环境工程原理的课后习题Word格式.docx
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输入冷却水的热量为
(1)以冷却水为衡算对象,设冷却水的流量为
,热量变化率为
。
根据热量衡算定律,有
,求得
(2)由题,根据热量衡算方程得
求得
4.某一段河流上游流量为36000m3/d,河水中污染物的浓度为3.0mg/L。
有一支流流量为10000m3/d,其中污染物浓度为30mg/L。
假设完全混合。
求:
(1)下游的污染物浓度是多少;
(2)每天有质量为多少千克的污染物质通过下游某一监测点。
(1)根据质量衡算方程,下游污染物浓度为
(2)每天通过下游监测点的污染物的质量为
5.假设某一城市上方的空气为一长宽均为100km、高为1.0km的空箱模型。
干净的空气以4m/s的流速从一边流入。
假设某种空气污染物以10.0kg/s的总排放速率进入空箱,其降解反应速率常数为0.20h-1。
(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。
(1)设稳态下污染物的浓度为
,则由质量衡算得
,
解之得
(2)设空箱的长宽均为L,高度为h,质量流量为qm,风速u。
根据质量衡算方程
带入已知量,分离变量并积分,得
积分,得
6.某水池内有1m3含总氮20mg/L的污水,现用地表水进行置换,地表水进入水池的流量为10m3/min,总氮含量为2mg/L,同时从水池中排出相同的水量。
假设水池内混合良好,生物降解过程可以忽略,求水池中总氮含量变为5mg/L时,需要多少时间。
解:
设地表水中总氮浓度为
,池中总氮浓度为
由质量衡算,得
即
积分,有
7.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。
设沉淀池进水流量为qv0,污泥产量为qv1,排水量为qv2,浓缩池上清液流量为qv3,进入浓缩池的水量为qv4。
(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
输入速率
输出速率为
又已知
根据上面的方程联立方程组,可解得qv1=22.5m3/d,qv2=4977.5m3/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
输入速率
输出速率为
又
可解得qv3=450m3/d,qv4=472.5m3/d
第六章
1.降尘室是从气体中除去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。
现用除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3.0*10-5Pa.s,降尘室高2m,宽2m,长5m。
求能够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
,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
假设沉降在层流区,应用斯托克斯公式,得
检验雷诺数
,在层流区
所以可以去除的最小颗粒直径为85.7微米。
2.用多层降尘室除尘,已知降尘室总高4m,每层高0.2m,长4m,宽2m,欲处理的含尘气体密度为1kg/m3,黏度为3*10-5Pa.s,尘粒密度为3000kg/m3,要求完全去除的最小颗粒直径为20微米,求降尘室最大处理的气体流量。
解:
假设颗粒沉降位于层流区,则颗粒的沉降速度为
检验
,假设正确。
降尘室总沉降面积为
所以最大处理流量为
3.体积流量为1m3/s的20℃常压含尘空气,固体颗粒的密度为1800kg/m3。
空气的密度为1.205kg/m3,黏度为1.81*10-5Pa.s则
(1)用底面积为60m2的降尘室除尘,能够完全去除的最小颗粒直径是多少
(2)用直径为600mm的标准旋风分离器除尘,离心分离因数、临界直径和分割直径是多少。
能完全去除的颗粒沉降速度为
假设沉降符合斯托克斯公式,能够完全去除的最小颗粒直径为
检验:
,假设正确
(2)标准旋风分离器
进口宽度为
,进口高度
,进口气速
分离因数
临界直径
分割直径为
4.用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3800m3/h,粉尘密度为2290kg/m3,求旋风分离器能分离的临界直径(旋风分离器的直径为650mm,200℃空气的密度为0.746kg/m3,黏度为2.60*10-5pa.s)。
解:
标准旋风分离器进口宽度
进口高度为
进口气速
所以分离粉尘的临界直径为
5.欲用降尘室净化温度为20℃、流量为2500m3/h的常压空气,空气中所含粉尘的密度为1800kg/m3,要求净化后的空气不含有直径大于10微米的颗粒,试求所需沉降面积为多大?
