环境工程原理期末总结

1、环境工程原理 期末总结2014.12.31主要内容 绪论 物料衡算与热量衡算 传热原理（计算1） 沉降 过滤 传质原理 吸收（计算1） 反应工程（计算1）总传热公式总传热公式mQK AtQ 的计算的计算K 的计算的计算tm的计算的计算总衡算总衡算导热导热对流对流热辐射热辐射强化强化传热过程传热过程知识关联图知识关联图11122221()()spspQ m cTTmctt温差差别(局部)QAt热量衡算方程：热量衡算方程：传热速率传热速率Q的计算：的计算：牛顿冷却定律：牛顿冷却定律：nimiiinAbTTQ111)(niiinAbTTQ111)(1212lnrrrrrm导热速率方程导热速率方程平壁

2、：平壁：圆筒壁：圆筒壁：辐射传热速率辐射传热速率42411212121100100TTACQ0000111 SiSoOiiimdddRRkddd总传热系数的计算：总传热系数的计算：mQKAt对流传热系数的求解对流传热系数的求解导热系数：物性参数导热系数：物性参数金属金属非金属固体非金属固体液体液体气体气体当流体被加热时，当流体被加热时，n=0.4； 流体被冷却时，流体被冷却时， n=0.3。410Re上式的应用条件：考试中一般满足120Pr7 . 050/ dL物性参数的定性温度为流体进出口的平均温度。物性参数的定性温度为流体进出口的平均温度。ndNuPrRe023.08 .0对流传热系数对流

3、传热系数无相变：无相变：管内强制对流的影响因素：管内强制对流的影响因素：1. 进口段的影响进口段的影响2. 热流方向的影响热流方向的影响3. 自然对流的影响自然对流的影响4. 其他因素的影响：管路弯曲，表面粗糙度其他因素的影响：管路弯曲，表面粗糙度增大管内强制对流传热系数的途径：增大管内强制对流传热系数的途径：1. 在管路条件不变的情况下，增大流速，在管路条件不变的情况下，增大流速，增大。增大。2. 在流量不变的情况下，减小管径或采用蛇管。在流量不变的情况下，减小管径或采用蛇管。注意：此时注意：此时并不与管径尺寸成反比。并不与管径尺寸成反比。 变化的根本原因：层流底层的厚度的变化变化的根本原因

4、：层流底层的厚度的变化有相变：有相变：冷凝：影响冷凝传热的因素，如何影响冷凝液层的厚度冷凝：影响冷凝传热的因素，如何影响冷凝液层的厚度沸腾：沸腾：沸腾的过热度与传沸腾的过热度与传热系数的关系热系数的关系临界点临界点表面汽化表面汽化沸腾条件过热，沸腾条件过热，气化核心气化核心强化传热措施强化传热措施传热平均温度差的计算：传热平均温度差的计算：1212lnmttttt 首先依据题意，画出流体温度在传热设备中的变首先依据题意，画出流体温度在传热设备中的变化趋势；化趋势；其次，计算两流体流体进口温差、出口温差；其次，计算两流体流体进口温差、出口温差；求对数平均值求对数平均值传热过程强化的途径传热过程强

5、化的途径mQ K At 1.增大总传热系数：增大总传热系数：,11ooos os iiimiodddRRKddd0.80.023RePrnd2.增大传热面积增大传热面积3. 增大传热平均温度差增大传热平均温度差1212lnmttttt 逆流优于并流逆流优于并流如何有效提高如何有效提高K？控制热阻法：控制热阻法： ，Rs可可忽略时，忽略时，K接近于接近于 小小一方；一方；若若 大大 小小， 小小K如如 汽汽水水 冷凝冷凝水水此时，有效提高此时，有效提高K的途径为提高的途径为提高 小小黑体、镜体、透过体、灰体、黑度黑体、镜体、透过体、灰体、黑度(1) Planck law辐射热传导基本概念、基本原

6、理辐射热传导基本概念、基本原理基本概念基本概念基本原理基本原理(2) Stefan-Boltzmann law( (四次方定律四次方定律) ) (3) Kirchhoff law减小热辐射的措施减小热辐射的措施 沉降沉降颗粒特性颗粒特性离心离心重力沉降重力沉降过滤过滤非均相分离过程非均相分离过程知识关联图知识关联图斯托克斯公式斯托克斯公式 有一列管换热器，外表面积为有一列管换热器，外表面积为40m2，列管为，列管为252.5mm的钢管。用饱和水蒸气将处理量为的钢管。用饱和水蒸气将处理量为2.5104kg/h的油从的油从40加热到加热到80。油走管程，流动状态为湍流。蒸气走壳程，。油走管程，流动

