質(zhì)量衡算與能量衡算

質(zhì)量衡算與能量衡算第一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三第I篇環(huán)境工程原理基礎(chǔ)在環(huán)境污染控制工程領(lǐng)域，無論是水處理、廢氣處理和固體廢棄物處理處置，還是給水排水管道工程，都涉及流體流動和熱量、質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。流體流動：輸送流體、沉降分離流體中顆粒物，污染物的過濾分離等熱量傳遞：加熱、冷卻、干燥、蒸發(fā)以及管道、設(shè)備的保溫等質(zhì)量傳遞：吸收、吸附、吹脫、膜分離以及生物、化學(xué)反應(yīng)等第二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三第I篇環(huán)境工程原理基礎(chǔ)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基本方法，以及流體流動和熱量、質(zhì)量傳遞的基礎(chǔ)理論。系統(tǒng)掌握流體流動和熱量、質(zhì)量傳遞過程的基礎(chǔ)理論，對優(yōu)化污染物的分離和轉(zhuǎn)化過程、提高污染控制工程的效率具有重要意義。第三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三本篇主要內(nèi)容第二章質(zhì)量衡算與能量衡算第三章流體流動第四章熱量傳遞第五章質(zhì)量傳遞第I篇環(huán)境工程原理基礎(chǔ)第四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三第二章質(zhì)量衡算與能量衡算

第五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三第二章質(zhì)量衡算與能量衡算第一節(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)容第六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三一、計量單位二、物理量的單位換算三、量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)四、常用物理量及其表示方法本節(jié)的主要內(nèi)容第一節(jié)常用物理量第七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三計量單位是度量物理量的標(biāo)準(zhǔn)

物理量＝數(shù)值×單位國際單位制，符號為SI7個基本單位；2個輔助單位；導(dǎo)出單位

。第一節(jié)常用物理量一、計量單位mkg表2.1.1國際單位制的基本單位7個基本單位第八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三2個輔助單位表2.1.2國際單位制的輔助單位

量的名稱

單位名稱

單位符號

平面角

立體角

弧度

球面度

rad

sr

第一節(jié)常用物理量按照定義式由基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)出單位第九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三當(dāng)采用其它單位制時，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，若距離的單位為cm，則k=0.01。式中F——力；m——質(zhì)量；a——加速度；u——速度；t——時間；S——距離；k——比例系數(shù)。力的導(dǎo)出單位，按牛頓運動定律寫出力的定義式，即按照國際單位制規(guī)定，取k=1，則力的導(dǎo)出單位為第一節(jié)常用物理量導(dǎo)出單位第十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三表2.1.3國際單位制中規(guī)定了若干具有專門名稱的導(dǎo)出單位第一節(jié)常用物理量第十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三同一物理量用不同單位制的單位度量時，其數(shù)值比稱為換算因數(shù)

例如1m長的管用英尺度量時為3.2808ft，則英尺與米的換算因數(shù)為3.2808。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

