環(huán)境工程原理第三版課后答案

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(lèi)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。1.4 空氣中

2、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?chē)乇硭w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)原理可以分為哪幾

3、類(lèi)？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(lèi)。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?chē)h(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（包括室內(nèi)空氣）污染控制工程、固體廢物處

4、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(zhuān)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0.08X0-6（體積分?jǐn)?shù)），求：（1）在1.013X05Pa、25C下，用Rg/ri3表示該濃度；（2）在大氣壓力為0.83M05Pa和15c下，O3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，1mol空氣混合物的體積為V1=V0P0Tl/P1T0=

5、22.4L漢98K/273K=24.45L所以O(shè)3濃度可以表示為0.08106molM8g/molx(24.45L)1=157.05聞/m3(2)由題，在所給條件下，1mol空氣的體積為Vi=V0P0Ti/PiT0=22.4LX.013105Pa>288K/(0.83105PaX273K)=28.82L所以O(shè)3的物質(zhì)的量濃度為0.08X06mol/28.82L=2.78109mol/L0.14X0-6,問(wèn)是否符合要求?1090.151062.2 假設(shè)在25C和1.013105Pa的條件下，SO2的平均測(cè)量濃度為400rg/mf,若允許值為解：由題，在所給條件下，將測(cè)量的SQ質(zhì)量濃度換算成

6、體積分?jǐn)?shù)，即RT1038.314298103a§400pMA1.01310564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/（m3K）2.5加熱爐用空氣（含O20.21,N20.79）燃燒天然氣（不含。2與N2）。分析燃燒所得煙道氣，其組成的摩爾分?jǐn)?shù)為CO20.07,H2O0.14,O20.056,N20.734。求每通入100療、30C的空氣能產(chǎn)生多少m3煙道氣？煙道氣溫度為300C,爐內(nèi)為常壓。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N2為衡算對(duì)象，煙道氣中的N2全部來(lái)

7、自空氣。設(shè)產(chǎn)生煙道氣體積為V2。根據(jù)質(zhì)量衡算方程，有0.79R1V“RT1=0.734R2V2/RT20.79100m3/303K=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。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？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尸（3+0.05）X1.0解之得尸61mg/L加

8、入示蹤劑的質(zhì)量流量為61>0.05g/s=3.05g/s2.9 假設(shè)某一城市上方的空氣為一長(zhǎng)寬均為100km、高為1.0km的空箱模型。干凈的空氣以4m/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-(0.20/3600)XpX100M00XX109m3/s4X100XX106(m3/s=0解之得p=1.0510-2mg/m3(2)設(shè)空箱的長(zhǎng)寬均為L(zhǎng),高度為

9、h,質(zhì)量流量為qm,風(fēng)速為u根據(jù)質(zhì)量衡算方程cckqm1qm2、dmdt有qmuLhkL2hdtL2h帶入已知量，分離變量并積分，得3600dt01.0510d210-66.610-5積分有p=1.1510-2mg/m32.10某水池內(nèi)有1m3含總氮20mg/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10m3/min,總氮含量為2mg/L,同時(shí)從水池中排出相同的水量。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池中總氮濃度為p由質(zhì)量衡算，得dV%0%F即dt1d10(2)積分，有t51dtd02010(2)求得t=

10、0.18min2.11有一裝滿(mǎn)水的儲(chǔ)槽，直徑1m、高3m。現(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uo=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Ai,小孔的面積為A?由題得A2u0=-dV/dt,即u0=dz/dtXWA2所以有一dz/dtx(100/4)2=0.62(2gz)0.5即有226.55-0.5dz=dtz0=3mU0與槽內(nèi)水面高度z的z1=Zq-1m3x(0x0.25mT=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

11、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30120910060tdt時(shí)間也是變量，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)4用m2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)

12、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=18000kJ/h設(shè)取暖器的水升高的溫度為(at),水流熱量變化率為qmcpT根據(jù)熱量衡算方程，有18000kJ/h=0.860X1M.183總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)

