口的能量損失）可按 7 hf _6.5U2計(jì)算，式中u為水在管內(nèi)的流速，單位為m/s。試計(jì)算（1）若水槽中水位不變，試計(jì)算水的流量；（2）若高位水槽供水中斷，隨水的出流高位槽液面下降，試計(jì)算液面下降1m所需的時(shí)間。圖3-3習(xí)題3.5圖示解:( 1)以地面為基準(zhǔn)，在截面1-1和2-2之間列伯努利方程，有u/2+ p/gz1 = u2?/2 + p2/ 葉 gz； + 藝由題意得p1= p2，且u1 = 0所以有9.8

19、1m/s2x (8m-2m)= u2/2 + 6.5u2解之得u = 2.90m/sqv= uA= 2.90m/s XnX 0.614n= 2.28 X0- 2m3/s(2)由伯努利方程，有u12/2 + gz1 = u22/2 + gz2 +即u/2 +gz1 = 7u22 + gz2由題可得u1/u2= (0.1/1) 2 =0.01取微元時(shí)間dt，以向下為正方向則有 5 =dz/dt所以有(dz/dt) 2/2 +gz1 = 7 (100dz/dt) 2/2 + gz積分解之得t = 36.06s21N/m2。求距管中心5mm處的流速為多少？又當(dāng)管中心速度3.7水在20C下層流流過(guò)內(nèi)徑為

20、13mm、長(zhǎng)為3m的管道。若流經(jīng)該管段的壓降為為0.1m/s時(shí)，壓降為多少?Um解：設(shè)水的黏度(=1.0 *0-3Pa.s管道中水流平均流速為根據(jù)平均流速的定義得:Um=qVA二 r0 dpf 莎dT2二01 dpf 2所以8叫12 r0代入數(shù)值得21N/m2 = 8X1.0 0-3Pas mX3m/ (13mm/2) 2解之得2Um= 3.7 10 m/s又有Umax = 2 Um所以u(píng) = 2um1 ( r/r。) 2(1) 當(dāng)r= 5mm，且r0= 6.5mm，代入上式得u= 0.03m/s(2) Umax = 2 UmApf = Umax/iUax=0.1/0.074 N/m=28.3

21、8N/m10mm的水平圓管，試求算流動(dòng)充分發(fā)展以后:3.8溫度為20C的水，以2kg/h的質(zhì)量流量流過(guò)內(nèi)徑為(1)流體在管截面中心處的流速和剪應(yīng)力;(2) 流體在壁面距中心一半距離處的流速和剪應(yīng)力(3)壁面處的剪應(yīng)力解：(1)由題有Um = qm/ pA=2/3600kg/s/ (1X103kg/m3Xn10m2/4)=7.07 10 3m/sr _4：umd = 282.8。仏管截面中心處的剪應(yīng)力為0(2) 流體在壁面距中心一半距離處的流速:u= Umax(1 r2/r02)_2 - 2Ui/2= 1.415 0 m/s /4= 1.06 0 m/sdr4獸r由剪應(yīng)力的定義得流體在壁面距中心

22、一半距離處的剪應(yīng)力：1/2 = 2 Vn/r0=2.83 0_3N/m2(3) 壁面處的剪應(yīng)力：t = 271/2= 5.66 0 3N/m23.9 一鍋爐通過(guò)內(nèi)徑為3.5m的煙囪排除煙氣，排放量為3.5 05m3/h，在煙氣平均溫度為260C時(shí)，其平均密度為4PaSo大氣溫度為20C,在煙囪高度范圍內(nèi)平均密度為1.15 kg/m3。為克服煤灰阻力，煙囪底部壓力較地面大氣壓低0.6 kg/m3,平均粘度為2.8兇0245 Pa問(wèn)此煙囪需要多高？假u = qv/A = 10.11m/sRe= du p /=i7.58 04e /= 5mm/3.5m= 1.429 10X= 0.028設(shè)粗糙度為5

