1、环境工程原理重点第四章 热量传递(至少一个计算题)1.传热的几种形式热传导：物体各部分之间无宏观运动，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对流传热：流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程辐射传热：物体由于热的原因而发出辐射能的过程2. 傅立叶定律： P122热量通量与温度梯度成正比、负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递。单层壁传导：平壁厚度为 b，壁面两侧温度分别为 T1、 T2、T1T2。一维稳态热传导 【例题 4.2.1】某平壁厚度 b 为 400mm，内表
2、面温度 T1 950，外表面温度 T2300 ，导热系数 W/(mK)， T 的单位为。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布。解：（1）导热系数按平壁的平均温度 取为常数W/(mK)以 x 表示沿壁厚方向上的距离，在 x 处等温面上的温度为 即温度分布为直线关系。（2）导热系数取为变量分离变量并积分yTAQqd xAQdT10:xT2)(21TAbQAbRr221 m/653095WTm 625.10.1421bq xxxqTm162590625.14901 xTqd)01.(dbTq)01.(21对于平壁上的稳态一维热传导，热量通量不变。因此在
3、 x 处 整理，得多层壁传导（主要串联热阻叠加原则）3.圆管热导、圆管多层对于半径为 r 的等温圆柱面，根据傅立叶定律，有稳态导热时，径向的 Q 为常数，将上式分离变量并积分4.对流传热：牛顿冷却公式 0yT5.保温层临界直径、间壁传热（考试最可能考）当保温层厚度增加（即 d2 增大）时 R1 增加，R2 减少由此得到热损失 Q 为最大值时的保温层直径 保温层的临界厚度 6.P155、159 平均温差：（1 ）逆流和并流时的传热温差在微元中热、冷流体的温差为平均传热温差，对数平均温差:换热器两端温差大的数值 ,换热器两端温差小的数值12mlnT 1T2T（2）错流和折流时的传热温差按逆流计算对
4、数平均温差，再乘以温度修正系数 mT21210.()()TTqb2121220.()().9539503)0.46W/mqTTb211.()()TTqx20.1(95)(95)6412TTx20.406 AbRQ3214321 rLrAdT)(d2121ddTrLQRTrL2121lnln12TAd1212)/ln(RTLdTQfcfcL2)/ln(11LdR210)/ln(d2122 dTfc cd2c chT温度修正系数，无量纲, 按逆流计算的对数平均温差。温度修正系数小于 1，即mT错流和折流时的传热温差小于逆流时的温差。传热单元数： mTKAQ第六章 沉降1.斯托克斯公式（算完后要检验
5、）层流区：Re P2 CD=24/RePut颗粒终端沉降速度218Pt gdu过渡区：2Re P103 艾仑(Allen)公式6.0Re)(27.0PPt gdu2.沉降分离设备：水处理：平流沉淀池 P220重力降尘器能除去最小粒径：位于沉淀池（降尘室）最高点的颗粒沉降至池底需要的时间为 ： 流体通过沉淀池（降尘室）的时间为: 为满足除尘或悬浮物要求，t 停 t 沉 即 流体中直径为 dc 的颗粒完全去除的条件。 3.P225 离心沉降离心沉降速度 DPPtc Crdu3)(42重力沉降 DPtCgd3)(旋风分离器（临界直径、影响因素（填空题） ）根据颗粒离心沉降速度方程式，假设气体密度 颗
6、粒密度 P，相应于临界直径 dc 的颗粒沉降速度为： 根据假设颗粒在沉降过程中所穿过的micPmPt rudru1818226.0Re518PDChu沉 ivlVtuq停tVtqulb气流最大厚度等于进气口宽度 B。颗粒最大沉降时间为： 218iPcmtudBr沉若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为 N，则运行的距离为 2rmN，故气体在筒内的停留时间为 令 t 沉 =t 停 ，得： imuNrt2停 uBdPic9一般旋风分离器以圆筒直径 D 为参数，其它参数与 D 成比例， B=D/4。D 增加，d c 增大，分离效率减少。第七章 过滤 P243过滤理论：过滤速度 u 定义为： dt微分过
