环境工程原理

1、1.增大传热的措施：1.增大传热面积 2.增大平均温差 3.提高传热系数2.热量传递方式主要有：导热，热对流和热辐射3.萃取剂的选择：a的大小反映了萃取剂对溶质A的萃取容易程度。 若a1，表示溶质A在萃取相中的相对含量比萃余相中高，萃取时组分A可以在萃取相中富集，a越大，组分A与B的分离越容易。若a=1，则组分A与B在两相中的组成比例相同，不能用萃取的方法分离。4.膜分离是以具有选择透过功能的薄膜为分离介质，通过在膜两侧施加一种或多种推动力，使原料中的某组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物分离和产物的提取，浓缩，纯化等目的。 条件：在选择分离因子时，应使其值大于1。如果组分A通过膜的速度大于

2、组分B，膜分离因子表示为aA/B；反之。则为aB/A；如果aA/B=aB/A=1,则不能实现组分A与组分B的分离。5. 离子交换速率的影响因素：1.离子的性质 2.树脂的交联度 3.树脂的粒径 4.水中离子浓度 5.溶液温度 6.流速或搅拌速率6. 本征动力学方程实验测量中怎样消除对外扩散的影响：加大流体流动速度，提高流体湍流程度，可以减小边界层厚度，使边界的扩散阻力小到足以忽略的程度。7. 吸附剂的主要特性：1.吸附容量大。2.选择性强。3.温定性好。4.适当的物理特性。5.价廉易得。常见的吸附剂;活性炭,活性炭纤维,炭分子筛,硅胶,活性氧化铝,沸石分子筛8. 固相催化反应过程：反应物的外扩

3、散反应物的内扩散反应物的吸附表面反应产物的脱附产物的内扩散产物的外扩散9. 测速管特点：测得的是点流速， 特点：结构简单，使用方便，流体的能量损失小，因此较多地用于测量气体的流速，特别适用于测量大直径管路中的气体流速。当流体中含有固体杂质时，易堵塞测压孔。孔板流量计特点：结构简单，固定安装，安装方便，但流体通过孔板流量计时阻力损失较大。 文丘里流量计特点：阻力损失小，尤其适用于低压气体输送中流量的测量；但加工复杂，造价高，且安装时流量计本身在管道中占据较长的位置。转子流量计特点：必须垂直安装，流体自下而上流动，能量损失小，测量范围宽，但耐温，耐压性差。10物理吸收和化学吸收的区别物理吸收仅仅涉

4、及混合物分中某一祖分的简单传质过程，溶质在气液两相间的平衡关系决定了溶剂在相同传递过程的方向，极限以及传质推动力化学吸收指溶剂A被吸收剂吸收后，继续与吸收剂或者其中的活性组分B发生化学反应，气液相际传质和液相内的化学反应同时进行11.简述温室效应产生的机理（资料：地球和太阳表面温度的平均温度分别为 288K 和 5800K）地球吸收太阳的辐射能量才能如此巨大的辐射能量，但是，太阳辐射在地球上的波长要远短于地球向空间辐射的波长，这种波长的变化扮演了温室效应中至关重要的角色。二氧化碳及其他温室气体对于来自太阳的短波相对透明，但是它们往往吸收那些由地球辐射出去的长波。所以在大气中积累的温室气体，就像

5、一床包裹在地球表面的毯子，搅乱了地球的辐射平衡，导致地球温度升高。12.为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮多孔材料的孔隙中保留大量气体，气体的导热系数小，从而起到保温效果。水的导热系数较大，如果保温材料受潮，将会增大整体的导热系数，从而使得保温性能降低，所以要防潮.13.球体在空气中运动，试分析在相同的逆压梯度下，不同流态的边界层对运动阻力的影响。若球体体积较小，运动速度较快，球体主要受到阻力有摩擦阻力和形体阻力，且形体阻力占主导。在相同的逆压梯度下，层流边界层靠近壁面侧速度梯度小，边界层分离点靠前，尾流区较大，形体阻力大。而湍流边界层速度梯度大，边界层分离点后移，尾流区较小，

