環(huán)境工程原理課后習(xí)題(環(huán)工班)

1、環(huán)工81301班姓名學(xué)號(hào) 2.6 某一段河流上游流量為36000m/d，河水中污染物的濃度為3.0mg/L。有一支流流量為10000 m3/d，其中污染物濃度為 30mg/Lo假設(shè)完全混合。 (1) 求下游的污染物濃度 (2) 求每天有多少kg污染物質(zhì)通過(guò)下游某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 解: ( 1)根據(jù)質(zhì)量衡算方程，下游污染物濃度為 3600010000 m 旦一2/ 3.0 更00 f000%/ 8.87mg/L CV1 CV2 (2)每天通過(guò)下游測(cè)量點(diǎn)的污染物的質(zhì)量為 m (0/1 CV2)8.87 (36000 10000) 10 3kg/d 408.02kg/d 2.7 某一湖泊的容積為10X 1

2、06m，上游有一未被污染的河流流入該湖泊，流量為 污水，其中含有可降解污染物， 態(tài)時(shí)湖中污染物的濃度。 濃度為 100mg/L。污染物降解反應(yīng)速率常數(shù)為 50ni/s。一工廠(chǎng)以5 m7s的流量向湖泊排放 0.25d T。假設(shè)污染物在湖中充分混合。求穩(wěn) 解軍：設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)湖中污染物濃度為 則輸出的濃度也為 1ho 則由質(zhì)量衡算，得 即 Cm1 5 X 100mg/L ( 5 + qm2 k V 0 50) m/s 10X 106 X 0.25 Xm/s = 0 解之得 m = 5.96mg/L 2.11 有一裝滿(mǎn)水的儲(chǔ)槽，直徑 內(nèi)水面高度z的關(guān)系 1m.高3m。現(xiàn)由槽底部的小孔向外排水。小孔的直徑為

3、 0 5 u 0= 0.62 ( 2gz) 4cm,測(cè)得水流過(guò)小孔時(shí)的流速U0與槽 試求放出1m水所需的時(shí)間。 解軍：設(shè)儲(chǔ)槽橫截面積為 A，小孔的面積為 A 由題得 所以有 即有 Au0= dV/dt，即 U0= dz/dt x A/A2 dz/dt x( 100/4 ) 2 = 0.62 (2gz) 0.5 226.55 X z-05 dz= dt 0= 3m 1= Z0 1mX(nX 0.25m2) -1 = 1.73m 積分計(jì)算得t = 189.8s 2.13 有一個(gè)4X 3m的太陽(yáng)能取暖器，太陽(yáng)光的強(qiáng)度為3000kJ/ (mh)，有50%的太陽(yáng)能被吸收用來(lái)加熱流過(guò)取暖器的水流。 水的流

4、量為0.8L/min。求流過(guò)取暖器的水升高的溫度。 解：以取暖器為衡算系統(tǒng)，衡算基準(zhǔn)取為 輸入取暖器的熱量為 3000 X 12X 50% kJ/h = 18000 kJ/h 精選文庫(kù) 設(shè)取暖器的水升高的溫度為( T),水流熱量變化率為 qmCp T 根據(jù)熱量衡算方程，有18000 kJ/h = 0.8 X 60X 1X 4.183 XTkJ/h.K 解之得 T= 89.65K 2.14 有一個(gè)總功率為1000MW勺核反應(yīng)堆，其中2/3的能量被冷卻水帶走，不考慮其他能量損失。冷卻水來(lái)自于當(dāng)?shù)氐囊粭l河 流，河水的流量為100m3/s，水溫為20C。 (1) 如果水溫只允許上升10C，冷卻水需要多

5、大的流量； (2) 如果加熱后的水返回河中，問(wèn)河水的水溫會(huì)上升多少C。 解：輸入給冷卻水的熱量為 Q= 1000 X 2/3MW= 667 MW 17 (1) (2) =15.94m3/s 解：設(shè)耐火磚、絕熱磚、普通磚的熱阻分別為 r 1、 2、 0.5m (1)由題易得r1=b =11 1.4Wm 1K 1 r2 = 3.8 m 2 K/W r3 = 0.272 - m K /W =0.357 m - K/W 所以有 q =T=214.5W/m2 23 由題 Ti= 1000 C 以冷卻水為衡算對(duì)象，設(shè)冷卻水的流量為qV，熱量變化率為qmCp T。 根據(jù)熱量衡算定律，有qV X 103X 4

