環(huán)境工程原理知識點總結

1、精選文庫 4.為什么管道進口段附近的摩擦系數最大? 第II篇思考題 第一章緒論 1. 環(huán)境工程學”的主要研究對象是什么？ 2. 去除水中的溶解性有機污染物有哪些可能的方法？它們的技術原理是什么? 3. 簡述土壤污染治理的技術體系。 4. 簡述廢物資源化的技術體系。 5. 闡述環(huán)境凈化與污染控制技術原理體系。 6. 一般情況下，污染物處理工程的核心任務是： 利用隔離、分離和（或）轉化技術原理，通過工程手段（利 用各類裝置），實現污染物的高效、快速去除。試根據環(huán)境凈化與污染防治技術的基本原理，闡述實現 污染物高效、快速去除的基本技術路線。 第二章質量衡算與能量衡算 第一節(jié)常用物理量 1. 什么是換

2、算因數？英尺和米的換算因素是多少? 2. 什么是量綱和無量綱準數？單位和量綱的區(qū)別是什么? 3. 質量分數和質量比的區(qū)別和關系如何？試舉出質量比的應用實例。 并闡述與質量濃度的關 4. 大氣污染控制工程中經常用體積分數表示污染物的濃度，試說明該單位的優(yōu)點, 系。 5. 平均速度的涵義是什么？用管道輸送水和空氣時，較為經濟的流速范圍為多少? 第二節(jié)質量衡算 1. 進行質量衡算的三個要素是什么? 2. 簡述穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的特征。 3. 質量衡算的基本關系是什么? 4. 5. 以全部組分為對象進行質量衡算時，衡算方程具有什么特征? 對存在一級反應過程的系統(tǒng)進行質量衡算時，物質的轉化速率如何表示

3、? 第三節(jié)能量衡算 1. 物質的總能量由哪幾部分組成？系統(tǒng)內部能量的變化與環(huán)境的關系如何? 2. 什么是封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)? 3. 簡述熱量衡算方程的涵義。 4. 對于不對外做功的封閉系統(tǒng)，其內部能量的變化如何表現? 5. 對于不對外做功的開放系統(tǒng)，系統(tǒng)能量能量變化率可如何表示? 第三章流體流動 第一節(jié)管流系統(tǒng)的衡算方程 1用圓管道輸送水，流量增加 1倍，若流速不變或管徑不變，則管徑或流速如何變化? 2. 當布水孔板的開孔率為 30%時，流過布水孔的流速增加多少? 試簡述這種關系，并說明該方程 3. 拓展的伯努利方程表明管路中各種機械能變化和外界能量之間的關系, 的適用條件。 4在管流系統(tǒng)中，

4、機械能的損耗轉變?yōu)槭裁葱问降哪芰?？其宏觀的表現形式是什么? 5. 對于實際流體，流動過程中若無外功加入，則流體將向哪個方向流動? 6. 如何確定流體輸送管路系統(tǒng)所需要的輸送機械的功率? 第二節(jié)流體流動的內摩擦力 1. 簡述層流和湍流的流態(tài)特征。 2. 什么是 內摩擦力”簡述不同流態(tài)流體中內摩擦力”的產生機理。 3. 流體流動時產生阻力的根本原因是什么？ 4什么情況下可用牛頓黏性定律計算剪切應力？牛頓型流體有哪些? 5.簡述溫度和壓力對液體和氣體黏度的影響。 第三節(jié)邊界層理論 1. 什么是流動邊界層？邊界層理論的要點是什么？ 2簡述湍流邊界層內的流態(tài)，以及流速分布和阻力特征。 并比較下列幾組介質

5、沿平壁面流動時，哪 3. 邊界層厚度是如何定義的？簡述影響平壁邊界層厚度的因素, 個邊界層厚度較大: (1) 污水和污泥; (2) 水和油; (3) 流速大和流速小的同種流體。 精選文庫 5.簡述邊界層分離的條件和過程。 ?請解釋其原因。 6. 當逆壓梯度相同時，層流邊界層和湍流邊界層分離點的相對位置如何 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 1. 簡述運動中的物體受到阻力的原因。流線型物體運動時是否存在形體阻力? 2. 簡述流態(tài)對流動阻力的影響。 3分析物體表面的粗糙度對流動阻力的影響，舉應用實例說明。 4. 不可壓縮流體在水平直管中穩(wěn)態(tài)流動，試分析以下情況下，管內壓力差如何變化: (1 )管徑增加一

6、倍; (2 )流量增加一倍; (3 )管長增加一倍。 5. 試比較圓管中層流和湍流流動的速度分布特征。 6試分析圓管湍流流動的雷諾數和管道相對粗糙度對摩擦系數的影響。 第五節(jié)管路計算 1. 管路設計中選擇流速通常需要考慮哪些因素 2. 簡單管路具有哪些特點? 3. 分支管路具有哪些特點? 4. 并聯(lián)管路具有哪些特點? 5. 分析管路系統(tǒng)中某一局部阻力變化時，其上下游流量和壓力的變化。 第六節(jié)流體測量 1. 簡述測速管的工作原理和使用時的注意事項。 2. 分析孔板流量計和文丘里流量計的相同點和不同點。 3. 使用轉子流量計時讀數為什么需要換算？測定氣體的流量計能否用來測量液體? 4. 簡述轉子流

7、量計的安裝要求。 第四章熱量傳遞 第一節(jié)熱量傳遞的方式 1. 什么是熱傳導? 2. 3. 簡述輻射傳熱的過程及其特點 4. 試分析在居室內人體所發(fā)生的傳熱過程，設室內空氣處于流動狀態(tài)。 5. 若冬季和夏季的室溫均為 18C，人對冷暖的感覺是否相同？在哪種情況下覺得更暖和？為什么? 第二節(jié)熱傳導 1.簡述傅立葉定律的意義和適用條件。 2.分析導溫系數和導熱系數的涵義及影響因素。 3.為什么多孔材料具有保溫性能？保溫材料為什么需要防潮? 4.當平壁面的導熱系數隨溫度變化時，若分別按變量和平均導熱系數計算，導熱熱通量和平壁內的溫度分 布有何差異。 5.若采用兩種導熱系數不同的材料為管道保溫，試分析應