13、河水的水溫會(huì)上升多少C。解：輸入給冷卻水的熱量為Q=1000>2/3MW=667MW(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qmcpT根據(jù)熱量衡算定律，有qVX103M.18310kJ/m667X103KW(2)由題，根據(jù)熱量衡算方程，得Q=15.94m3/s100X103X4.183/TkJ/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(pán)由軸帶動(dòng)在一平臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，圓盤(pán)與平臺(tái)間充有厚度S=1.5mm的油膜。當(dāng)圓盤(pán)以n=50r/min旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)得扭矩M=2.94X10-4NImo設(shè)油膜內(nèi)速度沿垂直方向?yàn)榫€(xiàn)性分布，試確定油的黏

14、度。解：在半徑方向上取dr,則有dM=dFt由題有dF=t-dAdu-dy22一dA=(rdr)r2rdrdu2nrdy一所以有du2n3dM=2rdrr4rdrdy兩邊積分計(jì)算得M=2r4代入數(shù)據(jù)得2.94104Nm=rX0.05m)4x2tx(50/60)s/(1.5103m)可得尸8.58103Pas3.2 常壓、20C的空氣穩(wěn)定流過(guò)平板壁面，在邊界層厚度為1.8mm處的雷t§數(shù)為6.7104。求空氣的外流速度。解：設(shè)邊界層厚度為近空氣密度為p,空氣流速為u。由題，因?yàn)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)一般取5X105>6.7M04,所以此流動(dòng)為層流。對(duì)于層流層有二4.641x=05&qu

15、ot;Rex同時(shí)又有xuRex=兩式合并有0.54.641Re即有4.641X(6.7104)0.5uX1xi03kg/m3xi.8mm/(1.81X05Pas)u=0.012m/s3.3 污水處理廠(chǎng)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34m3/h。求提升水所需要的功率。設(shè)水的溫度為25Co解：設(shè)所需得功率為乂，污水密度為pNe=Weqvp=(gAz+Z2hf)qvp=(9.81m/s2M0m+4J/kg)1M03kg/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

16、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：Ui2/2+Pi/p=u22/2+p2/p由題有U2=4ui所以有Ui2/2+pi/p=16ui2/2+p2/p即15u12=2X(p-g/P2=x(0ppMRR9/=2X(1000-1.2)kg/m3X9.81m/s2x(0.1m0.04m)/(1.2kg/m3)解之得u1=8.09m/s所以有U2=

17、32.35m/sqv=u1A=8.09m/sx兀(200mm)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hf6.5U2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U12/2+p1/升gz1=U22/2+p2/葉gz2+211

18、由題意得p1=p2,且U1=0所以有9.81m/s2x(8m2m)=u2/2+6.5u2解之得u=2.90m/sqv=uA=2.90m/sx%x0.G/4n=2.28102m3/s(2)由伯努利方程，有U12/2+gz1=u22/2+gza+2If即Ui2/2+gz1=7U22+gz2由題可得Ui/U2=(0.1/1)2=0.01取微元時(shí)間dt,以向下為正方向則有ui=dz/dt所以有(dz/dt)2/2+gz1=7(100dz/dt)2/2+gz積分解之得t=36.06s21N/m2o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13mm、長(zhǎng)為3m的管道。若流

19、經(jīng)該管段的壓降為為0.1m/s時(shí)，壓降為多少?解：設(shè)水的黏度i=1.0M0-3Pa.s,管道中水流平均流速為um根據(jù)平均流速的定義得:所以_qvum=Ar。4dPfB-dT2-r01dpf2r08dl8Pf-uml-2-r°代入數(shù)值得21N/m2=8X1.0R0-3Pas>umX3m/(13mm/2)2解之得um=3.7X02m/s又有umax2um所以u(píng)=2um1(r/ro)2(1)當(dāng)r=5mm,且r0=6.5mm,代入上式得u=0.03m/s(2)umax2umPf=Umax/UixTf=0.1/0.07421N/m=28.38N/m3.8溫度為20c的水，以2kg/h的質(zhì)