6、.183 X 10 kJ/m 3 = 667 X 103KW Q 由題，根據(jù)熱量衡算方程，得100 X 103 X 4.183 X T kJ/m 3 = 667 X 103KW T= 1.59K 4.3 某燃燒爐的爐壁由 500mm厚的耐火磚、380mm厚的絕熱磚及250mm厚的普通磚砌成。 其入值依次為1.40 W/(m K)，0.10 W/(m K)及0.92 W/(m - K)。傳熱面積 A為1m。已知耐火磚內(nèi)壁溫度為1000 C， 普通磚外壁溫度為 50 C。 (1) 單位面積熱通量及層與層之間溫度； 其熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.0459 W/(mC )。內(nèi)外壁溫度仍不變，問(wèn)此時(shí)單位面積 (2)

7、 若耐火磚與絕熱磚之間有一2cm的空氣層， 熱損失為多少？ 30mn的軟木。石 5C,則此時(shí)每米管長(zhǎng)的冷損失量為多少? (2)若將兩層保溫材料互換，互換后假設(shè)石棉外側(cè)溫度仍為 解：設(shè)鋁復(fù)合管、石棉、軟木的對(duì)數(shù)平均半徑分別為 r m1、 r m、 r m3o 由題有 3 r m1= mn 28.47mm 30 r m2= (1) In 27 30 mm= 43.28mmr m3 .60 In 30 30 mm= 73.99mm ,90 In 60 R/L = b2 21 rm1 22rm2 b3 23rm3 30 30 K 245 28.47 =3.73 X 10 4K m/W 0.735K m

8、/WH 1.613K m/W m/W 20.15 43.28K 0.04 73.99K m/W =2.348K m/W Q/L = 46.84W/m R/ L (2) R/L=亠 21rm1 b2 22rm2 3rm3 m/K 30 W m/K 20.04 43.28 W 245 28.47 =3.73 X 10 4K m /W+ 2.758K m /W+ 0.430K m /W 30 W m/K 20.15 73.99 4.6 =3.189K m /W Q/L= 34.50W/m R/L 水以1m/s的速度在長(zhǎng)為 3m的0 25X 2.5mm管內(nèi)，由20C加熱到 解：由題，取平均水溫 30

9、C以確定水的物理性質(zhì)。 d= 0.020 m , u= 1 m/s ,p 40 Co試求水與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。 =995.7 kg/m 3，卩=80.07 X 10-5 Pa s。 O.。20 1 995.72.49 80.07 10 5 104 流動(dòng)狀態(tài)為湍流 Pr CP 80.07 10 5 4.174 103 0.6176 5.41 所以得 0.023 d Re0.8 Pr0.4 4.59 103W/(m2 K) 4.8 某流體通過(guò)內(nèi)徑為 50mm的圓管時(shí)，雷諾數(shù) Re為1X 105，對(duì)流傳熱系數(shù)為 100 W / ( m K) o若改用周長(zhǎng)與圓管相同、高 與寬之比等于1 : 3的

10、矩形扁管，流體的流速保持不變。問(wèn)對(duì)流傳熱系數(shù)變?yōu)槎嗌伲?解：由題，該流動(dòng)為湍流。 0.0230.8 0.4 Re Pr d 0.023 1d2 Rq0 Pr4 04 2 因?yàn)闉橥N流體，且流速不變, 0.023 2d1 Re208 Pr 所以有 r 0.8, Re d2 /d I I 由Re 可得 Rf d1 di0.8d24)0.2 X 0.8.(H) d2 d1 d1 矩形管的高為19.635mm寬為 (d1嚴(yán) 2(廠(chǎng)) d2 2 58.905mm 計(jì)算當(dāng)量直徑，得 d2= 29.452mm 50 嚴(yán) 100W/(m2 K) 111.17W/(m2 K) 29.452 4.11 列管式換熱

11、器由 要求冷水的進(jìn)、出口溫度分別為 足要求。 解：設(shè)換熱器恰好能滿(mǎn)足要求，則冷凝得到的液體溫度為 72 = 85K，A T= 65K 85K65K74.55K 65 Tm T2T! Ti 100C。飽和水蒸氣的潛熱 L= 2258.4kJ/kg 19根0 19X 2mm長(zhǎng)為1.2m的鋼管組成，擬用冷水將質(zhì)量流量為350kg/h的飽和水蒸氣冷凝為飽和液體， 15 C和35 C。已知基于管外表面的總傳熱系數(shù)為700 W/ ( m K)，試計(jì)算該換熱器能否滿(mǎn) 由熱量守恒可得 KAATm= qmL 即 AqmL350kg/h 2258.4kJ/kg 仁飾? K Tm 700W/(m2 K) 74.55