8、如何布置效果最好。 第三節(jié)對流傳熱 1.簡述影響對流傳熱的因素。 2.簡述對流傳熱的機理、傳熱阻力的分布及強化傳熱的措施。 3.為什么流體層流流動時其傳熱過程較靜止時增強? 4.傳熱邊界層的范圍如何確定？試分析傳熱邊界層與流動邊界層的關系。 5.試分析影響對流傳熱系數的因素。 6.分析圓直管內湍流流動的對流傳熱系數與流量和管徑的關系, 若要提高對流傳熱系數，采取哪種措施最 有效? 7.流體由直管流入短管和彎管，其對流傳熱系數將如何變化？為什么? (2 )管徑增加一倍。 答: hf 1 2 lUm d 2 層流時: 64 1/16。 Re 管長增加一倍時，阻力損失增加一倍；管徑增加一倍時，阻力損

9、失減小為原來的 5. 試寫出幾種主要的強化間壁式換熱器傳熱效果的具體措施。 答：根據傳熱基本方程，可通過增加傳熱面積、增大傳熱系數和推動力來強化傳熱。具體措施包括: (1)采用小直徑管、異形表面、加裝翅片等；(2)改變兩側流體相互流向，提高蒸汽的壓強可以提高蒸汽 的溫度，增加管殼式換熱器的殼程數；(3)提高流體的速度，增強流體的擾動，采用短管換熱器，防止結 垢和及時清除污垢等。 6. 網球的粗糙表面有利于減少運動阻力，試解釋原因。 答：運動阻力包括摩擦阻力和形體阻力。由于球面面積較小，網球運動速度較快，形體阻力占主要地 位。表面粗糙可以使邊界層湍流化，使邊界層分離點后移，減少形體阻力，從而減少

10、運動阻力。 (2) 水作湍流流動，管長及管徑不變，流量增加一倍，摩擦系數為 1 0.3164 Re。 答：壓降 Pf (1) 層流時, 64，管長增加一倍時，壓降增加一倍；管徑增加一倍時，壓降減小為原來 Re 的 1/16。 湍流時, 1 0.3164 Re，流量增加一倍時，壓降增加，為原來的 5.19 (或 2(2+ ”4 倍。 8. 某熱水管道采用兩種導熱系數不同的保溫材料進行保溫，若保溫材料厚度相同，為了達到較好 的保溫效果，應將哪種材料放在內層，試解釋原因。 答：應將導熱系數小的材料放在內層。 證明過程：設 1 當1在內層，有 Qi T1T2 R 2 L(Ti In T2)/ InB

11、2 2在內層，有 Q2 T1T2 R 2 L(T1 為比較Q1Q2的大小，將上兩式相除，可得 | Q1/Q21， 因此應將 2放在內層。 7. 水在光滑圓形直管中流動，分析以下情況下因摩擦阻力而產生的壓降的變化情況: (1) 水在管中呈層流流動，流量不變，管長增加一倍或管徑增加一倍; 9. 轉子流量計在安裝和使用中應注意什么? 答：安裝轉子流量計時應注意: (1)轉子流量計必須垂直安裝，若傾斜度1度將造成0.8%的誤差。 (2)轉子流量計必須安裝在垂直管路上，且流體流動的方向必須由下往上。 使用時應注意：測量流體和環(huán)境條件是否與出廠時標定的相同，如不同，需對讀數進行校正 10.流體在管內流動時

12、，同時發(fā)生傳熱或傳質過程。當流速增加致使流態(tài)發(fā)生變化時，對流動和傳遞 過程產生什么影響？當流體流過彎管時，與直管有什么不同? 答：流動轉化為湍流后，流動阻力增加，傳熱或傳質阻力減少。流體流過彎管時，由于離心力的作用,擾動加劇，使阻力損失增加，傳遞系數增大，傳遞過程被強化。 A在壁面法向上的濃度分布示意圖。 11.流體中組分A的含量為CA，0，與平壁面接觸，壁面上組分A的含量為CA,i，且CA，0cA,i。試繪 制當流體分別為靜止、沿壁面層流流動和湍流流動時，組分 CA,i Cao CA,i Cao b.層流流動 .cAo a.靜止時 CA,i C.湍流流動 答：圖15-1 綜合練習題1.1(1

13、1)圖答案見上圖。 12. 設冬天室內的溫度為 丁1，室外溫度為丁2, 丁12。在兩溫度保持不變的情況下，試繪制下列三 種情況下從室內空氣到室外大氣溫度分布示意圖。 (1)室外平靜無風，不考慮輻射傳熱; (2)室外冷空氣以一定流速流過磚墻表面; (3 )除了室外刮風外，還考慮磚墻與四周環(huán)境的輻射傳熱。 室內T1 室外T2 室內T1 室外T2 室內T1 室外T2 ，試分析 13.流體沿平壁面流動時，同時發(fā)生傳質過程。當流速增加致使流動狀態(tài)由層流變?yōu)橥牧鲿r 流動邊界層厚度的變化，以及對流動阻力和傳質阻力產生的影響。 答：邊界層厚度與流速有關，流速增加，邊界層厚度減少。流動由層流變成湍流，速度梯度變

