第02章質(zhì)量衡算與能量衡算ppt課件

1、第一篇 工程原理根底東北大學(xué)環(huán)境工程研討所.在環(huán)境污染控制工程領(lǐng)域，無論是水處置、廢氣處置和固體廢棄物處置處置，還是給水排水管道工程，都涉及流體流動(dòng)、熱量傳送、質(zhì)量傳送景象。流體流動(dòng)：保送流體、沉降分別流體中顆粒物， 污染物的過濾分別等熱量傳送：加熱、冷卻、枯燥、蒸發(fā)以及管道、設(shè)備的保溫等質(zhì)量傳送：吸收、吸附、吹脫、膜分別以及生物、化學(xué)反響等第I篇 工程原理根底.本篇主要講述質(zhì)量衡算、能量衡算等環(huán)境工程中分析問題的根本方法，以及流體流動(dòng)和熱量傳送、質(zhì)量傳送的根底實(shí)際。系統(tǒng)掌握流體流動(dòng)和熱量傳送、質(zhì)量傳送過程的根底實(shí)際，對(duì)優(yōu)化污染物的分別和轉(zhuǎn)化過程、提高污染控制工程的效率具有重要意義。第I篇 工

2、程原理根底.第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算東北大學(xué)環(huán)境工程研討所.第一節(jié) 常用物理量 常用物理量及單位換算 常用物理量及其表示方法第二節(jié) 質(zhì)量衡算 衡算系統(tǒng)的概念 總質(zhì)量衡算方程第三節(jié) 能量衡算 總能量衡算方程 熱量衡算方程本章主要內(nèi)容.國際單位制的根本單位 量的稱號(hào) 單位稱號(hào) 單位符號(hào) 長度 質(zhì)量 時(shí)間 電流 熱力學(xué)溫度 物質(zhì)的量 發(fā)光強(qiáng)度 米 千克公斤 秒 安培 開爾文 摩爾 坎德拉 M Kg s A K mol cd 計(jì)量單位是度量物理量的規(guī)范 物理量數(shù)值單位國際單位制，符號(hào)為SI 1.1 計(jì)量單位mkg表2.1.1 國際單位制的根本單位7個(gè)根本單位1.常用物理量.2個(gè)輔助單位表2.1.2

3、國際單位制的輔助單位 量的稱號(hào) 單位稱號(hào) 單位符號(hào) 平面角 立體角 弧度 球面度 rad sr 按照定義式由根本單位相乘或相除求得，并且其導(dǎo)出單位的定義式中的比例系數(shù)永遠(yuǎn)取1。導(dǎo)出單位1.常用物理量.當(dāng)采用其他單位制時(shí)，將各物理量的單位代入定義式中，得到的k不等于1。例如，上例中，假設(shè)間隔的單位為cm，那么k=0.01。式中F力； m質(zhì)量； a加速度； u速度； t時(shí)間； s間隔； k比例系數(shù)。力的導(dǎo)出單位，按牛頓運(yùn)動(dòng)定律寫出力的定義式，即按照國際單位制規(guī)定，取k=1，那么力的導(dǎo)出單位為導(dǎo)出單位1.常用物理量. 同一物理量用不同單位制的單位度量時(shí)，其數(shù)值比稱為換算因數(shù)。 例如1m長的管用英尺度

4、量時(shí)為3.28084ft，那么英尺與米的換算因數(shù)為3.28084。 解：按照題意，將kgf/cm2中力的單位kgf換算為N，cm2換算為m2。查表，N與kgf的換算因數(shù)為9.80665，因此 1kgf9.80665N又 1cm0.01m所以 1.03323kgf/cm21.033239.80665N/(0.01m)2=1.013105 N/ m2【例題1】 知1atm1.03323kgf/cm2，將其換算為N/ m2。1.2 物理量的單位換算1.常用物理量.1質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度1質(zhì)量濃度 2物質(zhì)的量濃度組分A的摩爾質(zhì)量2. 質(zhì)量分?jǐn)?shù)組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合物的總質(zhì)量組分A的質(zhì)量 1.常用物理量

