【精品】环境工程原理第三版课后答案

1、1.2 简要阐述环境工程学的主要任务及其学科体系解：环境工程学作为环境学科的一个重要分支，主要任务是利用环境学科以及工程学的方法，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和生存以及社会的可持续开展。图 1-2 是环境工程学的学科体系。1.3 去除水中的悬浮物，有哪些可能的方法，它们的技术原理是什么？解：去除水中悬浮物的方法主要有：沉淀、离心别离、气浮、过滤砂滤等 、过滤筛网过滤 、反渗透、膜别离、蒸发浓缩等。 上述方法对应的技术原理分别为：重力沉降作用、离心沉降作用、浮力作用、物理阻截作用、物理阻截作用、渗透压、物理截留等、水与污染物 的蒸发性差异。1.4空

2、气中挥发性有机物VOCs的去除有哪些可能的技术，它们的技术原理是什么？解：去除空气中挥发性有机物VOCs的主要技术有：物理吸收法、化学吸收法、吸附法、催化氧化法、生物法、燃烧法等。上述方法对应的技术原理分别为：物理吸收、化学吸收、界面吸附作用、氧化复原反响、生物降解作用、燃烧反响。1.5 简述土壤污染可能带来的危害及其作用途径。解：土壤污染的危害及其作用途径主要有以下几个方面：通过雨水淋溶作用，可能导致地下水和周围地表水体的污染；污染土壤通过土壤颗粒物等形式能直接或间接地为人或动物所吸入：通过植物吸收而进入食物链，对食物链上的生物产生毒害作用等。1.6 环境净化与污染控制技术原理可以分为哪几类

3、？它们的主要作用原理是什么？解：从技术原理上看，环境净化与污染控制技术原理可以分为 “隔离技术 、 “别离技术 和“转化技术三大类。隔离技术是将污染物或者污染介质 隔离从而切断污染物向周围环境的扩散， 防止污染近一步扩大。 别离技术是利用污染物与污染介质或其它污染物在物理性质或化学性质上的差异使其 与介质别离，从而到达污染物去除或回收利用的目的。转化技术是利用化学或生物反响，使污染物转化成无害物质或易于别离的物质，从而使污染介 质得到净化与处理。1.7?环境工程原理?课程的任务是什么？ 解：该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染控制工程，即水质净化与水污染控制工程、大气包括室内空气污染控制

4、工程、固体废物 处理处置与管理和资源化工程、物理性污染热污染、辐射污染、噪声、振动控制工程、自然资源的合理利用与保护工程、生态修复与构建工程以 及其它污染控制工程中涉及到的具有共性的工程学根底、根本过程和现象以及污染控制装置的根本原理，为相关的专业课程打下良好的理论根底。第二章质量衡算与能量衡算2.1某室内空气中03的浓度是0.08 X10-6 体积分数，求：1在1.013 X05Pa、25C下，用口 g/n3表示该浓度；2在大气压力为0.83 X 05Pa和15C下，03的物质的量浓度为多少？解：理想气体的体积分数与摩尔分数值相等由题，在所给条件下，1mol空气混合物的体积为 V1= V0P

5、0T1/P1T0= 22.4L X298K/273K =24.45L所以O3浓度可以表示为0.08 106mol X48g/mol (24.45L) 一1 =157.05 g/m3(2)由题，在所给条件下，1mol空气的体积为Vi = V0P0T1/P订0=22.4L 凶.013 1：05Pa288K/(0.83 K)5PaX273K)= 28.82L所以。3的物质的量浓度为0.14凶0-6，问是否符合要求?0.08 凶06mol/28.82L = 2.78 T09mol/L2.2假设在25 C和1.013 105Pa的条件下，SQ的平均测量浓度为400 g/m，假设允许值为解：由题，在所给条

6、件下，将测量的 SO2质量浓度换算成体积分数，即RT 1038.3142981034001.0131056410 90.1510大于允许浓度，故不符合要求如果此方程在因次上是一致的，在国际单位制中A的单位必须是什么？解：由题易得，A的单位为kg/ (m3 K)2.5 一加热炉用空气(含O2 0.21,N2 0.79)燃烧天然气(不含。2与2)。分析燃烧所得烟道气，其组成的摩尔分数为 CO? 0.07,出0 0.14, O2 0.056, N2 0.734。求每通入100m3、30C的空气能产生多少m3烟道气？烟道气温度为300C，炉内为常压。N2为衡算对象，烟道气中的 N2全部来自空气。设产生