1kgf＝9.80665N又1cm＝0.01m所以：1.033kgf/cm2＝1.033×9.80665N/(0.01m)2=1.013×105N/m2【例題2.1.1】:已知1atm＝1.033kgf/cm2，將其換算為N/m2。二、物理量的單位換算第一節(jié)常用物理量第十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三——設(shè)備周圍空氣流動速度，cm/s【例題2.1.2】設(shè)備壁面因強制對流和輻射作用向周圍環(huán)境中散失的熱量可用下式表示，即式中：——對流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，kcal/（m2·h·℃）若將的單位改為W/(m2·K),u的單位改為m/s，試將上式加以變換。第一節(jié)常用物理量第十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三解：根據(jù)附錄，1kcal＝4186.8W·s，1h=3600s；1℃表示溫差為1℃，用K表示溫度時，溫差為1K。因此1kcal/（m2·h·℃）＝4186.8/3600W/(m2·K)＝1.163W/(m2·K)1cm/s＝0.01m/s整理上式，并略去上標(biāo)，得將上兩式帶入原式中，得W/(m2·K)令為以W/(m2·K)為單位的傳熱系數(shù)，為以m/s為單位的速度？第一節(jié)常用物理量第十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三(一)量綱用來描述物體或系統(tǒng)物理狀態(tài)的可測量性質(zhì)稱為它的量綱。量綱與單位的區(qū)別：量綱是可測量的性質(zhì)；單位是測量的標(biāo)準(zhǔn)，用這些標(biāo)準(zhǔn)和確定的數(shù)值可以定量地描述量綱。可測量物理量可以分為兩類：基本量和導(dǎo)出量。三、量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)第一節(jié)常用物理量第十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三基本量綱:質(zhì)量、長度、時間、溫度的量綱，分別以M、L、t和T表示，簡稱MLtT量綱體系?！疚锢砹俊勘硎驹撐锢砹康牧烤V，不指具有確定數(shù)值的某一物理量。利用量綱所建立起來的關(guān)系是定性的而不是定量的。其它物理量均可以以M、L、t和T的組合形式表示其量綱:[速度]=[密度]=[壓強]=[粘度]=Lt－1ML－3ML－1t－2ML－1t－1第一節(jié)常用物理量第十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三(二)無量綱準(zhǔn)數(shù)由各種變量和參數(shù)組合而成的沒有單位的群數(shù)，稱為無量綱準(zhǔn)數(shù)。無量綱準(zhǔn)數(shù)既無量綱，又無單位，其數(shù)值大小與所選單位制無關(guān)。只要組合群數(shù)的各個量采用同一單位制，都可得到相同數(shù)值的無量綱準(zhǔn)數(shù)。準(zhǔn)數(shù)符號定義雷諾數(shù)(Reynold)Re=標(biāo)準(zhǔn)提法是量綱為1第一節(jié)常用物理量第十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三通過對影響某一過程和現(xiàn)象的各種因素（物理量）進行量綱分析，將物理量表示成為若干個無量綱準(zhǔn)數(shù)，然后借助實驗數(shù)據(jù)，建立這些無量綱變量之間的關(guān)系式。第一節(jié)常用物理量參考內(nèi)容:量綱分析法第十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)常用物理量參考內(nèi)容:量綱分析法第十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三雷諾數(shù)，代表慣性力與粘性力的比值，反映流動特性；歐拉數(shù)，代表阻力損失引起的壓降與慣性力之比。管路的長徑比，反映幾何尺寸的特性絕對粗糙度與管徑之比，稱為相對粗糙度通過實驗，回歸求取關(guān)聯(lián)式中的待定系數(shù)“黑箱”模型法第一節(jié)常用物理量參考內(nèi)容:量綱分析法第二十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三例如：氨的水溶液的濃度1．質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度mg/Lmol/L氨的質(zhì)量或物質(zhì)的量/溶液體積2.質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)%mg/kgmmol/kmol氨的質(zhì)量/溶液的質(zhì)量氨的物質(zhì)的量/溶液的物質(zhì)的量3．質(zhì)量比與摩爾比mmol/kmolmg/kg氨的質(zhì)量/水的質(zhì)量氨的物質(zhì)的量/水的物質(zhì)的量四、常用物理量第一節(jié)常用物理量(一)濃度第二十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三1．質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度（1）質(zhì)量濃度ρA，ρ（2）物質(zhì)的量濃度cA

，

c組分A的摩爾質(zhì)量第一節(jié)常用物理量(2.1.2)(2.1.4)(2.1.5)2.質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)（1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?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(2.1.6)第二十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三在水處理中，污水中的污染物濃度一般較低，1L污水的質(zhì)量可以近似認(rèn)為等于1000g，所以實際應(yīng)用中，常常將質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)加以換算，即1mg/L相當(dāng)于1mg/1000g

＝1×10-6（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）=1ppm1μg/L相當(dāng)于1μg/1000g＝1×10-9（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）=1ppb當(dāng)污染物的濃度過高，導(dǎo)致污水的比重發(fā)生變化時，上兩式應(yīng)加以修正，即1mg/L相當(dāng)于1/污水的密度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1μg/L相當(dāng)于1/污水的密度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）ppm————ppb————

μg/g，10-6

μg/kg，10-9

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）第一節(jié)常用物理量第二十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三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，則此氣態(tài)污染物質(zhì)濃度為10-6。1摩爾任何理想氣體在相同的壓強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，在實際應(yīng)用中非常方便；同時，該單位的最大優(yōu)點是與溫度、壓力無關(guān)。第一節(jié)常用物理量例如，10-6（體積分?jǐn)?shù)）表示每106體積空氣中有1體積的污染物，這等價于每106摩爾空氣中有1摩爾污染物質(zhì)。又因為任何單位摩爾的物質(zhì)有著相同數(shù)量的分子，10-6（體積分?jǐn)?shù)）也就相當(dāng)于每106個空氣分子中有1個污染物分子。第二十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三對于氣體，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)的分子量有關(guān)。對于理想氣體，可以用理想氣體狀態(tài)方程表示，即：