若降尘室底面的宽为3m、长为5m,室内需要设置多少块隔板?
已知20℃空气的密度为
,黏度为
设直径为10
的颗粒沉降属于斯托克斯区,沉降速度
故以上计算有效
所需沉降面积为
因沉降室底面积为
已定,所以所需隔板数目为
所以需要8块隔板
6.求直径为40μm,密度为2700kg/m3的固体颗粒在20℃的常压空气中的自由沉降速度。
已知20℃,常压状态下空气密度为1.205kg/m3,黏度为1.81×
10-5Pa·
s。
(1)试差法
假设颗粒的沉降处于层流区,并且由于ρp>
>
ρ,所以得:
m/s
所以在层流区,与假设相符,计算正确。
(2)判据法
计算K判据得
所以可判断沉降位于层流区,由斯托克斯公式,可得:
第七章
1、在实验室中,用过滤面积为0.1m2的滤布对某种悬浮液进行过滤,在恒定压差下,过滤5分钟得到滤液1L,再过滤5分钟得到滤液0.6L。
如果再过滤5分钟,可以再得到多少滤液?
在恒定压差条件下,过滤方程为
代入过滤方程,得
联立上面两式,可以求得:
因此,过滤方程为
当
时,有
所以
因此可再得滤液0.473L。
2、直径为0.1mm球形颗粒物质悬浮于水中,过滤时形成不可压缩的滤饼,空隙率为0.6,求滤饼的比阻。
如果悬浮液中颗粒的体积分数为0.1,求每平方米过滤面积上获得0.5m3滤液时滤饼的阻力。
(1)滤饼的空隙率为0.6,颗粒的比表面积为
去比例系数K1=5,可得滤饼的比阻为
(2)滤饼的阻力
,计算滤饼阻力需要先求出滤饼的厚度。
对过滤过程中水的体积进行物料衡算:
滤液中和滤饼中持有的水的体积等于被过滤悬浮液中水的体积
求得滤饼的厚度
则滤饼的阻力为
3、某悬浮液颗粒直径为0.1mm,颗粒的体积分数为0.1,在9.81*103Pa的恒定压差下过滤,过滤时形成不可压缩的滤饼,空隙率为0.6,过滤介质的阻力可以忽略,滤液黏度为1*10-3Pa.s试求:
(1)每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间;
(2)若将此过滤时间延长一倍,可再得多少滤液?
(1)颗粒的比表面积为
滤饼层的比阻为
过滤得到1m3滤液产生的滤饼体积为
过滤常数为
所以过滤方程为
当t=1.5时,
(2)时间延长一倍,获得滤液量为
所以可再得0.6m3的滤液。
4、用过滤机处理某悬浮液,先等速过滤20min,得到滤液2m3,随即保持当时的压差等压过滤40min,则共得多少滤液(忽略介质阻力)?
恒速过滤的方程式为
,所以过滤常数为
此过滤常数为恒速过滤结束时的过滤常数,也是恒压过滤开始时的过滤常数,在恒压过滤过程中保持不变,所以恒压过滤方程式
总的滤液量为V=4.47m3。
5、用压滤机过滤某种悬浮液,以压差150kPa恒压过滤1.6h之后得到滤液25m3,忽略介质压力,则:
(1)如果过滤压差提高一倍,滤饼压缩系数为0.3,则过滤1.6h后可以得到多少滤液;
(2)如果将操作时间缩短一半,其他条件不变,可以得到多少滤液?