7、解：假设燃烧过程为稳态。烟道气中的成分来自天然气和空气。取加热炉为衡算系统。以烟道气体积为V2。根据质量衡算方程，有0.79 QVRT1= 0.734 %V2/RT20.79 100m3/303K = 0.734 /573KV2 = 203.54m32.8某河流的流量为3.0m3/s，有一条流量为0.05m3/s的小溪汇入该河流。为研究河水与小溪水的混合状况，在溪水中参加示踪剂。假设仪器检测 示踪剂的浓度下限为1.0mg/L 0为了使河水和溪水完全混合后的示踪剂可以检出， 溪水中示踪剂的最低浓度是多少？需参加示踪剂的质量流量是多少? 假设原河水和小溪中不含示踪剂。解：设溪水中示踪剂的最低浓度为

8、p那么根据质量衡算方程，有 0.05 =( 3+ 0.05) X1.0解之得p= 61 mg/L参加示踪剂的质量流量为 61X0.05g/s= 3.05g/s2.9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4 m/s的流速从一边流入。假设某种空气污染物以10.0kg/s的总排放速率进入空箱，其降解反响速率常数为0.20h。假设完全混合，(1 )求稳态情况下的污染物浓度；(2)假设风速突然降低为1m/s，估计2h以后污染物的浓度解：(1)设稳态下污染物的浓度为p那么由质量衡算得10.0kg/s(0.20/3600) XpXlOOX100X1X109

9、m3/s 4X100xixio6pm3/s= 0解之得p= 1.05 10-2mg/m3(2)设空箱的长宽均为L,高度为h,质量流量为qm,风速为u。根据质量衡算方程q q km1 m2 卜dmdt带入量，别离变量并积分，得L2h3600dt01.05 10d210-6 6.6 10-52 mg/L，同时从水池中排比与槽内水面高度z的积分有p= 1.15 X0-2mg/m32.10某水池内有1 m3含总氮20 mg/L的污水，现用地表水进行置换，地表水进入水池的流量为10 m3/min，总氮含量为出相同的水量。假设水池内混合良好，生物降解过程可以忽略，求水池中总氮含量变为5 mg/L时，需要多

10、少时间？解：设地表水中总氮浓度为p，池中总氮浓度为p由质量衡算，得即 dt1 d10 (2 )积分，有t51dt d020 10 (2)求得 t = 0.18 min2.11有一装满水的储槽，直径1m、高3m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直径为4cm，测得水流过小孔时的流速关系U0= 0.62 (2gz) 0.5试求放出1m3水所需的时间。解：设储槽横截面积为 A1,小孔的面积为A2由题得 A2u0= dV/dt，即 u0= dz/dt X1/a2所以有dz/dtx( 100/4) 2= 0.62 (2gz)。5即有226.55 XZ-.5dz = dtZ0= 3mz1= z0- 1m3x

11、 ( nX 0.25m -1= 1.73m积分计算得t = 189.8s2.12给水处理中，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150kg/h和30kg/h的流量参加搅拌槽中，制成溶液后，以 120kg/h的流率流出容器。由于搅拌充分，槽内浓度各处均匀。开始时槽内预先已盛有100kg纯水。试计算1h后由槽中流出的溶液浓度。解：设t时槽中的浓度为p, dt时间内的浓度变化为dp由质量衡算方程，可得30 12030120d100 60tdt时间也是变量，一下积分过程是否有误？30Xdt =/ 100+ 60t) dC + 120Cdt即/ 30

12、- 120C) dt =/ 100+ 60t)dC由题有初始条件t = 0, C= 0积分计算得：当t = 1h时C = 15.23%2.13有一个4X3m2的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/(m2h)，有50%的太阳能被吸收用来加热流过取暖器的水流。水的流量为0.8L/min求流过取暖器的水升高的温度。解：以取暖器为衡算系统，衡算基准取为1h。输入取暖器的热量为 3000X12X50 % kJ/h= 18000 kJ/h设取暖器的水升高的温度为/ T)，水流热量变化率为qmcp T根据热量衡算方程，有18000 kJ/h= 0.8 X0X1X4.183 TkJ/h.K解之得 T =