式中：p——絕對壓力，atm；

VA——體積，m3；

nA——物質(zhì)的摩爾數(shù)，mol；

R——理想氣體常數(shù)，0.082L·atm·K-1·mol-1；

T——絕對溫度，K。第一節(jié)常用物理量(2.1.9)第二十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三根據(jù)質(zhì)量濃度的定義根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系？第一節(jié)常用物理量(2.1.10)(2.1.11)(2.1.13)第二十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三【例題2.1.3】在1atm、25℃條件下，某室內(nèi)空氣一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為9.0×10-6。用質(zhì)量濃度表示一氧化碳的濃度。解：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，1mol空氣在1atm和25℃下的體積為一氧化碳（CO）的分子質(zhì)量為28g/mol，所以CO的質(zhì)量濃度為mg/m3第一節(jié)常用物理量第二十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三（2）摩爾分?jǐn)?shù)組分A的摩爾分?jǐn)?shù)混合物的總摩爾數(shù)組分A的摩爾數(shù)當(dāng)混合物為氣液兩相體系時，常以x表示液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，y表示氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)，組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系第一節(jié)常用物理量(2.1.15b)(2.1.15a)(2.1.14)第二十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三3．質(zhì)量比與摩爾比組分A的質(zhì)量比混合物中惰性物質(zhì)的質(zhì)量

組分A的質(zhì)量（當(dāng)混合物中除組分A外，其余為情性組分時）組分A與惰性組分的關(guān)系第一節(jié)常用物理量(2.1.16)質(zhì)量比與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系(2.1.17)第二十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三組分A與惰性組分的關(guān)系3．質(zhì)量比與摩爾比（當(dāng)混合物中除組分A外，其余為情性組分時）第一節(jié)常用物理量組分A的摩爾比混合物中惰性物質(zhì)的摩爾數(shù)

組分A的摩爾數(shù)(2.1.18)摩爾比與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系(2.1.19)(2.1.20)第三十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三體積流量質(zhì)量流量一維流動二維流動三維流動速度分布平均速度(二)流量(三)流速第一節(jié)常用物理量(2.1.21)(2.1.22)第三十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三圓形管道在管路設(shè)計中，選擇適宜的流速非常重要!!!。一般地，液體的流速取0.5~3.0m/s,氣體則為10~30m/s。

速度分布流速影響流動阻力和管徑，因此直接影響系統(tǒng)的操作費用和基建費用。第一節(jié)常用物理量（主體）平均流速按體積流量相等的原則定義(2.1.24)(2.1.25)第三十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三單位時間內(nèi)通過單位面積的物理量稱為該物理量的通量。通量是表示傳遞速率的重要物理量。單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量，稱為熱量通量，單位為J/（m2·s）；單位時間內(nèi)通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kmol/（m2·s）；單位時間內(nèi)通過單位面積的動量，稱為動量通量，單位為N/m2。(四)通量第一節(jié)常用物理量第三十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)常用物理量（1）什么是換算因數(shù)？英尺和米的換算因素是多少？（2）什么是量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)？單位和量綱的區(qū)別是什么？（3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量比的區(qū)別和關(guān)系如何？試舉出質(zhì)量比的應(yīng)用實例。（4）大氣污染控制工程中經(jīng)常用體積分?jǐn)?shù)表示污染物的濃度，試說明該單位的優(yōu)點，并闡述與質(zhì)量濃度的關(guān)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(jīng)濟的流速范圍為多少？思考題第三十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三一、衡算的基本概念二、總質(zhì)量衡算本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié)質(zhì)量衡算第三十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三分離、反應(yīng)——分析物質(zhì)流遷移轉(zhuǎn)化