20、量流量流過(guò)內(nèi)徑為10mm的水平圓管，試求算流動(dòng)充分發(fā)展以后:(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/m3x0>0K5m2/4)7.07X03m/su/Umd=282.8c2000Re4管內(nèi)流動(dòng)為層流，故管截面中心處的流速u(mài)max=2um=1.415刈0-2m/s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(1一產(chǎn)/02)u1/2=1.415X02m/s>3/4=1.06102m/s由剪應(yīng)力的定義得du/Umr4d

21、rr0流體在壁面距中心一半距離處的剪應(yīng)力：用2=2R%/r。=2.83X0-3N/m2(3)壁面處的剪應(yīng)力：°=2皿=5.66"3N/m20.6kg/m3,平均粘度為2.8X0245Pa問(wèn)此煙囪需要多高？假3.9一鍋爐通過(guò)內(nèi)徑為3.5m的煙囪排除煙氣，排放量為3.5105m3/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1.15kg/m3。為克服煤灰阻力，煙囪底部壓力較地面大氣壓低設(shè)粗糙度為5mm。u=qv/A=10.11m/sRe=dup/于7.58104e/d5mm/3.5m=1.429M3入=0.028解：設(shè)煙囪的

22、高度為h,由題可得相對(duì)粗糙度為查表得所以摩擦阻力hf建立伯努利方程有ui2/2+pi/葉gzi=U22/2+p2/葉gz2+211由題有ui=U2,pi=po-245Pa,p2=p。p空gh即(hxi.i5kg/m3>9,8m/s2-245Pa)/(0.6kg/m3)=hX9.8m/s2+hX0.028/3.5mx(io.iim/s)2/2解之得h=47.64m3.i0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i.8m。泵的進(jìn)水管DNi50,長(zhǎng)60m,連有兩個(gè)90。彎頭和一個(gè)吸

23、濾底閥。泵出水管為兩段管段串聯(lián)，兩段分別為DNi50、長(zhǎng)23m和DNi00、長(zhǎng)i00m,不同管徑的管道經(jīng)大小頭相聯(lián)，DNi00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i40m3/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25C,管道視為光滑管）3.ii如圖3-5所示，某廠(chǎng)計(jì)劃建一水塔，將20c水分別送至第一、第二車(chē)間的吸收塔中。第一車(chē)間的吸收塔為常壓，第二車(chē)間的吸收塔內(nèi)壓力為20kPa（表壓）?？偣軆?nèi)徑為50mm鋼管，管長(zhǎng)為（30+），通向兩吸收塔的支管內(nèi)徑均為20mm,管長(zhǎng)分別為28m和i5m（以上各管長(zhǎng)均已包

24、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(chē)間的吸收塔供應(yīng)i800kg/h的水，向第二車(chē)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20c水的木目變?yōu)閕.0M。-3Pas；摩擦系數(shù)可由式0.id0.2358計(jì)算。Re圖3-5習(xí)題3.ii圖示解：總管路的流速為U0=qm0/(pQ=4200kg/h/(ixi03kg/m3x%x0.025)=0.594m/s第一車(chē)間的管路流速為Ui=qmi/(p痣)r=i800kg/h/(ixi03kg/m3x7tx0m2)=i.592m/s第二車(chē)間的管路流速為U2=qm2/(P=24

25、00kg/h/(ixi03kg/m3x%>0i3m2)=2.i22m/s貝ijRe0=dUP/羊29700力=0.1(e/d58/Re)。23=0.0308Re1=duP/羊31840'=0.1(e/d58/Re)0.23=0.036R&=dup/羊42400%=0.1(e/d58/Re)0.23=0.0357以車(chē)間一為控制單元，有伯努利方程U12/2+gz1+P1/(2111=gz0+P0/pP1=P0,故(1.592m/s)2/2+9.8m/s2X3m+0.0308x(0.594m/s)2x(30+)m/(2X0.05m)+0.036x(1.592m/s)2>2