13、89.65K2.14有一个总功率为1000MW的核反响堆，其中2/3的能量被冷却水带走，不考虑其他能量损失。冷却水来自于当地的一条河流，河水的流量 为100m3/s，水温为20C。/1)如果水温只允许上升10C，冷却水需要多大的流量；(2)如果加热后的水返回河中，问河水的水温会上升多少C。解：输入给冷却水的热量为Q= 1000 X2/3MW = 667 MW(1)以冷却水为衡算对象，设冷却水的流量为qV ,热量变化率为qmcp T根据热量衡算定律，有qV X1O3M.183 10 kJ/m3=667X103KWQ= 15.94m3/s(2)由题，根据热量衡算方程，得第三章流体流动100 103

14、X4.183 T kJ/m3 = 667X103kwT = 1.59K3.1如图3-1所示，直径为10cm的圆盘由轴带动在一平台上旋转，圆盘与平台间充有厚度8 =1.5mm的油膜。当圆盘以n=50r/min旋转时，测得扭矩M=2.94X10-4Nm 设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，试确定油的黏度。解：在半径方向上取 dr,那么有dM = dFT由题有dF= t- dAdu=dydA= (r dr)2 r22 r drdu 2 nrdy =所以有d u2 n 3dM=2 r dr r 4r 3d rdy两边积分计算得M= 2 r4代入数据得2.94 104N-m = g ( 0.05m) 4

15、X nx (50/60) s/ (1.5 103m)可得g= 8.58 10 3Pa s3.2常压、20C的空气稳定流过平板壁面，在边界层厚度为1.8mm处的雷诺数为6.7 104。求空气的外流速度。解：设边界层厚度为 8空气密度为p空气流速为uo由题，因为湍流的临界雷诺数一般取5X1056.7 X04，所以此流动为层流。对于层流层有4.641XRex同时又有xuRex = 两式合并有0.54.641 Re =即有4.641 x(6.7 X04) 0.5 = uxixio3kg/m3xi.8mm/ (1.81 凶05Pas)u= 0.012m/s3.3污水处理厂中，将污水从调节池提升至沉淀池。

16、两池水面差最大为10m，管路摩擦损失为4J/kg，流量为34 m3/h。求提升水所需要的功率。设水的温度为25Co解：设所需得功率为 Ne,污水密度为pNe = WQv p=( gAz+Zhf) qv p=(9.81m/s2 X0m+4J/kg) XX03kg/m3X34/3600m3/s=964.3W3.4如下图，有一水平通风管道，某处直径由400mm减缩至200mm。为了粗略估计管道中的空气流量， 在锥形接头两端各装一个 U管压差计, 现测得粗管端的表压为100mm水柱，细管端的表压为40mm水柱，空气流过锥形管的能量损失可以忽略，管道中空气的密度为1.2kg/m3,试求管道中的空气流量。

17、图3-2习题3.4图示u,/2+ p1 / =比2/2 + p2/ p解：在截面1-1和2-2之间列伯努利方程:由题有u2 = 4U1所以有 u,/2+ p/ = 1652/2 + p2/ p15 u12= 2X0-)/ p= (0-p=2X (1000-1.2) kg/m3x9.81m/s2 x (0.1m0.04m) / (1.2kg/m3)解之得u1= 8.09m/s所以有匕=32.35m/sqv= UiA = 8.09m/s x nCSOOmm 2= 1.02m3/s3.5如图3-3所示，有一直径为1m的高位水槽，其水面高于地面 8m,水从内径为100mm的管道中流出，管路出口高于地面

18、2m,水流经系统的能量损失不包括出口的能量损失可按hf6.5u2计算，式中U为水在管内的流速，单位为 m/s。试计算1假设水槽中水位不变，试计算水的流量；2假设高位水槽供水中断，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 + p/ 叶 gZ1 = U22/2 + p2/ 叶 gz2 + hf由题意得p1= p2，且u1 = 0所以有9.81m/s2x (8m 2m)= u2/2 + 6.5u2解之得u = 2.90m/sqv= uA= 2.90m/s XnX 0.614n= 2.28

19、 X0 2m3/s(2)由伯努利方程，有u12/2 + gz1 = u22/2 + gz + 2hf即u 2/2 + gz1 = 7u22 + gz2由题可得u1/u2= (0.1/1) 2 =0.01取微元时间dt，以向下为正方向那么有 5 =dz/dt所以有(dz/dt) 2/2 +gz1 = 7 (100dz/dt) 2/2 + gz21N/m2。求距管中心5mm处的流速为多少？又当管中心速度积分解之得t = 36.06s3.7水在20C下层流流过内径为13mm、长为3m的管道。假设流经该管段的压降为为0.1m/s时，压降为多少?Um解：设水的黏度(=1.0 *0-3Pa.s管道中水流平