7、状态为湍流。蒸气走壳程，水蒸气压力为水蒸气压力为0.2MPa(绝压绝压)，冷凝给热系数，冷凝给热系数=1.2104W/(m2.K)，油的平均比热容，油的平均比热容cp=2.1103J/(kg.K)。 当油的处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？若要当油的处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？若要保持油的出口温度仍为保持油的出口温度仍为80，此换热器是否够用？，此换热器是否够用？ 若不够用，可采取哪些措施？若不够用，可采取哪些措施？ 并联或串联多大的换热器才够用？并联或串联多大的换热器才够用？解：解： 当油的处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？当油的处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？若要保

8、持油的出口温度仍为若要保持油的出口温度仍为80，此换热器是否够用？，此换热器是否够用？查表知查表知2atm水蒸气的饱和蒸气温度水蒸气的饱和蒸气温度 ts=1207 .578012040120ln)80120()40120(mt).W/(m7 .2527 .5740)4080(2100)3600/25000(2mpstAtcmK列管换热器列管换热器,A=40m2,252.5mm钢管。钢管。油走管程油走管程, ms2=2.5104kg/h,t1=40,t2=80,湍流湍流,cp=2.1103J/(kg.K)。蒸气走壳程蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压绝压),=1.2104W/(m2.K)。K为

9、基于管外表面积为基于管外表面积A的总传热系数的总传热系数221m1111dddbdK查得钢管导热系数查得钢管导热系数 =45 W/(m.K)，则，则K).W/(m9 .32720255 .2245250025. 01200017 .25211111221m112dddbdK列管换热器列管换热器,A=40m2,252.5mm钢管。钢管。油走管程油走管程, ms2=2.5104kg/h,t1=40,t2=80,湍流湍流,cp=2.1103J/(kg.K)。蒸气走壳程蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压绝压),=1.2104W/(m2.K)。 12 2K当油的流量增加一倍时，当油的流量增加一倍时，u

10、=2u741. 128 . 022uuKK若油出口温度仍为若油出口温度仍为80时：时：AAtKAtAKtcmtcm741. 12mmpsps2m95.45741. 1402A列管换热器列管换热器,A=40m2,252.5mm钢管。钢管。油走管程油走管程, ms2=2.5104kg/h,t1=40,t2=80,湍流湍流,cp=2.1103J/(kg.K)。蒸气走壳程蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压绝压),=1.2104W/(m2.K)。若换热面仍为若换热面仍为40m2，油的出口温度，油的出口温度t7 .5712080ln) 120(80741. 1)4080()40(2pspsKAttKAc

11、mtcm可解得：可解得： t=76.2AA，所以换热面不够。，所以换热面不够。列管换热器列管换热器,A=40m2,252.5mm钢管。钢管。油走管程油走管程, ms2=2.5104kg/h,t1=40,t2=80,湍流湍流,cp=2.1103J/(kg.K)。蒸气走壳程蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压绝压),=1.2104W/(m2.K)。 若不够用，可采取哪些措施若不够用，可采取哪些措施 增大传热面增大传热面 并联或串联一台换热器并联或串联一台换热器 提高加热蒸气的压力，以提高传热推动力提高加热蒸气的压力，以提高传热推动力 加添加物，增加扰动加添加物，增加扰动 提高管程对流给热系数，以提

12、高管程对流给热系数，以降低管程热阻降低管程热阻 并联或串联多大的换热器才够用？要考虑哪些因素？并联或串联多大的换热器才够用？要考虑哪些因素？并联一台同样大小的换热器，流量并联一台同样大小的换热器，流量ms增加一倍，传热面增加一倍，传热面增加一倍，流速不变，传热系数增加一倍，流速不变，传热系数K不变不变 正好够用。正好够用。列管换热器列管换热器,A=40m2,252.5mm钢管。钢管。油走管程油走管程, ms2=2.5104kg/h,t1=40,t2=80,湍流湍流,cp=2.1103J/(kg.K)。蒸气走壳程蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压绝压),=1.2104W/(m2.K)。若串联一

13、台换热器，由上面计算通过查换热器规格知，串若串联一台换热器，由上面计算通过查换热器规格知，串联一台联一台6m2的换热器即可。的换热器即可。列管换热器列管换热器,A=40m2,252.5mm钢管。钢管。油走管程油走管程, ms2=2.5104kg/h,t1=40,t2=80,湍流湍流,cp=2.1103J/(kg.K)。蒸气走壳程蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压绝压),=1.2104W/(m2.K)。传质原理传质原理 1. 掌握基本概念掌握基本概念 Fick 定律定律 等分子反方向扩散等分子反方向扩散 单向扩散单向扩散 2. 气液相平衡原理气液相平衡原理 吸收的方向、推动力和极限吸收的方向、