6、形体阻力减小，运动阻力也相应减小。14. 某工业废气中含有氨，拟采用吸收法进行预处理。根据你所学的知识，分析提高氨去除效率的方法和具体措施一、采用吸收能力较强的洗液，如酸性溶液；二、可采用喷雾等方法增大接触面积；三、适当增加压强；四、加快废气流速，加强扰动；五、逆向流动等等。15. 边界层厚度:通常将流体速率达到来流速率99%时的流体层厚度定义为边界层厚度。边界层分离的必要条件：黏性作用和逆压梯度。层流边界层比湍流层更容易分离。16.圆管层流流动的平均速率为最大速率的一半。17.对于圆管层流流动的摩擦阻力，流量不变时，产生的能量损失:(1)当管长增加一倍时，阻力损失引起的压降增加一倍.（2）当

7、管径增加一倍时，压降变为原来的1/16.18.强化换热器传热过程的途径：增大传热面积、增大平均温差、提高传热系数 减少热阻的主要方法：提高流体的速度、增强流体的扰动、在流体中加固体颗粒、在气流中喷入液滴、采用短管换热器、防止结垢和及时清除污垢19.分子扩散:由分子的微观运动（无规则运动）引起的物质扩散称为分子扩散。涡流扩散：由流体涡团的宏观运动引起的扩散称为涡流扩散。20.离子交换速率的控制步骤：A.边界水膜内的迁移B.交联网孔内的扩散C.离子交换D.交联网内的扩散E.边界水膜内的迁移A和E称为液膜扩散步骤或外扩散；B和D称为树脂颗粒内扩散或孔道扩散步C为交换反应步骤21.表面过滤与深层过滤的

8、区别表面过滤深层过滤 发生条件 颗粒物浓度高，滤速慢，滤饼易形成 颗粒物浓度低，滤速快过滤介质织布或多孔固体，过滤介质的孔一般比颗粒物的粒径小 固体颗粒，过滤介质层的空隙大于颗粒物的粒径 有效过滤介质 主要是滤饼 固体颗粒实际应用真空过滤机，板框式压滤机，慢滤池，袋滤器快滤池两者联系表面过滤中滤饼的比阻和深层过滤中过滤介质的比阻均可用公式（）求得22.传质单元是指通过一定高度的填料层传质，使一相组成的变化恰好等于该段填料中的平均推动力，这样一段填料层的传质称为一个传质单元传质单元数即为这些传质单元的数目，只取决于传质前后气，液相的组成和相平衡关系，与设备的情况无关，其值的大小反映了吸收过程的难

9、易程度传质单元高度是完成一个传质单元分离任务所需要的填料层高度，主要取决于设备情况、物理特性及操作条件等，其值大小反映了填料层传质动力学性能的优劣 23.离子交换速率的影响因素 A.离子性质：离子的化合价越高，其孔道扩散速率越慢 B.树脂的交联度：树脂的交联度大，离子在树脂网孔内的扩散就慢C.树脂的粒径：树脂粒径越小，离子在孔道扩散的距离越短，同时液膜扩散的表面积增加，因此树脂整体的交换速率越快。对于液膜扩散，离子交换速率与树脂粒径成反比；对于孔道扩散，离子交换速率与树脂粒径的二次方程反比 D.水中离子浓度：离子浓度越大时，其在水膜中的扩散很快，离子交换速率为孔道扩散控制，反之，为液膜扩散控制

10、 E.溶液温度：升高溶液温度，有利于提高栗子交换速率 F. 流速或搅拌速率：增加树脂表面水流流速或提高搅拌速率，可以增加树脂表面附近的水流紊动程度，在一定程度上可提高液膜扩散速率。24.膜传递的过程模型 A.通过微孔的传递：在最简单的情况下是单纯的对流传递 B.基于扩散的传递：要传递的组分首先必须被溶解在膜相内25.空时：反应器有效体积与物料体积流量之比值。t=V/qv 空速：指单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。表示单位时间能处理几倍于反应器体积的物料，反映了一个反应器的强度。 SV= qv/V26. 间歇操作是将反应原料原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出

