1、0101環境工程原理重點第四章熱量傳遞(至少一個計算題)1.傳熱的幾種形式熱傳導：物體各部分之間無宏觀運動，通過物質的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞發生的熱量傳遞過程對流傳熱：流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程，僅發生在液體和氣體中。通常認為是流體與固體壁面之間的熱傳遞過程輻射傳熱：物體由于熱的原因而發出輻射能的過程2.傅立葉定律：,Q,dTP122qAdy熱量通量與溫度梯度成正比、負號表示熱量通量方向與溫度梯度的方向相反，即熱量是沿著溫度降低的方向傳遞。dT單層壁傳導：平壁厚度為b,壁面兩側溫度分別為T1、T2、T1T2。一維穩態熱傳導Q=-A-【例題4.2.1】某平壁厚度b

2、為400mm，內表面溫度T1=950C，外表面溫度T2=300C，導熱系數W/(mK),T的單位為C。若將導熱系數分別按常量(取平均導熱系數)和變量計算，試求導熱熱通量和平壁內的溫度分布。01010101十L”幾解：(1)導熱系數按平壁的平均溫度取為常數T+T950+300T，_2，625CW/m2九,1.0+0.001625，1.625m22m01010101TT950300q，九12，1.625，26411-mb0.4以x表示沿壁厚方向上的距離，在x處等溫面上的溫度為T，T即溫度分布為直線關系。dTdT(2)導熱系數取為變量q,靈，(1.0+0.001T)dx分離變量并積分Jt2(1.0+

3、0.001T)dT，-扎dxx，95026411.625x，9501625x對于平壁上的穩態一維熱傳導,熱量通量不變。因此（T-T）+q1（T-T）+b1040.001仟丁、-(T2T2)12212“(950300)+0001(95023002)2120.001(T2-T2)qb2122641W/m2在x處(TT)+Q，Q01(T2T2)qx(950-T)+氣!(950-T2)=2641x整理，得0001T2+T1401+2641x=02多層壁傳導（主要串聯熱阻疊加原則）QA+鶯:曙123T-T1bbb3.圓管熱導、圓管多層dT12d3T對于半徑為r的等溫圓柱面，根據傅立葉定律，有Q-XAdT

4、-X（2”rL）巴穩態導熱時，徑向的Q為常數，將上式分離變量并積分drdrQ”dr-”kdTQ2”XLTi-T2Tiln二r1r1rIn2rR=J-2”XL4.對流傳熱：牛頓冷卻公式dQ=dAAT九dT、ATQyy05.保溫層臨界直徑、間壁傳熱（考試最可能考）TTTTr1fcifQln(d/d)121+2”XL”dL當保溫層厚度增加2(即1R+R12ln(d/d)R2112”kLR12”dL2時R1增加，R2減少d2增大）丄、d222ln（d/d）121kddd2保溫層的臨界厚度6.P155、159平均溫差：（1）逆流和并流時的傳熱溫差在微元中熱、冷流體的溫差為ATT-Thc平均傳熱溫差，對數

5、平均溫差:2”L(TT)dQc1dd2f2kd由此得到熱損失Q為最大值時的保溫層直徑d主d2cATmATAT2A1換熱器兩端溫差大的數值AT，換熱器兩端溫差小的數值ATAT12ln2AT1錯流和折流時的傳熱溫差2）按逆流計算對數平均溫差，再乘以溫度修正系數AT申ATmATm溫度修正系數，無量綱，AT按逆流計算的對數平均溫差。溫度修正系數小于1,即m錯流和折流時的傳熱溫差小于逆流時的溫差。傳熱單元數：Q，KAATm第六章沉降斯托克斯公式（算完后要檢驗）層流區：Rep2CD=24/Rep1一，u,Pgd2ut顆粒終端沉降速度t18Pt廠18.5(-)gdRe0.6過渡區：2Reptf停沉去除的條件