12、K 列管式換熱器的換熱面積為 A總=19 X 19mmnX 1.2m 2 2 =1.36m 6.13 原來(lái)用一個(gè)旋風(fēng)分離器分離氣體粉塵，現(xiàn)在改用三個(gè)相同的、并聯(lián)的小旋風(fēng)分離器代替，分離器的形式和各部分的比例 并且氣體的進(jìn)口速度也不變， 不變, 求每個(gè)小旋風(fēng)分離器的直徑是原來(lái)的幾倍，分離的臨界直徑是原來(lái)的幾倍。 解: (1)設(shè)原來(lái)的入口體積流量為 又因?yàn)樾问胶统叽绫壤蛔? qv,現(xiàn)在每個(gè)旋風(fēng)分離器的入口流量為 分離器入口面積與直徑的平方成比例， qV/3，入口氣速不變，所以入口的面積為原來(lái)的1/3， 所以小旋風(fēng)分離器直徑的平方為原來(lái)的1/3，則直徑為原來(lái)的 所以小旋風(fēng)分離器直徑為原來(lái)的0.58

13、倍。 (2)由式(6.3.9) dc Ui pN 由題意可知: Ui、 p、N都保持不變，所以此時(shí) dc 由前述可知，小旋風(fēng)分離器入口面積為原來(lái)的1/3，則B為原來(lái)的71/3 0.58倍 pl 所以分離的臨界直徑為原來(lái)的 0.76 倍。 所以出 70.580.76倍 dc原 6.15 用離心沉降機(jī)去除懸濁液中的固體顆粒，已知顆粒直徑為50卩m密度為1050 kg/m 3，懸濁液密度為1000 kg/m 3，黏度 為1.2 X 10-3Pa s，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為 3000r/min，轉(zhuǎn)筒尺寸為 h=300mm r1=50mm r2=80mm求離心機(jī)完全去除顆粒時(shí)的最大懸 濁液處理量。 解: 7.3

14、20min，得到濾液2應(yīng) 隨即保持當(dāng)時(shí)的壓差等壓過(guò)濾 40min，則共得到多少濾液（忽 KA2ti 用過(guò)濾機(jī)處理某懸浮液，先等速過(guò)濾 略介質(zhì)阻力）？ 解軍：恒速過(guò)濾的方程式為式（7.2.18a）V12 所以過(guò)濾常數(shù)為K A t1 此過(guò)濾常數(shù)為恒速過(guò)濾結(jié)束時(shí)的過(guò)濾常數(shù)，也是恒壓過(guò)濾開(kāi)始時(shí)的過(guò)濾常數(shù)，在恒壓過(guò)濾過(guò)程中保持不變，所以由恒壓過(guò)濾方程式 （7.2.15）， V2 V12 KA2t V2 V12 詈A2t2 V2 V12 t2 所以V2 叭V12 ti 丄 40 2220 20 所以總的濾液量為V 4.47 m 3 之后得到濾液25 m，忽略介質(zhì)壓力，則: 1.6h后可以得到多少濾液； 7

15、.5 用壓濾機(jī)過(guò)濾某種懸浮液，以壓差150kPa恒壓過(guò)濾1.6h （1 ）如果過(guò)濾壓差提高一倍，濾餅壓縮系數(shù)為0.3，則過(guò)濾 （2）如果將操作時(shí)間縮短一半，其他條件不變，可以得到多少濾液? 解：（1）由恒壓過(guò)濾方程 V2 KA2t 2 P At roC 當(dāng)過(guò)濾壓差提高一倍時(shí)，過(guò)濾時(shí)間不變時(shí) V12 2 1 s P1 p2 所以V22 1 s 匹V12 1 0.3 2 252 1012.5 P1 V2 31.8 m （2）當(dāng)其他條件不變時(shí)，過(guò)濾常數(shù)不變，所以由恒壓過(guò)濾方程，可以推得 牛，所以V22和2扌252 312.5 V12 V22 t1 所以V2 17.7 m 7.7 恒壓操作下過(guò)濾試驗(yàn)測(cè)