11、全部的反应物料，然后进入下一批原料的投入、反应和物料的取出，因此有时也称为分批操作 连续地将原料输入反应器，反应物料也连续地流出反应器，这样的操作称为连续操作27.全混流：指反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合，反应器内的浓度、温度等处处相同。全混流认为返混为无限大。 推流：指物料以相同的流速和一致的方向移动，即物料在反应器内齐头并进，在径向充分混合，但不存在轴向混合，即返混为0.28.平推流反应器的特点：A.在连续稳态操作条件下，反应器各断面上的参数不随时间变化而变化B.反应器内各组分浓度等参数随轴向位置变化而变化，故反应速率随之变化C.在反应器的径向断面上各处浓度均一，不存在浓度分布。

12、平推流反应器满足条件：A.管式反应器的管长是管径的10倍以上，各断面上的参数不随时间变化而变化B.固相催化反应器的填充层直径是催化剂粒径的10倍以上。29.基质抑制：对于苯酚、氨、醇类等对微生物生长有毒害作用的基质，在低浓度范围内，生长速率随基质浓度的增加而增加，但当其浓度增加到某一数值时，生长速率反而随基质浓度的增加而降低，这种现象称基质抑制作用代谢产物抑制：在某些情况下，代谢产物会影响微生物的生长，这种现象称代谢产物抑制现象。30.本征动力学反应物吸附过程控制：表面反应过程控制：产物脱附：31.费克定律：（用物质的量浓度表示）式中：NAz单位时间在z方向上经单位面积扩散的组分A的量，即扩散

13、通量，也称扩散速率，kmol/（m2s）； cA组分A的物质的量浓度，kmol/m3； DAB组分A在组分B中进行扩散的分子扩散系数，m2/s；组分A在z方向上的浓度梯度，kmol/(m3m)。费克定律表明扩散通量与浓度梯度成正比，负号表示组分A向浓度减小的方向传递。对于液体混合物，常用质量分数表示浓度，于是又可写成；当混合物的浓度用质量浓度表示时，又可写为32.准数Helfferich数（He）：根据液膜扩散控制与颗粒内扩散控制两种模型得到的半交换周期，即交换率达到一半时所需要的时间之比，得到：He=1，表示液膜扩散与颗粒内扩散两种控制因素同时存在，且作用相等；He1，表示液膜扩散所需要之半

14、交换周期远远大于颗粒内扩散时之半交换周期，故为液膜扩散控制；He1，表示为颗粒内扩散控制。Vermeulen数（Ve） Ve0.3，为颗粒内扩散控制；Ve0.3，为液膜扩散控制； 0.3Ve3.0，为两种因素皆起作用的中间状态。33.细胞产率系数 34.代谢产物的产率系数35.固体催化剂的物理性状（1）比表面积：单位质量催化剂具有的表面积称为比表面积。记为as （2）颗粒孔体积又称孔容积，简称孔容，是指每克催化剂内部微孔所占有的体积，用Vg 表示,其单位是g。孔隙率是催化剂颗粒孔容积占总体积的分率，用p 表示（3）固体密度又称真密度，是指催化剂固体物质单位体积（不包括孔占有的体积）的质量，用s

15、 表示，单位为g.。颗粒密度是指单位体积固体催化剂颗粒（包括孔体积）的质量，用p表示, 单位为g. (4)颗粒微孔的结构与孔体积分布：除孔容外，颗粒内微孔的性状和孔径对催化剂的性质也有很大的影响。用孔体积分布，即不同孔径的微孔所占总孔体积的比例，可以粗略的评价微孔的结构，(5)颗粒堆积密度（b）： (6) 填充层空隙率（b）: 2.2 假设在25和1.013105Pa的条件下，SO2的平均测量浓度为400g/m3，若允许值为0.1410-6，问是否符合要求？解：由题，在所给条件下，将测量的SO2质量浓度换算成体积分数，即大于允许浓度，故不符合要求2.8某河流的流量为3.0m3/s，有一条流量为

16、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，在溪水中加入示踪剂。假设仪器检测示踪剂的浓度下限为1.0mg/L。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？需加入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则根据质量衡算方程，有0.05（30.05）1.0， 解之得61 mg/L加入示踪剂的质量流量为610.05g/s3.05g/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10.0 kg/s的总排放速率进入空

17、箱，其降解反应速率常数为0.20h1。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则由质量衡算得10.0kg/s（0.20/3600）1001001109 m3/s 41001106m3/s0解之得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。根据质量衡算方程有带入已知量，分离变量并积分，得积分有1.1510-2mg/m32.11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u0与槽内水面高度z的关系

