環(huán)境工程原理課件-清華大學(xué)(編輯修改稿)
2024-08-19 17:36 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 流量相等的原則定義 流速影響流動阻力和管徑 ，因此直接影響系統(tǒng)的操作費(fèi)用和基建費(fèi)用。 單位時間內(nèi)通過單位面積的物理量稱為該物理量的通量。通量是 表示傳遞速率的重要物理量。 （四）通量 ? 單位時間內(nèi)通過單位面積的 熱量 ，稱為熱量通量，單位為 J/（ m2s ）； ? 單位時間內(nèi)通過單位面積的某組分的 質(zhì)量 ，成為該組分的質(zhì)量通量，單位為 kmol/（ m2s ）； ? 單位時間內(nèi)通過單位面積的 動量 ，稱為動量通量，單位為 N/m2。 第二節(jié) 質(zhì)量衡算 質(zhì)量衡算通常被稱為物料衡算， 依據(jù)質(zhì)量守恒定律 ，當(dāng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時候，物質(zhì)既沒有產(chǎn)生，也沒有消失。 進(jìn)行質(zhì)量衡算時，首先需要 劃定衡算的系統(tǒng) ，其次要確定衡算的對象 與 衡算的基準(zhǔn) 。 分析物質(zhì)流 劃定衡算的系統(tǒng) 確定衡算的對象 某物質(zhì) 衡算的系統(tǒng) 用來分析質(zhì)量遷移的特定區(qū)域，即 衡算的空間范圍 ?環(huán)境設(shè)備或管道中一個微元體 —— 微分衡算 ?一個反應(yīng)池、一個車間，或者一個湖泊、一段河流、一座城市上方的空氣，甚至可以是整個地球 —— 總衡算 可以是物料的全部組分，也可以是物料中的關(guān)鍵組分。 衡算的對象 衡算的基準(zhǔn)：對一定時間段或一定質(zhì)量物質(zhì)進(jìn)行衡算 總質(zhì)量衡算 由 宏觀尺度 系統(tǒng)的外部 （進(jìn)、出口及環(huán)境） 各有關(guān)物理量的變化來考察系統(tǒng)內(nèi)部物理量的總體平均變化 。 可以解決環(huán)境工程中的物料平衡、能量轉(zhuǎn)換與消耗、設(shè)備受力，以及管道內(nèi)的平均流速、阻力損失等許多有實(shí)際意義的問題，但不能得知系統(tǒng)內(nèi)部各點(diǎn)的變化規(guī)律。 （一）以物料的全部組分為衡算對象 12m m m? ? ?t時間內(nèi) 輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量 t時間內(nèi)輸出系統(tǒng)的物料質(zhì)量 t時間內(nèi)系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量 單位時間輸入物料質(zhì)量－單位時間輸出物料質(zhì)量 ＝單位時間內(nèi)積累物料質(zhì)量 12ddmt????單位時間 輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量，即輸入系統(tǒng)的質(zhì)量流量，也稱為 輸入速率 單位時間輸出系統(tǒng)的物料質(zhì)量，即輸出系統(tǒng)的質(zhì)量流量，也稱為輸出速率 單位時間系統(tǒng)內(nèi)積累的物料質(zhì)量，也稱為物料的積累速率 輸入物料質(zhì)量－輸出物料質(zhì)量＝內(nèi)部積累物料質(zhì)量 0???t穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)學(xué)特征： 當(dāng)系統(tǒng)中流速、壓力、密度等物理量只是位置的函數(shù)， 不隨時間變化 ，稱為 穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) ；當(dāng)上述物理量不僅隨位置變化，而且隨時間變化，稱為非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。 穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)與非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) 0t???t 對于穩(wěn)態(tài)過程，內(nèi)部無物料積累 12mm?21 ?? ?（二）以某種元素或某種物質(zhì)為衡算對象 質(zhì)量衡算系統(tǒng)圖 ? ? ? 輸入速率－輸出速率＋轉(zhuǎn)化速率 =積累速率 12ddrmt? ? ?? ? ?1．穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng) 21 ?? ?12ddrmt? ? ?? ? ?【 例題 】 一條河流的上游流量為 10m3/s，氯化物的濃度為 20mg/L，有一條支流匯入，流量為 5m3/s，其氯化物濃度為 40mg/L。