第02章质量衡算与能量衡算060529ppt.pptx
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1、第第 I 篇篇环境工程原理基础环境工程原理基础第第I篇篇 环境工程原理基础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,都涉及流体流动和热量、质量传递现象。l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l热量传递:加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、设备的保温等l质量传递:吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物、化学反应等第第I篇篇 环境工程原理基础环境工程原理基础本篇主要讲述质量衡算、能量衡算等环境工程中分析问题的基本方法,以及流体流动和热量、质量传递的基础理论。系统掌握流体流动和热量、质量传递过程的基础理论,对优化污染物的
2、分离和转化过程、提高污染控制工程的效率具有重要意义。本篇主要内容第二章 质量衡算与能量衡算第三章 流体流动第四章 热量传递第五章 质量传递第第I篇篇 环境工程原理基础环境工程原理基础第二章质量衡算与能量衡算 第二章第二章 质量衡算与能量衡算质量衡算与能量衡算第一节 常用物理量 常用物理量及单位换算 常用物理量及其表示方法第二节 质量衡算 衡算系统的概念 总质量衡算方程第三节 能量衡算 总能量衡算方程 热量衡算方程本章主要内容一、计量单位二、物理量的单位换算三、量纲和无量纲准数四、常用物理量及其表示方法本节的主要内容第一节 常用物理量计量单位是度量物理量的标准 物理量数值单位国际单位制,符号为S
3、I 7个基本单位;2个辅助单位;导出单位 。第一节 常用物理量一、计量单位国际单位制的基本单位 量的名称 单位名称 单位符号 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 发光强度 米 千克(公斤) 秒 安(培) 开(尔文) 摩(尔) 坎(德拉) M Kg s A K mol cd mkg表2.1.1 国际单位制的基本单位7 7个基本单位个基本单位2 2个辅助单位个辅助单位表2.1.2 国际单位制的辅助单位 量的名称 单位名称 单位符号 平面角 立体角 弧度 球面度 rad sr 第一节 常用物理量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。导出单位导出单位
4、当采用其它单位制时,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。2tmSktukmkmaF式中式中F F力;力; m m质量;质量; a a加速度;加速度; u u速度;速度; t t时间;时间; S S距离;距离; k k比例系数。比例系数。力的导出单位力的导出单位,按牛顿运动定律写出力的定义式,即,按牛顿运动定律写出力的定义式,即2smkg按照国际单位制规定,取k=1,则力的导出单位为第一节 常用物理量导出单位导出单位表表2.1.3 国际单位制中规定了若干具有国际单位制中规定了若干具有专门名称专门名称的导出单位的导出单位 量的名称量的名
5、称 单位名称单位名称 单位符号单位符号 其他表示式例其他表示式例 频率频率 力;重力力;重力 压力,压强;应力压力,压强;应力 能量;功;热能量;功;热 功率;辐射通量功率;辐射通量 电荷量电荷量 电位;电压;电动势电位;电压;电动势 电容电容 电阻电阻 电导电导 磁通量磁通量 磁通量密度,磁感应强度磁通量密度,磁感应强度 电感电感 摄氏温度摄氏温度 光通量光通量 光照度光照度 放射性活度放射性活度 吸收剂量吸收剂量 剂量当量剂量当量 赫(兹)赫(兹) 牛(顿)牛(顿) 帕(斯卡)帕(斯卡) 焦(耳)焦(耳) 瓦(特)瓦(特) 库(仑)库(仑) 伏(特)伏(特) 法(拉)法(拉) 欧(姆)欧(
6、姆) 西(门子)西(门子) 韦(伯)韦(伯) 特(斯拉)特(斯拉) 亨(利)亨(利) 摄氏度摄氏度 流(明)流(明) 勒(克斯)勒(克斯) 贝可(勒尔)贝可(勒尔) 戈(瑞)戈(瑞) 希(沃特)希(沃特) HzHz N N PaPa J J W W C C V V F F S S WbWb T T H H lmlm lxlx BqBq GyGy SvSv 1/s1/s kgkgm/s2m/s2 N/m2N/m2 N Nm m J/sJ/s A As s W/AW/A C/VC/V V/AV/A A/VA/V V Vs s Wb/m2Wb/m2 Wb/AWb/A cdcdsrsr lm/m2lm
7、/m2 1/s1/s J/kgJ/kg Jb/kgJb/kg 第一节 常用物理量 同一物理量用不同单位制的单位度量时,其数值比称为换算因数 例如1m长的管用英尺度量时为3.2808ft,则英尺与米的换算因数为3.2808。 解:按照题意,将kgf/cm2中力的单位kgf换算为N,cm2换算为m2。查表,N与kgf的换算因数为9.80665,因此 1kgf9.80665N又 1cm0.01m所以: 1.033kgf/cm21.0339.80665N/(0.01m)2=1.013105 N/ m2【例题2.1.1】: 已知1atm1.033kgf/cm2,将其换算为N/ m2。二、物理量的单位换算
8、第一节 常用物理量设备周围空气流动速度,cm/s【例题2.1.2】设备壁面因强制对流和辐射作用向周围环境中散失的热量可用下式表示,即ua036. 03 . 5式中:a对流-辐射联合传热系数,kcal/(m2h)ua若将 的单位改为W/(m2K), u 的单位改为m/s,试将上式加以变换。第一节 常用物理量解:根据附录,1kcal4186.8 Ws,1h=3600s;1表示温差为1,用K表示温度时,温差为1K。因此1kcal/(m2h)4186.8/3600 W/(m2K)1.163 W/(m2K)1cm/s0.01m/s整理上式,并略去上标,得将上两式带入原式中,得)100(036. 03 .
