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1、第一部分 环境工程原理基础,环境工程原理,张 旭：zhangxu 62792336(o),陆松柳：lusl,质量衡算与能量衡算,流体输送、流体中的过程,加热、冷却、设备保温等,热量传递,吸收、吸附、萃取、膜分离 生物、化学反应,质量传递,给水处理、污水处理，废气处理，固体废弃物处理土壤净化 给水排水管道工程,流体流动,第一部分 环境工程原理基础,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,第二节 质量衡算,第三节 能量衡算,第二章 质量衡算与能量衡算,第一节 常用物理量,一、计量单位,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，其国际
2、符号为SI,7个基本单位 2个辅助单位 导出单位,7个基本单位,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。,式中F力； m质量； a加速度； u速度； t时间； S距离； k比例系数。,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。,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,2个辅助单位,按照国际单位制规定，取k=1，则力的导出单位为,国际单位制中规定了若干具有专门名称的导出单位,二、物理量的单位换算,同一物理量用不同单位制的单位度量时，其数值比称为
3、换算因数,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。,例1：已知1atm1.033kgf/cm2，将其换算为N/ m2。,【例题】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,式中：,对流-辐射联合传热系数，kcal/（m2h）,设备周围空气流动速度，cm/s
4、,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。,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,将上两式带入原式中，得,整理上式，并略去上标，得,令 为以W/(m2K)为单位的传热系数， 为以m/s为单位的速度,W/(m2K),三、因次和无因次准数,因次,用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的因次。,因次与单位的区别： 因次是可测量的性质； 单位是测量的标准，用这些标准和确定的数值
5、可以定量地描述因次。,可测量物理量可以分为两类：基本量和导出量。,其它物理量均可以以M、L、t和T的组合形式表示其因次: 速度= 密度= 压力= 粘度=,基本因次: 质量、长度、时间、温度的因次，分别以M、L、t和T表示，简称MLtT因次体系。,【物理量】表示该物理量的因次，而不是指具有确定数值的某一物理量。利用因次所建立起来的关系是定性的而不是定量的。,Lt1,ML3,ML1t2,ML1t1,无因次准数,由各种变量和参数组合而成的没有单位的群数，称为无因次准数。,无因次准数既无因次，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因次准数。,Re
6、=,参考内容：因次分析法,通过对影响某一过程和现象的各种因素（物理量）进行因次分析，将物理量表示成为若干个无因次准数，然后借助实验数据，建立这些无因次变量之间的关系式。,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,四、常用物理量,（一）浓度 1质量浓度与摩尔浓度 （1）质量浓度cA ，c （2）摩尔浓度CA ， C,2.质量分数与摩尔分数 （1）质量分数和体积分数,组分A的质量分数,混合物的总质量,组分A的质量,组
7、分A的摩尔质量,ppm液体中的组分浓度， g/g， 10-6（质量分数） ppb g/kg， 10-9（质量分数）,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/L1g/m3 110-6（质量分数）= 1ppm 1g/L1mg/m3 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/L110-6污水的密度 1g/L110-9污水的密度,在大气污染控制工程中，经常用体积分数来表示污染物质的浓度。当气体混合物中有百万分之一的体积为污染物质时，例
8、如ml/m3，则此气态污染物质浓度为10-6（体积分数），ppmv。,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。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，10-6（体积分数）和mg/m3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，即： 式中：p绝对
9、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。,根据体积分数和质量浓度的定义,（2）摩尔分数,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,，,组分A的质量分数与摩尔分数的关系,3质量比与摩尔比,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，其余为情性组分时）,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,质量比与质量分数的关系,摩尔比与摩尔分数的关系,组分A与惰性组分的关系,【例】