16、得的數(shù)據(jù)如下，求過(guò)濾常數(shù) 解: t/q /m -1 s 382 572 760 949 .3-2 q / m m 0.1 0.2 0.3 0.4 由以上數(shù)據(jù)，作t/q和 q的直線(xiàn)圖 t / s 38.2 114.4 228 379.4 .3-2 q /m m 0.1 0.2 0.3 0.4 K,qe q q 由圖可知直線(xiàn)的斜率為 1889，截距為193.5 1 5.29 10 4m/s 1889 193.5 5.29 10 4“ 2 3, 2 5.12 10 m/m 所以過(guò)濾常數(shù)K qe 193.5K 0.375，砂層上方的水層高度保持為 7.12 在直徑為10mm的砂濾器中裝滿(mǎn)150mm厚的

17、細(xì)沙層，空隙率為 200mm管底部滲出的清水流量為6mL/min，求砂層的比表面積（水溫為20C，黏度為 1.005 X 10- Pa s，密度為 998.2kg/m )。 解:清水通過(guò)砂層的流速為 A 6 2 1/2 3 7.64 cm/min 1.27 10 m/s 推動(dòng)力為 gh 998.2 3 9.81 0.2 1.96 103 Pa 由式(7.3.11 ) Kl 1 3 2 a2 L P，可得顆粒的比表面積: P Kl 1 3 0.375 2 3 51 0.3751.27 10 3 3 1.96 10 9 1.005 10 3 0.150.276 10 所以a 1.66 104m2/

18、m3, ab a 0.725 1.66 1041.20 104m2/m3 8.3 用吸收塔吸收廢氣中的 液相中SQ濃度為0.05kmol/m 3,氣相傳質(zhì)系數(shù)為 近似水的密度。試求： (1 )截面上氣液相界面上的濃度和分壓； (2)總傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)推動(dòng)力和傳質(zhì)速率。 SQ, 條件為常壓，30 C，相平衡常數(shù)為m 2 kG 1.5 10 kmol/(m 2 h kPa)，液相傳質(zhì)系數(shù)為 26.7，在塔內(nèi)某一截面上，氣相中SQ分壓為4.1kPa， kL 0.39 m/h，吸收液密度 解: (1)設(shè)氣液相界面上的壓力為 Pi，濃度為C 忽略SQ的溶解，吸收液的摩爾濃度為 c0 1000/18 3 5

19、5.6 kmol/m 溶解度系數(shù)H C0 55.6 0.0206 26.7 101.325 mp0 在相界面上，氣液兩相平衡，所以 ci 0.0206 Pi kmol/(k Pa m3) 又因?yàn)榉€(wěn)態(tài)傳質(zhì)過(guò)程，氣液兩相傳質(zhì)速率相等，所以kG kL 所以 1.5 10 24.1 Pi 0.39 ci 由以上兩個(gè)方程，可以求得Pi 3.52 kPa， 0.05 Ci0.0724 kmol/m (2)總氣相傳質(zhì)系數(shù) Kg 1/kG 1/HkL 總液相傳質(zhì)系數(shù) kl kg/h 1/0.015 1/ 0.0206 0.39 0.00523/0.02060.254 m/h 2 0.00523 kmol/(m

20、 - h kPa) 與水溶液平衡的氣相平衡分壓為P* c/H 0.05/0.0206 2.43 kPa 所以用分壓差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為 P P P*4.12.431.67k Pa 與氣相組成平衡的溶液平衡濃度為C* Hp 0.0206 4.1 3 0.084 kmol/m 用濃度差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為c * c c 0.084 0.05 O.。34 kmol/m 傳質(zhì)速率Na Kg P 0.00523 1.67 0.0087 2 kmol/(m h) 或者 Na Kl c 0.254 0.034 0.0086 kmol/(m 2 h) 3 8.4 101.3kPa操作壓力下，在某吸收截面上，