?某污染物生物降解輸入量－輸出量＋降解量=積累量輸入量1輸入量2輸出量降解量積累量第二節(jié)質(zhì)量衡算一、衡算的基本概念第三十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三輸入速率－輸出速率＋轉(zhuǎn)化速率=積累速率質(zhì)量衡算的一般方程轉(zhuǎn)化速率或反應(yīng)速率——單位時間因生物或化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的質(zhì)量。組分為生成物時為正值，質(zhì)量增加單位時間：以某種元素或某種物質(zhì)為衡算對象第二節(jié)質(zhì)量衡算(2.2.4)一、衡算的基本概念第三十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三(2.2.8)污染物的生物降解經(jīng)常被視為一級反應(yīng)，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，則反應(yīng)速率常數(shù)，s-1或d-1物質(zhì)濃度負(fù)號表示污染物隨時間的增加而減少體積反應(yīng)速率第二節(jié)質(zhì)量衡算第三十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三各種情況下的質(zhì)量衡算穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)

組分發(fā)生反應(yīng)組分不發(fā)生反應(yīng)以某組分為對象以全部部分為對象以總質(zhì)量表示以單位時間質(zhì)量表示第二節(jié)質(zhì)量衡算二、總質(zhì)量衡算第三十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三質(zhì)量衡算方程的應(yīng)用1、需要劃定衡算的系統(tǒng)2、要確定衡算的對象3、確定衡算的基準(zhǔn)4、繪制質(zhì)量衡算系統(tǒng)圖5、注意單位要統(tǒng)一劃定衡算的系統(tǒng)確定衡算的對象某組分衡算的范圍某組分，和全部組分單位時間，某時間段內(nèi)，或一個周期總衡算和微分衡算第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三——用來分析質(zhì)量遷移的特定區(qū)域，即衡算的空間范圍環(huán)境設(shè)備或管道中一個微元體——微分衡算一個反應(yīng)池、一個車間，或者一個湖泊、一段河流、一座城市上方的空氣，甚至可以是整個地球——總衡算(一)衡算系統(tǒng)第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三質(zhì)量衡算系統(tǒng)圖單位要統(tǒng)一第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三【例題2.2.3】一個湖泊的容積為10.0×106m3。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，還有一污水排放口將污水排入湖泊，污水流量為0.5m3/s，濃度為100mg/L。污染物的降解速率常數(shù)為0.20d-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)等原因增加或者減少。求穩(wěn)態(tài)情況下流出水中污染物的濃度。解：假設(shè)完全混合意味著湖泊中的污染物濃度等于流出水中的污染物濃度

(二)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三解：假設(shè)完全混合意味著湖泊中的污染物濃度等于流出水中的污染物濃度輸入速率輸出速率

降解速率第二節(jié)質(zhì)量衡算(二)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)第四十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三【例題】一條河流的上游流量為10m3/s，氯化物的濃度為20mg/L，有一條支流匯入，流量為5m3/s，其氯化物濃度為40mg/L。視氯化物為不可降解物質(zhì)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，計算匯合點下游河水中的氯化物濃度，假設(shè)在該點流體完全混合。解：首先劃定衡算系統(tǒng)，繪制質(zhì)量平衡圖

第二節(jié)質(zhì)量衡算(三)穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng)第四十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三氯化物的輸出速率為氯化物的輸入速率為第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三解：根據(jù)質(zhì)量衡算方程【例題2.2.5】一圓筒形儲罐，直徑為0.8m。罐內(nèi)盛有2m深的水。在無水源補充的情況下，打開底部閥門放水。已知水流出的質(zhì)量流量與水深Z的關(guān)系為kg/s，求經(jīng)過多長時間后，水位下降至1m？kg/skgt=1518s

第二節(jié)質(zhì)量衡算≠0(2.2.3)(二)非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)第四十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三穩(wěn)態(tài)流動的數(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，而且隨時間變化，稱為非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。對于穩(wěn)態(tài)過程，內(nèi)部無物料積累穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)與非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三ρ0ρ1ρ2ρ4ρ3【例題】某污水處理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一步濃縮，濃縮池的上清液返回到沉淀池中。污水流量為5000m3/d，懸浮物含量為200mg/L，沉淀池出水中懸浮物濃度為20mg/L，沉淀污泥的含水率為99.8%，進入濃縮池停留一定時間后，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)定狀態(tài)，過程中沒有生物作用。求整個系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量和排水量，以及濃縮池上清液回流量。污水的比重為1000kg/m3。