6、。Vu,ulb流體中直徑為q的顆粒完全3.P225離心沉降離心沉降速度重力沉降u，t4(P-)dgpp3PCD旋風分離器（臨界直徑、影響因素（填空題）根據顆粒離心沉降速度方程式，假設氣體密度P顆粒密度Pp,相應于臨界直徑-的顆粒1P-PPd2u2沉降速度為：u，pr2d2，廿亠根據假設顆粒在沉降過程中所穿過的氣t18mp18rm流最大厚度等于進氣口寬度B。顆粒最大沉降時間為:B18prB，m沉ud2u2tcPi若氣體進入排氣管之前在筒內旋轉圈數為N則運行的距離為2叫N,故氣體在筒內的停留d,9凹c兀uNiP2兀rN時間為t=m令t-=t停，得:停u沉停i一般旋風分離器以圓筒直徑D為參數，其它參

7、數與D成比例，B=D/4。D增加，dc增大，分離效率減少。第七章過濾P243過濾理論:過濾速度u定義為內通過過濾面的濾液量,m3dVu=Adtdt微分過濾時間，sA過濾面積,m2dVdt時間pu二(RR中mcp(rL+rL)卩r：與過濾介質上形成的濾餅層的孔隙結構特性有關過濾速度與推動力之間的關系可用下式（Darcy定律）表示：Rm：過濾介質過濾阻力,1/mRc：濾餅層過濾阻力，1/m假設rm，r分別為過濾介質和濾餅層的過濾比阻,1/m2Rm=rmLm；Rc=rLL：與濾液量有關，在過濾過程中是變化的假設每過濾1m3濾液得濾餅f（m3）fV=LA可把過濾介質的阻力轉化成厚度為Le的濾餅層阻力r

8、mLm=rLe匕dV_A2p則礦_r卩f（VVe）（1）r_rps可壓縮濾餅：0r0：單位壓差下濾餅的比阻，m-2Pa-i；將比阻計算式代入式（1）dV_AApi-sAdt_r卩f（V+V）0“2Api-s主要掌握K的表達形式：K_f貝hs：濾餅的壓縮指數,dV_KAAdt_2(V+V)e2)恒壓過濾：在過濾過程中，過濾壓差自始自終保持恒定，K為常數JV2（V+V）dV_ftKA2dtV2+2VV_KA21若過濾介質阻力可忽略不計，則簡化V2_KA21q2_Kt恒速過濾：恒速過濾是指在過濾過程中過濾速度保持不變，即濾液量與過濾時間q_utdVV常數dVKA2呈正比一一常數AdtAt代入式（2）

9、dt2(V+V)eV2+VVe2A2t若忽略過濾介質阻力，則簡化為：V2_KA212第八章吸收吸收的基本概念：依據混合氣體各組分在同一種液體溶劑中物理溶解度(或化學反應活性)的不同，而將氣體混合物分離的操作過程。本質上是混合氣體組分從氣相到液相的相間傳質過程。類型：(1)按溶質和吸收劑之間發生的反應：物理吸收：水凈化含SO2鍋爐尾氣化學吸收：堿液凈化含SO2鍋爐尾氣按混合氣體中被吸收組分數目：單組分吸收：如用水吸收HCI氣體制取鹽酸多組分吸收：堿液吸收煙氣(含SO2,NOx,CO2,CO等)按體系溫度是否變化：如果液相溫度明顯升高稱為非等溫吸收如果液相溫度基本保持不變稱為等溫吸收物理吸收(亨利

10、定律)在稀溶液條件下漏度一定|總壓不大時，氣體溶質的平衡分壓和溶解度成正比:*陽溶質在令相中的平衡分壓，Pa=Exa麵溶質在液相中的摩爾分數B一亨利系數Pa.判斷傳質的方向：根據相平衡，計算平衡時溶質在氣相或液相中的組成。與實際的組成比較，可以判斷傳質方向。實際液相組成平衡組成，溶質從氣相液相雙膜理論，怎么畫過程要清楚P270相互接觸的氣液兩相流體間存在著穩定的相界面,界面兩側分別有一層虛擬的氣膜和液膜。在相界面處，氣液兩相在瞬間即可達到平衡，界面上沒有傳質阻力。在膜層以外，氣液兩相流體都充分湍動，不存在濃度梯度，組成均一，沒有傳質阻力111Kg與kG之間關系搞清楚（例題8.2.2P274）丁