23、mm。解：設(shè)煙囪的高度為h，由題可得相對(duì)粗糙度為查表得所以摩擦阻力320C水的粘度為1.0 X0-3 Pas,摩擦系數(shù)可由式*0圖3-5習(xí)題3.11圖示建立伯努利方程有u/2+ pi/ 葉gzi = u22/2 + p2 葉gz2 + 藝由題有ui =U2, pi =po-245Pa, p2 =po- p空gh即(hX1.15 kg/m308m/s2 245Pa) / (0.6kg/m3) = hX9.8m/S +hX).028/3.5m x( 10.11m/s) 2/2解之得h =47.64m3.10用泵將水從一蓄水池送至水塔中，如圖3-4所示。水塔和大氣相通，池和塔的水面高差為60m，并維

24、持不變。水泵吸水口低于水池水面 2.5m,進(jìn)塔的管道低于塔內(nèi)水面 1.8m。泵的進(jìn)水管DN150，長(zhǎng)60m，連有兩個(gè)90。彎頭和一個(gè)吸濾底閥。泵出水管為兩段管段串聯(lián)，兩段分別為DN150、長(zhǎng)23m和DN100、長(zhǎng)100 m，不同管徑的管道經(jīng)大小頭相聯(lián)，DN100的管道上有3個(gè)90彎頭和一個(gè)閘閥。泵和電機(jī)的總效率為60%。要求水的流量為140 m3/h，如果當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)為0.46元/ （kW- h），問(wèn)每天泵需要消耗多少電費(fèi)？（水溫為 25 C,管道視為光滑管）3.11如圖3-5所示，某廠計(jì)劃建一水塔，將20C水分別送至第一、第二車間的吸收塔中。第一車間的吸收塔為常壓，第二車間的吸收塔內(nèi)壓力為20k

25、Pa （表壓）?？偣軆?nèi)徑為50mm鋼管，管長(zhǎng)為（30 + Z0），通向兩吸收塔的支管內(nèi)徑均為20mm，管長(zhǎng)分別為28m和15m （以上各管長(zhǎng)均已包括所有局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度在內(nèi)）。噴嘴的阻力損失可以忽略。鋼管的絕對(duì)粗糙度為0.2mm?，F(xiàn)要求向第一車間的吸收塔供應(yīng)1800kg/h的水，向第二車間的吸收塔供應(yīng)2400kg/h的水，試確定水塔需距離地面至少多高？已知解：總管路的流速為U0= qm0/ ( pin =4200 kg/h/ (1X1CPkg/m3 x%x 0.0fi5)= 0.594m/s第一車間的管路流速為u1 = qm1/ ( pn)r = 1800kg/h/ (1X103kg/m3x%

26、x 0m2)= 1.592m/s第二車間的管路流速為U2 = 52/ ( p) = 2400 kg/h/ (2.122m/s則 Re0= dup/在 29700h= 0.1(/* 58/Re) 0.23 = 0.0308Rei = du p / 話 31840k= 0.1( /* 58/Re) 0.23 = 0.036Re2 = dup / = 42400b= 0.1(/* 58/Re) 0.23 = 0.0357以車間一為控制單元，有伯努利方程U12/2+ gz1+ P1/ 曠藝h =gz)+ P0/ pP1 = P0,故2 2 2 2 2 (1.592m/s) /2 +9.8m/s X3m

27、 + 0.0308 x( 0.594m/s) x ( 30 + Z0) m/ (2X0.05m) + 0.036 x (1.592m/s) 28m/ (2X).02m)= 9.8m/s N解之得z)= 10.09m以車間二為控制單元，有伯努利方程U22/2 + gz2 + P2/ 葉藝h =gz0+ P0/ p(2.122m/s) 2/2 +9.8m/s2X5m + 20kPa/(1X103kg/m3)+ 0.0308 x( 0.594m/s) 2x (30 + Z0) m/ ( 2X0.05m)+0.0357 x(2.122m/s) 2X5m/ (2X0.02m)= 9.8m/s2Xz0解之

28、得Z0= 13.91m故水塔需距離地面13.91m3.13某管路中有一段并聯(lián)管路，如圖3-7所示。已知總管流量為120L/s。支管A的管徑為200mm，長(zhǎng)度為1000m;支管B分為兩段，MO段管徑為300mm，長(zhǎng)度為900m, ON段管徑為250mm,長(zhǎng)度為300m，各管路粗糙度均為0.4mm。試求各支管流量及 M、N之間的阻力損失。解：由題，各支管粗糙度相同，且管徑相近，可近似認(rèn)為各支管的入相等，取X= 0.02。將支管A、MO、ON段分別用下標(biāo)1、2、3表示對(duì)于并聯(lián)管路，滿足hfA = hfB，所以有2 2 2l 1 U1l2 U2l3 U3f：=上+/.d1 2d2 2d3 2又因?yàn)镸O