7、滤时间, s dVdt 时间内通过过滤面的滤液量, m3 A过滤面积, m2 过滤速度与推动力之间的关系可用下式（Darcy 定律）表示：Rm：过滤介质过滤阻力, 1/mRc：滤饼层过滤阻力, 1/m假设 rm，r 分别为过滤介质和滤饼层的过滤比阻, 1/m2 Rm= rmLm；R c= rL )(Lpur：与过滤介质上形成的滤饼层的孔隙结构特性有关L：与滤液量有关，在过滤过程中是变化的假设每过滤 1m3 滤液得滤饼 f（m 3） 可把过滤介质的阻力转化成厚度为 Le 的滤饼层阻力 emrL efVA则2()edVAptrfV（1）可压缩滤饼：s0 r0：单位压差下滤饼的比阻， m-2 Pa-
8、1；s：滤饼的压缩指数，将比阻计算式代入式（1）主要掌握 K 的表达形式： 则： （2）恒压过滤 ：在过滤过程中，过滤压差自始自终保持恒定，K 为常数tVedAd020)(2 tKAVe22若过滤介质阻力可忽略不计，则简化 恒速过滤：恒速过滤是指在过滤过程中过滤速度保持不变，即滤液量与过滤时间呈正比 常 数tVd代入式（2） )(2edt tVe22若忽略过滤介质阻力，则简化为：dtV)(pufA1()sedAptfV10srftqutq ()edtAK第八章 吸收吸收的基本概念：依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。本质上是混合
9、气体组分从气相到液相的相间传质过程。类型：(1)按溶质和吸收剂之间发生的反应：物理吸收：水净化含 SO2 锅炉尾气 化学吸收：碱液净化含 SO2 锅炉尾气(2)按混合气体中被吸收组分数目：单组分吸收：如用水吸收 HCl 气体制取盐酸多组分吸收：碱液吸收烟气（含 SO2, NOx, CO2, CO 等）(3)按体系温度是否变化：如果液相温度明显升高 称为非等温吸收如果液相温度基本保持不变 称为等温吸收 1. 物理吸收（亨利定律）判断传质的方向：根据相平衡，计算平衡时溶质在气相或液相中的组成。与实际的组成比较，可以判断传质方向。实际液相组成平衡组成，溶质从气相液相2. 双膜理论，怎么画过程要清楚
10、P270相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的气膜和液膜。 在相界面处，气液两相在瞬间即可达到平衡，界面上没有传质阻力。 在膜层以外，气液两相流体都充分湍动，不存在浓度梯度，组成均一，没有传质阻力3. KG 与 kG 之间关系搞清楚 （例题 8.2.2 P274）总传质阻力等于气膜阻力和液膜阻力之和4. 传质阻力分析（选择、简答）化学吸收不要求书上 P2735. 吸收因数（考试时会告诉公式）例 8.4.1第九章 吸附1、概念、分类、常见吸附剂及其性质吸附操作是通过多孔固体物质与某一混合组分体系（气体或液体）接触，有选择地使体系中的一种或多种组分附着于固体表面，从而
11、实现特定组分分离的操作过程。按作用力性质分类：分物理吸附和化学吸附按吸附剂再生方法分类：变温吸附和变压吸附1GLKkH按原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除按分离机理分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应 常用吸附剂的主要特性吸附容量大：由于吸附过程发生在吸附剂表面，所以吸附容量取决于吸附剂表面积的大小。 选择性高：对要分离的目的组分有较大的选择性。稳定性好：吸附剂应具有较好的热稳定性，在较高温度下解吸再生其结构不会发生太大的变化。同时，还应具有耐酸碱的良好化学稳定性。 适当的物理特性：适当的堆积密度和强度廉价易得几种常用的吸附剂：活性炭（a. 比表面积越大，吸附量越大：但应注意对一些大分子，微
12、孔所提供的比表面积基本上不起作用。b.表面化学特性：活性炭本身是非极性的，但由于表面共价健不饱和易与其它元素如氧、氢结合，生成各种含氧官能团）活性炭纤维、硅胶、活性氧化铝、沸石分子筛2.怎么选一个吸附剂需要根据被分离对象、分离条件和吸附剂本身的特点确定需要进行试验研究3 吸附平衡（很少考计算，考填空）：朗格缪尔公式（单层）与弗兰德里希方程的区别（多层）弗兰德里希（Freunlich）方程： 两边取对数q平衡吸附量，L/kgk和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数n常数，和温度有关p吸附质气相中的平衡分压, Pa随着 p 增大，吸附量 q 随之增加。但 p 增加到一定程度后， q 不再变