9、 5163. 1uaua19. 416. 6W/(m2K)au( )af a( )uf u令 为以W/(m2K)为单位的传热系数, 为以m/s为单位的速度163. 1aauuu10001. 0?第一节 常用物理量(一)量纲用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的量纲。 量纲与单位的区别: 量纲是可测量的性质; 单位是测量的标准,用这些标准和确定的数值可以定量地描述量纲。可测量物理量可以分为两类:基本量和导出量。 三、量纲和无量纲准数第一节 常用物理量基本量纲基本量纲: : 质量、长度、时间、温度的量纲,分别以质量、长度、时间、温度的量纲,分别以M、L、t和和T表示,简称表示,简称MLtT
10、量纲体系。量纲体系。【物理量】表示该物理量的量纲,不指具有确定数值的某一物理量。利用量纲所建立起来的关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的组合形式表示其量纲:速度= 密度=压强= 粘度=Lt1ML3ML1t2ML1t1第一节 常用物理量(二二)无量纲准数无量纲准数由各种变量和参数组合而成的没有单位的群数,称为无量纲准数。 无量纲准数既无量纲,又无单位,其数值大小与所选单位制无关。只要组合群数的各个量采用同一单位制,都可得到相同数值的无量纲准数。准数准数符号符号定义定义雷诺数雷诺数( (ReynoldReynold) )3 ML1 LtuLL 11tML0001113Ret
11、LMtMLLLtMLRe=标准提法是量纲为标准提法是量纲为1 1第一节 常用物理量uL 通过对影响某一过程和现象的各种因素(物理量)进行量纲分析,将物理量表示成为若干个无量纲准数,然后借助实验数据,建立这些无量纲变量之间的关系式。 3121ScRe332. 0Shxx第一节 常用物理量参考内容:量纲分析法第一节 常用物理量参考内容参考内容:量纲分析法量纲分析法雷诺数,代表惯性力与粘性力的比值,反映流动特性;欧拉数,代表阻力损失引起的压降与惯性力之比。管路的长径比,反映几何尺寸的特性绝对粗糙度与管径之比,称为相对粗糙度通过实验,回归求取关联式中的待定系数“黑箱”模型法 第一节 常用物理量参考内容
12、:量纲分析法例如:氨的水溶液的浓度1质量浓度与物质的量浓度mg/Lmol/L氨的质量或物质的量/溶液体积2. 质量分数与摩尔分数%mg/kgmmol/kmol氨的质量/溶液的质量氨的物质的量/溶液的物质的量3质量比与摩尔比mmol/kmolmg/kg氨的质量/水的质量氨的物质的量/水的物质的量四、常用物理量第一节 常用物理量(一)浓度1质量浓度与物质的量浓度质量浓度与物质的量浓度(1)质量浓度A ,(2)物质的量浓度cA , c组分A的摩尔质量VmAAVncAAAAAMc第一节 常用物理量(2.1.2)(2.1.4)(2.1.5)2.质量分数与摩尔分数质量分数与摩尔分数(1)质量分数和体积分数
13、AmAmxm组分A的质量分数混合物的总质量组分A的质量 (2.1.6)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 110-6(质量分数)= 1ppm1g/L 相当于1g/1000g 110-9(质量分数)=1ppb当污染物的浓度过高,导致污水的比重发生变化时,上两式应加以修正,即 1mg/L 相当于1/污水的密度(质量分数) 1g/L相当于1/污水的密度 (质量分数)ppmppb g/g, 10-6 g/kg, 10-9 (质量分数)第一节 常用物理量在大气污染控制工
14、程中,常用体积分数表示污染物质的浓度。例如mL/m3,则此气态污染物质浓度为10-6。1摩尔任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积,因此可以用体积分数表示污染物质的浓度,在实际应用中非常方便;同时,该单位的最大优点是与温度、压力无关。第一节 常用物理量例如,10-6(体积分数)表示每106体积空气中有1体积的污染物,这等价于每106摩尔空气中有1摩尔污染物质。又因为任何单位摩尔的物质有着相同数量的分子,10-6(体积分数)也就相当于每106个空气分子中有1个污染物分子。对于气体,体积分数和质量浓度之间的关系和压力、温度以及污染物质的分子量有关。对于理想气体,可以用理想气体状态方程表示,