29、和ON段串聯(lián)，所以有U2 Xd2= U3 Xd32聯(lián)立上述兩式，則有2500 U12 = 2744.16 匕2U1 = 1.048 q又 qv= q n/4+ U2 n/4解之得 u2= 1.158m/s, u1 = 1.214m/sqvA = Uin/4 = 38.14L/SqvB = U2 n d/4 = 81.86L/ShFmn =入齊 Xu2/2d1 = 73.69m|2/s2第五章質(zhì)量傳遞5.1在一細(xì)管中，底部水在恒定溫度 298K下向干空氣蒸發(fā)。干空氣壓力為 0.1 106pa、溫度亦為298K。水蒸氣在管內(nèi)的擴(kuò)散距離(由液面到管頂部)L =20cm。在0.1 M06Pa 298K

30、的溫度時(shí)，水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為Dab = 2.50 M0-5m傳質(zhì)分系數(shù)：/s。試求穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)水蒸氣的傳質(zhì)通量、傳質(zhì)分系數(shù)及濃度分布解：由題得，298K下水蒸氣飽和蒸氣壓為 3.1684 M03Pa,則PA,i = 3.1684 XIO3Pa, Pa,0= 0pBm=PB,0 - PB,i = 0.9841 X105paln （Pb,0. PB,i ）（1）穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)水蒸氣的傳質(zhì)通量：D AB p pA,i - pA ,041 ；2N A1.6210 - mol . cm skGNaPA,i - PA,0= 5.11 108mol.； cm2s PaRTp B,m L1 f yA=1-y

31、 A,iyA,0 = 0解：由題有，等分子反向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)通量為nA0 d. Dab （ pA,1 一 pA,2 ）=kcPa,1 一 Pa,2RTL單向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)通量為DabPPa,1 -Pa,2 Na 我（PA, 2 戶RTpBL所以有Na二kGPa,1-PA,2 衛(wèi)pB,m(3) 由題有 yA,i = 3.1684/100 = 0.031684簡(jiǎn)化得 yA =1 0.968315.2在總壓為2.026 105Pa、溫度為298K的條件下，組分A和B進(jìn)行等分子反向擴(kuò)散。當(dāng)組分A在兩端點(diǎn)處的分壓分別為 Pa,1=0.4 105Pa和Pa,2=0.1 05Pa時(shí)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得k0G = 1.2

32、6 0-8kmol/(m2 s Pa)，試估算在同樣的條件下，組分A通過(guò)停滯組分B的傳質(zhì)系數(shù)kc以及傳質(zhì)通量Na。又有PB,mPbPb，1=1.75io5paln Pb,2Pb,i即可得 kG = k(0 =1.44 兇0-5mol/(m2 s Pa)pB,mNa =kG Pa,i -Pa,2 =0.44mom2 s5.3淺盤中裝有清水，其深度為5mm，水的分子依靠分子擴(kuò)散方式逐漸蒸發(fā)到大氣中，試求盤中水完全蒸干所需要的時(shí)間。假設(shè)擴(kuò)散時(shí)水的分子通過(guò)一層厚4mm、溫度為30C的靜止空氣層，空氣層以外的空氣中水蒸氣的分壓為零。分子擴(kuò)散系數(shù)DAB =0.11m2/h.水溫可視為與空氣相同。當(dāng)?shù)卮髿鈮?/p>

33、力為1.01 x105Pgt解：由題，水的蒸發(fā)可視為單向擴(kuò)散DabP pA,i - Pa，0Na =RTpB,mZ30C下的水飽和蒸氣壓為 4.2474 1：03Pa,水的密度為995.7kg/m3故水的物質(zhì)的量濃度為 995.7 x103/18= 0.5532 105mol/m330 C時(shí)的分子擴(kuò)散系數(shù)為Dab= 0.11m2/hPa,i = 4.2474 103Pa, Pa,0= 0pB m = Pb,0 PB,i=0.9886 x105Pa，ln Pb,0 PB,i又有Na = c水V/(A t)(4mm的靜止空氣層厚度認(rèn)為不變)所以有c 水V/(A t) =DabP(Paj pA,0)