20、均流速为根据平均流速的定义得:Um=qVAr。4 dpf21 dpf 2 厂dT r所以PfUml r代入数值得21N/m2 = 8X1.0 X0-3Pas UmX3m/ (13mm/2) 2解之得Um= 3.7 X0 2m/s又有Umax = 2 Um所以u = 2um1 ( r/r)勺(1)当r= 5mm，且r0= 6.5mm，代入上式得u= 0.03m/s(2) Umax = 2 UmApf = Umax/Uix 73 f=0.1/0.074 21N/m=28.38N/m10mm的水平圆管，试求算流动充分开展以后:3.8温度为20C的水，以2kg/h的质量流量流过内径为(1)流体在管截面

21、中心处的流速和剪应力;(2)流体在壁面距中心一半距离处的流速和剪应力(3) 壁面处的剪应力解：(1)由题有Um = qm/ pA=2/3600kg/s/ (1X103kg/m3n010m2/4)7.07 10 3m/sUmd = 282.8%怡管截面中心处的剪应力为0(2)流体在壁面距中心一半距离处的流速:u= Umax(1 r2/r02)u1/2= 1.415 0 2m/s /4= 1.06 0 2m/s由剪应力的定义得流体在壁面距中心一半距离处的剪应力:1/2 = 2卜监斤0=2.83 03N/m2(3)壁面处的剪应力:dudrUmr2rot = 2t/2 = 5.66 0 3N/m23.

22、9 一锅炉通过内径为3.5m的烟囱排除烟气，排放量为3.5 05m3/h，在烟气平均温度为260C时，其平均密度为4Pas。大气温度为20C，在烟囱高度范围内平均密度为1.15 kg/m3。为克服煤灰阻力，烟囱底部压力较地面大气压低0.6 kg/m3,平均粘度为2.8凶0245 Pa问此烟囱需要多高？假设粗糙度为5mm。解：设烟囱的高度为h，由题可得相对粗糙度为查表得所以摩擦阻力u = qv/A = 10.11m/sRe= dup /=i7.58 04 /= 5mm/3.5m= 1.4293X= 0.028hf建立伯努利方程有ui2/2 + pi/ 叶gzi = u22/2 + p2/ 叶gz

23、2 + 艺由题有ui =U2, pi =po-245Pa, p2 =po p空gh即(hxi.15 kg/m308m/s2 245Pa) / (0.6kg/m3) = hX9.8m/s2 +hX).028/3.5m x( 10.11m/s) 2/2解之得h =47.64m3.10用泵将水从一蓄水池送至水塔中，如图3-4所示。水塔和大气相通，池和塔的水面高差为60m，并维持不变。水泵吸水口低于水池水面 2.5m,进塔的管道低于塔内水面 1.8m。泵的进水管DN150，长60m，连有两个90。弯头和一个吸滤底阀。泵出水管为两段管段串联，两段分别为DN150、长23m和DN100、长100 m，不同

24、管径的管道经大小头相联，DN100的管道上有3个90弯头和一个闸阀。泵和电机的总效率为60%。要求水的流量为140 m3/h，如果当地电费为0.46元/ kW- h，问每天泵需要消耗多少电费？水温为 25 C,管道视为光滑管3.11如图3-5所示，某厂方案建一水塔，将20C水分别送至第一、第二车间的吸收塔中。第一车间的吸收塔为常压，第二车间的吸收塔内压力为20kPa 表压。总管内径为50mm钢管，管长为30 + Z0，通向两吸收塔的支管内径均为20mm，管长分别为28m和15m 以上各管长均已包括所有局部阻力当量长度在内。喷嘴的阻力损失可以忽略。钢管的绝对粗糙度为0.2mm。现要求向第一车间的

25、吸收塔供给1800kg/h的水，向第二车间的吸收塔供给2400kg/h的水，试确定水塔需距离地面至少多高？20C水的粘度为1.0 X0-3 Pas,摩擦系数可由式0 .23_58计算d Re图3-5习题3.11图示解：总管路的流速为u0= qm0/ ( p) =4200 kg/h/ (1X1CPkg/m3x%x 0.0fi5)= 0.594m/s第一车间的管路流速为u1 = qm1/ ( pn)r = 1800kg/h/ (1X103kg/m3x%x 0m2)= 1.592m/s第二车间的管路流速为U2 = 52/ ( p) = 2400 kg/h/ (仁10枕伽3乂兀巾1012)= 2.12

26、2m/s那么 Re)= dup/ = 29700k= 0.1(/* 58/Re) 0.23 = 0.0308Rei = du p / = 31840k= 0.1 (e /* 58/Re) 0-23 = 0.036Re2 = dup / 在 42400b= 0.1 (e/4 58/Re) .23 = 0.0357以车间一为控制单元，有伯努利方程U12/2+ gz1+ P1/ 旷艺h =gz)+ P0/ pP1 = P0,故(1.592m/s) 2/2 +9.8m/s2X3m + 0.0308 x(0.594m/s) 2x ( 30 + Z0) m/ (2X0.05m) + 0.036 x (1.