5、1.3 常用物理量的表示方法在水處置中，污水中的污染物濃度普通較低，1L污水的質(zhì)量可以近似以為等于1000g，所以實(shí)踐運(yùn)用中，經(jīng)常將質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)加以換算，即1mg/L 相當(dāng)于1mg/1000g 110-6質(zhì)量分?jǐn)?shù)= 1ppm1g/L 相當(dāng)于1g/1000g 110-9質(zhì)量分?jǐn)?shù)=1ppbppmppb g/g， 10-6 g/kg，10-9 質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.常用物理量.在大氣污染控制工程中，常用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度。例如mL/m3，那么此氣態(tài)污染物質(zhì)濃度為10-6。1mol任何理想氣體在一樣的壓強(qiáng)和溫度下有著同樣的體積，因此可以用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度，在實(shí)踐運(yùn)用中非常方便；同時(shí)，該單

6、位的最大優(yōu)點(diǎn)是與溫度、壓力無關(guān)。1.常用物理量對(duì)于氣體，體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系和壓力、溫度以及污染物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)。對(duì)于理想氣體，可以用理想氣體形狀方程表示，即： 式中：p絕對(duì)壓力，Pa；VA體積，m3；nA物質(zhì)的量，mol；R摩爾氣體常數(shù)，8.314 Pam3K-1mol-1；T熱力學(xué)溫度，K。.1.常用物理量【例題2】在101.325KPa、25條件下，某室內(nèi)空氣一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為9.010-6。用質(zhì)量濃度表示一氧化碳的濃度。解：根據(jù)理想氣體形狀方程，1mol空氣在101325Pa和25下的體積為:一氧化碳CO的摩爾質(zhì)量為28 g/mol，所以CO的質(zhì)量濃度為:mg/m3.體

7、積流量 質(zhì)量流量 3. 流量4. 流速1.常用物理量圓形管道 速度分布 在管路設(shè)計(jì)中，選擇適宜的流速非常重要!普通地，液體的流速取0.53.0m/s，氣體那么為1030m/s。 流速影響流動(dòng)阻力和管徑，因此直接影響系統(tǒng)的操作費(fèi)用和基建費(fèi)用。. 單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過單位面積的物理量稱為該物理量的通量。通量是表示傳送速率的重要物理量。單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過單位面積的熱量，稱為熱量通量，單位為J/m2s；單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過單位面積的某組分的質(zhì)量，成為該組分的質(zhì)量通量，單位為kg/m2s；5. 通量1.常用物理量.2.質(zhì)量衡算?某污染物生物降解輸入量輸出量轉(zhuǎn)化量=積累量輸入量1輸入量2輸出量轉(zhuǎn)化量積累量2.1 衡算的根

8、本概念.輸入速率輸出速率轉(zhuǎn)化速率=積累速率質(zhì)量衡算的普通方程轉(zhuǎn)化速率或反響速率單位時(shí)間因生物反響或化學(xué)反響而轉(zhuǎn)化的質(zhì)量。組分為生成物時(shí)為正值，為反響物時(shí)，為負(fù)值。單位時(shí)間：2.質(zhì)量衡算2.1 衡算的根本概念.污染物的生物降解經(jīng)常被視為一級(jí)反響，即污染物的降解速率與其濃度成正比。假設(shè)體積V中可降解物質(zhì)的濃度均勻分布，那么 反響速率常數(shù)，s-1或d-1物質(zhì)質(zhì)量濃度負(fù)號(hào)表示污染物隨時(shí)間的添加而減少體積反響速率2.質(zhì)量衡算.穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的數(shù)學(xué)特征： 當(dāng)系統(tǒng)中流速、壓力、密度等物理量只是位置的函數(shù)，不隨時(shí)間變化，稱為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)；當(dāng)上述物理量不僅隨位置變化，而且隨時(shí)間變化，稱為非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)與非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)2