？？？根據(jù)需要劃定衡算的系統(tǒng)第二節(jié)質(zhì)量衡算第四十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三已知=5000m3/d，＝200mg/L，＝20mg/L，＝(100-96)/(100/1000)＝40(g/L)＝40000(mg/L)＝(100-99.8)/(100/1000)＝2(g/L)＝2000(mg/L)＝100mg/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

第二節(jié)質(zhì)量衡算(1)求污泥產(chǎn)量以沉淀池和濃縮池的整個過程為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對象，因系統(tǒng)穩(wěn)定運行，輸入系統(tǒng)的懸浮物量等于輸出的量。第五十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三輸入速率輸出速率=22.5(m3/d)＝4977.5(m3/d)ρ0ρ1ρ2ρ4ρ3第二節(jié)質(zhì)量衡算第五十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三(2)濃縮池上清液量取濃縮池為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對象污泥含水率從99.8％降至96％,污泥體積由472.5m3/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)ρ0ρ1ρ2ρ4ρ3第二節(jié)質(zhì)量衡算第五十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三【例題2.2.4】在一個大小為500m3的會議室里面有50個吸煙者，每人每小時吸兩支香煙。每支香煙散發(fā)1.4mg的甲醛。甲醛轉(zhuǎn)化為二氧化碳的反應(yīng)速率常數(shù)為k＝0.40h-1。新鮮空氣進入會議室的流量為1000m3/h，同時室內(nèi)的原有空氣以相同的流量流出。假設(shè)混合完全，估計在25℃、1atm的條件下，甲醛的穩(wěn)態(tài)濃度。并與造成眼刺激的起始濃度0.05×10-6（體積分?jǐn)?shù)）相比較。第二節(jié)質(zhì)量衡算第五十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三輸入速率輸出速率降解速率＝50×2×1.4＝140mg/h＝1000×ρ＝1000ρmg/h第二節(jié)質(zhì)量衡算第五十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)質(zhì)量衡算（1）進行質(zhì)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(zhì)量衡算的基本關(guān)系是什么？（4）以全部組分為對象進行質(zhì)量衡算時，衡算方程具有什么特征？（5）對存在一級反應(yīng)過程的系統(tǒng)進行質(zhì)量衡算時，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率如何表示？思考題第五十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三一、能量衡算方程二、熱量衡算方程三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算方程四、開放系統(tǒng)的熱量衡算方程本節(jié)的主要內(nèi)容第三節(jié)能量衡算第五十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三水預(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？加熱時間？流量？溫度？第三節(jié)能量衡算一、能量衡算方程第五十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三分析能量流流體輸送中，通過水泵對水做功，將水提升到高處？流體在管道中流動，由于粘性產(chǎn)生摩擦力，消耗機械能，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚?？？兩大類問題：主要涉及物料溫度與熱量變化的過程－冷卻、加熱、散熱

系統(tǒng)對外做功，系統(tǒng)內(nèi)各種能量相互轉(zhuǎn)化－流體輸送機械能衡算熱量衡算第三節(jié)能量衡算第五十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三（1）流體攜帶能量進出系統(tǒng)熱量

做功能量既不會消失也不能被創(chuàng)造。在給定的過程中，能量會發(fā)生形式上的改變——開放系統(tǒng)——封閉系統(tǒng)能量輸入輸出的方式：（2）系統(tǒng)與外界交換能量（熱，功）第三節(jié)能量衡算第五十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三任何系統(tǒng)經(jīng)過某一過程時，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外所作的功之差，即物料所具有的各種能量之和，即總能量物料從外界吸收的熱量物料對外界所作的功系統(tǒng)內(nèi)部物料能量的變化

系統(tǒng)內(nèi)能量的變化＝（輸出系統(tǒng)的物料的總能量）－（輸入系統(tǒng)的物料的總能量）＋（系統(tǒng)內(nèi)物料能量的積累）對于物料總質(zhì)量：靜壓能位能動能內(nèi)能＋EEEEE++=第三節(jié)能量衡算(2.3.1)第六十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三（輸出系統(tǒng)的物料的總能量）－（輸入系統(tǒng)的物料的總能量）＋（系統(tǒng)內(nèi)能量的積累）＝（系統(tǒng)從外界吸收的熱量）－（對外界所作的功）對于單位時間：（單位時間輸出系統(tǒng)的物料帶出的總能量）－（單位時間輸入系統(tǒng)的物料帶入的總能量）＋（單位時間系統(tǒng)內(nèi)能量的積累）＝（單位時間系統(tǒng)從外界吸收的熱量）－（單位時間對外界所作的功）第三節(jié)能量衡算第六十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三對于單位質(zhì)量物料：第三節(jié)能量衡算＝0能量可用焓表示(2.3.1)冷卻、加熱、散熱