34、/(RTpB,m z)可得t = 5.8h5.5一填料塔在大氣壓和295K下，用清水吸收氨空氣混合物中的氨。傳質(zhì)阻力可以認(rèn)為集中在1mm厚的靜止氣膜中。在塔內(nèi)某一點(diǎn)上，氨的分壓為6.6 x103N/m2水面上氨的平衡分壓可以忽略不計(jì)。已知氨在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為0.236 0-4m2/s。試求該點(diǎn)上氨的傳質(zhì)速率。解：設(shè)PBJ,分別為氨在相界面和氣相主體的分壓，PB,m為相界面和氣相主體間的對(duì)數(shù)平均分壓由題意得：PBm= Pb,2 一Pb,1=0.97963D05Paln (Pb,2 Pb,1 )N a 二注 =_6.57 10mol m2 s RTPB,m L5.6 一直徑為2m的貯槽中裝有質(zhì)量

35、分?jǐn)?shù)為 0.1的氨水，因疏忽沒(méi)有加蓋，則氨以分子擴(kuò)散形式揮發(fā)。假定擴(kuò)散通過(guò)一層厚度為5mm的靜止空氣層。在1.01 05Pa、293K下，氨的分子擴(kuò)散系數(shù)為1.8 0-5m2/s，計(jì)算12h中氨的揮發(fā)損失量。計(jì)算中不考慮氨水濃度的變化，氨在 20C時(shí)的相平衡 關(guān)系為P=2.6905x(Pa), x為摩爾分?jǐn)?shù)。解：由題，設(shè)溶液質(zhì)量為 a g氨的物質(zhì)的量為0.1a/17mol總物質(zhì)的量為（0.9a/18+ 0.1a/17）mol所以有氨的摩爾分?jǐn)?shù)為0.1a17=0.10530.9a 18 0.1a 17故有氨的平衡分壓為 p= 0.1053 269兇05Pa= 0.2832 1：05Pa即有 Pa

36、,尸 0.2832 兇05Pa, Pa0 = 0PB,mPb,0 _Pbj=0.8608 105Paln I. Pb,0 $ P B,i .1所以DabP % Pa,=4.91 10竊。m2 sRTpB,m Ln=NAd- t =6.66 103mol5.8溴粒在攪拌下迅速溶解于水，3min后，測(cè)得溶液濃度為50%飽和度，試求系統(tǒng)的傳質(zhì)系數(shù)。假設(shè)液相主體濃度均勻，單位溶液體積的溴粒表面積為a，初始水中溴含量為0,溴粒表面處飽和濃度為Ca,s解：設(shè)溴粒的表面積為 A，溶液體積為V，對(duì)溴進(jìn)行質(zhì)量衡算，有d(VcA)/dt = k(cA,s ca)A因?yàn)閍=A/V，則有dc/dt = ka (cA,

37、S cA)對(duì)上式進(jìn)行積分，由初始條件,t= 0時(shí)，ca = 0,得Ca/cas= 1 e-kat所以有ka= t Tn 1Ca-180s tn 1 平=3.85 1Q-s第六章沉降6.1直徑60 gm的石英顆粒，密度為2600kg/m3,求在常壓下，其在20C的水中和20C的空氣中的沉降速度（已知該條件下，水的密度為998.2kg/m3,黏度為 1.005 M0-3Pas;空氣的密度為 1.205kg/m3,黏度為 1.81 M0-5Pas）。解：（1）在水中假設(shè)顆粒的沉降處于層流區(qū)，由式（6.2.6）得:6 2訂gdp2-18= 3.13 10J3m/s2600-998.29.8160 10