26、8m/(2>0.02m)=9.8m/s2Z解之得z0=10.09m以車(chē)間二為控制單元，有伯努利方程U22/2+gz2+P2/葉Wh2=gz0+p0/p(2.122m/s)2/2+9.8m/s2>5m+20kPa/(1X103kg/m3)+0.0308x(0.594m/s)2n(30+)m/(2>0.05m)+0.0357x(2.122m/s)2M5m/(2>0.02m)=9.8m/s2>z0解之得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

27、B分為兩段，MO段管徑為300mm,長(zhǎng)度為900m,ON段管彳仝為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)為各支管的人相等，取入=0.02o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(mǎn)足hfA=hfB,所以有1U1l2U2l3U3d1-2£萬(wàn)&萬(wàn)又因?yàn)镸O和ON段串聯(lián)，所以有U2Xd22=U3Xd32聯(lián)立上述兩式，則有2500u/=2744.16u22U1=1.048u2又qV=u1%42/4+u2u22/4解之得u2=1,158m/s,u1=1.214m/

28、sqvA=UiTt42/4=38.14L/sqvB=U2Tt22/4=81.86L/shFmn=入居X(jué)M2/2d1=73.69m2/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0.1106pa、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0.1X06Pa298K的溫度時(shí)，水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為Dab=2.50X0-5m2/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3.1684X03Pa,則PA,i=3.1684XI03Pa,Pa,0=0PB,mpB,0-pB,i

29、InPB,0/PB,i0.98415105Pa穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)水蒸氣的傳質(zhì)通量:(2)傳質(zhì)分系數(shù):NaDABpA,i-PA,0RTpB,mL1.6210mol.cm2sKgNa5.11，一8.10mol2cmsPapA,ipA,0(3)由題有,1Va1VA,iyA,0zL1VA,iyA,i=3.1684/100=0.031684yA,0=0簡(jiǎn)化得Va10.9683(15z)5.2在總壓為2.026105Pa、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=0.4X05Pa和Pa,2=0.1X05Pa時(shí)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得k0G=1.26XO8kmoI/(m2sP

30、a),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)kG以及傳質(zhì)通量Na解：由題有，等分子反向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)通量為nAkGPA,1PA,2DABPA,1PA,2RTL單向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)通量為M,NaKgPa,1pA,2DabPPa,1Pa,2RTpB,mL所以有NakG0Pa,1Pa,2、PB,m又有PB,mPb,2pB,1InPb,2Pb,i1.75105Pa即可得%kG=1.44K0-5mol/(m2sPa)pB,mNakGPa,iPa,20.44molm2s5.3淺盤(pán)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(pán)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

31、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=01m2/h.水溫可視為與空氣相同。當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?.01X05Pa解：由題，水的蒸發(fā)可視為單向擴(kuò)散zDabPpA,iPa,0NaRTPB,mZ30c下的水飽和蒸氣壓為4.2474103Pa,水的密度為995.7kg/m3故水的物質(zhì)的量濃度為995.7M8/18=0.5532105mol/m330c時(shí)的分子擴(kuò)散系數(shù)為Dab=0.11m2/hPaj=4.2474X03Pa,Pa,0=0pBm-Bp0.9886105PalnPb,0PB,i又有Na=c水V/(At)(4mm的靜止空氣層厚度認(rèn)為不變)

32、所以有c水V/(At)=DabP(PajpA,0)/(RTPB,mz)可彳導(dǎo)t=5.8h5.5 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6.6MCPN/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0.236X0-4m2/s。試求該點(diǎn)上氨的傳質(zhì)速率。解：設(shè)PB,1,PB,2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：pB,mPb,2Pb,10.97963105PalnPb,2Pb,iDABPPA,1PA,22.2N.6.5710molmsRTPB,

33、mL5.6 一直徑為2m的貯槽中裝有質(zhì)量分?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1.01X05Pa、293K下，氨的分子擴(kuò)散系數(shù)為1.810-5m2/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=2.69X105x(Pa),x為摩爾分?jǐn)?shù)。解：由題，設(shè)溶液質(zhì)量為ag氨的物質(zhì)的量為0.1a/17moi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*0.1a17J0.9a180.1a170.1053故有氨的平衡分壓為p=0.1053>2.69>105Pa=