21、含氨0.03摩爾分?jǐn)?shù)的氣體與氨濃度為1kmol/m 3的溶液發(fā)生吸收過(guò)程，已知?dú)?4 膜傳質(zhì)分系數(shù)為kG 5 10 kmol/(m 2 s kPa)，液膜傳質(zhì)分系數(shù)為kL 1.5 10 m/s，操作條件下的溶解度系數(shù)為H 0.73kmol/(m kPa)，試計(jì)算： (1) 界面上兩相的組成； (2) 以分壓差和摩爾濃度差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力、 總傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)速率； 如果采用酸溶液吸收，傳質(zhì)速率提高多少。假設(shè)發(fā)生瞬時(shí)不可逆反應(yīng)。 解：(1)設(shè)氣液相界面上的壓力為 pi，濃度為C 因?yàn)橄嘟缑嫔希瑲庖浩胶?，所以ci Hpi , 氣相中氨氣的分壓為 P 0.03 101.33.039 k Pa 穩(wěn)態(tài)傳

22、質(zhì)條件下，氣液兩相傳質(zhì)速率相等，所以 61.5 104 Ci c0.73 Pi kG PPikL Ci C 5 103.039 Pi 根據(jù)上面兩個(gè)方程，求得 pi 1.44kPa, Ci Ci 1 3 1.05 kmol/m (2)與氣相組成平衡的溶液平衡濃度為 Hp 用濃度差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為 與水溶液平衡的氣相平衡分壓為 C C/H 0.03 101.3 0.732.22 kmol/m3 2.2211.22 kmol/m3 1/0.731.370 k Pa p 3.039 1.370 1.669 k Pa Kg 1 1 1/kG 1/HkL 1/ 5 10 61/ 0.73 1.5 10

23、 4 總液相傳質(zhì)系數(shù) Kl Kg/H 4.78 10 6/0.736.55 10 6 m/s 傳質(zhì)速率Na Kg p 4.78 10 6 6 1.6697.978 10 kmol/(m 所以用分壓差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為 總氣相傳質(zhì)系數(shù) 6 kmol/(m2 - s) 2 - s) 4.78 10 6 kmol/(m 2 s kPa) 或者Na Kl C 6.55 10 6 1.227.991 10 (3) 分析傳質(zhì)阻力，判斷是否適合采取化學(xué)吸收, 2 I s kPa)/kmol (3)以氣相總傳質(zhì)系數(shù)為例進(jìn)行傳質(zhì)阻力分析 總傳質(zhì)阻力 1/ Kg 1/ 4.78 1062.092 105 (rm

24、 其中氣膜傳質(zhì)阻力為 1/ kG 1/ 5 10 62 105 (m2 s kPa)/kmol 占總阻力的95.6% 液膜傳質(zhì)阻力為 1/ HkG 1/ 0.73 1.5 10 49.1 103 (m s - kPa)/kmol 占總阻力的4.4% 所以這個(gè)過(guò)程是氣膜控制的傳質(zhì)過(guò)程，不適合采用化學(xué)吸收法。 如果采用酸液吸收氨氣，并且假設(shè)發(fā)生瞬時(shí)不可逆反應(yīng)，則可以忽略液膜傳質(zhì)阻力，只考慮氣膜傳質(zhì)阻力，則 Kg kG 5 10 6 kmol/(m 2 s kPa)，僅僅比 原來(lái)的傳質(zhì)系數(shù)提高了 4.6%，如果傳質(zhì)推動(dòng)力不變的話(huà)，傳質(zhì)速率也只能提 高4.6%。當(dāng)然，采用酸溶液吸收也會(huì)提高傳質(zhì)推動(dòng)力，

25、但是傳質(zhì)推動(dòng)力提高的幅度很有限。因此總的來(lái)說(shuō)在氣膜控制的吸收 過(guò)程中，采用化學(xué)吸收是不合適的。 8.5 利用吸收分離兩組分氣體混合物，操作總壓為310kPa，氣、液相分傳質(zhì)系數(shù)分別為ky 3.77 10 kmol/(m 2 s)、 44 kx 3.06 10 kmol/(m 2 s)，氣、液兩相平衡符合亨利定律，關(guān)系式為p 67 10 x (p*的單位為kPa)，計(jì)算： 精選文庫(kù) (1) 總傳質(zhì)系數(shù)； (2) 傳質(zhì)過(guò)程的阻力分析； (3) 根據(jù)傳質(zhì)阻力分析，判斷是否適合采取化學(xué)吸收，如果發(fā)生瞬時(shí)不可逆化學(xué)反應(yīng)，傳質(zhì)速率會(huì)提高多少倍? 4 解：(1)相平衡系數(shù) m E 1.0671034.4 p

