第一章课程概述与质量衡算.pptx

课程概述课程概述课程简介课程简介：主要参考书：主要参考书：1. 1. 童华主编童华主编, 环境工程设计环境工程设计,化学工业出版社，化学工业出版社， 2009年出版年出版 2. 李国庭主编，化工设计概论，李国庭主编，化工设计概论，2008年出版年出版 3. 中国石化集团上海工程有限公司编，化工工艺设计手册第四版上下册，中国石化集团上海工程有限公司编，化工工艺设计手册第四版上下册， 2009年出版年出版、综合性综合性（多专业基础课知识的综合与集成）；、实践性实践性（面向实际化工工艺设计、化工厂设计的工程运用）；本课程的特点本课程的特点 该课程系统地介绍了环境工程设计的对象、范围、内容和特点。培该课程系统地介绍了环境工程设计的对象、范围、内容和特点。培养学生将理论知识变为实际生产力的能力，解决实际问题的能力养学生将理论知识变为实际生产力的能力，解决实际问题的能力基本概念基本概念常识常识经验经验主要工作方向废气和废水处理中传质过程废气和废水处理中传质过程强化强化技术研究与应用技术研究与应用流体行为强化流体行为强化反应强化反应强化提出并区分强化的两个概念提出并区分强化的两个概念对比二者谁更强，取一舍一对比二者谁更强，取一舍一进而把反应器做得更小进而把反应器做得更小辨别强化有效区域辨别强化有效区域普光油田天然气脱除硫化氢侧线传质强化装置普光油田天然气脱除硫化氢侧线传质强化装置长沙县淀粉废水处理项目长沙县淀粉废水处理项目环境问题与环境科学v环境问题的产生产业革命以后，人类的生产力获得了飞速发展、技术水平迅速提高、人口迅速增长，人类活动的强度和范围逐渐增强和扩展，人类与环境的矛盾以及由此带来的环境问题也日趋突出。v人类面临的环境问题生态破坏和环境污染是目前人类面临的两大类环境问题，它们已经成为影响社会可持续发展、人类可持续生存的重大问题。 提出问题v环境学科的诞生“环境学科”是随着环境问题的日趋突出而产生的一门新兴的综合性边缘学科。它经历了20世纪60年代的酝酿阶段，到20世纪70年代初期从零星的环境保护的研究工作与实践逐渐发展成为一门独立的新兴学科。v环境学科的任务环境学科是研究人类活动与环境质量关系的科学，其主要任务是研究人类与环境的对立统一关系，认识两者之间的作用与反作用，掌握其发展规律，从而保护环境并使其向于人类有利的方向演变。 环境问题与环境科学环境工程学 v“环境工程学”的任务利用环境学科与工程学的方法，研究环境污染控制理论、技术、措施和政策，以改善环境质量，保证人类的身体健康、舒适的生存和社会的可持续发展。v“环境工程学”的研究对象水质净化与水污染控制技术、大气（包括室内空气）污染控制技术、固体废物处理处置与管理和资源化技术、物理性污染（热污染、辐射污染、噪声、振动）防治技术、自然资源的合理利用与保护、环境监测与环境质量评价等传统的内容，还包括生态修复与构建理论与技术、清洁生产理论与技术以及环境规划、管理与环境系统工程等。 解决问题环境净化与污染控制技术原理隔离（扩散控制）分离（不同介质间的迁移）转化（化学、生物反应）环境净化与污染控制技术原理 如何实现如何实现环境工程设计 “环境工程设计”的任务环境工程设计，是学习环工专业或学习环工工艺学最终能具环境工程设计，是学习环工专业或学习环工工艺学最终能具备的一种本领或能力，一种备的一种本领或能力，一种综合运用知识的能力综合运用知识的能力。“环境工程设计”的工作范围环境工程设计对象是“对环境有影响的建设项目”，主要指项目建成投产后，因排放废水、废气、废渣等污染物而一定或可能对环境带来影响的项目。具体实现（实践）工厂设计工厂设计环工过程设计环工过程设计（核心）（核心）暖通、排水、厂房建筑、结构设计暖通、排水、厂房建筑、结构设计电气、土建、总图设计，电气、土建、总图设计，.等等非工艺部分设计非工艺部分设计工艺设计工艺设计（核心）（核心）公用工程设计、外管设计，公用工程设计、外管设计，等等环工过程设计是针对环工工艺设计的深入、配套与完善。环工过程设计是针对环工工艺设计的深入、配套与完善。