环境工程原理复习解析.pdf

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1、 28 汽缚现象：泵内未充满液体，气体密度低，产生离心力小，在叶轮中心形成的低压不足以将液体吸上。说明：离心泵无自吸能力，启动前必须将泵体内充满液体。汽蚀：流动着的流体由于局部压力的降低产生气泡的现象。泵发生汽蚀，在汽蚀部位会引起机件的侵蚀，进一步发展则将造成扬程下降，产生振动噪声。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。A边界层的概念：普兰德边界层理论要点：（1）当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面处存在非常薄的一层区域边界层；（2）在边界层内，流体的流速很小，但速度梯度很大

2、；（3）在边界层内，黏性力可以达到很高的数值，它所起的作用与惯性力同等重要，在边界层内不能全部忽略粘性；（4）在边界层外的整个流动区域，可将黏性力全部忽略，近似看成是理想流体的流动。（5）流动分为两个区域 B.绕平板流动的边界层的形成 28 C.边界层内的流动状态：边界层的流动状态对于流动阻力和传热、传质阻力具有重要影响 xc：临界距离，与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体性质和流速有关，壁面越粗糙，前缘越钝，xc越短 边界层流态的判别：临界雷诺数 Rexc=xcu0/对于平板，临界雷诺数的范围为 31052106，通常情况下取 5105 D.边界层厚度：流体速度达到来流速度 99时的流体层厚度

3、。对于层流边界层：=4.641x/Rex1/2 对于湍流边界层：=0.376x/Rex1/5 Rex为以坐标 x 为特征长度的雷诺数，称为当地雷诺数。Rex=xu0/边界层的厚度的影响因素：（1）流体的物性（，等）（2）流道几何尺寸距离前端的位置（3）流速 在边界层内，黏性力和惯性力的数量级相当；流动边界层内特别是层流底层内，集中了绝大部分的传递阻力。因此，尽管边界层厚度很小，但对于研究流体的流动阻力、传热速率和传质速率有着非常重要的意义。E.圆直管内边界层的形成 当 u0较小时，进口段形成的边界层汇交时，边界层是层流，以后的充分发展段则保持层流流动，速度分布呈抛物线型。当 u0 较大，汇交时

4、边界层流动若已经发展为湍流，则其下游的流动也为湍流。速度分布不是抛物线形状。F.流态的判断 判别流动形态的雷诺数定义为 Re=du0/当 Re400 计算结果表明该设计不合理 改进措施：1、提高钢板的工作温度，选用耐热钢板；2、增加耐火砖厚度，或改用导热系数更小的耐火砖。4.7 用内径为 27mm 的管子，将空气从 10加热到 100，空气流量为 250kg/h，管外侧用 120的饱和水蒸气加热(未液化)。求所需要的管长。解：以平均温度 55查空气的物性常数，得 0.0287W/（mK），1.99105Pas，cp1.005kJ/（kgK），1.077kg/m3 由题意，得 uQ/（A）112

5、.62m/s Redu/0.027112.621.077/（1.99105）1.65105 所以流动为湍流。Prcp/（1.99105）1.005/0.02870.697 0.023/dRe0.8Pr0.4 315.88W/（m2K）T2110K，T120K Tm（T2T1）/ln（T2/T1）（110K20K）/ln（110/20）52.79K 由热量守恒可得 dLTmqmhcphTh LqmcphTh/（dTm）250kg/h1.005kJ/（kgK）90K/315.88W/（m2K）0.027m52.79K 4.44m 4.9 在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为 192mm 的钢管内流

6、动，水的对流传热 28 系数为 3490 W/（m2K），煤油的对流传热系数为 458 W/（m2K）。换热器使用一段时间后，管壁两侧均产生污垢，煤油侧和水侧的污垢热阻分别为0.000176 m2K/W和0.00026m2K/W，管壁的导热系数为 45 W/（mK）。试求（1）基于管外表面积的总传热系数；（2）产生污垢后热阻增加的百分数。解：（1）将钢管视为薄管壁 则有 K338.9W/（m2K）（2）产生污垢后增加的热阻百分比为 4.10 在套管换热器中用冷水将 100的热水冷却到 50，热水的质量流量为 3500kg/h。冷却水在直径为 18010mm 的管内流动，温度从 20升至 30。