26、 310 所以，以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為 1 Kx 1/kx 1/mky 1/ 3.06 10 41/ 34.4 3.77 10 3 以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為 Ky Kx/m 3.05 10 4 / 34.40.89 10 5 kmol/(m 2 - s) 42 3.05 10 kmol/(m - s) (2)以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)阻力為 1 3 43.28 103 3.05 10 4 Kx kx mky 其中液膜傳質(zhì)阻力為1/kx 氣膜傳質(zhì)阻力為1/ mky 所以整個(gè)傳質(zhì)過(guò)程為液膜控制的傳質(zhì)過(guò)程。 43 1/ 3.06 103.27 10，占總傳質(zhì)阻力的

27、99.7% 1 / 34.4 3.77 10 3 7.71，占傳質(zhì)阻力的 0.3% (3)因?yàn)閭髻|(zhì)過(guò)程為液膜控制，所以適合采用化學(xué)吸收。如題設(shè)條件，在化學(xué)吸收過(guò)程中，假如發(fā)生的是快速不可逆化學(xué)反應(yīng)，并且假設(shè) 擴(kuò)散速率足夠快，在相界面上即可完全反應(yīng)，在這種情況下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收過(guò)程，此時(shí) Kx mky 34.4 3.77 10 30.13kmoi/(m2 s) 與原來(lái)相比增大了 426倍 已知常壓下，20C時(shí)，CQ在水中的亨利系數(shù)為 1.44 X 10-5kPa,并且已知以下兩個(gè)反應(yīng)的平衡常數(shù) 8.6 19 精選文庫(kù) 3 CO2+H2O? H2CO3 K12.5 10 kmol/

28、m3 4 K21.7 10 2kmol/m3 10kPa,求水中溶解的 CO的濃度。 4.3 10 7 kmol/m 3,實(shí)際上包含了上述兩個(gè)反應(yīng)平衡, + H2CO3 ? h +hco3 若平衡狀態(tài)下氣相中的 CO分壓為 (CO2在水中的一級(jí)離解常數(shù)為 K K K1K2) 解：首先求得液相中 CO的濃度 由亨利定律x p/E 10/ 1.44 105 6.94 10 5 忽略CO的溶解，吸收液的摩爾濃度為 a 所以 CO2c0 x 55.6 6.94 10 5 1000/1855.6 kmol/m 3.86 10 kmol/m 由反應(yīng) CO2+H2O ? H2CO3,得 K1 H2CO3 C

29、O2 H2CO3CO2 K1 3.86 10 3 2.5 10 3 9.65 10 6 kmol/m 3 由反應(yīng) H2CO3? H + +HCO3，得 K2 HCO3 H2CO3 HCO3 所以水中溶解的 Jk2 H2CO31.7 10 4 9.65 CO總濃度為 10 6 4.0510 5 kmol/m 3 CO2 H2CO3 HCO33.86 103 4.05 105 9.65 10 63.90 10 3 kmol/m3 23 8.7 a、b中用清水吸收某種氣態(tài)污染物, -液相平衡符合亨利定律。如下圖所示，采用不同的流程，試定性 在兩個(gè)吸收塔 地繪出各個(gè)流程相應(yīng)的操作線(xiàn)和平衡線(xiàn)位置，并在圖

30、上標(biāo)出流程圖中各個(gè)濃度符號(hào)的位置。 25 C, 101.3kPa下，甲醛氣體被活性炭吸附的平衡數(shù)據(jù)如下: q/ g（氣體）? g（活性炭）-1 0 0.1 0.2 0.3 0.35 氣體的平衡分壓/Pa 0 267 1600 5600 12266 試判斷吸附類(lèi)型，并求吸附常數(shù)。 12kPa,向容器中放入 2g活性炭, 如果25C, 101.3kPa下，在1L的容器中含有空氣和甲醛的混合物，甲醛的分壓為 密閉。忽略空氣的吸附，求達(dá)到吸附平衡時(shí)容器內(nèi)的壓力。 解:由數(shù)據(jù)可得吸附的平衡曲線(xiàn)如下 吸附平衡曲線(xiàn)a 炭性活-體咒 圖9-1 習(xí)題9.1圖中吸附平衡線(xiàn) 由上述的平衡曲線(xiàn)，可以判斷吸附可能是 L

