环境工程原理-第二章-质量衡算与能量衡算资料
环境工程原理-质量衡算与能量衡算
qV 2
输出速率
qm2 qV mm (qV1 qV 2 )
降解速率
qmr k V
m
1.0 105 5.5103 23.1103 0
qVm
第二节 质量衡算
【例题2.2.4】在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者， 每人每小时吸两支香烟。每支香烟散发1.4mg的甲醛。甲醛转化为 二氧化碳的反应速率常数为k＝0.40 h-1。新鲜空气进入会议室的 流量为1000m3/h，同时室内的原有空气以相同的流量流出。假设 混合完全，估计在25℃、1atm的条件下，甲醛的稳态浓度。并与 造成眼刺激的起始浓度0.05×10-6（体积分数）相比较。
第二节 质量衡算
输入速率
qm1＝50×2×1.4＝140mg/h
1 0
输出速率
qm2＝1000×ρ＝1000ρ mg/h 降解q速m率r k V
2
qm1 qm2 k V 0
第二节 质量衡算
(三)非稳态系统1
2
dm dt
≠0
【例题2.2.5】一圆筒形储罐，直径为0.8m。罐内盛有2m深的水。在无水源
补充的情况下，打开底部阀门放水。已知水流出的质量流量与水深Z的关z 系
为 qm2 0.274 z kg/s，求经过多长时间后，水位下降至1m？
解：根据质量衡算方程 qm11
m z
qm1
qm2
dm dt
qm1 0
(2.2.3)
qm2 0.274 z kg/s
m
Az
0.82
1000 z 502 z
qV 4 qV1 qV 3
qV 4 ＝472.5(m3/d)
qV 2
ρ2
qV 4
第02章质量衡算与能量衡算
•2.质量衡算
•输入速率 •＝50×2×1.4＝140 mg/h
•输出速率 •＝1000×ρ＝1000ρ mg/h •降解速率
第02章质量衡算与稳态系统
•【例题6】一圆筒形储罐，直径为0.8m。罐内盛有2m深的水。在无水源
补充的情况下，打开底部阀门放水。已知水流出的质量流量与水深Z的关
等原因增加或者减少。求稳态情况下流出水中污染物的质量
浓度。
•
•稳态情况:
第02章质量衡算与能量衡算
•2.质量衡算
•B 稳态反应系统
•解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物质量浓度等于流出水中 的污染物质量浓度,
•输出速率
•输入速率
•
•降解速率
第02章质量衡算与能量衡算
•2.质量衡算
•【例题6】在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者，每人 每小时吸两支香烟。每支香烟散发1.4mg的甲醛。甲醛转化为二氧 化碳的反应速率常数为k＝0.40 h-1。新鲜空气进入会议室的流量 为1 000m3/h，同时室内的原有空气以相同的流量流出。假设混合 完全，估计在25℃、101.3KPa的条件下，甲醛的稳态质量浓度。 并与造成眼刺激的起始体积分数0.05×10-6相比较。
第02章质量衡算与能量衡算
•1.常用物理量
•【例题2】在101.325KPa、25℃条件下，某室内空气一氧化 碳的体积分数为9.0×10-6。用质量浓度表示一氧化碳的浓度。 • 解：根据理想气体状态方程，1mol空气在101325Pa和 25℃下的体积为:
• 一氧化碳（CO）的摩尔质量为28 g/mol，所以CO的 质量浓度为:
第02章质量衡算与能量衡算
•第I篇 工程原理基础
[宝典]环工原理
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第02章质量衡算与能量衡算第二节质量衡算1、什么是稳态系统和非稳态系统?2、以物料的全部组分为衡算系统时，其衡算方程如何表述？3、以某种组分为衡算系统时，其衡算方程如何表述？4、什么是转化速率？如何确定其正负？第三节能量衡算1系统内部能量的变化与环境的关系如何？2什么是封闭系统和开放系统？3简述热量衡算方程的涵义。
4对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现？热量衡算方程？5对于不对外做功的开放系统，系统能量变化率可如何表示？热量衡算方程？第03章流体流动第一节管道系统的衡算方程1用圆管道输送水，流量增加1倍，若流速不变或管径不变，则管径或流速如何变化？2当布水孔板的开孔率为30％时，流过布水孔的流速增加多少？3拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系，试简述这种关系，并说明该方程的适用条件。