10、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,一氧化碳（CO）的分子质量为28g/mol，所以CO的质量浓度为,mg/m3,（二）流量,体积流量,质量流量,（三）流速,一维流动 二维流动 三维流动,圆形管道,在管路设计中，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,（主体）平均流速,按体积流量相等的原则定义,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。,单位时间内通过单位面积的物理量称为该物理量的
11、通量。通量是表示传递速率的重要物理量。,（四）通量,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）； 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）； 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。,第二节 质量衡算,质量衡算通常被称为物料衡算，依据质量守恒定律，当发生化学反应的时候，物质既没有产生，也没有消失。,进行质量衡算时，首先需要划定衡算的系统，其次要确定衡算的对象与衡算的基准。,分析物质流,划定衡算的系统,确定衡算的对象,某物质,衡算的系统,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微元体
12、微分衡算,一个反应池、一个车间，或者一个湖泊、一段河流、一座城市上方的空气，甚至可以是整个地球总衡算,可以是物料的全部组分，也可以是物料中的关键组分。,衡算的对象,衡算的基准：对一定时间段或一定质量物质进行衡算,总质量衡算,由宏观尺度系统的外部（进、出口及环境）各有关物理量的变化来考察系统内部物理量的总体平均变化。 可以解决环境工程中的物料平衡、能量转换与消耗、设备受力，以及管道内的平均流速、阻力损失等许多有实际意义的问题，但不能得知系统内部各点的变化规律。,（一）以物料的全部组分为衡算对象,t时间内输入系统的物料质量,t时间内输出系统的物料质量,t时间内系统中积累的物料质量,单位时间输入物料
13、质量单位时间输出物料质量 单位时间内积累物料质量,单位时间输入系统的物料质量，即输入系统的质量流量，也称为输入速率,单位时间输出系统的物料质量，即输出系统的质量流量，也称为输出速率,单位时间系统内积累的物料质量，也称为物料的积累速率,输入物料质量输出物料质量内部积累物料质量,稳态流动的数学特征：,当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，不随时间变化，称为稳态系统；当上述物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称为非稳态系统。,稳态系统与非稳态系统,对于稳态过程，内部无物料积累,（二）以某种元素或某种物质为衡算对象,质量衡算系统图,输入速率输出速率转化速率=积累速率,1稳态非反应系统,【例
14、题】一条河流的上游流量为10m3/s，氯化物的浓度为20mg/L，有一条支流汇入，流量为5m3/s，其氯化物浓度为40mg/L。视氯化物为不可降解物质，系统处于稳定状态，计算汇合点下游河水中的氯化物浓度，假设在该点流体完全混合。 解：首先划定衡算系统，绘制质量平衡图,氯化物的输出速率为,氯化物的输入速率为,【例题2.2-2】某污水处理工艺中含有沉淀池和浓缩池，沉淀池用于去除水中的悬浮物，浓缩池用于将沉淀的污泥进一步浓缩，浓缩池的上清液返回到沉淀池中。污水流量为5000m3/d，悬浮物含量为200mg/L，沉淀池出水中悬浮物浓度为20mg/L，沉淀污泥的含水率为99.8%，进入浓缩池停留一定时间
15、后，排出的污泥含水率为96%，上清液中的悬浮物含量为100mg/L。假设系统处于稳定状态，过程中没有生物作用。求整个系统的污泥产量和排水量，以及浓缩池上清液回流量。污水的比重为1000kg/m3。,？,？,？,c0,c1,c2,c4,c3,(1)求污泥产量 以沉淀池和浓缩池的整个过程为衡算系统，悬浮物为衡算对象，因系统稳定运行，输入系统的悬浮物量等于输出的量,已知,=5000m3/d，,200mg/L，,20mg/L，,(100-96)/(100/1000)40(g/L)40000(mg/L),(100-99.8)/(100/1000)2(g/L)2000(mg/L),100mg/L,污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质量比，因此污泥中悬浮物含量为,输入速率,输出速率,=22.5(m3/d),4977.5(m3/d),(2)浓缩池上清液量 取浓缩池为衡算系统，悬浮物为衡算对象,污泥含水率从99.8降低到96，污泥体积由472.5 m3/d减少为22.5m3/d，相差20倍。,输入速率,输出速率,=450(m3/d),472.5(m3/d),【例】 某热电厂所采用的煤的热值为24kJ/g，平均含碳量约62%，含硫量平均为2%。排放标准规定，发电厂每输入106kJ热量，二氧化硫的允许排放量为260g；颗粒物的允许排放量为13g。燃料中，10