34、0.2832105Pa即有PA,i=0.2832X05Pa,Paq=0PB,minPb,0PB,i0.8608105PaPB,0PB,i所以NaDABPPA,iPA,02.24.9110molmRTPB,mLn=NAd23t6.66103mol45.8澳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，單位溶液體積的澳粒表面積為a,初始水中溟含量為0,溟粒表面處飽和濃度為Ca,s°解：設(shè)澳粒的表面積為A,溶液體積為V,對(duì)澳進(jìn)行質(zhì)量衡算，有d(VcA)/dt=k(cA,s-ca)A因?yàn)閍=A/V,則有dq/dt=ka(cA,ScA

35、)對(duì)上式進(jìn)行積分，由初始條件，t=0時(shí)，CA=0,得Ca/cas=1ekat所以有i11CAka=tin1一Ca,s1180sin10.5313.8510s第六章沉降6.1直彳560riii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1.005X0-3Pas；空氣的密度為1.205kg/m3,黏度為1.81X0-5Pas）。解：（1）在水中由式（6.2.6）得:假設(shè)顆粒的沉降處于層流區(qū)，gdP218_623,3.1310m/s2600998.29.8160106181.005103檢驗(yàn)：RdP

36、UtIRsP位于在層流區(qū)，與假設(shè)相符，（2）在空氣中應(yīng)用K判據(jù)法，得601063.131031.005103998.20.1862計(jì)算正確口/dp3gpK2-63601069.811.2052600521.8110520.336所以可判斷沉降位于層流區(qū)，由斯托克斯公式，可得:Ut18gdp26226009.8160106181.811050.28m/s6.2密度為2650kg/m3的球形顆粒在20c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徑(已知空氣的密度為1.205kg/m3,黍占度為1.81X0-5Pas)。解：如果顆粒沉降位于斯托克斯區(qū)，則顆粒直徑最

37、大時(shí),所以,同時(shí)pgdP2Ut2UtdP18所以2182dp3，代入數(shù)值，解得dpg57.2210m同理，如果顆粒沉降位于牛頓區(qū)，則顆粒直徑最小時(shí),Rp1000所以Ut1000'同時(shí)ut1.74.(四所以dp32.3，代入數(shù)值，解得d。1.5110p3m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V2V6105A2t式中：t的單位為s(1)如果30min內(nèi)獲得5m3濾液,需要面積為0.4m2的濾框多少個(gè)?(2)求過(guò)濾常數(shù)K,qe,te。解：(1)板框壓濾機(jī)總的過(guò)濾方程為V2V6105A2t在t30601800s內(nèi),則根據(jù)過(guò)濾方程25255610A1800求得，需要的過(guò)濾總

38、面積為A216.67m2所以需要白板框數(shù)n16.670.441.67542(2)恒壓過(guò)濾的基本方程為V22VVeKA2t與板框壓濾機(jī)的過(guò)濾方程比較，可得K6105m2/sVe0.5m3VeA0.53,20.03m/m16.67te2qe"K"0.032610515stete為過(guò)濾常數(shù)，與qe相對(duì)應(yīng)，可以稱(chēng)為過(guò)濾介質(zhì)的比當(dāng)量過(guò)濾時(shí)間,0.1,7.2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)為在9.81103Pa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1X10-3Pas-o試求:（1）每平方米過(guò)濾面積上獲

39、得1.5m3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a4610m2/m3濾餅層比阻為r5a21r3422561010.60.631.331010m-2過(guò)濾彳#到1m3濾液產(chǎn)生的濾餅體積0.1,/0.910.60.110.60.61/3過(guò)濾常數(shù)所以過(guò)濾方程為298101031.3310104.43103m2/s1/3q2Kt當(dāng)q=1.5時(shí)，t1.523508s4.4310（2）時(shí)間延長(zhǎng)一倍，獲得濾液量為q4.4310325082.1m3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