27、592m/s) 2 28m/ (2X).02m)= 9.8m/s2Q解之得z)= 10.09m以车间二为控制单元，有伯努利方程U22/2 + gz2 + P2/ 叶艺h =gz0+ P0/ p(2.122m/s) 2/2 +9.8m/s2X5m + 20kPa/(1X103kg/m3)+ 0.0308 x( 0.594m/s) 2x (30 + z) m/ ( 2X0.05m)+0.0357 x(2.122m/s) 2X5m/ (2X0.02m)= 9.8m/s2Xz0解之得Z0= 13.91m故水塔需距离地面13.91m3.13某管路中有一段并联管路，如图3-7所示。总管流量为120L/s。

28、支管A的管径为200mm，长度为1000m;支管B分为两段，MO段管入相等，取X= 0.02径为300mm，长度为900m, ON段管径为250mm,长度为300m，各管路粗糙度均为0.4mm。试求各支管流量及 M、N之间的阻力损失。解：由题，各支管粗糙度相同，且管径相近，可近似认为各支管的将支管A、MO、ON段分别用下标1、2、3表示对于并联管路，满足hfA = hfB，所以有11 5 I? u 2 13 U3d12d32又因为MO和ON段串联，所以有U2 Xd2= U3 Xd32联立上述两式，那么有2500 U12 = 2744.16 匕2U1 = 1.048 q又 qV= u1 nd2/

29、4+ U2 n/4解之得 u2= 1.158m/s, u1 = 1.214m/sqvA = Ui n/4 = 38.14L/SqvB = U2 n d2/4 = 81.86L/ShFmn =入齐 Xu2/2d1 = 73.69m2/s2第五章质量传递5.1在一细管中，底部水在恒定温度 298K下向干空气蒸发。干空气压力为 0.1 106pa、温度亦为298K。水蒸气在管内的扩散距离(由液面到管顶 部)L =20cm。在0.1 x106Pa 298K的温度时，水蒸气在空气中的扩散系数为 Dab = 2.50 M0-5m2/s。试求稳态扩散时水蒸气的传质通量、传质分系数 及浓度分布。解：由题得，2

30、98K下水蒸气饱和蒸气压为 3.1684 M03Pa,那么PA,i = 3.1684 03Pa, Pa,0= 0pB ,mpB ,0 - pB ,iln P B ,0 / P B,i0.9841105Pa(1)稳态扩散时水蒸气的传质通量:NaD ABP A,i - p A,0RTp B,mL1.62 10mol . cm 2 s(2)传质分系数:kGNa5.11pA,i pA,0810 molcm2 s Pa(3)由题有，11yA,iyA ,0ZL1yA,iyA,i = 3.1684/100 = 0.031684yA,0 = 简化得 yA 10.9683(1 5z)5.2在总压为2.026 1

31、05Pa、温度为298K的条件下，组分A和B进行等分子反向扩散。当组分A在两端点处的分压分别为Pa,1=0.4 105Pa和Pa,2=0.1 105Pa时，由实验测得k0G = 1.26 10-8kmol/(m2 s Pa)，试估算在同样的条件下,组分A通过停滞组分B的传质系数kG以及传质通量Na。解：由题有，等分子反向扩散时的传质通量为nAkGPa,1 Pa,2DABPa,1 Pa,2RTL单向扩散时的传质通量为NakGPa,1pA,2Dab P Pa,1 Pa,2RTpB ,m L所以有 NakGPa,1Pa,2pB,m又有PB,mPb,2Pb,1ln Pb,2PB,11.75 105Pa