11、p+示總傳質阻力等于氣膜阻力和液膜阻力之和GGL傳質阻力分析（選擇、簡答）化學吸收不要求書上P2735.吸收因數（考試時會告訴公式）例8.4.1第九章吸附1、概念、分類、常見吸附劑及其性質吸附操作是通過多孔固體物質與某一混合組分體系（氣體或液體）接觸，有選擇地使體系中的一種或多種組分附著于固體表面，從而實現特定組分分離的操作過程。按作用力性質分類：分物理吸附和化學吸附按吸附劑再生方法分類：變溫吸附和變壓吸附按原料組成分類：大吸附量分離和雜質去除按分離機理分類：位阻效應、動力學效應和平衡效應常用吸附劑的主要特性吸附容量大：由于吸附過程發生在吸附劑表面，所以吸附容量取決于吸附劑表面積的大小。選擇性

12、高：對要分離的目的組分有較大的選擇性。穩定性好：吸附劑應具有較好的熱穩定性，在較高溫度下解吸再生其結構不會發生太大的變化。同時，還應具有耐酸堿的良好化學穩定性。適當的物理特性：適當的堆積密度和強度廉價易得幾種常用的吸附劑：活性炭（a.比表面積越大，吸附量越大：但應注意對一些大分子，微孔所提供的比表面積基本上不起作用。b.表面化學特性：活性炭本身是非極性的，但由于表面共價健不飽和易與其它元素如氧、氫結合，生成各種含氧官能團）活性炭纖維、硅膠、活性氧化鋁、沸石分子篩怎么選一個吸附劑需要根據被分離對象、分離條件和吸附劑本身的特點確定需要進行試驗研究3吸附平衡（很少考計算，考填空）：朗格繆爾公式（單層

13、）與弗蘭德里希方程的區別（多層）_1弗蘭德里希（Freunlich）方程:q，kpi/n兩邊取對數lgq_g十匚lgPq平衡吸附量，L/kgk和吸附劑種類、特性、溫度以及所用單位有關的常數n常數，和溫度有關p吸附質氣相中的平衡分壓,Pa隨著p增大，吸附量q隨之增加。但p增加到一定程度后，q不再變化Freundlich方程為經驗公式。壓力范圍不能太寬，低壓或高壓區域不能得到滿意的實驗擬合結果。朗格謬爾（langmuir）公式:條件：吸附劑表面性質均一，每一個具有剩余價力的表面分子或原子吸附一個氣體分子。吸附質在吸附劑表面為單分子層吸附。吸附是動態的，被吸附分子受熱運動影響可以重新回到氣相。吸附過

14、程類似于氣體的凝結過程，脫附類似于液體的蒸發過程吸附在吸附劑表面的吸附質分子之間無作用力kTOC o 1-5 h z吸附達到平衡時，吸附速度與脫附速度相等，貝V：廠二廠Pp吸附質的平衡分壓，Padq,qm分別為吸附量和單分子層吸附容量，L/kgk1Langmuir常數，與吸附劑和吸附質的性質和溫度有關，該值越大表示吸附劑的吸附能力越強。公式變換得：1,11亠1qkqpq1mm當p很小時，貝V：q=k1qmp呈亨利定律，即吸附量與氣體的平衡分壓成正比。當px時，q=qm此時，吸附量與氣體分壓無關，吸附劑表面被占滿，形成單分子層4.吸附動力學：傳質過程（簡述）P315（1）吸附質從流體主體擴散到吸

15、附劑外表面外擴散（2）吸附質由吸附劑的外表面向微孔中的內表面擴散內擴散（3）吸附質在吸附劑的內部表面上被吸附一般第（3）步的速度很快，吸附傳質速率主要取決于第（1）和（2）兩步。外擴散速度很慢外擴散控制內擴散速度很慢內擴散控制6.P318吸附操作、概念、計算（例9.5.2）、穿透曲線、穿透點、穿透時間單級吸附I,Xj溶劑量G利吸附劑量L不變=根據質量守恒立律：對于第1級,對干第2級:g（P9p）=（旺）0：濬劑呈，m5；=吸附劑量，kg和吸附質在進、出換陽橫的吸附劑中罰濃度，kg（吸附質）/kg（吸附劑）刖,円：吸附質在進、出吸附槽的溶港中的濃度，kg（吸附匿）/m3（溶劑）穿透曲線示意圖G:

16、溶液流入速率（m3/（m2s）p0：溶液中溶質濃度（kg/m3）z:固定床吸附塔填充高度（m）pB：穿透點濃度（kg/m3）pE：穿透曲線終點濃度（kg/m3）B:出口處溶質濃度達到pB時的流量(m3/m2)a：吸附區移動了吸附區高度za區間的流量(m3/m2)aa穿透時間：伯哈特-亞當斯(Bohart-Adams)法通過實驗發現，在一定的初始濃度、空床速度和達到一定的穿透濃度的條件下，固定床的床高和穿透時間呈直線關系。該關系又稱BDST法(BedDepthServiceTime)。利用該關系可以較方便地計算時間：1匕_tb穿透時間，h;bpvpKp叫吸附劑的動態吸附容量，kg/m3；Bz床高

17、，m;p0入口料液中吸附劑濃度，kg/m3；v空床線速度，m/hK比例系數，m3/(kgh);pB穿透濃度，kg/m3第十一章反應動力學基礎1、P397反應操作、反應器概念、反應器操作方式反應操作：利用化學或生物反應進行工業生產或污染物處理時，需要通過反應條件等的控制，使反應向有利的方向進行。為達到這種目的而采取的一系列工程措施通稱為反應操作。反應器：進行化學或生物反應的容器的總稱。反應器的操作方式：間歇操作(分批操作)、充/排式操作、連續操作、半間歇操作、半連續操作2、反應動力學：氣液氣固反應速率表征反應速率的定義及表示方法：一般定義：氣一固相反應的反應速率表示方法：以固體催化劑的質量(m)

18、、表面積、顆粒體積(Vp)為基準的反應速率-小二(-QW二(_嗨)5=(-%)咖氣一液相反應的反應速率表示方法：以液相界面積、液相體積為基準的反應速率（）不可逆單一反應1-單組分反應鮭擊=kef=kcAOnl-xj11肚二丄-)&不等于1)1J%kt=In(cAC/cA)=lncA()lncA(ii等于L)單一反應（恒溫恒容）的速率方程反應反應速率方程速率方程的積分形式半衰期t/2AP一r=kkt=(C-C)C/(2k)（0級）AA0AAoAP一r=kCkt=ln(C/C)ln2/k（1級）AAA0A2AP一r=kC2kt=-卅1/(kC)（2級）AACACA0AoA+BPln(C/C)(C/

19、C)CABr=kCCkt=1At-B吩aln(2-BAr)AABC-Ck(C-C)C（2級）AB0BA0ABoBAoABonAPr=kCn11kt=(1-)2n-11(n級,n#1)AAn，1Cn，1Cn，1kCn，1(n，1)AAoAo注：a、b為計量系數第十五章反應動力學解析方法P530間歇反應解析、物料守恒間歇反應動力學實驗及其數據的解析方法：積分法:判斷實驗數據與某積分形式的速率方程是否一致微分法:根據試驗數據求出不同濃度時的反應速率（作圖法或計算法），之后根據反應速率與反應物濃度的關系，確定反應速率方程。積分解析法：例題12.2.1污染物A在某間歇反應器中發生分解反應，于不同時間測得

20、反應器中A的濃度如下表所示。試分別利用積分法和微分法求出A的反應速率方程表達式t(min)07.51522.530cA(mg/L)50.832.019.712.37.6積分解析法:假設反應為零級反應一防k汗即血屈薩一k,以二一ktw師根據表中數據做以一t的曲線.TVT發現沒有線性關系。假設錯誤！40402.0505332(-l&LU=_ou_k=O.06341,即一入=0.06341Ca微分法解析法假設反應為一級反應一rA=kcA!即dcA/dt=kcA)lncA=kt+lnco根據表中數據做lncA-t的曲線4.0發現有線性關系假設正確(min)根據表中數據做Cat