40、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）V2KA2t112所以過(guò)濾常數(shù)為"2Vl2KA2t1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)濾方程式（7.2.15）,22V2V12KA2tV2V12-2A2t2V2V12-VLt2At1t1所以V2Mt?V222-402220t120所以總的濾液量為V4.47m3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-SO2混合氣體中的SO2,已知?dú)?液相平衡關(guān)系式為y47.87x,入塔混合氣中SO2摩爾分?jǐn)?shù)為0

41、.05,出塔混合氣S5摩爾分?jǐn)?shù)為0.002,出塔吸收液中每100g含有SO20.356g,試分別計(jì)算塔頂和塔底處的傳質(zhì)推動(dòng)力，用y、x、P、C表示。第九章解：(1)塔頂出塔SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為y20.002，入塔吸收液中SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為x20所以與出塔氣相平衡的吸收液摩爾分?jǐn)?shù)為x2*0.002/47.874.17105與入塔吸收液平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)為vny20所以x2x2*x24.1710504.17105*y2y2y20.00200.002p2101.325y2101.3250.0020.2026kPa忽略吸收液中溶解的SO2,則摩爾濃度可計(jì)算為c1000/1855.6mol/LC255.6

42、x255.64.171050.00232mol/L(2)塔底入塔SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為y10.05，出塔吸收液中SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為Xi0.356/640.001100/18所以與入塔氣相平衡的吸收液摩爾分?jǐn)?shù)為X10.05/47.870.0010444與出塔吸收液平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)為y47.87x147.870.0010.04787所以XiXi*Xi0.00104440.0014.44105*V1V1V10.050.047870.00213P1101.325y1101.3250.002130.2158kPa5一一8.2吸收塔內(nèi)某截面處氣相組成為y5ky1.2510kmol/(m2s),kx1.251

43、0G55.6Xi55.64.44100.00247mol/L0.05,液相組成為X0.01,兩相的平衡關(guān)系為y2x,如果兩相的傳質(zhì)系數(shù)分別為5kmol/(m2s),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y2x20.010.02所以,以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為y0.050.020.03同理,與液相組成平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為x*0.05/20.025所以,以液相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為0.0250.010.015以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為Kx1/kx1/mky1/1.251051/21.251055kmol/(m2

44、s)0.83105以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為KyKx/m0.83105/20.42105kmol/(m2s)傳質(zhì)速率NaKxx0.831050.0151.25107kmol/(m2s)或者NaKyy0.421050.031.26107kmo|/(m2s)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/A1/0.831051.20105(m2s)/kmol其中液相傳質(zhì)阻力為1/kx1/1.251050.8105(m2s)/kmol占總阻力的66.7%氣膜傳質(zhì)阻力為1/mky1/21.251050.410532s"kma26.7,在塔內(nèi)某一截面上，氣相中SO2分

45、壓為4.1kPa,液相中SO2濃kL0.39m/h,吸收液密度近似水的密度。試求：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，30C,相平衡常數(shù)為m2kmol/(m2hkPa),液相傳質(zhì)系數(shù)為度為0.05kmol/m3,氣相傳質(zhì)系數(shù)為kG1.510(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pi,濃度為ci忽略SO2的溶解，吸收液的摩爾濃度為c01000/18556kmol/m3溶解度系數(shù)uCoH55.6mp026.7101.32500206kmo”(kPam3)在相界面上，氣液兩相平衡，所以ci0.020

46、6pi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pp。cc所以1.51024.1pi0.39ci0.05由以上兩個(gè)方程，可以求得pi3.52kpa,ci0.0724kmol/m3(2)總氣相傳質(zhì)系數(shù)Kg1/kG1/HkL1/0.0151/0.02060.39000523kmol/(m2hkPa)總液相傳質(zhì)系數(shù)KlKg/H0.00523/0.02060.254m/h與水溶液平衡的氣相平衡分壓為pc/H0.05/0.02062.43kPa所以用分壓差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為p4.12.431.67kPa與氣相組成平衡的溶液平衡濃度為HP0.02064.10.084kmol/m3用濃度差表示的總傳質(zhì)