7、已知基于管外表面的总传热系数为 2320 W/（m2K）。若忽略热损失，且近似认为冷水和热水的比热相等，均为 4.18 kJ/（kgK）.试求（1）冷却水的用量；（2）两流体分别为并流和逆流流动时所需要的管长，并加以比较。解：（1）由热量守恒可得 qmccpcTcqmhcphTh qmc3500kg/h50/1017500kg/h（2）并流时有 T280K，T120K 由热量守恒可得 KATmqmhcphTh 即 KdLTmqmhcphTh 逆流时有 T270K，T130K 28 同上得 比较得逆流所需的管路短，故逆流得传热效率较高。4.11 列管式换热器由 19 根 192mm、长为 1.2

8、m 的钢管组成，拟用冷水将质量流量为350kg/h 的饱和水蒸气冷凝为饱和液体，要求冷水的进、出口温度分别为 15和 35。已知基于管外表面的总传热系数为 700 W/（m2K），试计算该换热器能否满足要求。解：设换热器恰好能满足要求，则冷凝得到的液体温度为 100。饱和水蒸气的潜热 L2258.4kJ/kg T285K，T165K 由热量守恒可得 KATmqmL 即 列管式换热器的换热面积为 A总1919mm1.2m 1.36m24.21m2 故不满足要求。4.12 火星向外辐射能量的最大单色辐射波长为 13.2m。若将火星看作一个黑体，试求火星的温度为多少？解：由 mT2.9103 得 4

9、.13 若将一外径 70mm、长 3m、外表温度为 227的钢管放置于：（1）很大的红砖屋内，砖墙壁温度为 27；（2）截面为 0.30.3m2的砖槽内，砖壁温度为 27。试求此管的辐射热损失。（假设管子两端的辐射损失可忽略不计）补充条件：钢管和砖槽的黑度分别为 0.8 和 0.93 解：（1）Q12C1212A（T14T24）/1004 由题有 121，C121C0，10.8 Q121C0 A（T14T24）/1004 0.85.67W/（m2K4）3m0.07m（5004K43004K4）/1004 1.63103W（2）Q12C1212A（T14T24）/1004 由题有 121 28

10、C12C0/1/1A1/A2（1/21）Q12C0/1/1A1/A2（1/21）A（T14T24）/1004 5.67W/（m2K4）1/0.8（30.07/0.30.33）（1/0.931）3m0.07m（5004K43004K4）/1004 1.42103W 4.14 一个水加热器的表面温度为 80，表面积为 2m2，房间内表面温度为 20。将其看成一个黑体，试求因辐射而引起的能量损失。解：由题，应满足以下等式 且有 121；AA1；C12C01 又有 A12m2；11 所以有 8.1 在 30，常压条件下，用吸收塔清水逆流吸收空气-SO2混合气体中的 SO2，已知气-液相平衡关系式为，入

11、塔混合气中 SO2摩尔分数为 0.05，出塔混合气 SO2摩尔分数为 0.002，出塔吸收液中每 100 g 含有 SO2 0.356 g，试分别计算塔顶和塔底处的传质推动力，用表示。解：（1）塔顶 出塔 SO2的摩尔分数为，入塔吸收液中 SO2的摩尔分数为 所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为 与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为 所以 忽略吸收液中溶解的 SO2，则摩尔浓度可计算为 （2）塔底 入 塔 SO2的 摩 尔 分 数 为，出 塔 吸 收 液 中SO2的 摩 尔 分 数 为 所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为 与出塔吸收液平衡的气相摩尔分数为 所以 28 8.2 吸收塔内某截面处气相

12、组成为，液相组成为，两相的平衡关系为，如果两相的传质系数分别为kmol/(m2s)，kmol/(m2s)，试求该截面上传质总推动力、总阻力、气液两相的阻力和传质速率。解：与气相组成平衡的液相摩尔分数为 所以，以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为 同理，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为 所以，以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为 以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 传质速率 以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数分析传质阻力 总传质阻力 其中液相传质阻力为 占总阻力的 66.7%气膜传质阻力为 占总阻力的 33.3%8.3 用吸收塔吸收废气中的 SO2，