38、180.005 匯 10檢驗(yàn)：心二6010上 3.13 10；998.2 =0.186：21.005 10位于在層流區(qū)，與假設(shè)相符，計(jì)算正確。（2）在空氣中應(yīng)用K判據(jù)法，得K?p36 3g ；.：p _ J 60 10 6y9.81 1.205 2600.2 2 20.3 ；： 36(1.81x10=j所以可判斷沉降位于層流區(qū)，由斯托克斯公式，可得:_(Pp -Ppdp2ut 1846 22600 9.8160 10J壯y5f =0.28m/s18x1.81x10 主6.2密度為2650kg/m3的球形顆粒在20 C的空氣中自由沉降，計(jì)算符合斯托克斯公式的最大顆粒直徑和服從牛頓公式的最小顆粒直

39、徑(已知空氣的密度為 1.205kg/m3，黏度為 1.81 M0-5Pas)。解：如果顆粒沉降位于斯托克斯區(qū)，則顆粒直徑最大時(shí),ReP 空=22所以 /上，同時(shí)u_PgdpqUt =所以dp =3；2X18，代入數(shù)值，解得 dp =7.22M10m3J。- 心同理，如果顆粒沉降位于牛頓區(qū)，則顆粒直徑最小時(shí),畔 T00所以倉(cāng)同時(shí)u,=1/rgdpP所以J CE，代入數(shù)值，解得d 1 5K10J3mdp =32.33,匚p -p R-P)第七章過(guò)濾7.1用板框壓濾機(jī)恒壓過(guò)濾某種懸浮液，過(guò)濾方程為2.5 2V V =6 10 At式中：t的單位為s(1) 如果30min內(nèi)獲得5m3濾液，需要面積為

40、0.4m2的濾框多少個(gè)?(2) 求過(guò)濾常數(shù)K，qe，te。在 t =3060 =1800s 內(nèi),V =5m3，則根據(jù)過(guò)濾方程解：(1)板框壓濾機(jī)總的過(guò)濾方程為V V =610 At525 =6 10 5A21800求得，需要的過(guò)濾總面積為 A=16.67m2所以需要的板框數(shù)n J6*670.4=41.675 ：-42(2)恒壓過(guò)濾的基本方程為 V2 +2VVe =KA2t與板框壓濾機(jī)的過(guò)濾方程比較，可得K =6 10 5m2/sVe5m3，qe =Ve-瞠=0.03m3/m2A 16.672 2qe0.0325 二 15sK 6 10-te為過(guò)濾常數(shù)，與 qe相對(duì)應(yīng)，可以稱為過(guò)濾介質(zhì)的比當(dāng)量過(guò)

41、濾時(shí)間,7.2如例7.3.3中的懸浮液，顆粒直徑為0.1mm,顆粒的體積分?jǐn)?shù)為0.1,在9.81 M03Pa的恒定壓差下過(guò)濾，過(guò)濾時(shí)形成不可壓縮的濾餅，空隙率為0.6,過(guò)濾介質(zhì)的阻力可以忽略，濾液黏度為1X10-3 Pas。試求:（1）每平方米過(guò)濾面積上獲得1.5m（2）時(shí)間延長(zhǎng)一倍，獲得濾液量為q濾液所需的過(guò)濾時(shí)間;（2）若將此過(guò)濾時(shí)間延長(zhǎng)一倍,可再得多少濾液?解：（1）顆粒的比表面積為a-610 m2/m3濾餅層比阻為r _5 1 -42256 10 i M-0.60.6310 -2= 1.33 10 m過(guò)濾得到1m3濾液產(chǎn)生的濾餅體積0.9亠1-0.60.6=1/3過(guò)濾常數(shù)324.43

42、10 m/s 1/3K 2p2 9810K3krf 1X10 X1.33X10所以過(guò)濾方程為q2 =Kt當(dāng) q=1.5 時(shí)，t 153 =508s4.43 10 一=4.43 10- 2 508 =2.1m：所以可再得0.6m3的濾液。7.3用過(guò)濾機(jī)處理某懸浮液，先等速過(guò)濾20min，得到濾液2m3，隨即保持當(dāng)時(shí)的壓差等壓過(guò)濾 40min，則共得到多少濾液（忽略介質(zhì)阻力）？解：恒速過(guò)濾的方程式為式（7.2.18a）V2 KA2t1V1廠所以過(guò)濾常數(shù)為2V12氏 廠A2t17.2.15），此過(guò)濾常數(shù)為恒速過(guò)濾結(jié)束時(shí)的過(guò)濾常數(shù)，也是恒壓過(guò)濾開(kāi)始時(shí)的過(guò)濾常數(shù)，在恒壓過(guò)濾過(guò)程中保持不變，所以由恒壓過(guò)濾