視氯化物為不可降解物質(zhì)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算匯合點(diǎn)下游河水中的氯化物濃度，假設(shè)在該點(diǎn)流體完全混合。 解：首先劃定衡算系統(tǒng)，繪制質(zhì)量平衡圖 氯化物的輸出速率為 氯化物的輸入速率為 1 1 2 2 mmc Q c Q c Q??1 1 1 2 2c Q c Q? ?? 2 mmcQ? ?12mQ Q Q??1 1 2 212mc Q c Qc???【 例題 】 某污水處理工藝中含有沉淀池和濃縮池，沉淀池用于去除水中的懸浮物，濃縮池用于將沉淀的污泥進(jìn)一步濃縮，濃縮池的上清液返回到沉淀池中。污水流量為 5000m3/d，懸浮物含量為 200mg/L，沉淀池出水中懸浮物濃度為 20mg/L，沉淀污泥的含水率為 %，進(jìn)入濃縮池停留一定時間后，排出的污泥含水率為 96%，上清液中的懸浮物含量為 100mg/L。假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，過程中沒有生物作用。求整個系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量和排水量，以及濃縮池上清液回流量。污水的比重為 1000kg/m3。 ？ ？ ？ c0 c1 c2 c4 c3 (1)求污泥產(chǎn)量 以沉淀池和濃縮池的整個過程為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對象，因系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，輸入系統(tǒng)的懸浮物量等于輸出的量 已知 0Q=5000m3/d， 0c＝ 200mg/L， 2c＝ 20mg/L， 3c1c＝ (10096)/(100/1000)＝ 40(g/L)＝ 40000(mg/L) 4c＝ ()/(100/1000)＝ 2(g/L)＝ 2022(mg/L) ＝ 100mg/L 污泥含水率為污泥中水和污泥總量的質(zhì)量比，因此污泥中懸浮物含量為 輸入速率 0 0 1 1 2 2c Q c Q c Q??1 0 0cQ? ?輸出速率 2 1 1 2 2c Q c Q? ??0 1 2Q Q Q??1Q2Q=(m3/d) ＝ (m3/d) (2)濃縮池上清液量 取濃縮池為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對象 污泥含水率從 ％降低到 96％，污泥體積由 m3/d減少為 ，相差 20倍。 輸入速率 4 4 1 1 3 3c Q c Q c Q??1 4 4cQ? ?輸出速率 2 1 1 3 3c Q c Q? ??4 1 3Q Q Q??=450(m3/d) ＝ (m3/d) 4Q3Q【 例 】 某 熱電廠所采用的煤的熱值為 24kJ/g，平均含碳量約62%，含硫量平均為 2%。排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)電廠每輸入 106kJ熱量，二氧化硫的允許排放量為 260g；顆粒物的允許排放量為 13g。燃料中， 10%未燃燒的礦物質(zhì)形成了灰，其中約有 70%的灰為飛灰， 30%以底灰的形式從燃燒室中排出。假設(shè)燃煤熱電廠每輸入3個單位的熱能，輸出 1個單位的電能。 （ 1）求每輸送 1kWh電能所允許排放出的二氧化硫、顆粒物和碳的量（假設(shè)所有的碳都釋放到大氣中）； （ 2）為滿足二氧化硫的排放標(biāo)準(zhǔn)，二氧化硫控制系統(tǒng)的效率要達(dá)到多少？ （ 3）為滿足顆粒物的排放標(biāo)準(zhǔn)，顆粒物控制系統(tǒng)的效率要達(dá)到多少？ 2．穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng) 021 ??? r???12ddrmt? ? ?? ? ?污染物的生物降解經(jīng)常被視為 一級反應(yīng) ，即污染物的降解速率與其濃度成正比。假設(shè)體積 V中可降解物質(zhì)的濃度均勻分布，則 r kcV? ??12 0kcV??? ? ? 反應(yīng)速率常數(shù)，1/s或 1/d 物質(zhì)濃度 負(fù)號表示污染物隨時間的增加而減少 體積 【 例題 】 一個湖泊的容積為 106m3。有一流量為 、污染物濃度為 ，還有一污水排放口將污水排入湖泊，污水流量為 ，濃度為 100mg/L。污染物的降解速率常數(shù)為 1/d。假設(shè)污染物質(zhì)在湖泊中完全混合，且湖水不因蒸發(fā)等原因增加或者減少。求穩(wěn)態(tài)情況下流出水中污染物的濃度。 解：假設(shè) 完全混合意味著湖泊中的污染物濃度等于流出水中的污染物濃度 1 1 1 2 2Q c Q c?
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