31、angmuir 或 Freundlich 型。 1 qmk1 P ，整理數(shù)據(jù)如下 qm 作1/q和1/p的直線(xiàn) q 習(xí)題9.1圖中1/q - 1/p的關(guān)系曲線(xiàn) 9-2 由 In q 1/ n In In k ,整理數(shù)據(jù)如下: 1/q 10 5 3.3 2.86 1/p 0.00374 0.00062 0.00018 0.00008 精選文庫(kù) In p 5.59 7.38 8.63 9.41 In q -2.30 -1.61 -1.20 -1.05 作In q和In p的直線(xiàn) Inp 圖9-3 習(xí)題9.1圖In q和In p的關(guān)系曲線(xiàn) 由以上計(jì)算可知，用Freundlich等溫方程擬合更好一些。

32、同時(shí)計(jì)算參數(shù)如下: 1/n=0.3336 ，n=3，Ink=-4.1266 ，k=0.016，所以等溫線(xiàn)方程為 q0.016 p 題設(shè)條件下，甲醛的物質(zhì)的量為n RT 8.314 pV 12000 O.。010.0048moI 298 質(zhì)量為m 0.0048 30 0.144g 假設(shè)達(dá)到吸附平衡時(shí)吸附量為q,則此時(shí)的壓力為 P 0.144 2q 8.314 298/ 30 0.001 1/3 101.3 12 89.3k Pa 0.016 p 代入，可以求得P 89 Pa 所以此時(shí)甲醛的平衡分壓已經(jīng)很低，如果忽略的話(huà)，可以認(rèn)為此時(shí)容器內(nèi)的壓力為 現(xiàn)采用活性炭吸附對(duì)某有機(jī)廢水進(jìn)行處理，對(duì)兩種活性

33、炭的吸附試驗(yàn)平衡數(shù)據(jù)如下: 平衡濃度COD /(mg? L ) 10050010001500200025003000 A吸附量 / mg? g(活性炭)-155.6192.3227.8326.1357.1378.8394.7 B 吸附量 /mg? g(活性炭)-147.6181.8294.1357.3398.4434.8476.2 試判斷吸附類(lèi)型，計(jì)算吸附常數(shù)，并比較兩種活性炭的優(yōu)劣。 Langmuir吸附等溫線(xiàn)方程為qk1qm / 1 k1，變形后可得一 q 解:由數(shù)據(jù)可得吸附的平衡曲線(xiàn)如下: 平衡濃度COD/mgL -1 炭性活-gm/量附吸 8 7 6 5 4 3 2 1 1000 20

34、00 30004000 圖9-4 習(xí)題9.2圖吸附等溫線(xiàn) 圖9-5 習(xí)題9.2圖 /q 的關(guān)系曲線(xiàn) 由直線(xiàn)可知，用 Langmuir 吸附等溫線(xiàn)方程可以很好地?cái)M合吸附曲線(xiàn)。 100 500 1000 1500 2000 2500 3000 /q(A) 1.80 2.60 4.39 4.60 5.60 6.60 7.60 /q(B) 2.10 2.75 3.40 4.20 5.02 5.75 6.30 作/q和的直線(xiàn) 1 ，整理數(shù)據(jù)如下: qm k1qm 10.2 分別求得方程的常數(shù)為 活性炭 A: 1/qm=0.0019，qr=526, 1/k1qm=1.8046，k1=0.00105 活性炭

35、 B:1/qm=0.0015，qmF667, 1/k1qm=1.9829，k1=0.00076 比較兩種活性炭的吸附平衡常數(shù)，可以看到B的飽和吸附量要大于 A比表面積較大，吸附容量比較大; 好。 A的吸附系數(shù)比較大，吸附的性能較 ，已知樹(shù)脂中H+離子的濃度為 用H型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂去除海水中的Na+、X離子（假設(shè)海水中僅存在這兩種陽(yáng)離子） KHa 2.0 kK 3.0 精選文庫(kù) 0.3mol/L，海水中Na、K離子的濃度分別為 0.1mol/L和0.02mol/L，求交換平衡時(shí)溶液中Na+、k離子的濃度。已知，。 10.7 29 解：K；yK 1 Xk XK 1仏 3.0, KHa yNa 1