15、即: 式中:p绝对压力,atm;VA体积,m3;nA物质的摩尔数,mol;R理想气体常数,0.082LatmK-1mol-1;T绝对温度,K。RTnpVAA第一节 常用物理量(2.1.9)根据质量浓度的定义pRTnVAA310VMnVmAAAAAAApMRTVV310根据理想气体状态方程310AAAMnV体积分数和质量浓度之间的关系AAVV?第一节 常用物理量(2.1.10)(2.1.11)(2.1.13)【例题2.1.3】在1atm、25条件下,某室内空气一氧化碳的体积分数为9.010-6。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1atm和25下的体积为LV44
16、.241298082. 01一氧化碳(CO)的分子质量为28g/mol,所以CO的质量浓度为3 .101000/44.241000281096mg/m3第一节 常用物理量(2)摩尔分数nnxAA组分A的摩尔分数混合物的总摩尔数组分A的摩尔数 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,1/mAAANmiiixMxxM1AAmANiiix Mxx M组分A的质量分数与摩尔分数的关系 第一节 常用物理量(2.1.15b)(2.1.15a)(2.1.14)3质量比与摩尔比AmAAmXmm组分A的质量比混合物中惰性物质的质量 组分A的质量 (当混合物中除组分A外,其余
17、为情性组分时)组分A与惰性组分的关系第一节 常用物理量(2.1.16)质量比与质量分数的关系 mAmAmAxxX1(2.1.17)组分A与惰性组分的关系3质量比与摩尔比(当混合物中除组分A外,其余为情性组分时)第一节 常用物理量AAAnnnX组分A的摩尔比混合物中惰性物质的摩尔数 组分A的摩尔数 (2.1.18)摩尔比与摩尔分数的关系 AAAxxX1AAApppY(2.1.19)(2.1.20)体积流量 VVqt质量流量 mVqtu一维流动二维流动三维流动 速度分布平均速度 (二)流量(三)流速第一节 常用物理量(2.1.21)(2.1.22)圆形管道 24Vmqud4Vmqdu在管路设计中,
18、选择适宜的流速非常重要!。一般地,液体的流速取0.53.0m/s,气体则为1030m/s。 速度分布 流速影响流动阻力和管径,因此直接影响系统的操作费用和基建费用。第一节 常用物理量mu(主体)平均流速dVAmu AquAA按体积流量相等的原则定义(2.1.24)(2.1.25) 单位时间内通过单位面积的物理量称为该物理量的通量。通量是表示传递速率的重要物理量。p单位时间内通过单位面积的热量,称为热量通量,单位为J/(m2s);p单位时间内通过单位面积的某组分的质量,成为该组分的质量通量,单位为kmol/(m2s);p单位时间内通过单位面积的动量,称为动量通量,单位为N/m2。(四)通量第一节
19、 常用物理量第一节 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?思考题一、衡算的基本概念二、总质量衡算本节的主要内容第二节 质量衡算 1Vq2VqVmq分离、反应 分析物质流迁移转化 ?某污染物生物降解输入量输出量降解量=积累量输入量1输入量2输出量降解量积累量第二节 质量衡算 一、衡
20、算的基本概念输入速率输出速率转化速率=积累速率12ddmmmrmqqqt质量衡算的一般方程转化速率或反应速率单位时间因生物或化学反应而转化的质量。组分为生成物时为正值,质量增加单位时间:以某种元素或某种物质为衡算对象第二节 质量衡算 (2.2.4)一、衡算的基本概念mrqk V (2.2.8)mrq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,则 反应速率常数,s-1或d-1物质浓度负号表示污染物随时间的增加而减少体积反应速率第二节 质量衡算 各种情况下的质量衡算d0dmt0mrq 稳态系统 非稳态系统 组分发生反应 组分不发生反应
21、 以某组分为对象 以全部部分为对象 以总质量表示 以单位时间质量表示12rmmmm 12ddmmmqqt12ddmmmqqt12ddmmmrmqqqt12ddmmmrmqqqt12ddmmmrmqqqt12ddmmmrmqqqt120mmmrqqq第二节 质量衡算 二、总质量衡算质量衡算方程的应用 1、需要划定衡算的系统 2、要确定衡算的对象 3、确定衡算的基准 4、绘制质量衡算系统图 5、注意单位要统一划定衡算的系统确定衡算的对象某组分衡算的范围某组分,和全部组分单位时间,某时间段内,或一个周期总衡算和微分衡算第二节 质量衡算 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
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