21、的曲線t(min)ooooooo654321吞利用切線法求出不同5對應的反應速率加恒容全混流反應器的設計方程以一広對以作圖得到線性關系一肓0.06342恥所以該反應為一級反應。反應速率常數為0.0634min1D匚一LU-IjmE)VI微分解析的一般步驟把對時間作圖，并描出圓滑的曲線利用圖解法（切線法）或計算法，求得不同滋時的反應速率，即一dcA/dtJ把得到的反應速率值對1濃度f（cj作圖nAz假設一個速率方程，若x/弘的切線與實驗數據相符，則假吋斜率g設成立之后可以求出動力學參數恒容全混流反應器的設計方程反應器的物料衡算:A的排出量A的流入量qnA(kmol/s)AiAD(kmol/s)只

22、的存在量單位時間內A的物料衡算式如下：A的進入量三A的捉出量+A的反應量牛A的積累量氣的基本方程!A的反應量；RA(kmol/s)qnAO=q也+(広世土W魚第十二章均相化學反應器間歇反應器的操作方法將反應物料按一定比例一次加到反應器內，然后開始攪拌，使反應器內物料的濃度和溫度保持均勻。反應一定時間，反應率達到所定的目標之后，將混合物料排出反應器。之后再加入物料，進行下一輪操作，如此反復。間歇反應器反應時間：fcdet=，!AAeA0，rA恒容恒溫間歇與平推流反應器的設計方程反應反應速率方程設計方程AP一r=kAe一e=ex=kt(te/k)AAAAAfoooe=0(te/k)AAr=keAA

23、0ln(eye)=ln(1x)=ktAAA-r=ke2AA117一=kteeAA0，r=kenAAe1，ne1，n=e1，n(1x)i-n1AAAA=(n-1)kt(n1)Ver=m_AAK+emA1t=exKln(1x)VA()AmAmA+aBPB一r=keeAABeee-aexBAAinoinooeee(1-x)B0AB0A=(e-ae)ktBBATT0完全混合流連續反應器反應反應速率方程設計方程AP一r=kcAAc=c/(1kT)AA0-r二kc2AAc-1(1+4kTc)K1A2kTA0-r二kcnAAT-(cc)kcnAA/AABP一r=kccAAB07xckT-AA0(1一x)(c

24、/c一x)ABJA.AJAkjPAQ一r=(k+k)cA12Ar=kcP1Ar=kcQ2AccAOA1+(k+k)t12ckTcP1+(k+k)t12ckTcQ1+(k+k)t12APQ一r=kcA1Ar=kc一kcP1A2Pr=kcQ2Pca-itk1ckTcA.1P(1+kt)(1+kt)12ckkt2cAo12Q(1+kT)(1+kT)12例12.2.2：乙酸的水解反應，可以近似地看作一級反應，該反應在300K時的速率方程為:-rA=2.77x10-3CAmol/(m3s)。將乙酸濃度為600mol/m3的液體以0.050m3/min的速度送入一完全混合流反應器。試求以下幾種情況時的乙酸

25、的轉化率。反應器的體積為0.80m3時0.40m3的反應器，二個串聯使用時0.20m3的反應器，四個串聯使用時反應器的體積為0.80m3時平均空間時間r=-8=960.50 x103/60S一1十阮一1十2710-3x960_16伽皿“(2)0.40m3的反應器，二個串聯使用時，每個槽的平均空間時間(3)0.20m3的反應器，四個串聯使用時，每個槽的平均空間時間第十三章擴散過程動力學過程(表面過程)反應物的外擴散、反應物的內擴散、反應物的吸附、表面反應、產物的脫附、產物的內擴散、產物的外擴散1.本征動力學推導形式P460基本假設：三個反應步驟中必然存在一個控制步驟；除控制步驟外，其他步驟處于平