13、化 Freundlich 方程为经验公式。压力范围不能太宽，低压或高压区域不能得到满意的实验拟合结果。朗格谬尔（langmuir)公式：条件：吸附剂表面性质均一，每一个具有剩余价力的表面分子或原子吸附一个气体分子。吸附质在吸附剂表面为单分子层吸附。吸附是动态的，被吸附分子受热运动影响可以重新回到气相。吸附过程类似于气体的凝结过程，脱附类似于液体的蒸发过程吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力吸附达到平衡时，吸附速度与脱附速度相等，则： p吸附质的平衡分压，Paq, qm分别为吸附量和单分子层吸附容量，L/kgk1Langmuir 常数，与吸附剂和吸附质的性质和温度有关，该值越大表示吸附剂的吸
14、附能力越强。公式变换得：当 p 很小时，则：q= k1qmp 呈亨利定律，即吸附量与气体的平衡分压成正比。当 p 时， q=qm 此时，吸附量与气体分压无关，吸附剂表面被占满，形成1/nqkp1lglgqkpnpkda1单分子层4.吸附动力学 ：传质过程（简述）P315（1）吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面 外扩散（2）吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散内扩散（3）吸附质在吸附剂的内部表面上被吸附 一般第(3)步的速度很快，吸附传质速率主要取决于第(1) 和(2)两步。外扩散速度很慢外扩散控制内扩散速度很慢内扩散控制6. P318 吸附操作、概念、计算（例 9.5.2） 、穿透曲线、
15、穿透点、穿透时间穿透曲线示意图G: 溶液流入速率（m 3/(m2s)）0: 溶液中溶质浓度（kg/m 3）z: 固定床吸附塔填充高度（m）B: 穿透点浓度（kg/m 3）E: 穿透曲线终点浓度（kg/m 3）B: 出口处溶质浓度达到 B 时的流量(m 3/m2)a: 吸附区移动了吸附区高度 za 区间的流量(m 3/m2)穿透时间：伯哈特-亚当斯（Bohart-Adams）法通过实验发现，在一定的初始浓度、空床速度和达到一定的穿透浓度的条件下，固定床的床高和穿透时间呈直线关系。该关系又称 BDST 法（Bed Depth Service Time)。利用该关系可以较方便地计算时间：tb 穿透时
16、间，h;N0 吸附剂的动态吸附容量，kg/m 3；z 床高，m;0 入口料液中吸附剂浓度，kg/m 3;v 空床线速度，m/hK 比例系数， m3/(kg h);B 穿透浓度，kg/m 3第十一章 反应动力学基础1、 P397 反应操作、反应器概念、反应器操作方式反应操作：利用化学或生物反应进行工业生产或污染物处理时，需要通过反应条件等的控制，使反应向有利的方向进行。为达到这种目的而采取的一系列工程措施通称为反应操作。 反应器：进行化学或生物反应的容器的总称。反应器的操作方式：间歇操作（分批操作） 、充/排式操作、连续操作、半间歇操作、半连续操作2、 反应动力学：气液气固反应速率表征反应速率的
17、定义及表示方法：一般定义：气固相反应的反应速率表示方法：以固体催化剂的质量(m)、表面积(S)、颗粒体积(Vp)为基准的反应速率气液相反应的反应速率表示方法：001ln()bBNztvK以液相界面积(S)、液相体积为基准的反应速率液 相（ 体 积 ： VL）气 泡（ 体 积 ： VG）气 体气 体V气 液 混 合 物（ 体 积 ： V VL VG）液 相（ 体 积 ： ）气 泡（ 体 积 ： ）气 体气 体气 液 混 合 物（ 体 积 ： ）(r A)V= (r AS)S= (r AVL)VL3、 均相反应动力学：单一反应速率单一反应（恒温恒容）的速率方程反应 反应速率方程 速率方程的积分形式
18、 半衰期 t1/2PA（0 级） krA)(0ACkt)2/(0kCA（1 级） C/ln0 ln2（2 级）2Akr)1(0Akt )/(10AkPBA（2 级）BC00/lnABACt)2ln()(000 BAABACkn（级，n1）nAkr)1(10nAnt )1(0nA注： 、 为计量系数AB第十五章 反应动力学解析方法P530 间歇反应解析、物料守恒间歇反应动力学实验及其数据的解析方法：积分法:判断实验数据与某积分形式的速率方程是否一致微分法:根据试验数据求出不同浓度时的反应速率（作图法或计算法） ，之后根据反应速率与反应物浓度的关系，确定反应速率方程。积分解析法：例题 12.2.1