32、即可得 匕kg P=1.44 10-5mol/(m2 s Pa)pB,mNakG Pa,1Pa,20.44molm2 s5.3浅盘中装有清水，其深度为 5mm，水的分子依靠分子扩散方式逐渐蒸发到大气中，试求盘中水完全蒸干所需要的时间。假设扩散时水的分子通过一层厚4mm、温度为30C的静止空气层，空气层以外的空气中水蒸气的分压为零。分子扩散系数DAB =0.11m2/h.水温可视为与空气相同。当地大气压力为1.01 x105Pst解：由题，水的蒸发可视为单向扩散DabP pA,ipA,0Na RTpB,mZ30C下的水饱和蒸气压为 4.2474 1：03Pa,水的密度为995.7kg/m3故水的

33、物质的量浓度为 995.7 x103/18= 0.5532 105mol/m330 C时的分子扩散系数为Dab= 0.11m2/hPa,i = 4.2474 103Pa, Pa,0= 0pB,mPb,0 PB,i 0.9886 105Paln Pb,0 , PB,i又有Na = c水V/(A t)(4mm的静止空气层厚度认为不变)所以有c 水V/(A t) =DabP(Paj pA,0)/(RTpB,m z)可得t = 5.8h5.5一填料塔在大气压和295K下，用清水吸收氨空气混合物中的氨。传质阻力可以认为集中在1mm厚的静止气膜中。在塔内某一点上，氨的分压为6.6 CPN/m2o水面上氨的

34、平衡分压可以忽略不计。氨在空气中的扩散系数为0.236 0-4m2/s。试求该点上氨的传质速率。解：设PB,1,PB,2分别为氨在相界面和气相主体的分压，PB,m为相界面和气相主体间的对数平均分压由题意得：pB,mPb,2 Pb,10.97963 105Paln Pb,2 - Pb,1D AB P PA,1 Pa,22.2N a6.57 10 mol m sRTPb5.6 一直径为2m的贮槽中装有质量分数为 0.1的氨水，因疏忽没有加盖，那么氨以分子扩散形式挥发。假定扩散通过一层厚度为5mm的静止空气层。在1.01 05Pa、293K下，氨的分子扩散系数为1.8 10-5m2/s，计算12h中

35、氨的挥发损失量。计算中不考虑氨水浓度的变化，氨在20C时的相平衡关系为P=2.6905x(Pa), x为摩尔分数。解：由题，设溶液质量为 a g氨的物质的量为0.1a/17mol总物质的量为0.9a/18+ 0.1a/17mol所以有氨的摩尔分数为x0.1a170.9a 18 0.1a 170.1053故有氨的平衡分压为 p= 0.1053 269 105Pa= 0.2832 1：05Pa即有 Paj = 0.2832 凶05Pa, Pa = 0PB,mPB,0pB,iln0.8608 105PaPB,0 pB,i所以NaDabP PAfAL 4.91 102 mol m2RTpB,mLn=N

36、A兰 t 6.66 103mol45.8溴粒在搅拌下迅速溶解于水，3min后，测得溶液浓度为50%饱和度，试求系统的传质系数。假设液相主体浓度均匀，单位溶液体积的溴粒表面积为a,初始水中溴含量为0,溴粒外表处饱和浓度为Ca,s解：设溴粒的外表积为 A，溶液体积为V，对溴进行质量衡算，有d(VcA)/dt = k(CA,s_ CA)A因为a=A/V，那么有dq/dt = ka ( ca,s ca )对上式进行积分，由初始条件，t= 0时，ca = 0,得Ca/cas= 1 ekat所以有ka= t 1ln 1 乂Ca,s1180s ln 10.51313.85 10 s第六章沉降6.1直径60

37、gm的石英颗粒，密度为2600kg/m3,求在常压下，其在20C的水中和20C的空气中的沉降速度该条件下，水的密度为998.2kg/m3,黏度为 1.005 M0-3Pas；空气的密度为 1.205kg/m3,黏度为 1.81 M0-5Pas。解：1在水中假设颗粒的沉降处于层流区,由式6.2.6得:gdp2186 22600 998.29.8160 10618 1.005 10 333.13 10 m/s检验：Rep业60 10 6 3.13 1031.005 100.186 2位于在层流区，与假设相符,计算正确。2在空气中应用K判据法，得 dp3g pK521.81 10 56 360 10

38、 69.81 1.205 260020.336所以可判断沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得:Ut18gdp26 22600 9.8160 10 618 1.81 10 50.28m/s6.2密度为2650kg/m3的球形颗粒在20 C的空气中自由沉降，计算符合斯托克斯公式的最大颗粒直径和服从牛顿公式的最小颗粒直径(空气的密度为 1.205kg/m3，黏度为 1.81 M0-5Pas)。ReP业解：如果颗粒沉降位于斯托克斯区，那么颗粒直径最大时,所以，同时pgdp2Ut 2UtdP18所以2 18 2dp 3 ，代入数值，解得dpg57.22 10 m同理，如果颗粒沉降位于牛顿区，那么颗粒直径