4在管流系统中，机械能的损耗转变为什么形式的能量？其宏观的表现形式是什么？5对于实际流体，流动过程中若无外功加入，则流体将向哪个方向流动？6如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率？第二节流体流动的内摩擦力1简述层流和湍流的流态特征。
2流体流动时产生阻力的根本原因是什么？3什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？4简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。
第四节流体流动的阻力损失1写出圆直管中阻力损失通式。
2试推导层流流动的速度分布和阻力损失公式。
（课后练习)3圆管内，层流流动的摩擦系数如何确定？4不可压缩流体在水平直管中稳态层流流动，试分析以下情况下，管内压力差如何变化：a.管径增加一倍；b.流量增加一倍；c.管长增加一倍。
5试分析圆管湍流流动的雷诺数和管道相对粗糙度对摩擦系数的影响。
第五节管路计算1管路设计中选择流速通常需要考虑哪些因素?2简单管路具有哪些特点？3分支管路具有哪些特点？4并联管路具有哪些特点？5分析管路系统中某一局部阻力变化时，其上下游流量和压力的变化。
环境工程原理思考题总结
第二节 物理吸收
本节思考题
(1)亨利定律有哪些表达形式，意义如何，常数之
间的关系如何？ (2)如何通过相平衡曲线判断传质方向，其物理意 义何在？ (3)举例说明如何改变平衡条件来实现传质极限的 改变。 (4)吸收过程有哪几个基本步骤？
第二节 物理吸收
本节思考题
(5)双膜理论的基本论点是什么？
(6)吸收速率与传质推动力和传质阻力的关系，有 哪些表达形式？ (7)吸收的传质阻力由哪几个部分组成，如何表示， 关系如何？ (8)简要说明气体性质对传质阻力的影响，并举例 说明。
第三节 分子传质
本节思考题
(1)什么是总体流动？分析总体流动和分子扩散的关系。 (2)在双组分混合气体的单向分子扩散中，组分A的宏观 运动速度和扩散速度的关系？ (3)单向扩散中扩散组分总扩散通量的构成及表达式。 (4)简述漂移因子的涵义。 (5)分析双组分混合气体中，当NB=0、 NB=－NA及NB=－
第六章 沉 降
第一节 反应器与反应操作
本节思考题
(1)哪些处理单元涉及沉降分离过程。
(3)颗粒的几何特性如何影响颗粒在流体中受到的阻力？
(4)不同流态区，颗粒受到的流体阻力不同的原因是什么？ (5)颗粒和流体的哪些性质会影响到颗粒所受到的流体阻力，怎 么影响。
第二节 热传导
本节思考题
(1)简述傅立叶定律的意义和适用条件。 (2)分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。 (3)为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么 需要防潮？
(4)当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变
量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的 温度分布有何差异。 (5)若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试 分析应如何布置效果最好。
环境工程原理：第02章质量衡算与能量衡算
qm1 qm2 qmr 0
qm1
qm2
qmr
dm dt
•
qm1
qm2
qmr
dm dt
VA V
RT 103 pM A
A
(2.1.13)
【例题2.1.3】在101.325KPa、25℃条件下，某室内空气一氧化碳的体 积分数为9.0×10-6。用质量浓度表示一氧化碳的浓度。 解：根据理想气体状态方程，1mol空气在101325Pa和25℃下的体积为
V 1 0.082 298 24.44L 1
u ms F kma km t k t2
式中F——力； m——质量； a——加速度；
按照国际单位制规定，取k=1，则力的
导出单位为
kg m s 2
u——速度； t——时间； s——距离； k——比例系数。
当采用其他单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得
到的k不等于1。例如，上例中，若距离的单位为cm，则k=0.01。
四、常用物理量
例如：氨的水溶液的浓度
1．质量浓度与物质的量浓度 mg/L mol/L 氨的质量或物质的量/溶液体积
2. 质量分数与摩尔分数 % kg/kg 氨的质量/溶液的质量 kmol/kmol 氨的物质的量/溶液的物质的量
3．质量比与摩尔比 kg/kg 氨的质量/水的质量 kmol/kmol 氨的物质的量/水的物质的量
第I 篇
环境工程原理基础