13、条件为常压，30，相平衡常数为，在塔内某一截面上，气相中 SO2分压为 4.1kPa，液相中 SO2浓度为 0.05kmol/m3，气相传质系数为kmol/(m2hkPa)，液相传质系数为m/h，吸收液密度近似水的密度。试求：（1）截面上气液相界面上的浓度和分压；（2）总传质系数、传质推动力和传质速率。解：（1）设气液相界面上的压力为，浓度为 忽略 SO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为 28 溶解度系数 在相界面上，气液两相平衡，所以 又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等，所以 所以 由以上两个方程，可以求得（2）总气相传质系数 总液相传质系数 与水溶液平衡的气相平衡分压为 所以用分压差表示的

14、总传质推动力为 与气相组成平衡的溶液平衡浓度为 用浓度差表示的总传质推动力为 传质速率 或者 8.4 101.3kPa 操作压力下，在某吸收截面上，含氨 0.03 摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m3的溶液发生吸收过程，已知气膜传质分系数为 kmol/(m2skPa)，液膜传质分系数为m/s，操作条件下的溶解度系数为 kmol/(m2kPa)，试计算：（1）界面上两相的组成；（2）以分压差和摩尔浓度差表示的总传质推动力、总传质系数和传质速率；（3）分析传质阻力，判断是否适合采取化学吸收，如果采用酸溶液吸收，传质速率提高多少。假设发生瞬时不可逆反应。解：（1）因为相界面上，气液平衡，所以 气

15、相中氨气的分压为 28 稳态传质条件下，气液两相传质速率相等，所以 根据上面两个方程，求得（2）与气相组成平衡的溶液平衡浓度为 用浓度差表示的总传质推动力为 与水溶液平衡的气相平衡分压为 所以用分压差表示的总传质推动力为 总气相传质系数 总液相传质系数 传质速率（3）以气相总传质系数为例进行传质阻力分析 总传质阻力 其中气膜传质阻力为 占总阻力的 95.6%液膜传质阻力为 占总阻力的 4.4%所以这个过程是气膜控制的传质过程，不适合采用化学吸收法。如果采用酸液吸收氨气，并且假设发生瞬时不可逆反应，则可以忽略液膜传质阻力，只考虑气膜传质阻力，则，仅仅比原来的传质系数提高了4.6%，如果传质推动力

16、不变的话，传质速率也只能提高 4.6%。当然，采用酸溶液吸收也会提高传质推动力，但是传质推动力提高的幅度很有限。因此总的来说在气膜控制的吸收过程中，采用化学吸收是不合适的。8.5 利用吸收分离两组分气体混合物，操作总压为 310kPa，气、液相分传质系数分别 28 为气、液两相平衡符合亨利定律，关系式为（p*的单位为 kPa），计算：（1）总传质系数；（2）传质过程的阻力分析；（3）根据传质阻力分析，判断是否适合采取化学吸收，如果发生瞬时不可逆化学反应，传质速率会提高多少倍？解：（1）相平衡系数 所以，以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 （2）以液相

17、摩尔分数差为推动力的总传质阻力为 其中液膜传质阻力为，占总传质阻力的 99.7%气膜传质阻力为，占传质阻力的 0.3%所以整个传质过程为液膜控制的传质过程。（3）因为传质过程为液膜控制，所以适合采用化学吸收。如题设条件，在化学吸收过程中，假如发生的是快速不可逆化学反应，并且假设扩散速率足够快，在相界面上即可完全反应，在这种情况下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收过程，此时 与原来相比增大了 426 倍 8.6 已知常压下，20时，CO2在水中的亨利系数为 1.4410-5kPa，并且已知以下两个反应的平衡常数 若平衡状态下气相中的 CO2分压为 10kPa，求水中溶解的 CO2的浓度。（CO2

18、在水中的一级离解常数为 kmol/m3，实际上包含了上述两个反应平衡，28）解：首先求得液相中 CO2的浓度 由亨利定律 忽略 CO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为 所以 所以水中溶解的 CO2总浓度为 8.7 在两个吸收塔 a、b 中用清水吸收某种气态污染物，气-液相平衡符合亨利定律。如下图所示，采用不同的流程，试定性地绘出各个流程相应的操作线和平衡线位置，并在图上标出流程图中各个浓度符号的位置。X2b Y2b X1a X1b X2a Y1a Y2a Y1b a b X2b Y1b X1a X1b X2a Y1a Y2a Y2b a b 28 图 8-1 习题 8.7 图示 解：(a)(b)X2