9、.質(zhì)量衡算.各種情況下的質(zhì)量衡算 穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) 非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) 組分發(fā)生反響 組分不發(fā)生反響 2.2 總質(zhì)量衡算2.質(zhì)量衡算質(zhì)量衡算方程的運(yùn)用1.需求劃定衡算的系統(tǒng)2.要確定衡算的對(duì)象3.確定衡算的基準(zhǔn)4.繪制質(zhì)量衡算系統(tǒng)圖5.留意單位要一致劃定衡算的系統(tǒng)確定衡算的對(duì)象某組分2.質(zhì)量衡算.【例題3】一條河流的上游流量為10.0m3/s，氯化物的質(zhì)量濃度為20.0mg/L，有一條支流匯入，流量為5.0m3/s，其氯化物質(zhì)量濃度為40.0mg/L。視氯化物為不可降解物質(zhì)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定形狀，計(jì)算集合點(diǎn)下游河水中的氯化物質(zhì)量濃度，假設(shè)在該點(diǎn)流體完全混合。2.質(zhì)量衡算A 穩(wěn)態(tài)非反響系統(tǒng).氯化物的輸出速率為氯化物

10、的輸入速率為2.質(zhì)量衡算解：首先劃定衡算系統(tǒng)，繪制質(zhì)量平衡圖 .2.質(zhì)量衡算【例題4】某污水處置工藝中含有沉淀池和濃縮池，沉淀池用于去除水中的懸浮物，濃縮池用于將沉淀的污泥進(jìn)一步濃縮，濃縮池的上清液前往到沉淀池中。污水流量為5 000m3/d，懸浮物含量為200mg/L，沉淀池出水中懸浮物質(zhì)量濃度為20mg/L，沉淀污泥的含水率為99.8%，進(jìn)入濃縮池停留一定時(shí)間后，排出的污泥含水率為96%，上清液中的懸浮物含量為100mg/L。假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定形狀，過程中沒有生物作用。求整個(gè)系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量和排水量，以及濃縮池上清液回流量。污水的密度為1000kg/m3。 01243？根據(jù)需求劃定衡算的系統(tǒng).

11、2.質(zhì)量衡算知=5 000m3/d，200mg/L，20mg/L， (100-96)/(100/1000)40 g/L40000 mg/L(100-99.8)/(100/1000)2 g/L2000 mg/L100mg/L污泥含水率為污泥中水和污泥總量的質(zhì)量比，因此污泥中懸浮物含量為(1)求污泥產(chǎn)量 以沉淀池和濃縮池的整個(gè)過程為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對(duì)象，因系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，輸入系統(tǒng)的懸浮物量等于輸出的量。 .輸入速率輸出速率=22.5 m3/d 4977.5 m3/d 012432.質(zhì)量衡算.2.質(zhì)量衡算(2)濃縮池上清液量 取濃縮池為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對(duì)象污泥含水率從99.8降至96,污泥

12、體積由472.5 m3/d減少為22.5m3/d,相差20倍。輸入速率輸出速率=450 m3/d 472.5 m3/d 01243.2.質(zhì)量衡算【例題5】一個(gè)湖泊的容積為10.0106m3。有一流量為5.0m3/s、污染物濃度為10.0mg/L的受污染支流流入該湖泊.同時(shí)，還有一污水排放口將污水排入湖泊，污水流量為0.5m3/s，質(zhì)量濃度為100mg/L。污染物的降解速率常數(shù)為0.20 d-1。假設(shè)污染物質(zhì)在湖泊中完全混合，且湖水不因蒸發(fā)等緣由添加或者減少。求穩(wěn)態(tài)情況下流出水中污染物的質(zhì)量濃度。 B 穩(wěn)態(tài)反響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況:.解：假設(shè)完全混合意味著湖泊中的污染物質(zhì)量濃度等于流出水中的污染物質(zhì)量濃