在环境污染控制工程领域，无论是水处理、废 气处理和固体废弃物处理处置，还是给水排水管道 工程，都涉及流体流动、热量传递、质量传递现象。
流体流动：输送流体、沉降分离流体中颗粒物， 污染物的过滤分离等 热量传递：加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、 设备的保温等 质量传递：吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物、 化学反应等
环境工程原理总结2011.11
第I 篇环境工程原理基础第二章质量衡算与能量衡算第二节质量衡算◆质量衡算的三个要素：划定衡算系统；确定衡算对象；确定衡算基准；◆稳态系统和非稳态系统的特征当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，不随时间变化，称稳态系统；当系统中流速、压力、密度等物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称非稳态系统。
◆质量衡算的基本关系式：见（2.2.4）p29第三节能量衡算◆封闭系统和开放系统封闭系统：与环境没有物质交换的系统开放系统：与环境既有物质交换又有能量交换的系统第四章热量传递第一节热量传递的方式◆根据传热机理的不同，热的传递三种方式的特点1、热传导：条件：物体各部分之间无宏观运动机理：通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。
在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理不同。
气体的热量传递方式：不规则热运动时相互碰撞固体的热量传递方式：两种方式：晶格振动、自由电子迁移液体的热量传递方式：分子振动、分子间的相互碰撞2、对流传热：流体中质点发生相对位移引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。
对流与热传导的区别：流体质点的相对位移。
自然对流传热强制对流传热3、辐射传热：物体由于热的原因而发出辐射能的过程。
能量传递的同时又有能量的转化，不需要任何介质作媒介。
第二节热传导◆傅立叶定律的意义和适用条件意义：见（4.2.2）适用条件：平壁和圆管壁的稳态热传导◆多孔材料具有保温性能◆若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，分析应如何布置效果最好。
第三节对流传热◆对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施机理：流体中质点发生相对位移引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。
传热阻力的分布：层流底层（热传导）、缓冲层（热传导、对流传热）、湍流中心（对流传热）强化传热的措施：减小层流底层◆影响对流传热的因素：物性特征；几何特征；流动特征◆保温层的临界直径和保温层的临界厚度。
什么情况下保温层厚度增加反而会使热损失加大（保温层外径小于临界直径）？保温层的临界直径由什么决定（导热系数与对流传热系数的比值）？◆间壁传热热阻包括哪几部分？若冷热流体分别为气体和液体，要强化换热过程，需在哪一侧采取措施？（1）两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻、间壁导热热阻。
环境工程原理课后答案(2-9章)
（2）若高位水槽供水中断，随水的出流高位槽液面下降，试计算液面下降1m所需的时间。
图3-3习题3.5图示
解：（1）以地面为基准，在截面1-1′和2-2′之间列伯努利方程，有
u12/2＋p1/ρ＋gz1＝u22/2＋p2/ρ＋gz2＋Σhf
由题意得
p1＝p2，且u1＝0
流量：2.5L/s= m3/h
表面张力：70dyn/cm= N/m
5 kgf/m= 14.709975kg
密度：13.6g/cm3=13.6×103kg/ m3
压力：35kg/cm2=3.43245×106Pa
4.7atm=4.762275×105Pa
670mmHg=8.93244×104Pa
功率：10马力＝7.4569kW
比热容：2Btu/(lb·℉)= 8.3736×103J/（kg·K）
3kcal/（kg·℃）=1.25604×104J/（kg·K）
流量：2.5L/s=9m3/h
表面张力：70dyn/cm=0.07N/m
5 kgf/m=49.03325N/m
2.4密度有时可以表示成温度的线性函数，如
解：设溪水中示踪剂的最低浓度为ρ
则根据质量衡算方程，有
0.05ρ＝（3＋0.05）×1.0
解之得
ρ＝61 mg/L
加入示踪剂的质量流量为
61×0.05g/s＝3.05g/s