19、b Y2b X1a X1b Y1a Y2a Y1b a b X2a 28 (c)图 8-2 习题 8.7 图中各流程的操作线和平衡线 8.8 用吸收法除去有害气体，已知操作条件下相平衡关系为，混合气体初始含量为，吸收剂入塔浓度为，液气比为 2。已知在逆流操作时，气体出口浓度为。如果操作条件不变，而改为并流操作，气体的出口含量是多少？逆流操作吸收的溶质是并流操作的多少倍？假设总体积传质系数不变。解：逆流操作时，液体出口含量为 平均传质推动力 传质单元数为 改为并流操作后，体积传质系数不变，所以传质单元高度不变，传质单元数也不变。联立并流操作的物料衡算和传质单元数计算式 将数值代入以上两式，求得

20、28 逆流和并流操作所吸收的溶质量之比为 8.9 在吸收塔中，用清水自上而下并流吸收混合废气中的氨气。已知气体流量为1000m3/h（标准状态），氨气的摩尔分数为 0.01，塔内为常温常压，此条件下氨的相平衡关系为，求：（1）用 5 m3/h 的清水吸收，氨气的最高吸收率；（2）用 10 m3/h 的清水吸收，氨气的最高吸收率；（3）用 5 m3/h 的含氨 0.5%（质量分数）的水吸收，氨气的最高吸收率。解：（1）气体的流量为 液体的流量为 假设吸收在塔底达到平衡 所以最大吸收率为（2）气体的流量为 液体的流量为 假设吸收在塔底达到平衡 所以最大吸收率为（3）吸收剂中氨的摩尔分数为 假设吸收

21、在塔底达到平衡 28 所以最大吸收率为 8.10 用一个吸收塔吸收混合气体中的气态污染物 A，已知 A 在气液两相中的平衡关系为，气体入口浓度为，液体入口浓度为，（1）如果要求吸收率达到 80%，求最小气液比；（2）溶质的最大吸收率可以达到多少，此时液体出口的最大浓度为多少？解：（1）气相入口摩尔比，液相入口摩尔比 吸收率 所以，最小液气比（2）假设吸收塔高度为无穷大，求 A 的最大吸收率 当液气比，操作线与平衡线重合，气液两相在塔顶和塔底都处于平衡状态。吸收率 此时液相出口浓度 当液气比，操作线与平衡线在塔顶点相交，即液相进口浓度与气相出口浓度平衡。吸收率 此时液相出口浓度 与相比，吸收率达

22、到同样大小，但是液相出口浓度要低。当液气比，操作线与平衡线在塔底点相交，即液相出口浓度与气相进口浓度平衡。28 此时液相出口浓度 吸收率 与相比，液相出口浓度达到同样大小，但是吸收率要低。8.11 在逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合废气中的组分 A，入塔气体溶质体积分数为 0.01，已知操作条件下的相平衡关系为，吸收剂用量为最小用量的 1.5 倍，气相总传质单元高度为 1.2m，要求吸收率为 80%，求填料层的高度。解：已知传质单元高度，求得传质单元数，即可得到填料层高度。塔底：塔顶：操作过程的液气比为 吸收因子 所以，传质单元数为 所以填料层高度为 8.12 在一个填料塔中用清水吸收空气中

23、的某气态污染物，在其他条件不变的情况下，将吸收率从 95%提高到 98%，则吸收剂的用量增加多少倍？假设过程为气膜控制吸收过程，吸收因子为。解：吸收剂用量的增加，会带来液相吸收系数的变化，题意中气膜控制吸收过程用意在于可以忽略液相吸收系数的变化对总传质系数的影响，而认为总传质系数不变。在清水吸收的条件下，吸收塔高度不变，吸收因子，假设吸收剂用量增加 n 倍，则吸收因子也会增加 n 倍。28 其中 所以 求得 n=1.90 所以吸收剂用量需要增加 1.90 倍。8.13 在填料层高度为 5m 的填料塔内，用清水吸收空气中的某气态污染物。液气比为1.0，吸收率为 90%，操作条件下的相平衡关系为。如果改用另外一种填料，在相同的条件下，吸收率可以提高到 95%，试计算两种填料的气相总体积传质系数之比。解：吸收因子 原填料下：气相总传质单元高度为：新填料下：气相总传质单元高度为：在其它条件不变的情况下，两种填料的气相总体积传质系数之比为