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1、LOGO LO GO 第一篇 工程原理基础 东北大学环境工程研究所 LOGO 在环境污染控制工程领域 无论是水处理 废 气处理和固体废弃物处理处置 还是给水排水管道 工程 都涉及流体流动 热量传递 质量传递现象 l流体流动 输送流体 沉降分离流体中颗粒物 污染物的过滤分离等 l热量传递 加热 冷却 干燥 蒸发以及管道 设备的保温等 l质量传递 吸收 吸附 吹脱 膜分离以及生物 化学反应等 第I篇 工程原理基础 LOGO 本篇主要讲述质量衡算 能量衡算等环境 工程中分析问题的基本方法 以及流体流动和 热量传递 质量传递的基础理论 系统掌握流体流动和热量传递 质量传递 过程的基础理论 对优化污染物
2、的分离和转化 过程 提高污染控制工程的效率具有重要意义 第I篇 工程原理基础 LOGO LO GO 第二章 质量衡算与能量衡算 东北大学环境工程研究所 LOGO 第一节 常用物理量 常用物理量及单位换算 常用物理量及其表示方法 第二节 质量衡算 衡算系统的概念 总质量衡算方程 第三节 能量衡算 总能量衡算方程 热量衡算方程 本章主要内容 LOGO 国际单位制的基本单位 量的名称 单位名称 单位符号 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 发光强度 米 千克 公斤 秒 安 培 开 尔文 摩 尔 坎 德拉 M Kg s A K mol cd 计量单位是度量物理量的标准 物理量 数值 单位 国
3、际单位制 符号为SI 1 1 计量单位 m kg 表2 1 1 国际单位制的基本单位 7个基本单位 1 常用物理量 LOGO 2个辅助单位 表2 1 2 国际单位制的辅助单位 量的名称 单位名称 单位符号 平面角 立体角 弧度 球面度 rad sr 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 导出单位 1 常用物理量 LOGO 当采用其他单位制时 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 式中F 力 m 质质量 a 加速度 u 速度 t 时间时间 s 距离 k 比例系数 力的导出单位 按牛顿运动定律
4、写出力的定义式 即 按照国际单位制规定 取k 1 则力的 导出单位为 导出单位 1 常用物理量 LOGO 同一物理量用不同单位制的单位度量时 其数值比 称为换算因数 例如1m长的管用英尺度量时为3 28084ft 则英尺与 米的换算因数为3 28084 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 1kgf 9 80665N 又 1cm 0 01m 所以 1 03323kgf cm2 1 03323 9 80665N 0 01m 2 1 013 105 N m2 例题1 已知1atm 1 03323kgf cm2
5、将其换算为N m2 1 2 物理量的单位换算 1 常用物理量 LOGO 1 质量浓度与物质的量浓度 1 质量浓度 2 物质的量浓度 组分A的摩尔质量 2 质量分数 组分A的质量分数 混合物的总质量 组分A的质量 1 常用物理量 1 3 常用物理量的表示方法 LOGO 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 L 相当于1mg 1000g 1 10 6 质量分数 1ppm 1 g L 相当于1 g 1000g 1 10 9 质量分数 1ppb ppm ppb g g 10 6 g kg 10
6、 9 质量分数 1 常用物理量 LOGO 在大气污染控制工程中 常用体积分数表示污染物质的浓度 例如 mL m3 则此气态污染物质浓度为10 6 1mol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 1 常用物理量 对于气体 体积分数和质量浓度之间的关系和压力 温度以及污染物质 的相对分子质量有关 对于理想气体 可以用理想气体状态方程表示 即 式中 p 绝对压力 Pa VA 体积 m3 nA 物质的量 mol R 摩尔气体常数 8 314 Pa m3 K 1 mol 1 T 热力学温度
7、K LOGO 1 常用物理量 例题2 在101 325KPa 25 条件下 某室内空气一氧化 碳的体积分数为9 0 10 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101325Pa和 25 下的体积为 一氧化碳 CO 的摩尔质量为28 g mol 所以CO的 质量浓度为 mg m3 LOGO 体积流量 质量流量 3 流量 4 流速 1 常用物理量 圆形管道 速度分布 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 5 3 0m s 气体则为 10 30m s 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 LOGO 单位时间内通过单位
8、面积的物理量称为该物理量的 通量 通量是表示传递速率的重要物理量 p单位时间内通过单位面积的热量 称为热量通量 单 位为J m2 s p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kg m2 s 5 通量 1 常用物理量 LOGO 2 质量衡算 某污染物 生物降解 输入量 输出量 转化量 积累量 输入量1 输入量2 输出量 转化量 积累量 2 1 衡算的基本概念 LOGO 输入速率 输出速率 转化速率 积累速率 质量衡算的一般方 程 转化速率或反应速率 单位时间 因生物反应或化学反应而转化 的质量 组分为生成物时为 正值 为反应物时 为负值 单位时间 2 质量衡算 2