19、污染物 A 在某间歇反应器中发生分解反应，于不同时间测得反应器中 A 的浓度如下表所示。试分别利用积分法和微分法求出 A 的反应速率方程表达式t (min) 0 7.5 15 22.5 30cA (mg/L) 50.8 32.0 19.7 12.3 7.6第十二章 均相化学反应器间歇反应器的操作方法将反应物料按一定比例一次加到反应器内，然后开始搅拌，使反应器内物料的浓度和温度保持均匀。反应一定时间，反应率达到所定的目标之后，将混合物料排出反应器。之后再加入物料，进行下一轮操作，如此反复。 间歇反应器反应时间：恒容恒温间歇与平推流反应器的设计方程反应 反应速率方程 设计方程krAktxcAA00
20、 )(0kcA0c t1ln)l(02Ar kcA0nkc )(1110nnnxt)(PAAmAKVr)l(0AmAmKcVtPBABAckr)1(lnl000 ABABxcktc(完全混合流连续反应器恒容全混流反应器的设计方程Acrdt0反应 反应速率方程 设计方程Akcr)1(0kcA2 4220AkPAnAr nA)(0BBck )100BAxcx QAPk21 AAr)(21PckQ (21kcA)0P(120kcAQPAkk 21 Ackr1PP2Q 10A)(20kcP120AQ例 12.2.2：乙酸的水解反应，可以近似地看作一级反应，该反应在 300K 时的速率方程为：-rA=2
21、.7710-3CAmol/(m3s)。将乙酸浓度为 600mol/m3 的液体以 0.050m3/min 的速度送入一完全混合流反应器。试求以下几种情况时的乙酸的转化率。(1)反应器的体积为 0.80m3 时(2)0.40m3 的反应器，二个串联使用时(3)0.20m3 的反应器，四个串联使用时(1)反应器的体积为 0.80m3 时 平均空间时间(2)0.40m3 的反应器，二个串联使用时，每个槽的平均空间时间(3)0.20m3 的反应器，四个串联使用时，每个槽的平均空间时间第十三章固相催化反应过程 7 个步骤 P456固相催化反应的发生场所：催化剂的表面（外、内表面）反应物的外扩散、反应物的
22、内扩散、反应物的吸附、表面反应、产物的脱附、产物的内扩散、产物的外扩散1. 本征动力学推导形式 P460基本假设： 三个反应步骤中必然存在一个控制步骤；除控制步骤外，其他步骤处于平衡状态；吸附过程和脱附过程属理想过程，即可用兰格谬尔吸附模型来描述。反应 A P 的基本过程 AP各过程的速率方程A 的吸附速率： AavAakp表观反应速率： PssrP 的脱附速率： vPPpkv1VA反应物吸附过程控制: 1)/1(PSAaApKkr表面反应过程控制 PASSApKkr1)/(产物脱附)1(/SAPSPAKpkr2. 固相催化反应的宏观动力学 P463宏观反应速率(R A)：催化剂颗粒体积为基准
23、的平均反应速率。R A 与r A 之间的关系 PVAdrR0)(影响因素：本征反应速率、催化剂颗粒大小、形状、扩散速率3. 效率因子和西勒模数关系（例 13.1.1）对反应器不要求球形催化剂的最大反应速率 （n 级反应）AsvckR34球形催化剂的内部最大扩散速率式 催化剂内部球心处的 A 的浓度为零，)/(2RDse浓度梯度达到最大 21223 3)/(4senAsvAsenSvckcRk内 部 最 大 扩 散 速 率最 大 反 应 速 率S 称西勒(Thiele)模数enAsvsDck13例 13.1.1 利用直径为 0.3cm 的球形硅铝催化剂进行粗柴油的催化分解反应，该反应可以认为一级
24、反应，且在 630时的本征动力学方程为-r A= 7.9910-7pA mol/(scm3)。已知粗柴油的有效扩散系 De=7.8210-4cm2/s，试计算该催化反应的催化剂的有效系数。解：根据气体方程： RTcVnpAA所以本征动力学方程的反应常数为：137 0.6)27(104.8109. sk一级反应的西勒数为： 38.482.735esDk1.0.).4tanh(138.413tanh1ss4. P472 双膜理论画法图 13.2.2 a/b气液相反应双膜模型中组分 A 的传质示意图二级不可逆气液相反应 PlBgA)()(本征反应速率方程为： AckrA 的扩散进入量： 反应量： d