2.9假设某一城市上方的空气为一长宽均为100 km、高为1.0 km的空箱模型。干净的空气以4m/s的流速从一边流入。假设某种空气污染物以10.0 kg/s的总排放速率进入空箱，其降解反应速率常数为0.20h－1。假设完全混合，
2.6某一段河流上游流量为36000m3/d，河水中污染物的浓度为3.0mg/L。有一支流流量为10000 m3/d，其中污染物浓度为30mg/L。假设完全混合。
第二章 质量衡算与能量衡算
第二章质量衡算与能量衡算第一节常用物理量1．什么是换算因数？英尺和米的换算因素是多少？2．什么是量纲和无量纲准数？单位和量纲的区别是什么？3．质量分数和质量比的区别和关系如何？试举出质量比的应用实例。
4．大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度，试说明该单位的优点，并阐述与质量浓度的关系。
5．平均速度的涵义是什么？用管道输送水和空气时，较为经济的流速范围为多少？第二节质量衡算1.进行质量衡算的三个要素是什么？2.简述稳态系统和非稳态系统的特征。
3.质量衡算的基本关系是什么？4.以全部组分为对象进行质量衡算时，衡算方程具有什么特征？5.对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时，物质的转化速率如何表示？第三节能量衡算1．物质的总能量由哪几部分组成？系统内部能量的变化与环境的关系如何？2．什么是封闭系统和开放系统？3．简述热量衡算方程的涵义。
4．对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现？5．对于不对外做功的开放系统，系统能量能量变化率可如何表示？第三章流体流动第一节管流系统的衡算方程1．用圆管道输送水，流量增加1倍，若流速不变或管径不变，则管径或流速如何变化？2．当布水孔板的开孔率为30％时，流过布水孔的流速增加多少？3．拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系，试简述这种关系，并说明该方程的适用条件。
4．在管流系统中，机械能的损耗转变为什么形式的能量？其宏观的表现形式是什么？5．对于实际流体，流动过程中若无外功加入，则流体将向哪个方向流动？6．如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率？第二节流体流动的内摩擦力1.简述层流和湍流的流态特征。
2.什么是“内摩擦力”？简述不同流态流体中“内摩擦力”的产生机理。
3.流体流动时产生阻力的根本原因是什么？4．什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？5．简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。
第三节边界层理论1. 什么是流动边界层？边界层理论的要点是什么？2．简述湍流边界层内的流态，以及流速分布和阻力特征。
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物理量＝数值×单位
计量单位是度量物理量的标准
国际单位制，符号为SI 7个基本单位；2个辅助单位； 导出单位 。
7个基本单位
国表际2单-1位制国的际基单本单位位制的基本单位
量的名称
单位名称
单位符号
长度
米
mM
质量
千克（公斤） kKgg
时间
秒
s
电流
安[培]
A
热力学温度
开[尔文]
K
物质的量
摩[尔]
mol
发光强度
导出单位为
kgm s2
u——速度； t——时间； s——距离； k——比例系数。
当采用其他单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得
到的k不等于1。例如，上例中，若距离的单位为cm，则k=0.01。
第一节 常用物理量
表2-2 国际单位之中导出单位名称及符号
物理量名称 面积 体积 速度
加速度 角速度
坎[德拉]
cd
第一节 常用物理量
导出单位
按照定义式由基本单位相乘或相除求得， 并且其导出单位的定义式中的比例系数永远 取1。
导出单位
第一节 常用物理量
力的导出单位，按牛顿运动定律写出力的定义式，即
Fkmakmukms t t2
式中F——力； m——质量； a——加速度；
按照国际单位制规定，取k=1，则力的
组分A的质量分数与摩尔分数的关系
xA
xmA / M A
N
xmi / M i
i 1
(2.1.15a)
xmA
xA M A
N
(2.1.15b)
xiM i
i 1
第一节 常用物理量
3．质量比与摩尔比 （当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时） 组分A与惰性组分的关系