14、推动力和极限 3.双膜理论双膜理论 模型模型 控制步骤的判断控制步骤的判断需要掌握的公式需要掌握的公式1. Fick 定律定律AAABdcJDdz 2.等分子反方向稳态扩散等分子反方向稳态扩散12()AAAABccNDz12()AAAABBMcccNDcz3.单方向稳态扩散单方向稳态扩散浓度梯度浓度梯度的差分形式漂流因子4. 亨利定律亨利定律*ApE x实验证明实验证明:a）对稀溶液而言，）对稀溶液而言，E只是温度的函数，温度上升，只是温度的函数，温度上升，E增加，溶解度下降；增加，溶解度下降；b）难溶气体的）难溶气体的E大，易溶气体的大，易溶气体的E小。小。Henry 定律的其他形式定律的其

15、他形式* /AAAAcH ppcH或 AAym xZP p pi C ci c相界面气膜液膜气相主体液相主体GL双膜模型双膜模型(*)ALAANKcc5. 对流扩散的传质公式对流扩散的传质公式(*)AGAANKpp相间相间()ALAiANkcc()AGAAiNkpp相内相内平衡关系pA=cA/H在理解双膜理论的基础上，能够推导在理解双膜理论的基础上，能够推导KL或或KG与与kL和和kG之间的关系。判断控制步骤。之间的关系。判断控制步骤。例题：在总压P500kN/m2、温度t=27C下使含CO23.0%（体积）的气体与含CO2 370 g/m3的水相接触，试判断是吸收还是解吸？并计算以CO2分压

16、差表示的总传质推动力。已知在操作条件下，亨利系数E1.73105kN/m2，水溶液的密度可取1000kg/m3。 解： 由题意可知，4310514. 156.5510409. 8CCxAA于是：pe = E xA=1.731051.51410-4=26.19kPa而气相主体中CO2的分压pA = p3.0%=5003.0%=15kPa33/10409. 84437. 0mkmolCA对稀水溶液，C1000/18=55.56kmol/m3可见pe pA，故将发生解吸现象。以分压表示的总传质推动力：p = pe pA=26.18 15=11.18kPa 例：在填料塔内以水吸收空气氨混合气中的氨。已

17、知：总压P为1大气压，温度t为20，亨利系数E为7.66104Pa ，气相体积传质分系数kGa为4.2510-4kmol/(sm3kpa) ，液相体积传质分系数 kLa为 5.8210-3s1。气相中含氨5.4%（体积），液相中含氨0.062（摩尔分率），液相可按稀溶液处理。试求气、液界面处平衡的浓度以及气相传质阻力占总阻力的分率。 解：m=E/P=76.6/101.33=0.756 y=0.054 x=0.062 c=1000/18=55.56kmoL/m 4333101.33 4.25 100.0431/()5.82 1055.56 0.323/()yaGaxaLakp kkmoLm sk

18、C kkmoLm s 1111211211()()0.7564.31 10 (0.054)0.323(0.062)yaxaymxkyykxxyxyx在界面处：0629. 01x0475. 01y1/1/1/0.04310.756/0.32325.54yayaxaKkm k气相阻力占总阻力分率为： 008 .90)54.250431. 0/(1吸收吸收 1. 吸收影响因素：温度、压力吸收影响因素：温度、压力 2. 平衡线和吸收操作线图示及基于图的平衡线和吸收操作线图示及基于图的分析分析 3. 计算要求：计算要求： 物料衡算物料衡算 最小液气比最小液气比 传质单元数传质单元数 传质单元高度传质单元

19、高度 填料层高度填料层高度需要掌握的公式需要掌握的公式1212BBGYYLXX22BBGYYLXXB12*12minBLYYGXX1. 逆流操作时的物料衡算及最小液气比逆流操作时的物料衡算及最小液气比1212lnmyyyyy12OGmyyNy12*yyyGdyHKayy OGOGHHN OGyGHKa12 *yOGydyNyy1S mm GLALG2. 填料层高度的计算公式填料层高度的计算公式例：设计一台常压操作的填料吸收塔，用清水吸收焦炉气中的氨，操作条件下的平衡关系为y=1.2x，气体流率为4480m3/(m2.h)，入塔气体浓度为10g/Nm3，要求回收率为95%，吸收剂用量为最小用量的1.5倍,气相体积总传质系数Kya=200kmol/(m3.h)。试求： 水用量(m3/(m2.h)(取水=1000kg/m3)； 出塔溶液中氨的浓度(mol%)； 填料层高度(m)； Kya正比于G0.8(G为摩尔流率)，若回收率不变，塔内温度、压力、均不变,在液流量不变情况下，气体流率增加一倍，则填料层高度应变为多少？解： y1=(1010-3/17)/(1/22.4)=