(1)由恒压过滤方程得
当过滤压差提高一倍时,过滤时间不变时
,即
当其他条件不变时,过滤常数不变,所以由恒压过滤方程,可以推得
即得V2=17.7m3
6、用一台过滤面积为10m2的过滤机过滤某种悬浮液。
已知悬浮液中固体颗粒的含量为60kg/m3,颗粒密度为1800kg/m3。
已知滤饼的比阻为4×
1011m-2,压缩指数为0.3,滤饼含水的质量分数为0.3,且忽略过滤介质的阻力,滤液的物性接近20℃的水。
采用先恒速后恒压的操作方式,恒速过滤10min后,进行恒压操作30min,得到的总滤液的量为8m3。
求最后的操作压差和恒速过滤阶段得到的滤液量。
设恒速过滤阶段得到的滤液体积为V1,根据恒速过滤的方程得
滤液的物性可查得:
黏度μ=1×
10-3Pa·
s,密度为998.2kg/m3,根据过滤的物料衡算按以下步骤求得f:
已知1m3悬浮液形成的滤饼中固体颗粒质量为60kg,含水的质量分数为0.3,所以滤饼中的水的质量y为:
kg,
所以滤饼的体积为
m3,滤液体积为
m3,
(1)
在恒压过滤阶段,应用式
联立
(1)、
(2)式,得
所以,求得恒速过滤的滤液体积
进而求得恒压过滤的操作压力
Pa
第八章
1.在常压101.3kPa、温度为25℃时,CO2在水中溶解的亨利系数为1.66*105kPa,现将含CO2摩尔分数为0.05的空气与CO2浓度为1.0*10-3kmoL/m3的水溶液接触,试:
(1)判断传质方向;
(2)以分压差和浓度差表示传质的推动力;
(3)计算逆流接触时空气中CO2的最低含量。
(1)空气中CO2的分压为
因为水溶液中CO2浓度很低,可以近似认为其密度和平均相对分子量皆与水相同,所以溶液的总浓度为
CO2在水溶液中的摩尔分数为
根据亨利定律,可得CO2的平衡分压为
CO2在空气中的实际分压为
,可以判断CO2发生有气相向液相传递。
(2)以分压差表示的传质推动力为
根据亨利定律,和空气中CO2分压平衡的水溶液摩尔分数为
以浓度差表示的传质推动力为
(3)逆流接触时,出口气体可以达到的极限浓度为进口水溶液的气相平衡浓度。
由前面的计算可知,与水溶液平衡的CO2气相分压为
,因此空气中的CO2摩尔分数最小为
2.在填料塔内用清水吸收空气中的氨气,空气的流率为0.024kmol/(m2.s),其中氨气的摩尔比为0.015,入口清水流率为0.023kmol/(m2.s)。
操作条件下的相平衡关系为Y=0.8X,总体积传质系数KYa=0.06kmol/(m3.s)。
如果氨气的吸收率为99%,填料塔的塔高应为多少?
进口氨气的摩尔比为Y1=0.015,
出口摩尔比为
进口清水中氨浓度
,出口吸收液中氨浓度
可以通过全塔的物料衡算求得:
塔底的传质推动力为
塔顶的传质推动力为
平均推动力为
所以传质单元数为
传质单元高度为
所以填料塔的高度为
3.用一个吸收塔吸收很合废气中的气态污染物A,已知A在气、液两相中的平衡关系为
,气体入口浓度为
,液体入口浓度为
,如果要求吸收率达到80%,求最小液气比。
气相入口摩尔比为
液相入口摩尔比为
吸收率
所以,最小液气比为
4.在吸收塔中,用清水自上而下并流吸收混合废气中的氨气。
已知气体流量为1000m3/h(标准状态),氨气的摩尔分数为0.01,塔内为常温常压,此条件下氨的相平衡关系为
,求:
(1)用5m3/h的清水吸收,氨气的最高吸收率;
(2)用10m3/h的清水吸收,氨气的最高吸收率;
(3)用5m3/h的含氨0.5%(质量分数)的水吸收,氨气的最高吸收率。
(1)气体流量为
液体流量为
假设吸收在塔底达到平衡,则
所以最大吸收率为
(2)气体流量为
液体流量为
假设吸收在塔底达到平衡,
则
(3)吸收剂中氨的摩尔分数为
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