14、大，摩 擦力增加，流動阻力增加；邊界層厚度減少，而傳質阻力主要集中在邊界層，湍流加大了液體的對流，濃 度梯度增大，傳質阻力減少。 14. 流體沿壁面流動時，有時會出現邊界層分離的現象。試論述 (1)邊界層分離的條件; (2 )流動狀態(tài)對邊界層分離和流動阻力的影響。 答：(1)邊界層分離的條件：流體具有粘滯性，產生逆壓梯度，將靠近界面的慢流體的速度阻滯為零, 即可發(fā)生邊界層分離。 (2 )層流邊界層速度變化較湍流小，慢速流體更容易被阻滯。所以，湍流邊界層分離比層流延后。 由于湍流邊界層分離延后，分離點下移，尾流區(qū)較小，所以其形體阻力小。 15. 有一個套管換熱器，內管外側裝有翅片，用水冷卻空氣，

15、空氣和水各應走哪里（管內和殼間）？ 試解釋原因。 答：裝有翅片的目的一方面是為了加大接觸面積；另一方面是為了破壞邊界層形成以提高對流傳熱系 數。由總傳熱速率方程 可以看到: Qbf 1 AAm2A2 要提高傳熱器的傳熱效果，應當提高限制步驟的傳熱效果。因此，在用水冷卻空氣的換熱過程中，空 氣對流傳熱慢，是制約因素。所以，翅片應放在空氣一側，即空氣走殼間，水走管內。 16. 燃燒廢氣中含有 S02,欲采用吸收法去除。根據你所學的知識，分析提高去除效率的方法。 答：吸收法可近似認為單向擴散，NaDABP （pa Pao）。由上式可知，為了提高吸收效率，可 RTLpm 以增加SO2的濃度（濃縮尾氣）

16、，換用高效的吸收液（堿液等）；同時即使更換新的吸收液；增大吸收液與 SO2的接觸面積（霧狀噴淋）；適當增加溫度和壓強，以加快堿液對SO2的吸收速率。 1. 2 態(tài)運行時, 某城市生活污水采用完全混合曝氣法處理，水量為3X104m3/d，BOD5濃度為200mg/L，要求穩(wěn) 出水BOD5濃度達到一級排放標準，即 30mg/L，曝氣池中有機物的降解遵循一級反應，反應速 率為 （反應速率常數0.1d-1）。 r 0.1c (1) 確定曝氣池的有效容積; (2) 若曝氣池中污泥濃度為2000 mg/L，回流污泥濃度為 4000 mg/L，求沉淀池的污泥回流比 Ro V,X e R,Xr 解：（1）以曝

17、氣池和沉淀池為衡算系統(tǒng)，以B0污涵衡流對象，由物料衡算方程得: d oCVeQV rVV dt 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行， =0;代入相應數值得: 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)以曝氣池為衡算系統(tǒng)，以污泥為衡算對象。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 一直徑為2m的貯槽

18、中裝有質量分數為 0.1的氨水，因疏忽沒有加蓋，則氨以分子擴散形式揮發(fā)。 假定擴散通過一層厚度為 5mm的靜止空氣層。在101KN/m2、20C下，氨的分子擴散系數為1.8 104m3，第二個池塘的容積為3.0 X104m3o有一股流量為lxi04m3/d的污水進入第一個池塘，有機 物濃度為120 mg/L。有機物降解符合一級反應動力學，降解速率常數為0.30d1。不考慮蒸發(fā)、滲漏或降雨 等因素，假設每一個池塘都呈完全混合狀態(tài)，求穩(wěn)定狀態(tài)下每個池塘出水的有機物濃度。 解：以第一個池塘為衡算系統(tǒng)，在穩(wěn)定狀態(tài)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 以第二個池塘為衡算系統(tǒng)，在穩(wěn)定狀態(tài)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現有一傳熱面積為3m2、由25X2.5mm的管子組成的列管式換熱器，擬用初溫為30C的水將某液 體由200C冷卻到100C，水走管內。已知水和液體的定壓比熱容分別為4.18 k

20、J/(kg. K)和2.0kJ/(kg. K)，冷 側和熱側的對流傳熱系數分別為2000 W/(m2 K)和250 W/(m2 K)。當水和液體的質量流量分別為1000kg/h 和1200kg/h時，通過計算說明該換熱器是否滿足要求；若不滿足，可通過什么方法解決(定性分析)？(兩 流體呈逆向流動，忽略管壁熱阻和污垢熱阻) 解：用30C的水將某液體由200 C冷卻到100C時，由熱量衡算方程，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，故水的最終溫度為丁2水 3057.487.4 C 逆向傳熱時的平均溫差為 T1丁2 T

21、m=89.8 C In1 T2 傳熱阻力為 R=（丄 1 11 11 1 一）一（）- 2 A2000 250 3 該換熱器在此時能夠傳遞的熱量為 Q=工 89.8 R 0.0015 59.9KW 2 , d m1 2， dm1 dm2，令 dm1 = c， dm2 = a 因為1a 2C 1c2a (a c)( 1 2) 0 所以丄丄土 dm1dm2 d m1d m2 b( 1a 2C) b( ic2a) 即QQ2 為了達到較好的保溫效果，導熱系數為2的材料應放在內層 1.12純氣體A通過厚度為0.01m的氣膜從主體向催化劑表面擴散，在催化劑表面發(fā)生瞬時化學反應A 已知總壓力為1.013 X

22、105Pa,溫度為300K，擴散系數Dab為 (g) t2B (g),生成的B又反向擴散回來。 1.5探05m2/s。試求A的擴散速率。 解：由Na Dab dCA dz c c(Na Nb) 因為Nb2Na 所以: c 1 Na Dab I yA,o yA,i 1yA,o Dab 盤1n1 yA,i 1.5 10 5 1.013 10 5 0.01 8.31 3001 0 2 0.042mol /m s 1.13 一直徑為20mm的球形萘粒置于壓力為1.013 X05Pa、溫度為318K的空氣中，已知該溫度下萘 的蒸汽壓為74 Pa,萘在空氣中的擴散系數為6.9 X06m2/s,萘的分子量為