43、方程式（22曲噴aF2V2V；t1所以 V2 =Mt2t140 22 =2020所以總的濾液量為V =4.47 m3第八章吸收8.1在30C，常壓條件下，用吸收塔清水逆流吸收空氣-S02混合氣體中的SO2，已知?dú)?液相平衡關(guān)系式為y=：47.87x，入塔混合氣中S02摩爾分?jǐn)?shù)為0.05,出塔混合氣SO2摩爾分?jǐn)?shù)為0.002,出塔吸收液中每100 g含有SQ 0.356 g,試分別計(jì)算塔頂和塔底處的傳質(zhì)推動(dòng)力，用八y、x、厶P、厶C表示。第九章解：(1)塔頂出塔SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為y J.002,入塔吸收液中SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為x2 =0所以與出塔氣相平衡的吸收液摩爾分?jǐn)?shù)為x2* =0.002/47

44、.87 =4.17x10衛(wèi)與入塔吸收液平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)為J? “ =0所以限2 -x2* 2 =4.17 10-. 0 =4.17 10-y2-y2y2 -0.002 -0 = 0.002：p2 =101.325 ：y2 =101.325 0.002 =0.2026 kPa忽略吸收液中溶解的 SO2,則摩爾濃度可計(jì)算為 c =1000/18 =55.6 mol/L G =55.6 ： =x2 =55.6 4.17 10 0.00232mol/L(2)塔底入塔SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為y1 =0 05，出塔吸收液中SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為x _0.356/64001% 100/18 _ .所以與入塔氣相平衡

45、的吸收液摩爾分?jǐn)?shù)為x； =0.05/47.87 =0.0010444與出塔吸收液平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)為yF =47.87為=47.87X0.001=0.04787所以 x1 =X1* X1 =0.00104440.001 =4.44 10：y1 =y1 -y1* =0.05 -0.04787 =0.00213.p =101.325 y =101.325 0.00213=0.2158kPa58 =55.6 二為=55.6 4.44 10=0.00247mol/L8.2吸收塔內(nèi)某截面處氣相組成為y =.5，液相組成為x = 0.01 ,兩相的平衡關(guān)系為y 2x ,如果兩相的傳質(zhì)系數(shù)分別為55ky勻.

46、25 10_kmol/(m2s), kx =1.25 10 kmol/(m2 s),試求該截面上傳質(zhì)總推動(dòng)力、總阻力、氣液兩相的阻力和傳質(zhì)速率。解：與氣相組成平衡的液相摩爾分?jǐn)?shù)為 y“=2X=20.01=0.02所以，以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為.y = y - y =0.05 -0.02 =0.03同理，與液相組成平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為x= 0.05/ 2 =0.025所以，以液相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為.x =x x =0.025 0.01 =0.0152_kmol/(m )= 0.83 10以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為1K -x 1/kx 1/mky 1/ 1.2

47、5 1051/ 2 1.25 10丄以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為Ky 二Kx/m=0.83 10/2=0.42 105kmol/(m2 s)傳質(zhì)速率 Na=Kx. X=0.83 10- 0.015=1.25 10Zkmol/(m2 s)或者 Na 二Ky.ly =0.42 10 衛(wèi) 0.03 =1.26 10 2 kmol/(m 2 s)以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)分析傳質(zhì)阻力總傳質(zhì)阻力 1/ Kx =1/ (0.83 X10 2 尸1.20 x105(m2 s)/kmol其中液相傳質(zhì)阻力為 1/ kx =1/ f.25 X10 -J=0.8 x105 (m2 s)/kmol