39、最小时,RsPdpUt1000所以 Ut 1000 ，同时 ut 1.74 pgdp所以dp 32.3，代入数值，解得d 1.51 10p3m第七章过滤7.1用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为V2V 6 10 5A2t式中：t的单位为s(1) 如果30min内获得5m3滤液，需要面积为0.4m2的滤框多少个?(2) 求过滤常数K，qe，te解：(1)板框压滤机总的过滤方程为V2 V 6 10 5A2t在t 30 601800s内，V 5m3，那么根据过滤方程252556 10 A 1800求得，需要的过滤总面积为 a 16.67m2所以需要的板框数n1670.441.67542(2)恒

40、压过滤的根本方程为 V2 2VVe KA2t与板框压滤机的过滤方程比拟，可得K 6 10 5m 2/sVe0.5m3，qeVeA050.03m3/m216.67te2 qe K0.032FTF515ste为过滤常数，与qe相对应，可以称为过滤介质的比当量过滤时间,7.2如例7.3.3中的悬浮液，颗粒直径为0.1mm,颗粒的体积分数为0.1,在9.81 M03Pa的恒定压差下过滤，过滤时形成不可压缩的滤饼，空隙率为0.6,过滤介质的阻力可以忽略，滤液黏度为1X10-3 Pas。试求:1每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间;2假设将此过滤时间延长一倍,可再得多少滤液?解：1颗粒的比外

41、表积为a4610 m2/m3滤饼层比阻为r1356 104 221 0.60.1.331010m-2过滤得到1m3滤液产生的滤饼体积空 / 0.91 0.60.10.61 0.61/3过滤常数所以过滤方程为当 q=1.5 时，t2 981010 3 1.33 1010彼 4.43 10 3m2/sq2 Kt153508s4.43 102时间延长一倍，获得滤液量为q4.43 10 3 2 5082.1 m3所以可再得0.6m3的滤液。7.3用过滤机处理某悬浮液，先等速过滤20min，得到滤液2m3，随即保持当时的压差等压过滤 40min，那么共得到多少滤液忽略介质阻力？解：恒速过滤的方程式为式7

42、.2.18aV2 KA2t11 2所以过滤常数为2V12K A2t17.2.15，此过滤常数为恒速过滤结束时的过滤常数，也是恒压过滤开始时的过滤常数，在恒压过滤过程中保持不变，所以由恒压过滤方程式V2 V12 KA2t V2 V12 菁心V22V；t1所以总的滤液量为VV22 2240204.47 m32220第八章吸收8.1在30C，常压条件下，用吸收塔清水逆流吸收空气-S02混合气体中的S02,气-液相平衡关系式为y 47.87x，入塔混合气中S02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SQ 0.356 g,试分别计算塔顶和塔底处的传质推动力

43、，用 y、x、 P、 c表示。第九章解：(1)塔顶出塔SO2的摩尔分数为y2 0.002，入塔吸收液中SO2的摩尔分数为x20所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为X20.002/47.874.17 10与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为y2y2 y2 y20.002 0 0.002p2101.325y2101.325 0.002 0.2026 kPa忽略吸收液中溶解的SO2,那么摩尔浓度可计算为 c 1000/1855.6mol/L所以x2X2X24.17 10 504.17105C2 55.6X2 55.6 4.17 10 5 0.00232moi/L(2) 塔底入塔SO2的摩尔分数为y1 0

44、.05，出塔吸收液中SO2的摩尔分数为x 0.356/64 X1 100/18所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为x； 0.05 /47.87 0.0010444与出塔吸收液平衡的气相摩尔分数为y147.87 x1 47.87 0.001 0.04787所以X!0.00104440.0014.4410yy1y 0.05 0.04787 0.00213口 101.325*101.325 0.002130.2158 kPa5G 55.6x155.6 4.44 100.00247 mol/L8.2吸收塔内某截面处气相组成为y 0.05液相组成为x .。1，两相的平衡关系为y2x，如果两相的传质系数分