23、128，密度為1145kg/m3。試求以 下兩種情況下，萘球全部升華所需要的時間。 (1)萘粒置于大范圍靜止空氣中 止空氣層的阻力)； (注：在大范圍靜止空氣中的傳質阻力相當于通過厚度為球半徑的靜 (2)空氣以0.3m/s的速度流動, 此時的平均對流傳質系數為6.4 X03m/s。 解：(1)設任一時刻萘球的半徑為 r,有傳質速率方程，有 Na DabP RTL PB,m( P PA,0) 又根據質量衡算, 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 邊界條件 t= 0, r = 0.01; t=t, r = 0 積分得: 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 分離過程原

25、理 2.1簡答題 1. 進口氣速不變，增大旋風分離器的直徑，對離心力有何影響？轉速不變，增大離心機轉鼓直徑，對 離心力有何影響? 2 u 參考答案：對旋風分離器，離心力Fc m丄，進口氣速不變，離心力與直徑成反比，所以增大直 rm 徑，離心力減小。 2 對離心機，離心力 Fc mr ，轉速不變，離心力與直徑成正比，所以增大直徑，離心力增加。 2. 在過濾過程中，濾餅層的可壓縮性通常用什么參數來表示？試分析說明濾餅層為不可壓縮和可壓縮 兩種情況時，增加過濾壓差對過濾速度的影響。 參考答案：通常用壓縮指數 s來表示。由K 乙匚 可知，增加過濾壓差，過濾速度都會增加, r0C 但是濾餅層不可壓縮時，

26、過濾速度會增加得更快。 3. 試比較深層過濾和表面過濾的特點和差異。 參考答案：從兩者的過濾介質、過濾過程、過濾機理和應用范圍加以比較。 4. 試說明反滲透膜材質是如何影響膜的截留率的? 參考答案: KwP KwP ，可見膜材料的選擇性滲透系數直接影響截留率。要實現高 Ka 效分離，Kw要盡可能大，Ka要盡可能小，也就是膜材料必須對溶劑的親和力強，而對溶質的親和力弱。 5. 空氣中含有SO2和CH4兩種氣體，其分壓相同，試判斷哪種污染物更易被水吸收？為什么? 參考答案：SO2更容易被水吸收。因為 SO2在水中的溶解度系數更大，而且能夠跟水結合并進一步解 離。 6. 采用活性炭吸附某含酚廢水，當

27、采用單級吸附飽和后，將飽和后的活性炭填充到固定床中，從頂部 通入同樣濃度的含酚廢水，問活性炭是否還能吸附酚？為什么? 參考答案：還能吸附。因為單級吸附飽和后，所對應的平衡濃度較低，通入新的廢水后，液相濃度增 加，活性碳又處于不飽和狀態(tài)，所以還會繼續(xù)吸附。 2.2某水中含有顆粒直徑為 0.2mm的懸浮液，顆粒所占的體積分率為0.1，在9.81 X 103Pa的恒定壓差 下過濾，過濾時形成不可壓縮的濾餅，空隙率為 0.6，過濾介質的阻力可以忽略，試求（1）每平方米過濾 面積上獲得1.5m3濾液所需的過濾時間; (2) 若將此過濾時間延長一倍，可再得多少濾液。 （水的粘度為 1X 10-3Pa -

28、s) 解：（1）首先計算形成濾餅的比阻 濾餅的空隙率為 0.6,顆粒的比表面積 dp 0.2 6 10 3 3 104 m2/m3,取比例系數Kl 5 可得濾餅的比阻為: 2a251 0.6 3 104 2 0.63 0.33 ._10 2 10 m-2 又假設每得到1m3濾液形成的濾餅體積為 C,則根據水的物料衡算可得 1 0.6c1 c 1 0.1，得 c 0.333m3 （濾餅）/ m3（濾液） 所以，恒壓過濾的過濾常數可計算為 K0.33 1010 1 3 9.81 103 0.3338.93 10 3m2/s 由恒壓過濾方程q2Kt 得 t q2/K 1.52 / 8.93 10 3

29、 2.52 102s (2)若是時間延長一倍，則 t 5.04 102s 2 由恒壓過濾方程q Kt 8.93 10 32 5.04 10 4.5 所以 q 2.12m3 所以延長一倍的時間，再得到的濾液量為 2.12 1.5 0.62 m3 2.3在310kPa的操作壓力下，采用吸收法去除混合氣體中的組分A，已知混合氣體中 A的分壓為100kPa， 吸收液中A的摩爾分數為0.003,以摩爾分數差為推動力的氣膜和液膜傳質系數分別為 ky 3.77 103 kmol/m2s、kx 3.0610 4 kmol/m2 s，亨利系數 E 為 1.067 X04 kPa，試求: (1)組分A的傳質速率;

30、 (2)分析傳質阻力，判斷是否適合采取化學吸收; (3)如果采用化學吸收，傳質速率提高多少。假設發(fā)生瞬時不可逆反應。 解：(1)以氣相分壓差為推動力的氣膜傳質系數為 kG32口1 1.22 10 5 kmol/kPam2s 310 以液相濃度差為推動力的液膜傳質系數為 kL 35.50 10 6m/s 55.6 55 63 溶解度系數 H .4 5 21 10 kmol/kPa m3 1.067 10 所以以氣相分壓差為推動力的氣相總傳質系數為 Kg 1/kG 1/ HkL1/ 1.22 10 51/ 5.21 10 3 5.50 10 6 2.86 10 8 精選文庫 kmol/kPa m2