47、推動(dòng)力為0.0840.050.034kmol/m3傳質(zhì)速率NaKp0.005231.670.0087kmol/(m2h)AG或者NaKlc0.2540.0340.0086kmo(m2h)8.4101.3kPa操作壓力下，在某吸U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4kG510kmol/(m2skPa),液膜傳質(zhì)分系數(shù)為L(zhǎng)m/s,操作條件下的溶解度系數(shù)為H0.73kmol/(m2kPa),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，

48、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pi,濃度為g因?yàn)橄嘟缑嫔?，氣液平衡，所以cHpi，c073p氣相中氨氣的分壓為p0.03101.33.039kpa穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)條件下，氣液兩相傳質(zhì)速率相等，所以kGppi七J_6_451063.039pi1.5104c105kmol/m3kmol/m3根據(jù)上面兩個(gè)方程，求得144kpa,cpi1.44c(2)與氣相組成平衡的溶液平衡濃度為CHp0.03101.30.732.22用濃度差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為ccc2.2211.22kmol/m3與水溶液平衡的氣相平衡分壓為*._-pc/H1/0.731.3

49、70kPa所以用分壓差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為PPP3.0391.3701.669kPa總氣相傳質(zhì)系數(shù)Kg1/%1/HkL1/51061/0.731.5104478106kmol/(m2skPa)總液相傳質(zhì)系數(shù)KlKg/H4.78106/0.736.55106m/s傳質(zhì)速率nAKgp4.781061.6697.978106kmol/(m2s)或者NaKlc6.551061.227.991106kmol/(m2s)(3)以氣相總傳質(zhì)系數(shù)為例進(jìn)行傳質(zhì)阻力分析總傳質(zhì)阻力1/Kg1/4.781062.092105(m2skPa)/kmol其中氣膜傳質(zhì)阻力為1/kg1/51062105(m2skPa)/km

50、ol占總阻力的95.6%液膜傳質(zhì)阻力為"HkG1/0.731,51091103(m2skPa)/kmol占總阻力的4.4%所以這個(gè)過(guò)程是氣膜控制的傳質(zhì)過(guò)程，不適合采用化學(xué)吸收法。如果采用酸液吸收氨氣，并且假設(shè)發(fā)生瞬時(shí)不可逆反應(yīng)，則可以忽略液膜傳質(zhì)阻力，只考慮氣膜傳質(zhì)阻力，則6KgkG510kmol/(m2skPa),僅僅比原來(lái)的傳質(zhì)系數(shù)提高了4.6%,如果傳質(zhì)推動(dòng)力不變的話(huà)，傳質(zhì)速率也只能提高4.6%。當(dāng)然，采用酸溶液吸收也會(huì)提高傳質(zhì)推動(dòng)力，但是傳質(zhì)推動(dòng)力提高的幅度很有限。因此總的來(lái)說(shuō)在氣膜控制的吸收過(guò)程中，采用化學(xué)吸收是不合適的。k3771038.5利用吸收分離兩組分氣體混合物，操作總壓為310kPa,氣、液相分傳質(zhì)系數(shù)分別為ykmol/(m2s)、44kx3,0610kmol/(m2s),氣、液兩相平衡符合亨利定津關(guān)系式為P1.06710x(p*的單位為kPa),計(jì)算:(1)總傳質(zhì)系數(shù);(2)傳質(zhì)過(guò)程的阻力分析;(3)根據(jù)傳質(zhì)阻力分析，判斷是否適合采取化學(xué)吸收，如果發(fā)生瞬時(shí)不可逆化學(xué)反應(yīng)，傳質(zhì)速率會(huì)提高多少倍?解：(1)相平衡系數(shù)mEL06710434.4310所以，以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為Kx-431/kx1/mky1/3.06101/34.43.7710305104kmol/(m2s)以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為KyKx