13、度,輸入速率 輸出速率 降解速率 2.質(zhì)量衡算B 穩(wěn)態(tài)反響系統(tǒng).2.質(zhì)量衡算【例題6】在一個(gè)大小為500m3的會(huì)議室里面有50個(gè)吸煙者，每人每小時(shí)吸兩支香煙。每支香煙分發(fā)1.4mg的甲醛。甲醛轉(zhuǎn)化為二氧化碳的反響速率常數(shù)為k0.40 h-1。新穎空氣進(jìn)入會(huì)議室的流量為1 000m3/h，同時(shí)室內(nèi)的原有空氣以一樣的流量流出。假設(shè)混合完全，估計(jì)在25、101.3KPa的條件下，甲醛的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量濃度。并與呵斥眼刺激的起始體積分?jǐn)?shù)0.0510-6相比較。.2.質(zhì)量衡算輸入速率 輸出速率降解速率 5021.4140 mg/h 10001000 mg/h .解：根據(jù)質(zhì)量衡算方程【例題6】一圓筒形儲(chǔ)罐，直徑為

14、0.8m。罐內(nèi)盛有2m深的水。在無水源補(bǔ)充的情況下，翻開底部閥門放水。知水流出的質(zhì)量流量與水深Z的關(guān)系為kg/s，求經(jīng)過多長時(shí)間后，水位下降至1m？kg/skg02.質(zhì)量衡算C 非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng).水預(yù)熱系統(tǒng)用熱水或蒸汽加熱水或污泥用冷水吸收電廠的廢熱水或污泥吸收熱量溫度升高冷卻水吸收熱量溫度升高用量？加熱時(shí)間？流量？溫度？3.1 能量衡算方程3.能量衡算.3.1 能量衡算方程3.能量衡算流體保送中，經(jīng)過水泵對(duì)水做功，將水提升到高處？流體在管道中流動(dòng)，由于黏性產(chǎn)生摩擦力，耗費(fèi)機(jī)械能，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚?1物料和能量都可以穿越系統(tǒng)邊境熱量 做功能量既不會(huì)消逝也不能被發(fā)明。在給定的過程中，能量會(huì)發(fā)生方式上的改動(dòng)

15、 開放系統(tǒng)封鎖系統(tǒng)能量輸入輸出的方式：2只需能量可以穿越邊境熱和功3.能量衡算.3.能量衡算任何系統(tǒng)經(jīng)過某一過程時(shí)，其內(nèi)部能量的變化等于該系統(tǒng)從環(huán)境吸收的熱量與它對(duì)外所作的功之差，即物料從外界吸收的熱量物料對(duì)外界所作的功系統(tǒng)內(nèi)部物料能量的變化 對(duì)于物料系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化量 ：.單位時(shí)間輸出系統(tǒng)的物料的焓值總和，即物料帶出的能量總和 單位時(shí)間輸入系統(tǒng)的物料的焓值總和，即物料帶入的能量總和 單位時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)能量的積累 單位時(shí)間環(huán)境輸入系統(tǒng)的熱量，即系統(tǒng)的吸熱量 單位時(shí)間系統(tǒng)物料總能量的變化值： 3.2 熱量衡算方程3.能量衡算.物質(zhì)的焓定義為焓值是溫度與物態(tài)的函數(shù)，因此進(jìn)展衡算時(shí)除選取時(shí)間基準(zhǔn)外，還

16、需求選取物態(tài)與溫度基準(zhǔn)，通常以273K物質(zhì)的液態(tài)為基準(zhǔn)。單位質(zhì)量物質(zhì)的焓單位質(zhì)量物質(zhì)的內(nèi)能物質(zhì)所處的壓強(qiáng)單位質(zhì)量物質(zhì)的體積 3.能量衡算.3.3 封鎖系統(tǒng)的熱量衡算3.能量衡算封鎖系統(tǒng)與環(huán)境沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng) 大氣層、封鎖的系統(tǒng)等系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于內(nèi)部能量的積累對(duì)物料總質(zhì)量進(jìn)展衡算內(nèi)部能量的變化表現(xiàn)為溫度的升高和物態(tài)的變化。.3.3 封鎖系統(tǒng)的熱量衡算3.能量衡算物料的比定壓熱容 物料溫度改動(dòng) 物料的質(zhì)量 無相變情況下表現(xiàn)為溫度的變化1恒壓過程中，體系所吸收的熱量全部用于焓的添加，即2恒容、不做非體積功的條件下，體系所吸收的熱量全部用于添加體系的內(nèi)能，即物料的比定容熱容 .物質(zhì)的潛熱(溶