18、u00.62（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A2u0dV/dt，即u0dz/dtA1/A2所以有dz/dt（100/4）20.62（2gz）0.5即有226.55z-0.5dzdtz03mz1z01m3（0.25m2）-11.73m积分计算得t189.8s4.3 某燃烧炉的炉壁由500mm厚的耐火砖、380mm厚的绝热砖及250mm厚的普通砖砌成。其值依次为1.40 W/(mK)，0.10 W/(mK)及0.92 W/(mK)。传热面积A为1m2。已知耐火砖内壁温度为1000，普通砖外壁温度为50。（1）单位面积热通量及层与层之间温

19、度；（2）若耐火砖与绝热砖之间有一2cm的空气层，其热传导系数为0.0459 W/(m)。内外壁温度仍不变，问此时单位面积热损失为多少？解：设耐火砖、绝热砖、普通砖的热阻分别为r1、r2、r3。（1）由题易得r10.357 m2K/Wr23.8 m2K/W ， r30.272m2 K/W所以有q214.5W/m2由题 T11000 ，T2T1QR1923.4 ， T3T1Q（R1R2）108.3 ， T450（2）由题，增加的热阻为r0.436 m2K/WqT/（r1r2r3r）195.3W/m23.5 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

20、流出，管路出口高于地面2m，水流经系统的能量损失（不包括出口的能量损失）可按计算，式中u为水在管内的流速，单位为m/s。试计算（1）若水槽中水位不变，试计算水的流量；（2）若高位水槽供水中断，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。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u12/2p1/gz1u22/2p2/gz2hf由题意得p1p2，且u10所以有9.81m/s2（8m2m）u2/26.5u2解之得u2.90m/sqvuA2.90m/s0.01m2/42.28102m3/s（2）由伯努利方程，有u12/2gz1u22/2gz2hf即u12/2gz17u

21、22gz2由题可得u1/u2（0.1/1）20.01取微元时间dt，以向下为正方向，则有u1dz/dt所以有（dz/dt）2/2gz17（100dz/dt）2/2gz2积分解之得t36.06s3.9 一锅炉通过内径为3.5m的烟囱排除烟气，排放量为3.5105m3/h，在烟气平均温度为260时，其平均密度为0.6 kg/m3，平均粘度为2.8104Pas。大气温度为20，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245 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 ，uqv/A10.11m/s ， Redu/7.58

22、104相对粗糙度为/d5mm/3.5m1.429103查表得0.028所以摩擦阻力建立伯努利方程有u12/2p1/gz1u22/2p2/gz2hf由题有u1u2，p1p0245Pa，p2p0空gh（h1.15 kg/m39.8m/s2245Pa）/（0.6kg/m3）h9.8m/s2h0.028/3.5m（10.11m/s）2/2解之得h47.64m3.10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

23、段管段串联，两段分别为DN150、长23m和DN100、长100 m，不同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/（kWh），问每天泵需要消耗多少电费？（水温为25，管道视为光滑管）解：由题，在进水口和出水口之间建立伯努利方程，有Weghhf25时，水的密度为997.0kg/m3，粘度为0.9103Pas管径为100mm时，u4.95m/s ，Redu/5.48105，为湍流为光滑管，查图，0.02管径为150mm时，u2.20m/s，Redu/3.66105管道为光滑管，查图，0.0

24、22泵的进水口段的管件阻力系数分别为吸滤底阀1.5；90弯头0.75；管入口0. 5hf1（1.50.7520.50.02260/0.15）（2.20m/s）2/229.76m2/s2泵的出水口段的管件阻力系数分别为大小头0.3；90弯头0.75；闸阀0.17；管出口1hf2(10.7530.30.170.02100/0.1)(4.95m/s)2/2(0.02323/0.15)(2.20m/s)2/2299.13m2/s2Weghhf=29.76m2/s2299.13m2/s260m9.81m/s2917.49 m2/s2917.49J/kgWN（917.49J/kg/60）140m3/h99