26、衡狀態；吸附過程和脫附過程屬理想過程，即可用蘭格謬爾吸附模型來描述。反應AP的基本過程A,oAAoPPoP,各過程的速率方程A的吸附速率：vkp0-k0AaAvaA表觀反應速率：rk0-k0ssAsPP的脫附速率：v，k-kpPPPPPvrA二5Z反應物吸附和產物的脫附達到平衡lKPpP0v=OF7Kp-(K/K)pr，kaapspAS1+Kp+KpAAPP產物脫附2.固相催化反應的宏觀動力學P463宏觀反應速率（一RA）:催化劑顆粒體積為基準的平均反應速率。vp（r）dV-Ra與一rA之間的關系R，APAAAVPdV0P影響因素：本征反應速率、催化劑顆粒大小、形狀、擴散速率效率因子和西勒模數

27、關系（例13.1.1）對反應器不要求球形催化劑的最大反應速率4R3kcn(n級反應)3vAs球形催化劑的內部最大擴散速率式4兀R2D(c/R)催化劑內部球心處的A的濃度為零，濃eAs度梯度達到最大，3(b2s最大反應速率3R3kvCAsR2kcnT內部最大擴散速率4R2D(c/R)3DeAseRkcn-i1=vAsOS稱西勒(Thiele)模數s3DSe例13.1.1利用直徑為0.3cm的球形硅鋁催化劑進行粗柴油的催化分解反應，該反應可以認為一級反應，且在630C時的本征動力學方程為-rA=7.99x10-7pAmol/(scm3)。已知粗柴油的有效擴散系D=7.82xl0-4cm2/s，試計

28、算該催化反應的催化劑的有效系數。n解：根據氣體方程：P=RT=cRTAVA所以本征動力學方程的反應常數為：k，7.9910-78.314103(273630)，6.0s-1一級反應的西勒數為：$=:k0.157.82x10-44.38s1，0.211111耳=,tanh334.38tanh(3x4.38)3x4.38ss二級不可逆氣液相反應A(g)+，B(l)PB本征反應速率方程為：-r二kccAABdcA的擴散進入量-Da反應量：(r)dzLAdzAddcA的擴散出去量：D(c+adz)LAdzAdz反應物A的物料衡算式：-D佇=(r)dzD(c+竺adz)LAdzALAdzAdzd2cDA

29、=r二級不可逆氣液相反應LAdz2A同理，B的基本方程DCb=r=,(r)LBdz2BBA5.界面反應臨界濃度P474例13.2.1瞬間反應A(g)+aB(l)TP的反應平面隨液相中B的濃度的升高而向氣液界面移動。當B的濃度高于某臨界濃度cBLC以上時，反應平面與氣液界面重合，此時的反應稱界面反應。試推導出cBLC的表達式，并給出氣液界面反應的宏觀速率方程。解：根據題意，在氣液界面處A、B的濃度均為零B在液膜中的擴散速率：N=DB(c0)B0BL,CLLA0)=kpGAA由k=D/0得0=D/k故N=DLBkcLALALLLALABDLABL,CA在氣膜中的擴散速率：N=k(pD卜LBkCDL

30、ABL,CLAkp=GAAAGAA根據NA和NB的關系式：N=NABA,BB故CBL,C,kD=BGA_LApDkaLBLA例題13.2.2廢氣中的0.1%硫化氫用乙醇胺溶液(RNH2：CBL=1.2mol/m3)吸收，吸收反應為瞬間反應：HS(g)+RNH(l)HS-+RNH+求總反應吸收速度。氣相擴223散阻力很小(pAi=PA)時，求化學吸收增強因子。已知：液相傳質系數kLA=4.3x10-5m/s，氣相傳質系數kGA=5.9xlO-7mol/(m2sPa)，組分A的液相擴散系數DLA=1.48x10-9m2/s組分B的液相擴散系數DLB=0.95x10-9m2/s組分A的亨利常數Ha=12.2Pam3/mol,壓力為101.3kPa，溫度為293K。解：先確定反應界面在相界面還是在液膜內由例題13.2.1的結果得：cBL,CakDBGA_LApDkaLBLAlx5.9xl0,7xl.48xl0,90.95x10，9x4.3x10，5x101.3x103x0.0012.l7mol/m3由于cBL=1.2mol/m3CBL,c，因此反應在液膜內進行。總傳質系數kg的計算1H112.211=A=Kkk4.3x10，55.9x10-75.05x10，7GLAGA由式13.2.26得：-r二K(p+HDBC)二5.0