48、占總阻力的66.7%氣膜傳質(zhì)阻力為1/ mky5522 1.25 10- =0.4 10 (ms)/kmol占總阻力的33.3%8.3用吸收塔吸收廢氣中的 SO2,條件為常壓，30 C,相平衡常數(shù)為 m =26.7，在塔內(nèi)某一截面上，氣相中 SO2分壓為4.1kPa,液相中SQ濃_2_度為0.05kmol/m3,氣相傳質(zhì)系數(shù)為kG =1 .5 10 kmol/(m 2 h kPa)，液相傳質(zhì)系數(shù)為kL =0.39皿巾，吸收液密度近似水的密度。試求：(1 )截面上氣液相界面上的濃度和分壓；(2)總傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)推動(dòng)力和傳質(zhì)速率。解：(1)設(shè)氣液相界面上的壓力為p，濃度為q忽略SO2的溶解，吸收液

49、的摩爾濃度為c =1000/18 =55.6 kmol/m3溶解度系數(shù)C。mp055.6_0 0206kmol/(kPa m3)_26.7 101.325 .在相界面上，氣液兩相平衡，所以c =0.0206 Pj又因?yàn)榉€(wěn)態(tài)傳質(zhì)過(guò)程，氣液兩相傳質(zhì)速率相等，所以k pC上所以 1.5 1024.1-pi =0.39 Ci -0.05由以上兩個(gè)方程，可以求得 pi =3.52 kPa, c _0.0724 kmol/m3(2)總氣相傳質(zhì)系數(shù)Kg1/kG 1/HkL1/0.015 1/ 0.0206 0.39= 0.005232kmol/(mh kPa)總液相傳質(zhì)系數(shù) kl 二Kg/H =0.0052

50、3/0.0206 =0.254m/h與水溶液平衡的氣相平衡分壓為p* =c/H =0.05/0.0206 =2.43 kPa所以用分壓差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為Ap = p p =4.1 2.43 =1.67 kPa與氣相組成平衡的溶液平衡濃度為c* =Hp =0.0206 4.1 =0.084 kmol/m3用濃度差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為.七二C*C =0.084-0.05 =0.034kmol/m傳質(zhì)速率 Na =Kg鉀=0.00523 d.67 =0.0087kmol/(m2h)或者 Na =Kl .9 =0.254 0.034 =0.0086 kmol/(m2 h)8.4 101.3kPa操

51、作壓力下，在某吸收截面上，含氨0.03摩爾分?jǐn)?shù)的氣體與氨濃度為1kmol/m3的溶液發(fā)生吸收過(guò)程，已知?dú)饽髻|(zhì)分系數(shù)為64kG MO kmol/(m 2 s kPa),液膜傳質(zhì)分系數(shù)為k =1.:10 m/s,操作條件下的溶解度系數(shù)為0.73 kmol/(m2 kPa),試計(jì)算：(1) 界面上兩相的組成；(2) 以分壓差和摩爾濃度差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力、總傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)速率；(3) 分析傳質(zhì)阻力，判斷是否適合采取化學(xué)吸收，如果采用酸溶液吸收，傳質(zhì)速率提高多少。假設(shè)發(fā)生瞬時(shí)不可逆反應(yīng)。解：(1)設(shè)氣液相界面上的壓力為p，濃度為q因?yàn)橄嘟缑嫔?，氣液平衡，所以c =Hpj，c =0 73pj氣相中氨氣

52、的分壓為 p =0.03 101.3 =3.039 kPa穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)條件下，氣液兩相傳質(zhì)速率相等，所以kG p _p “=匕C -c645 10-3.039 -Pi =1.5 10- q -1根據(jù)上面兩個(gè)方程，求得 p 44kPa， c 05 kmol/m3(2)與氣相組成平衡的溶液平衡濃度為c：=Hp=0.03 101.3 0.73 =2.22kmol/m3用濃度差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為.:c =c -c =2.22 -1 =1.22 kmol/m3與水溶液平衡的氣相平衡分壓為pc/H N/ 0.73 =1.370 kPa所以用分壓差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為Ap = p p* =3.039 1.370 =1.669 kPa總氣相傳質(zhì)系數(shù)2114.78 10 如ol/(m s kPa)1/ kG 1/ HkL 1/ 5 1061/ 0.73 1.5 10 丄總液相傳質(zhì)系數(shù)Kl=Kg/H =4.78 106/0.73 =6.55 10“m/s傳質(zhì)速率 Na=Kg.p=4.78 10 1.669=7.978 10kmo