物料衡算物料衡算热量衡算热量衡算设备工艺计算设备工艺计算环工过程设计的基本内容环工过程设计的基本内容隔离（扩散控制）分离（不同介质间的迁移）转化（化学、生物反应）遵循守恒原则遵循守恒原则工艺计算遵循的基本原则工艺计算遵循的基本原则本章主要内容本章主要内容常用物理量常用物理量（自学自学）质量衡算（质量衡算（重点重点） 第一章第一章 质量衡算概述质量衡算概述第二节第二节 质量衡算质量衡算（物料衡算（物料衡算）1.以物料的全部组分为衡算对象以物料的全部组分为衡算对象 在一定在一定时间时间t内内：输入物料量输出物料量输入物料量输出物料量=积累量积累量 m1-m2=m 单位时间：单位时间：输入速率输出速率输入速率输出速率=积累速率积累速率12ddmmmqqt2. 划定边界，并以某种元素或某种物质为衡算对象用来分析质量迁移的特定区域，即衡算的空间范围环境设备或管道中一个微元体微分衡算（微观）一个反应池、一个车间，或者一个湖泊、一段河流、一座城市上方的空气，甚至可以是整个地球总衡算（宏观）输入量输出量转化量输入量输出量转化量=积累积累量量单位时间：单位时间：输入速率输出速率转化速率输入速率输出速率转化速率=积累速率积累速率 质量衡算的一般方程：质量衡算的一般方程：12rddmmmmqqqtmrq污染物的生物降解经常被视为一级反应，即污染物的降解速率与其浓度成正比。假设体积V中可降解物质的浓度均匀分布反应速率0t稳态流动的数学特征：稳态流动的数学特征： 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，称为稳态系统；当上述物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称为非稳态系统。 对于稳态过程，内部无物料积累 12mm12mmqq稳态系统与非稳态系统 稳态系统 非稳态系统 组分发生反应 组分不发生反应 以某组分为对象 以全部组分为对象 以总质量表示 以单位时间质量表示12rmmmm 12ddmmmqqt12ddmmmqqt12rddmmmmqqqt12rddmmmmqqqt12rddmmmmqqqt12rddmmmmqqqt12r0mmmqqq各种情况下总质量衡算质量衡算方程的应用质量衡算方程的应用1.需要划定衡算的系统需要划定衡算的系统2.要确定衡算的对象要确定衡算的对象3.确定衡算的基准确定衡算的基准4.绘制质量衡算系统图绘制质量衡算系统图5.注意单位要统一注意单位要统一 衡算的范围总衡算和微分衡算某组分，和全部组分单位时间，某时间段内，或一个周期（混酸配制问题）某工厂将三种原料酸：（混酸配制问题）某工厂将三种原料酸：93%的硝酸、的硝酸、97%的的硫酸和含硫酸硫酸和含硫酸69%的废酸配成混酸使用。要求混酸组成为：硫的废酸配成混酸使用。要求混酸组成为：硫酸酸46%、硝酸、硝酸46%、水、水8%。混酸流量为。混酸流量为1000kg/h。设计三种。设计三种原料的加入速度。原料的加入速度。混合器混合器F1F2F3F4设图中为一圆形储罐，直径0.8m，糟内盛有2m深的水。在无水源补充的条件下打开底阀放水。测得水流出的质量流率与水深的关系为试问经过若干时间后，水位会下降至深度1m?skgzw/274. 02 某污水处理工艺中含有沉淀池和浓缩池，沉淀池用于去除某污水处理工艺中含有沉淀池和浓缩池，沉淀池用于去除水中的悬浮物，浓缩池用于将沉淀的污泥进一步浓缩，浓缩水中的悬浮物，浓缩池用于将沉淀的污泥进一步浓缩，浓缩池的上清液返回到沉淀池中。污水流量为池的上清液返回到沉淀池中。污水流量为5 000m3/d，悬浮物，悬浮物含量为含量为200mg/L，沉淀池出水中悬浮物质量浓度为，沉淀池出水中悬浮物质量浓度为20mg/L，沉淀污泥的含水率为沉淀污泥的含水率为99.8%，进入浓缩池停留一定时间后，排，进入浓缩池停留一定时间后，排出的污泥含水率为出的污泥含水率为96%，上清液中的悬浮物含量为，上清液中的悬浮物含量为100mg/L。过程中没有生物作用。求整个系统的污泥产量和排水量，以过程中没有生物作用。求整个系统的污泥产量和排水量，以及浓缩池上清液回流量。污水的密度为及浓缩池上清液回流量。污水的密度为1000kg/m3。 ？