XmA
mA m mA
组分A的质量
频率 [质量]密度
力 力矩 动量 压强 功 能[量] 功率 电荷[量] 电场强度 电位、电压、电势差 电容 电阻 电阻率 磁感应强度 磁通[量] 电感 电导 光通量 光照度 放射性活度 吸收剂量
物理量符号 A，（S）
V v a ω f，ν ρ F M p p W，（A） E P Q E U，（V） C R ρ B Φ L
单位名称 平方米 立方米 米每秒 米每二次方秒 弧度每秒 赫[兹] 千克每立方米 牛[顿] 牛[顿]米 千克米每秒 帕[斯卡] 焦[耳] 焦[耳] 瓦[特] 库[仑] 伏[特]每米 伏[特] 法[拉] 欧[姆] 欧[姆]米 特[斯拉] 韦[伯] 亨[利] 西[门子] 流[明] 勒[克斯] 贝可[勒尔] 戈[瑞]
第二章 质量衡算与能量衡算
Байду номын сангаас
第二章 质量衡算与能量衡算
本章主要内容
第一节 常用物理量
计量单位 常用物理量及其表示方法
第二节 质量衡算
衡算的基本概念 总质量衡算
第三节 能量衡算
热力学第一定律 热力学第二定律
第一节 常用物理量
本节的主要内容
一、计量单位 二、常用物理量及其表示方法
第一节 常用物理量
一、计量单位
第一节 常用物理量
（质量分数） ppm———— μg/g， 10-6 ppb ———— μg/kg， 10-9
在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L污水的质量 可以近似认为等于1000g，所以实际应用中，常常将质量浓度和 质量分数加以换算，即
1mg/L 相当于1mg/1000g ＝1×10-6（质量分数）= 1ppm 1μg/L 相当于1μg/1000g ＝1×10-9（质量分数）=1ppb
当污染物的浓度过高，导致污水的密度发生变化时，上 两式应加以修正，即
1mg/L =1×10-6×混合物的密度（质量分数） 1μg/L=1×10-9 ×混合物的密度 （质量分数）
第一节 常用物理量
体积分数和质量浓度之间的关系
V A ？
V
A
根据质量浓度的定义
Am VAnAV MA103
(2.1.10)
例如：氨的水溶液的浓度
1．质量浓度与物质的量浓度 mg/L mol/L 氨的质量或物质的量/溶液体积
2. 质量分数与摩尔分数 % kg/kg 氨的质量/溶液的质量 kmol/kmol 氨的物质的量/溶液的物质的量
3．质量比与摩尔比 kg/kg 氨的质量/水的质量
kmol/kmol 氨的物质的量/水的物质的量
摩尔比与摩尔分数的关系
XA
xA 1 xA
(2.1.19)
1 V=1 W/A 1 F=1 C/V 1 Ω=1 V/A
1 T=1 Wb/m2 1 Wb=1 V·s 1 H= 1Wb/A 1 lm=1 cd·sr 1 lx=1 lm/m2 1 Bq=1 s-1 1 Gy=1 J/kg
第一节 常用物理量
二、常用物理量及其表示方法
(一)浓度
第一节 常用物理量
1．质量浓度与物质的量浓度
（1）质量浓度ρA ，ρ
A
mA V
（2）物质的量浓度cA ， c
cA
nA V
(2.1.2) (2.1.4)
2.质量分数与摩尔分数
cA
A MA
组分A的摩尔质量 (2.1.5)
（1）质量分数和体积分数
xmA
mA m
组分A的质量
(2.1.6)
混合物的总质量
组分A的质量分数
V nAMA 103
A
根据理想气体状态方程 V A
nA RT p
(2.1.11)
VA V
RT 103 pMA
A
(2.1.13)
第一节 常用物理量
（2）摩尔分数
xA
nA n
组分A的摩尔分数 ，
组分A的物质的量
(2.1.14)
混合物的总物质的量
当混合物为气液两相体系时，常以x表示液相中的 摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数
单位符号
m2 m^3; m/s
m/s^2 rad/s
Hz
kg/m^3 N
N·m kg·m/s
Pa J J W C V/m V F Ω Ω·m T Wb H S lm lx Bq Gy
备注
1 Hz =1s-1 1 N=1 kg ·m/s2
1 Pa=1 N/m2 1 J=1 N·m 1 W=1 J/s 1 C=1 A·s
(2.1.16)
组分A的质量比
混合物中惰性物质的质量
质量比与质量分数的关系
X mA
xmA 1 xmA
(2.1.17)
第一节 常用物理量
3．质量比与摩尔比 （当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时）
组分A与惰性组分的关系
XA
nA n nA
组分A的物质的量
(2.1.18)
组分A的摩尔比
混合物中惰性物质的物质的量