31、 s 傳質推動力為P P p 100 32.01 67.99 k Pa 所以傳質速率為 Na Kg P 2.86 10 8 67.99 1.94 10 6 kmol/m2 s （2）傳質阻力分析 總傳質阻力1/ Kg1/ 2.86 10 8 3.50 107 (m2 s kPa)/kmol 其中氣膜傳質阻力為1/ kG 1/ 1.22 10 5 8.20 104(m2 s kPa)/kmol，占總阻力的 0.2% 變)，求此時顆粒的臨界直徑為多少? 液膜傳質阻力占總阻力 99.8%，傳質過程為液膜控制，適合采用化學吸收。 A摩爾分數為0 （3 ）采用化學吸收時，忽略液相傳質阻力，且認為液相中

32、則此時傳質速率為 53 Na kG p 1.22 10 5 100 1.22 10 3 kmol/m2 s 比原傳質速率提高627倍 2.4某活性炭吸附苯酚的吸附等溫試驗方程式為q= 2.5 C.5，其中q為吸附容量（mg/g），C為吸附平 衡溶質濃度（mg/L ）。今有濃度為100mg/L、體積為200mL的苯酚溶液，問：（1）采用單級間歇操作進行 處理，欲將溶液中的苯酚濃度降低到10mg/L，需要投加多少活性炭？ （ 2 ）將經過單級操作的活性炭加入 固定床中，持續(xù)吸附濃度為100mg/L的苯酚溶液，最多還可以吸附多少苯酚？（3）在固定床中吸附飽和 的活性炭是否還可以繼續(xù)吸附? 解：（1）

33、單級吸附飽和時，活性炭吸附量為 q 2.5 100.57.9 mg/g 由質量衡算可得 0100 102.28 g 7.9 所以需要2.28g活性炭 （2）固定床中的活性炭達到吸附平衡時，對應的平衡濃度為 100mg/L 所以活性炭吸附量為q 2.5 1000.525 mg/g 附量。 (3)理論上，增加溶液中苯酚的平衡濃度，活性炭還可以繼續(xù)吸附苯酚，直到達到活性炭的飽和吸 2.5以甲苯為萃取劑，采用萃取法處理含 A廢水。已知待處理的廢水體積為10L,密度為1000 kg/m3， 廢水中的A濃度為1000mg/L，萃取劑量為2 kg。如果要求萃取后廢水中 A濃度達到1mg/L以下，問是否 能達

34、到要求？如果能達到，應采取什么樣的萃取方式？請通過計算說明。假設 A的分配系數為10,并不隨 溶液組成而變化。 解：XmF 6 0.001，要求達到的濃度為XmR 1 10 (1)采用單級萃取 XmR BXmF B 10S0-00033 10 6，達不到要求 (2)采用多級錯流萃取 設有n級，每級萃取劑用量2/n X mnR B 10S/n XmF B 10S/nO.001 1 10 6 達不到要求。 (3)采用多級逆流萃取 多級逆流操作縣最大斜率為 max 1XmO X mF X mn 10 O-001 06 10 0.001 1 10 6 多級逆流的最小萃取劑用量為 Smin1 kg 2k

35、g max 所以，理論上可以采用多級逆流萃取達到要求。 2.6采用一半徑為r的旋流分離器分離某懸浮液，假設能完全分離的顆粒的臨界直徑為 de。如果將旋 流分離器的半徑減少為原來的1/2，而其他條件(如液體進口處切向速度、進口寬度和旋流分離器高度均不 解：旋流分離器分離顆粒的臨界直徑可以表達為 精選文庫 dc ui p 從這個式子可以看到，顆粒的臨界直徑與分離器半徑無關，所以改變半徑不會影響臨界直徑。 2.7某水中含有顆粒直徑為 0.2mm的懸浮液，顆粒所占的體積分率為0.1，在9.81 X 103Pa的恒定壓差 下過濾，過濾時形成不可壓縮的濾餅，空隙率為 0.6，過濾介質的阻力可以忽略，試求（

36、1）每平方米過濾 面積上獲得1.5m3濾液所需的過濾時間; （2） 若將此過濾時間延長一倍，可再得多少濾液。 （水的粘度為 氣體中溶質摩爾分數為y1 = 0.3，入塔吸收劑的溶質摩爾分數為X2=0.005，如果要求出口處氣體中溶質摩爾 1X 10-3Pa - s） 解：（1）首先計算形成濾餅的比阻 濾餅的空隙率為 0.6,顆粒的比表面積 dp 0.2 6 10 3 3 104 m2/m3,取比例系數Kl 5， 可得濾餅的比阻為: 2a251 0.6 3 104 2 0.63 0.33 1010m-2 又假設每得到1m3濾液形成的濾餅體積為 C,則根據水的物料衡算可得 1 0.6c1 C 1 0

37、.1，得 C 0.333m3 （濾餅）/ m3 （濾液） 所以，恒壓過濾的過濾常數可計算為 K tc 0.33 1010 1 3 9.81 10 3 0.3338.93 10 m2/s 由恒壓過濾方程q2Kt 得 t q2/K 1.52 / 8.93 10 3 2 2.52 10 s （2）若是時間延長一倍，則 t 5.04 102s 由恒壓過濾方程q2 Kt 8.93 10 3 5.04 102 4.5 所以 q 2.12m3 所以延長一倍的時間，再得到的濾液量為 2.12 1.5 0.62 m3 2.8采用吸收法去除某有害氣體,已知氣液兩相的相平衡關系為y* = 1.2X。采用逆流操作。假

38、設進口處 精選文庫 分數降低為y2=0.001，問能否達到要求？請說明理由。如果達不到，有辦法可使出口處氣體溶質摩爾分數 達到要求嗎? 解：不能達到要求。因為入塔吸收劑的摩爾分數為X2=0.005，與之平衡的氣相摩爾分數為 y21.2x20.006 y2 可以通過改變條件，使平衡關系發(fā)生變化，減小平衡常數；或者降低入塔吸收劑溶質的摩爾分數。 2.9某活性炭吸附苯酚的吸附等溫試驗方程式為q = 2.5 C0.5，其中q為吸附容量（mg/g）, C為吸附平 衡溶質濃度（mg/L）0今有濃度為100mg/L、體積為200mL的苯酚溶液，問：（1）采用單級間歇操作進行處 理，欲將溶液中的苯酚濃度降低到