9、1 衡算的基本概念 LOGO 污染物的生物降解经常被视为一级反应 即污染物的 降解速率与其浓度成正比 假设体积V中可降解物质的 浓度均匀分布 则 反应速率常数 s 1或d 1 物质质量浓度 负号表示污染物随时 间的增加而减少 体积 反应速率 2 质量衡算 LOGO 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 2 质量衡算 LOGO 各种情况下的质量衡算 稳态系统 非稳态系统 组分发生反应 组分不发生反应 2 2 总质量衡算 2 质量衡算 LOGO 质量衡算方程
10、的应用 1 需要划定衡算的系统 2 要确定衡算的对象 3 确定衡算的基准 4 绘制质量衡算系统图 5 注意单位要统一 划定衡算的系统 确定衡算的对象 某组分 2 质量衡算 LOGO 例题3 一条河流的上游流量为10 0m3 s 氯化物的质 量浓度为20 0mg L 有一条支流汇入 流量为5 0m3 s 其氯化物质量浓度为40 0mg 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质 量浓度 假设在该点流体完全混合 2 质量衡算 A 稳态非反应系统 LOGO 氯化物的输出速率为氯化物的输入速率为 2 质量衡算 解 首先划定衡算系统 绘制质量平衡图 LOGO 2 质量衡
11、算 例题4 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5 000m3 d 悬 浮物含量为200mg L 沉淀池出水中悬浮物质量浓度为 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 水的密度为1000kg m3 0 1 2 4 3 根据需要 划定衡算 的系统 LOGO 2 质量衡算 已知 5 000m3 d 20
12、0mg 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 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 LOGO 输入速率 输出速率 22 5 m3 d 4977 5 m3 d 0 1 2 4 3 2 质量衡算 LOGO 2 质量衡算 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 降至 96 污泥体积由
13、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 0 1 2 4 3 LOGO 2 质量衡算 例题5 一个湖泊的容积为10 0 106m3 有一流量为 5 0m3 s 污染物浓度为10 0mg L的受污染支流流入该湖泊 同时 还有一污水排放口将污水排入湖泊 污水流量为 0 5m3 s 质量浓度为100mg L 污染物的降解速率常数为 0 20 d 1 假设污染物质在湖泊中完全混合 且湖水不因蒸发 等原因增加或者减少 求稳态情况下流出水中污染物的质量 浓度 B 稳态反应系统 稳态情况 LOGO 解 假设完全混合意味着湖泊中的污染
14、物质量浓度等于流出水中 的污染物质量浓度 输入速率 输出速率 降解速率 2 质量衡算 B 稳态反应系统 LOGO 2 质量衡算 例题6 在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者 每人每 小时吸两支香烟 每支香烟散发1 4mg的甲醛 甲醛转化为二氧化 碳的反应速率常数为k 0 40 h 1 新鲜空气进入会议室的流量为1 000m3 h 同时室内的原有空气以相同的流量流出 假设混合完全 估计在25 101 3KPa的条件下 甲醛的稳态质量浓度 并与 造成眼刺激的起始体积分数0 05 10 6相比较 LOGO 2 质量衡算 输入速率 输出速率 降解速率 50 2 1 4 140 mg h 1
15、000 1000 mg h LOGO 解 根据质量衡算方程 例题6 一圆筒形储罐 直径为0 8m 罐内盛有2m深的水 在无水源 补充的情况下 打开底部阀门 放水 已知水流出的质量流量与水深Z的 关系为 kg s 求经过 多长时间 后 水位下降至1m kg s kg 0 2 质量衡算 C 非稳态系统 LOGO 水预热系统 用热水或蒸汽加热水或污泥 用冷水吸收电厂的废热 水或污泥吸收热量温度升高 冷却水吸收热量温度升高 用量 加热时间 流量 温度 3 1 能量衡算方程 3 能量衡算 LOGO 3 1 能量衡算方程 3 能量衡算 流体输送中 通过水泵对水做功 将水提升到高处 流体在管道中流动 由于黏
16、性产生摩擦力 消耗机械能 转变为热量 LOGO 1 物料和能量都可以穿越系统边界 热量 做功 能量既不会消失也不能被创造 在给定的过程中 能量 会发生形式上的改变 开放系统 封闭系统 能量输入输出的方式 2 只有能量可以穿越边界 热和功 3 能量衡算 LOGO 3 能量衡算 任何系统经过 某一过程时 其内部能量的变化等于该 系统从环境吸收的热量与它对外所作的功之差 即 物料从外界 吸收的热量 物料对外界 所作的功 系统内部物料 能量的变化 对于物料系统内部能量的变化量 LOGO 单位时间 输出 系统的物料的焓 值总 和 即物料 带出的能量总和 单位时间 输入 系统的物料的 焓值总 和 即 物料带入的能 量总和 单位时间 系 统内能量的 积累 单位时间 环境 输入系统的热 量 即系统的 吸热量 单位时间系统物料总能量的变化值 3 2 热量衡算方程 3 能量衡算 LOGO 物质的焓定义为 焓值是温度与物态的函数 因此进行衡算时除选取时间 基准外 还需要选取物态与温度基准 通常以273K物质的 液态为基准 单位质量 物质的焓 单位质量 物质的内 能 物质所处 的压强 单位质量物 质的体积 3