－涉及物料溫度與熱量變化的過程

－熱量衡算第六十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三單位時間輸出系統(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間系統(tǒng)內(nèi)能量的積累

單位時間環(huán)境輸入系統(tǒng)的熱量，即系統(tǒng)的吸熱量

對于單位時間：第三節(jié)能量衡算(2.3.4)二、熱量衡算方程第六十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三物質(zhì)的焓定義為焓值是溫度與物態(tài)的函數(shù)，因此進行衡算時除選取時間基準(zhǔn)外，還需要選取物態(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)所處的壓強單位質(zhì)量物質(zhì)的體積第三節(jié)能量衡算(2.3.5)第六十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三封閉系統(tǒng)－與環(huán)境沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)

大氣層、封閉的系統(tǒng)等系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于內(nèi)部能量的積累對物料總質(zhì)量進行衡算內(nèi)部能量的變化表現(xiàn)為？第三節(jié)能量衡算三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算(2.3.4)第六十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三物料的比定壓熱容

物料溫度改變物料的質(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增加，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增加體系的內(nèi)能，即物料的比定容熱容

第三節(jié)能量衡算三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算第六十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三物質(zhì)的潛熱對于固體或液體：熱量衡算方程無相變情況下表現(xiàn)為溫度的變化第三節(jié)能量衡算三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算有相變情況下吸收或放出的潛熱第六十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三【例題2.3.1】熱水器發(fā)熱元件的功率是1.5kW，將水20L從15℃加熱到65℃，試計算需要多少時間？假設(shè)所有電能都轉(zhuǎn)化為水的熱能，忽略水箱自身溫度升高所消耗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，加熱時間為，輸入的熱量為Q＝1.5×Δt＝1.5ΔtkW·h水中能量的變化為＝20×1×4.18×（65－15）＝4180kJ輸入的能量等于水中能量的變化水＝0.77h第三節(jié)能量衡算解：以熱水器中水所占的體積為衡算系統(tǒng)，為封閉系統(tǒng)。第六十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三kJ℃℃℃第三節(jié)能量衡算第六十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三－與環(huán)境既有物質(zhì)交換又有能量交換的系統(tǒng)對于單位時間物料進行衡算對于穩(wěn)態(tài)過程第三節(jié)能量衡算四、開放系統(tǒng)的熱量衡算(2.3.12)開放系統(tǒng)第七十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三【例題2.3.3】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/(kg·K)。飽和水蒸氣冷凝放熱后以373K的飽和水排出。換熱器向四周的散熱速率為10000kJ/h。試求穩(wěn)定操作下加熱所需的蒸氣量。解：取整個換熱器為衡算系統(tǒng)，時間基準(zhǔn)為1h，物態(tài)溫度基準(zhǔn)為273K液體。第三節(jié)能量衡算四、開放系統(tǒng)的熱量衡算第七十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三373K飽和水的焓：353K的液體：第三節(jié)能量衡算輸入系統(tǒng)的物料的焓值包括：設(shè)飽和水蒸氣用量為Gkg/h，查得373K的飽和水蒸氣的焓為2677kJ/kg，飽和水的焓為418.68kJ/kg輸出系統(tǒng)的物料的焓值包括：=－10000kJ/h解得G＝91.1kg/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飽和水的焓第七十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期三Q【例題2.3.4】一污水池內(nèi)有50m3的污水，溫度為15℃，為加速消化過程，需將其加熱到35℃。采用外循環(huán)法加熱，使污水以5m3/h的流量通過換熱器，換熱器用水蒸氣加熱，其出口溫度恒定為100℃。假設(shè)罐內(nèi)污水混合均勻，污水的密度為1000kg/m3，不考慮池的散熱，問污水加熱到所需溫度需要多少時間？

非穩(wěn)態(tài)過程解：池中污水混合均勻，因此任意時刻從池中排出的污水溫度與池中相