39、20mg/L，需要投加多少活性炭？（2）如果將在上一單級操作中飽和后的 活性炭，再次全部投入到同樣體積和濃度的苯酚溶液中，問此次能否使溶液中的苯酚濃度再次降低到 20mg/L ?請用操作線定性說明。（3）重復的操作直至活性炭不再吸附苯酚為止，求此時活性炭的飽和吸 附量為多少? 解：（1）由物料衡算，需要投加得活性碳的量為 O.2100 201.431g 2.5 200-5 （2）不能。圖略。 （3 ）當活性碳不能吸附時, 其飽和吸附量與處理液的初始濃度平衡 所以 q 2.5 1000.5 25 mg/g 2.10以三氯甲烷為萃取劑, 采用萃取法處理含酚廢水。已知待處理的含酚廢水體積為10L,密

40、度為1000 kg/m3，廢水中的酚濃度為100 mg/L，萃取劑量為2 kg。如果要求萃取后廢水中酚濃度達到15mg/L以下, 問是否能達到要求？如果能達到，應采取什么樣的萃取方式？請通過計算說明。假設酚的分配系數為 15, 并不隨溶液組成而變化。 解：1采用單級萃取 XmR BXmF 2 5 10 51 5 10 5，不能達到要求 B 15S 2采用二級錯流萃取 XmR1 BXmF 4 10 5 B 15S XmR2 BXmR2 B 15S2 1.6 10 51.5 10 5，不能達到要求 3采用三級錯流萃取 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，達到要求。 2.11 (1) 1.2 MPa， 問是否能正常運行達到脫鹽目的？ 解: (1)膜通量可以表示為 Nw RmRpRg 采用超濾膜過濾含高濃度乳化油廢水，試分析隨著壓力的增加，膜通量將如何變化? 采用反滲透膜進行海水淡化，操作溫度為25 C,海水中NaCI質量分數為2.0%，如果操作壓力為 在此過濾過程中，初期，隨著壓力的增加，膜通量增大；由于容易形成凝膠層，所以凝膠層形成之后, 再增大壓力，凝膠層厚度也會增加，凝膠層阻力隨之增加，抵消了壓力增加對膜通量的貢獻，所以一旦凝 膠層形成，膜通量

42、就不會隨壓力增大而增加。 (2)進料鹽濃度為Co 2/58.5 0 349 mol/L 98/1000 所以滲透壓為 c0RT 0.349 8.314 298 2/10001.73 mPa 滲透壓大于操作壓力，所以不能正常脫鹽。 2.12采用轉筒離心機分離懸濁液中的固體顆粒，已知顆粒直徑為 50 m，顆粒密度為 6600kg/m3，懸濁 液密度為1000kg/m3，黏度為1.2 X10-3Pa s，轉筒尺寸為 h=500mm, r1=50mm, r2=100mm,離心機轉速為 250r/min 。 (1)求離心機完全去除固體顆粒時的最大懸濁液處理量。 (2)如果改用直徑D與離心機相同的漩流分離

43、器處理該懸濁液，假設進液口寬度 B=D/4，液體 在旋流分離器中的旋轉圈數為 5,采用什么樣的操作條件，才能使漩流分離器的分離效率與離心機相 精選文庫 同。 解: (1)假設顆粒運動位于層流區(qū)，則顆粒的沉降時間為 182 2l nil dp1 18 1.2 10 3 所以懸濁液的最小停留時間為 6600 1000 5.0 10 5 2 250/60 In1.56s 0.05 1.56s 最大處理量為 V 3.140.12 % I 0.052 0.5 1.56 0.00755m3/s (3)在上述并流操作條件下，如果要使氣體出口處氣體中溶質摩爾分數達到0.02，應如何調整 檢驗：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 雷諾數Rep 1000 5.0 10 5 0.044 1.2 10 3 1.82，假設真確。 (2)在旋流分離器中分離相同的顆粒，需要的進口流速為 Ui _9 B dc2 0.05 檢驗: 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，假設正確。 1.2 10 3 2.13對某有害氣體采用吸收法處理，已知氣液兩相的相平衡關

45、系為 y* 1.2X。假設氣體中溶質摩爾分 數為0.3，吸收劑中的溶質摩爾分數為0.01，液氣比為2。 (1)采用逆流操作時，請畫出操作線和平衡線的關系示意圖。假設氣體出口處氣體中溶質摩爾 分數為0.02，計算氣體進口和出口處的推動力。 (2)采用并流操作(氣體和吸收劑均從塔底部進入)時，請畫出操作線和平衡線的關系示意圖。 如果同樣要求氣體出口處氣體中溶質摩爾分數達到 0.02，問是否能夠達到要求？氣體中溶質摩爾分數 最低能達到多少? 精選文庫 操作參數？請通過計算說明。 解：（1）Y 0.429，Y2 0.0204，X2 0.01 氣體出口處與液相平衡的氣相摩爾分數為Y*1.2 0.01 0

46、.012 所以推動力為 Y Y2 Y 0.02040.0120.0084 氣體進口處液相摩爾分數為X10.5 0.429 0.02040.01 0.214 氣體出口處與液相平衡的氣相摩爾分數為 Y 1.2 0.2140.257 所以推動力為 Y % Y 0.429 0.2570.172 (2 )并流操作，氣體出口最大為 丫2 丫2 由物料衡算機平衡關系，可以求得 X20.14，所以出口氣體最低為 % 丫2*1.2 0.14 0.17 0.0204 不能達到處理要求。 (3)可以通過增加液氣比來實現 58.4可以實現。 0.4290.020458 4，即將液氣比提高到 0.0170.01 10L