根据需要首先划定衡算系统根据需要首先划定衡算系统0124 3 31Vq3Vq4Vq2Vq0Vq？已知0Vq=5 000m3/d，0200mg/L，220mg/L， 31(100-96)/(100/1000)40 g/L40000 mg/L4(100-99.8)/(100/1000)2 g/L2000 mg/L100mg/L污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质量比，因此污泥中悬浮物含量为 (1)求污泥产量 以沉淀池和浓缩池的整个过程为衡算系统，悬浮物为衡算对象，因系统稳定运行，输入系统的悬浮物量等于输出的量。 输入速率：001122VVVqqq100mVqq输出速率：21122mVVqqq012VVVqqq1Vq2Vq=22.5 m3/d 4977.5 m3/d 012431Vq3Vq4Vq2Vq0Vq(2)浓缩池上清液量 取浓缩池为衡算系统，悬浮物为衡算对象输入速率144mVqq输出速率21133mVVqqq413VVVqqq=450 m3/d 472.5 m3/d 4Vq3Vq012431Vq3Vq4Vq2Vq0Vq441133VVVqqq注意：污泥含水率从99.8降至96，污泥体积由472.5 m3/d减少为22.5m3/d，相差20倍。一个湖泊的容积为一个湖泊的容积为10106m3 （恒定恒定）。有一流量为）。有一流量为5.0m3/s、污染物浓度为、污染物浓度为10. 0 mg/L 的受污染支流流入的受污染支流流入该湖泊，如图所示。同时，还有一般污水排入湖泊，该湖泊，如图所示。同时，还有一般污水排入湖泊，流量为流量为0.5m3/s,污染物浓度为污染物浓度为100mg/L。污染物的降解。污染物的降解速率常数为速率常数为0.2d-1。！假设！假设：假设污染物质在湖泊中完全混合假设污染物质在湖泊中完全混合，且湖水不，且湖水不因蒸发等原因增加或者减少。因蒸发等原因增加或者减少。！问题！问题：假设污水排放口刚开始排放污水假设污水排放口刚开始排放污水，计算出水，计算出水口污染物的浓度。口污染物的浓度。总污出污进污染物VkqqdtdMmm恒定总出进总总总VqqdtdVdtdMvv0总衡算总衡算污染物衡算污染物衡算稳态稳态非稳态非稳态总出总VkqqqdtdVvvv221121vvvvqqqq进出kVqqqdtdvvv总出2211dtkVqVqqdvvv)2211总出总（tvvvdtkVqVqqd0102211)总出总（)(tf注意：注意：初始值初始值的取值，系统在初始时是处于稳定状态的的取值，系统在初始时是处于稳定状态的！有问题！有问题取取0或者是或者是10？求取初始值求取初始值污水排放口排放污水之前的污染物衡算污水排放口排放污水之前的污染物衡算总初值初值出初值总VkqqdtdVvv11011总初值初值出Vkqqvv总出初值kVqqvv11因为系统处于因为系统处于稳态稳态，这里的，这里的qv出出根据总质量衡算得到：根据总质量衡算得到：1vvqq出得到初值后，代入非稳态方程中得到初值后，代入非稳态方程中kqVv111总初值连续全混流反应器连续全混流反应器理论停留时间理论停留时间理想反应器理想反应器tvvvdtkVqVqqd022110)总出总（总初值kVqqvv111)(tf!背景背景：给排水处理中，需要将固体硫酸铝配成一定浓度的溶液作：给排水处理中，需要将固体硫酸铝配成一定浓度的溶液作为混凝剂。在一配料用的搅拌槽中，水和固体硫酸铝分别以为混凝剂。在一配料用的搅拌槽中，水和固体硫酸铝分别以150kg/h 和和30kg/h的流量加入搅拌槽中，制成溶液后，的流量加入搅拌槽中，制成溶液后，120kg/h的流量流出容器。开始时槽内的流量流出容器。开始时槽内 预先已盛有预先已盛有100kg的纯水。的纯水。!假设假设:由于搅拌充分，槽内浓度各处均匀。由于搅拌充分，槽内浓度各处均匀。!问题问题：试计算：试计算1h后由槽中流出的溶液浓度（以后由槽中流出的溶液浓度（以质量分数质量分数表示）表示）（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？本章思考题