17、解熱和汽化熱) 對(duì)于固體或液體：熱量衡算方程3.能量衡算3.3 封鎖系統(tǒng)的熱量衡算對(duì)于氣體：氣體變化前后體積不變用cv，壓力不變的cp相變，無溫變無相變.3.能量衡算【例題1】熱水器發(fā)熱元件的功率是1.5kW，將水20L從15加熱到65，試計(jì)算需求多少時(shí)間？假設(shè)一切電能都轉(zhuǎn)化為水的熱能，忽略水箱本身溫度升高所耗費(fèi)的能量和從水箱向環(huán)境中散失掉的能量。 系統(tǒng)吸收的熱量來自發(fā)熱元件，加熱時(shí)間為 ， 輸入的熱量為 Q1.5t1.5t kWh水中能量的變化為2014.1865154180 kJ輸入的能量等于水中能量的變化 水0.77 h解：以熱水器中水所占的體積為衡算系統(tǒng)，為封鎖系統(tǒng)。.與環(huán)境既有物質(zhì)交

18、換又有能量交換的系統(tǒng)對(duì)于單位時(shí)間物料進(jìn)展衡算對(duì)于穩(wěn)態(tài)過程 ，無能量積累3.4 開放系統(tǒng)的熱量衡算開放系統(tǒng)3.能量衡算.3.4 開放系統(tǒng)的熱量衡算3.能量衡算【例題2】在一列管式換熱器中用373K的飽和水蒸氣加熱某液體，液體流量為1000kg/h。從298K加熱到353K，液體的平均比熱容為3.56kJ/(kgK)。飽和水蒸氣冷凝放熱后以373 K的飽和水排出。換熱器向周圍的散熱速率為10 000 kJ/h。試求穩(wěn)定操作下加熱所需的蒸氣量。解：取整個(gè)換熱器為衡算系統(tǒng)，時(shí)間基準(zhǔn)為1h，物態(tài)溫度基準(zhǔn)為273K液體。.3.能量衡算373K飽和水的焓： 353K的液體： 輸入系統(tǒng)的物料的焓值包括：設(shè)飽和

19、水蒸氣用量為G kg/h，查得373K的飽和水蒸氣的焓為2677 kJ/kg，飽和水的焓為418.68 kJ/kg 輸出系統(tǒng)的物料的焓值包括：=10 000 kJ/h解得G91.1 kg/h 飽和水蒸氣的焓： 298K的液體：飽和水蒸氣的焓298K的液體353K的液體373K飽和水的焓. 開放系統(tǒng)中穩(wěn)定形狀下能量變化率的計(jì)算：的能量為當(dāng)只需一種物料流經(jīng)系統(tǒng)輸入或輸出熱量時(shí)，因物料進(jìn)入系統(tǒng)而輸入因物料分開系統(tǒng)所輸出的能量為式中：經(jīng)過系統(tǒng)的物料的質(zhì)量流量，kg/h或kg/s； 1H單位質(zhì)量物料進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)的焓，kJ/kg； 2H單位質(zhì)量物料分開系統(tǒng)時(shí)的焓，kJ/kg。 那么系統(tǒng)的能量變化率為3.能量衡算.3.能量衡算 (1)當(dāng)物料無相變時(shí)，假設(shè)定壓比熱容不隨溫度變化，或取物料平均溫度下的定壓比熱容時(shí): T 例如：用水對(duì)熱電廠的煙氣進(jìn)展冷卻， 表示冷卻水質(zhì)量流量， 表示冷卻水在流經(jīng)熱電廠的冷凝器后溫度的升高。(2)當(dāng)物料有相變時(shí)，如熱流體為飽和蒸汽，放出熱量后變?yōu)槔淠?。?dāng)冷凝液以飽和溫度分開系統(tǒng)時(shí):式中：r飽和蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg。 當(dāng)物料分開