47、,密度為1000 kg/m3，廢水中的酚 2.14采用萃取法處理含酚廢水。已知待處理的含酚廢水體積為 濃度為100 mg/L，要求萃取后廢水中酚濃度達到15mg/L以下。假設酚的分配系數為 15,并不隨溶液組成 而變化。 (1)采用單級萃取時，問需要添加多少kg的萃取劑? (2)將單級萃取后的萃取相與同樣體積和同樣濃度的含酚廢水再次接觸進行萃取操作，問廢水 中的酚濃度可以降低到多少？并請畫出操作線和平衡線的關系示意圖。 重復（2）的操作，求最終得到的萃取相中酚的最大濃度為多少? （25 分） 解：（1單級萃取 料液中B的量為B 10kg 根據物料衡算B XmF S YmE B X mR 又因為

48、YmE 15XmR 所以需要的萃取劑為 S B XmF XmR 3.78 kg 15XmR （2）再次萃取后，由物料衡算和平衡關系 B XmF B XmR S YmE S YmE YmE15XmR 可得 YmE5.57 10 4，濃度為 3.7mg/L （3 ）重復操作，最終得到的萃取相中的濃度是與處理液濃度平衡的濃度 3 所以YmE max 15XmR 1.5 10 ，濃度為 1500 mg/L 三、反應工程原理 3.1簡答題 1.簡述影響均相連續(xù)反應器內反應物的轉化率的主要因素。 解：（1）反應器：反應器的操作方式（全混流、平推流等）、反應器有效容積；（2）反應：反應級數、 反應速率常數；

49、（3）操作條件：反應停留時間、進料濃度、溫度。 2.西勒（Thiele）模數的物理意義是什么？具體說明西勒（ Thiele）模數的大小如何影響催化劑的有效 系數? 解：物理意義是最大反應速率與最大內擴散速率的比值 OS值越大，內擴散阻力越大，有效系數越小 （1）s5-9時，n值小于0.1，且Tr1Oso此時宏觀反應速率主要受擴散的影響。 3. 根據環(huán)境凈化與污染防治技術的基本原理，闡述實現污染物高效、快速去除的基本技術路線。 解：原理體系：利用隔離、分離、轉化等技術原理，通過工程手段，實現污染物的高效、快速去除。 、快速地 去除。 技術路線：通過隔離/分離/轉化方式的優(yōu)選與組合，實現對污染物的

50、高效（去除效率、能耗） 接關系的主要因素，不包括溫度、pH等環(huán)境條件） 有哪些? 解：根據公式 rss ksS 1 /2 (DsfkXf) S tanh m 其中 所以，影響微生物膜反應速率（以表面積為基準） 的因素為 基質的特性：基質在微生物膜內的有效擴散系數 Dsf,基質反應速率常數k; 即通過對裝置的優(yōu)化設計以及對操作方式和操作條件的優(yōu)化，實現對介質的混合狀態(tài)和流體流態(tài)的優(yōu) 、快速去除。 化和對遷移（物質、能量）和反應速率的強化，從而實現對污染物的高效（去除效率、能耗） （主要指與微生物膜和基質本身特性有直 4. 影響以微生物膜表面積為基準的基質消耗速率的主要因素 微生物膜特性：膜內的微

51、生物濃度Xf,:微生物膜的厚度 d 微生物的膜內微生物種類 表面的基質濃度 5. 簡要說明為什么氣液相反應的宏觀速率方程根據本征反應速率的快慢有不同的表達形式。 解：氣液相反應過程是包括傳質和反應的多個步驟的綜合過程。宏觀反應速率控制步驟為傳質過程或 反應過程，由本征反應速率和傳質速率快慢所決定?？刂撇襟E不同，反應區(qū)域與濃度分布亦不同，反應速 率方程和傳質形式發(fā)生改變，從而使宏觀速率方程具有不同的表達形式。 6. 試比較固體催化劑的有效系數與微生物膜的有效系數的定義有何不同? 解：固相催化劑的有效系數（n,也稱效率因子: 催化劑的實際反應速率 催化劑表面與內部無濃度及溫度差時的理想反應速率 微

52、生物膜的有效系數 (n) 以面積為基準的實際反應速率 rss ( rss) max 0（ Qdz 0 （ Qdz生物膜厚度 無限大時，能達到的以 面積為基準的反應速率 兩種定義中反應速率最大值或理想值的定義不同 1. 一般情況下，反應器內的流體流動狀態(tài)會對反應結果產生影響，為什么? 解：反應過程和傳遞過程是反應工程的關鍵，而反應器內流體的流動狀態(tài)將直接影響反應過程和傳遞過程，即流動狀態(tài)不同，將使反應器內的濃度分布、 溫度分布和流速分布的不同， 可能造成反應器各 流團” 停留時間分布、組分分布和反應速率分布的不同，從而影響反應的結果。 ，并說明理由？ 8.若將反應速率的定義寫成一rA= dcA/

53、dt，該定義式成立的條件是什么 解：成立的條件為恒容反應。 根據反應速率的一般定義 rA 1 driA V dt (nA =cAV) 對于恒容反應有 所以反應速率的定義 1 d(CAV) dCA rA藥 V dt 巴0 dt dCA r A dt Ca dV V dt 9. 進行反應速率方程的實驗測定時，常采用間歇反應器，為什么? 解：間歇反應器獲取數據較為方便 （1）平推流反應器和全混流反應器需調節(jié)至穩(wěn)態(tài)，才可進行實驗測定，獲取數據；間歇反應器只需 一次性將物料加入反應器，便可進行實驗測定。 T或進口濃度CA0，測定反應器出口濃 （2）平推流反應器和全混流反應器需進行多次實驗，改變時間 度C