45、别为5ky 25 10 kmol/(m2s), kx 1.25 105kmol/(m2 s),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 y2x2 0.010.02所以,以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为y 0.05 0.020.03同理,与液相组成平衡的气相摩尔分数差为x0.05/ 20.025所以,以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为0.025 0.010.015以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为Kx5 kmol/(m 2 s)0.83 10 51 11/kx 1/ mky 1/ 1.25 10 51/ 2 1.25 10 5以气相

46、摩尔分数差为推动力的总传质系数为Ky Kx/m 0.83 10 5/2 0.42 10 5kmol/(m2 s)传质速率 NaKx x 0.83 10 5 0.015 1.25 10 7 kmol/(m2 s)或者 NaKy y 0.42 10 5 0.03 1.26 10 7kmol/(m2s)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/a 1/ 0.83 10 51.20 105(m2 sj/kmol其中液相传质阻力为1/ k 1/ 1 25 10 50 8 105 (m2 s)/kmol占总阻力的66.7%气膜传质阻力为 1/ mky 1/ 2 1.25 10 50.4

47、105(m2 s)/kmol占总阻力的33.3%8.3用吸收塔吸收废气中的 SO2,条件为常压，30 C,相平衡常数为 m 26.7，在塔内某一截面上，气相中SO2分压为4.1kPa,液相中SO2浓2度为0.05kmol/m3,气相传质系数为kG1.5 10 kmol/(m 2 h kPa)，液相传质系数为 & 0.39 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pi,浓度为gC0忽略SO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为q 1000/18 55.6kmol/m3溶解度系数日卫竺0.0206k

48、mol/(kPa m3)mp26.7 101.325在相界面上，气液两相平衡，所以 c.0.0206 p.又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等,所以 & P P.kL q c所以 1.5 10 24.1 p.0.39&0.05由以上两个方程，可以求得pi 3.52 kPa,q 0.0724 kmol/m3(2)总气相传质系数Kg1/kG 1/HkL0 00523 kmol/(m2 h kPa)1/0.015 1/ 0.0206 0.39总液相传质系数Kl Kg /H 0.00523/0.02060.254m/h与水溶液平衡的气相平衡分压为pc/ H 0.05/0.02062.43 kPa所

49、以用分压差表示的总传质推动力为p 4.12.431.67 kPa与气相组成平衡的溶液平衡浓度为Hp0.02064.10.084 kmol/m3用浓度差表示的总传质推动力为0.0840.050.034kmol/m 3传质速率 Na Kg p 0.00523 1.670.0087 kmol/(m2 )或者 Na Kl C 0.254 0.0340.0086 kmom2 h)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，气膜传质分系数为4.73kmol/(m2 kPa)，试计算:kG5 10 kmol/(m 2 s kPa

50、)，液膜传质分系数为kL 1.5 10 m/s，操作条件下的溶解度系数为H(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响。解：(1)设气液相界面上的压力为pi，浓度为G因为相界面上，气液平衡，所以c Hpi，c 0.73 p气相中氨气的分压为 p 0.03 101.3 3.039kPa稳态传质条件下，气液两相传质速率相等，所以p p 心C c645 103.039 pi1.5 10 4 c 1根据上面两个方程，求得1 44 kPa， c 1

51、 05 kmol/m3(2)与气相组成平衡的溶液平衡浓度为c Hp 0.03 101.3 0.732.22 kmol/m3用浓度差表示的总传质推动力为c c c 2.2211.22 kmol/m3与水溶液平衡的气相平衡分压为p* c/H 1/0.731.370 kPa所以用分压差表示的总传质推动力为ppp 3.039 1.370 1.669kPa总气相传质系数K11彳 78 10 6 kmol/(m2 s kPa)G 1/ kc 1/ HkL 1/ 5 10 61/ 0.73 1.5 10 4总液相传质系数6 6Kl Kg /H 4.78 10 /0.73 6.55 10 m/s传质速率N A

52、Kg p 4.78 10 6 1.6697.978 10 6kmol/(m2 s)或者Na Klc 6.55 10 6 1.227.991 10 6kmol/(m2 s)(3)以气相总传质系数为例进行传质阻力分析总传质阻力 1/ kg 1/ 4.78 10 62.092 105 (m2 s kPa)/kmol其中气膜传质阻力为1/Kq1/ 5 10 62 1Q5 (m2 s kPa)/kmol占总阻力的95.6%液膜传质阻力为 i/HkG 1/ 0.73 1.5 10 49.1 103 (m2 kPa)/kmol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响，那么可以忽略液膜传质阻力，只考虑气膜传质阻力，那么6Kgkc5 10 kmol/(