25、7.0kg/m35.93104W总消耗电费为59.3kW0.46元/（kWh）24h/d654.55元/d4.4某一60 mm3mm的铝复合管，其导热系数为45 W/(mK)，外包一层厚30mm的石棉后，又包一层厚为30mm的软木。石棉和软木的导热系数分别为0.15W/(mK)和0.04 W/(mK)。试求（1）如已知管内壁温度为-105，软木外侧温度为5，则每米管长的冷损失量为多少？（2）若将两层保温材料互换，互换后假设石棉外侧温度仍为5，则此时每米管长的冷损失量为多少？解：设铝复合管、石棉、软木的对数平均半径分别为rm1、rm2、rm3。由题有rm1mm28.47mm ， rm2mm43.

26、28mm ， rm3mm73.99mm（1）R/L3.73104Km/W0.735Km/W1.613Km/W2.348Km/WQ/L46.84W/m（2）R/L3.73104Km /W2.758Km /W0.430Km /W3.189Km /WQ/L34.50W/m4.9在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为192mm的钢管内流动，水的对流传热系数为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

27、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注：如不视为薄管壁，将有5左右的数值误差。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。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qmccpcTcqmh

28、cphThqmc3500kg/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 同上得比较得逆流所需的管路短，故逆流得传热效率较高。4.12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6.1 直径60m的石英颗粒，密度为2600kg/m3，求在常压下，其在20的水中和20的空气中的沉降速度（已知该条件下，水的密度为998.2kg/m3，黏度为1.00510-3Pas；空气的密度为1.205kg/m3，黏度为

29、1.8110-5Pas）。解：（1）在水中，假设颗粒的沉降处于层流区，由式（6.2.6）得：m/s检验：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，得所以可判断沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：m/s6.6 落球黏度计是由一个钢球和一个玻璃筒组成，将被测液体装入玻璃筒，然后记录下钢球落下一定距离所需要的时间，即可以计算出液体黏度。现在已知钢球直径为10mm，密度为7900 kg/m3，待测某液体的密度为1300 kg/m3，钢球在液体中下落200mm，所用的时间为9.02s，试求该液体的黏度。解：钢球在液体中的沉降速度为m/s假设钢球的沉降符合斯托克斯公式，则Pas检验

30、：，假设正确。6.7 降尘室是从气体中除去固体颗粒的重力沉降设备，气体通过降尘室具有一定的停留时间，若在这个时间内颗粒沉到室底，就可以从气体中去除，如下图所示。现用降尘室分离气体中的粉尘（密度为4500kg/m3），操作条件是：气体体积流量为6m3/s，密度为0.6kg/m3，黏度为3.010-5Pas，降尘室高2m，宽2m，长5m。求能被完全去除的最小尘粒的直径。解：设降尘室长为l，宽为b，高为h，则颗粒的停留时间为，沉降时间为，当时，颗粒可以从气体中完全去除，对应的是能够去除的最小颗粒，即因为，所以m/s假设沉降在层流区，应用斯托克斯公式，得mm检验雷诺数，在层流区。所以可以去除的最小颗粒

31、直径为85.7m6.8 采用平流式沉砂池去除污水中粒径较大的颗粒。如果颗粒的平均密度为2240kg/m3，沉淀池有效水深为1.2m，水力停留时间为1min，求能够去除的颗粒最小粒径（假设颗粒在水中自由沉降，污水的物性参数为密度1000kg/m3，黏度为1.2 10-3Pas）。解：能够去除的颗粒的最小沉降速度为m/s假设沉降符合斯克托斯公式，则所以m检验，假设错误。假设沉降符合艾伦公式，则所以m检验，在艾伦区，假设正确。所以能够去除的颗粒最小粒径为2.1210-4m。6.11 用与例题相同的标准型旋风分离器收集烟气粉尘，已知含粉尘空气的温度为200，体积流量为3800 m3/h，粉尘密度为2290 kg/m3，求旋风分离器能分离粉尘的临界直径（旋风分离器的直径为650mm，200空气的密度为0.746 kg/m3，黏度为2.6010-5 Pas）。解：标准旋风分离器进口宽度m，进口高度m，进口气速m/s所以分离粉尘的临界直径为7.1 用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为式中：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在内，则根据过滤方程求得，需要的过滤总面积为， 所以需要的板框数（2）恒