54、a ；間歇反應器只需進行一次實驗。 10. 氣液相反應的宏觀速率方程根據本征反應速率的快慢有不同的表達形式，為什么？ 解：氣液相反應過程是包括傳質和反應的多個步驟的綜合過程。宏觀反應速率控制步驟為傳質過程或 反應過程，由本征反應速率和傳質速率快慢所決定?？刂撇襟E不同，反應區(qū)域與濃度分布亦不同，反應速 率方程和傳質形式發(fā)生改變，從而使宏觀速率方程具有不同的表達形式。 11. 簡要闡述環(huán)境凈化與污染控制技術原理體系以及在實際工程中實現污染物高效、快速去除的基本 技術路線。 解：（1）原理體系：利用隔離、分離、轉化等技術原理，通過工程手段，實現污染物的高效、快速去 除。 （2）技術路線：通過隔離/分

55、離/轉化方式的優(yōu)選與組合，實現對污染物的高效（去除效率、能耗） 快速地去除。 即通過對裝置的優(yōu)化設計以及對操作方式和操作條件的優(yōu)化，實現對介質的混合狀態(tài)和流體流態(tài)的優(yōu) 、快速去除。 化和對遷移（物質、能量）和反應速率的強化，從而實現對污染物的高效（去除效率、能耗） 12. 對于不可逆液相反應，利用間歇反應器和理想平推流反應器進行反應操作時的基本方程有何異同？ 簡要分析其理由。 解：間歇反應器基本方程為 dxA nAO 藥rAV 平推流反應器的基本方程為 q dxAr qn AO rA dV 異同：方程的基本形式相同，但間歇反應器為反應速率正比于轉化率隨時間的變化率，而平推流反應 器為反應速率正

56、比于轉化率隨空間的變化率。 原因：平推流反應器可以看作一個微元在流動過程中進行間歇反應，其反應時間可用流動的距離或體 積進行表示。即在空間上的平推流反應器與在時間上的間歇反應器。 13. 簡述影響球形催化劑有效系數的主要因素及其產生的影響。 解：球形催化劑的效率系數的定義為 n大小有關 西勒模數反映了反應過程受本征反應及內擴散的影響程度，與 根據 R kvCAsn1 3 V De 可知n的主要影響因素有催化劑顆粒半徑R,擴散系數De,反應速率常數kv，催化劑表面反應物濃 度 CAS O R、kv、 cAs、n越大，本征反應速率越大，則擴散過程對反應速率影響越大, n值越小; n值越大。 De越

57、大，擴散速率越大，則本征反應對反應速率影響越大, 14. 分析氣-液相快速反應的特點。根據氣-液相擬一級快速反應的宏觀速率方程，簡述提高反應速 率的措施。 解：特點為A與B之間的反應速率較快，反應發(fā)生在液膜內的某一區(qū)域中，在液相主體不存在 分，也不發(fā)生A和B之間的反應。 擬一級快速反應的宏觀反應速率方程 AS kbACAi tanh 其中, L JkCBL / DlaJkCBL Dla / kbA 提高反應速率的措施: 提高Hatta （八田）數：可以通過提高 B在液相主體的濃度CBL、A在液相中的擴散系數 Dla O 提高CAi :加大氣相中A的分壓 提高kLA:改善傳質，即提高 A在液相中

58、的擴散系數 Dla，減少液膜厚度 采用循環(huán)連續(xù)反應器，進行回流，提高反應器內菌體濃度。 B 一次性加 入，A連續(xù)加入)和連續(xù)反應器進行反應操作情況下, A和B的轉化率的定義式。(10分) 解: (1)在間歇反應器中, A轉化率為 XA=1-nA/nA0 3.9對于二級不可逆液相反應oAA+aBBT P,試分別給出利用間歇反應器、半間歇反應器( B轉化率為 (2)在半間歇反應器中, A轉化率為 XA1 n A0qnAot xB=1-nB/nB0 B轉化率為 xB=1-nB/nB0 (3)在連續(xù)反應器中, A轉化率為 XA=1-qA/qnA0 A的分解 研究。已知 A的分解反應為不可逆反應，現需要

59、確定該反應的本征速率方程(- rA=kcAn） 請你為該研究 B轉化率為 XB=1-qB/qnB0 3.10某研究單位擬利用以粒狀活性炭為載體的二氧化鈦催化劑進行水中低濃度有機污染物 。（20 分） 保持溫度、壓力、進口物料組成不變，選取進料流量 qnt和催化劑填裝量 m1，改變催化劑粒徑dp, 單位設計一個系統(tǒng)的、可操作性強的實驗方案(利用間歇反應器) 解：(1)測定消除外擴散影響的實驗條件 在一反應器內裝入質量為 m1的催化劑，此時的填充層高度為 h1，在保持相同溫度 T壓力P、進口 物料組成的條件下，改變進料流量qnA0，測定相應的轉化率XA ； 在同一反應器內裝入質量為 m2的催化劑，

60、此時的填充層高度為 h2,在同樣的溫度、壓力、進口物 料組成的條件下測定不同qnA0時的XA ； 做XAm/qnA0曲線，求兩曲線重合處的進料流量qvt和流速。 (2) 測定消除內擴散影響的實驗條件 測定相應的轉化率XA； 做XAdp曲線，曲線中XA不隨dp變化而變化的區(qū)域，則為無內擴散阻力的粒徑條件。選取該區(qū)域 的催化劑，粒徑為dpt dpt、進料流量為qvt，則 (3) 測量本征速率方程 在相同反應器中，保持溫度、壓力、進口物料組成不變，選取催化劑粒徑為 可消除內外擴散的影響。改變進料濃度CA0，測定出口濃度CA，根據積分法或微分法計算本征速率方程。 精選文庫 (3)采用平推流反應器進行反