25、zDLAdzrA)(A 的扩散出去量： (zcA反应物 A 的物料衡算式： )()( dzcdzDrALAL 二级不可逆气液相反应LrdzcD2同理，B 的基本方程 )(2ABBLrdzcD5.界面反应临界浓度 P474例 13.2.1 瞬间反应 A(g)+B(l)P的反应平面随液相中 B 的浓度的升高而向气液界面移动。当 B 的浓度高于某临界浓度 cBL,C 以上时，反应平面与气液界面重合，此时的反应称界面反应。试推导出 cBL,C 的表达式，并给出气液界面反应的宏观速率方程。解：(1)根据题意，在气液界面处 A、B 的浓度均为零 B 在液膜中的扩散速率： )0(,CLcDN由 得 故 LA
26、LDk/LAk/ CBLABck,A 在气膜中的扩散速率： GGpN)0(根据 NA 和 NB 的关系式： BA1CBLABAckDk,1故 ALBGCBLpkD,例题 13.2.2 废气中的 0.1%硫化氢用乙醇胺溶液(RNH 2:CBL=1.2mol/m3)吸收，吸收反应为瞬间反应： 求总反应吸收速度。气相322)()(RNHSlRNgSH扩散阻力很小(p Ai=pA)时，求化学吸收增强因子。 已知：液相传质系数 kLA=4.310-5 m/s，气相传质系数 kGA=5.910-7 mol/(m2sPa)，组分 A 的液相扩散系数 DLA=1.4810-9 m2/s，组分 B 的液相扩散系
27、数 DLB=0.9510-9 m2/s，组分 A 的亨利常数 HA=12.2 Pam3/mol，压力为 101.3kPa，温度为 293K。 解：先确定反应界面在相界面还是在液膜内 由例题 13.2.1 的结果得：3 35997,/17.2 01103.415.08molpkDcALBGCBL 由于 cBL=1.2mol/m3cBL,C，因此反应在液膜内进行。总传质系数 KG 的计算 775105.9.10.421ALGkH由式 13.2.26 得： )/(1059. )2.1048.1952.3.(.27smolCDpKrBLAAAS 由式 13.2.17 得: 09.12/0.13.014
28、8.950/19 ABLABLAiBLHpcc由于反应，吸收速度增加了 10%。第十四章 微生物反应器主要是细胞产率系数 P4951.以基制质量为基准的细胞产率系数 Yx/s 反应系统中细胞的生长量（细胞干燥重量）与反应消耗掉的基质的重量之比Yx/s 值的大小： 可能小于 1，也可能大于 1 SX/ 反 应 消 耗 的 基 质 量细 胞 的 生 长 量sxY2.以碳元素为基准的细胞产率系数sxscx / 碳 源 的 含 碳 率碳 源 消 耗 量 细 胞 的 含 碳 率细 胞 生 长 量Yx/c 值的大小：只能小于 1，一般在 0.50.7 之间。3.以消耗氧为基准的细胞产率系数2/OmXox好
29、氧微生物反应： CHmOna NH3bO 2 = Yx/cCHxOyNzY p/cCHuOvNw(1-Y x/c-Yp/c)CO2cH 2O bzyxYcxo31461/ 例题 14.2.1 以葡萄糖(C 6H12O6)为碳源，NH 3 为氮源，在好氧条件下培养某细菌，得到的细胞的元素组成为 CH16.6O0.273N0.195。设该细菌的 Yx/c=0.65，反应产物只有 CO2 和水。试计算 Yx/s 和 Yx/o。解：将葡萄糖的元素组成式写为 CH2O，且根据题意 Yp/c=0，则微生物反应的计量方程如下： 根据基质和细胞的元素组成可得： 12/(12+12+161)=0.4 12/(12+1.661+0.27316+0.19514)=0.578sx根据 Yx/s 与 Yx/c 的关系： 1/ 450.78.650 kgYxscsx由计量方程，求得各元素的物料衡算式如下： O 的物料衡算：1+2b=Y x/c0.273+(1-Yx/c) 2+c N 的物料衡算：a=Y x/c0.195 H 的物料衡算：2+3a=1.66Y x/c+2c 解上述联立方程得：a=0.127，b=0.264 ，c=0.651 Yx/o=Yx/c(12+x+16y+14z)/32b=1.60kgkg-1 OcHCCbaNOCHcxcx 2/195.073.6.1/232 )(