36、XNa 1yNa 2.0 XNa 同時(shí) 0.3yNa0.1 1 XNa， 0.02 1 xK 聯(lián)立以上幾式，求得 XkO.。23，XNa0.162 K為 0.00046 mol/L 所以平衡時(shí)溶液中的濃度N6為0.0162 mol/L ， 10.9 用反滲透過(guò)程處理溶質(zhì)為 3% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 的溶液，滲透液含溶質(zhì)為150 X 10-6。計(jì)算截留率卩和選擇性因子，并說(shuō)明這 種情況下哪一個(gè)參數(shù)更適用。 解：溶質(zhì)的量很少，可以忽略溶質(zhì)對(duì)溶液體積和總摩爾數(shù)的影響，所以 截留率: O.。3 O.。0015 0.995 0.03 選擇性因子: yA/yB A/B 0.03/ 0.97 XA/XB0.000

37、15/0.99985 206 在溶質(zhì)的量與溶液相比很少，選擇性因子很大時(shí)，采用截留率表征分離情況，結(jié)果更為清晰，容易理解。 10.14 7.8 10 2- bl為m/s，膜中Cl離子的遷 采用電滲析的方法除鹽，已知料液的NaCl濃度為0.3mol/L，實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳質(zhì)系數(shù) 移數(shù)為 0.52，邊界層中Cl-離子遷移數(shù)為0.31， 求該電滲析過(guò)程的極限電流密度。 解: 由式（10.3.43 ）得極限電流密度: ZDbl fCb ilim bl tm tbl 1 7.8 102 26.8 0.3 103 0.52 0.31 2.99 103 A/m2 45kg純?nèi)軇㏒萃取污水中的某溶質(zhì)組分 A料液處理量

38、為39kg，其中組分A的質(zhì)量比為XmF 0.3，而且S與料液組分 mF 精選文庫(kù) B完全不互溶，兩相平衡方程 Ym 1.5Xm，分別計(jì)算單級(jí)萃取、兩級(jí)錯(cuò)流萃取(每級(jí)萃取劑用量相同)和兩級(jí)逆流萃取組分 的萃出率。 解：(1) 單級(jí)萃取 料液中B的量為B 39/1.3 30 kg 根據(jù)物料衡算B XmF S YmEB XmR 11.3 31 2 又因?yàn)閅mE1.5X mR 所以萃余相溶質(zhì)質(zhì)量比為 XmR BXmF 30 0.3 B 1.5S30 1.5 450.092 所以溶質(zhì)A的萃出率為69.3% (2) 兩級(jí)錯(cuò)流 兩級(jí)錯(cuò)流的情況下，每級(jí)的萃取劑用量為22.5kg 則第一級(jí)萃余相的濃度為X mR

39、1 BXmF 30 0.3 B 1.5Si 30 1.5 22.50.14 因?yàn)榈谝患?jí)的萃余相濃度就是第二級(jí)的原料液濃度, 因此可以計(jì)算第二級(jí)的萃余相濃度 X mR2 BXmR1 30 0.14 B 1.5S, 30 1.5 22.5O.。66 因此溶質(zhì)A的萃出率為78% (3)兩級(jí)逆流 兩級(jí)逆流的物料衡算為 BXmFXm1 SYm Ym2 B Xm1 X m2 又根據(jù)相平衡方程 Ym 1.5Xm 由以上三個(gè)方程式可以求得 X20.036 所以溶質(zhì)A的萃出率為88% 氣態(tài)NH在常溫高壓條件下的催化分解反應(yīng) 2NH=N2+3H可用于處理含NH廢氣?，F(xiàn)有一 NH和CH含量分別為95%和5% 的氣體

40、，通過(guò)NH催化分解反應(yīng)器后氣體中 NH的含量減少為3%，試計(jì)算NH的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器出口處 N2、Hb和CH的摩爾分 13 2, nh31 精選文庫(kù) 數(shù)。（CH為惰性組分，不參與反應(yīng)） 解：在氣相反應(yīng)中，NH分解膨脹因子為 11.5 將已知數(shù)據(jù)ZNH3,00.95 ； ZNH 3 根據(jù)題意: ZN2 ,00，ZH 2 ,00， 在連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的恒容平行反應(yīng) 原料中（反應(yīng)器進(jìn)口）的 A B濃度均為 0.03代入式11.2.28可得: ZCH4 ,0 ZN2 ZH2 0.05，由表11.2-1可得: Xa ZA0ZA 0.95 0.03 Za0(1aza)0.95(1 1 0.03) 0.94

41、1 Zn2，02 Znh3,0Xnh3 1NH 3ZNH30XNH3 3 知2,02ZNH3,0XNH3 1NH 3ZNH30XNH3 ZCH 4 ,0 1 NH 3ZNH 3,0XNH 3 3000mol/m時(shí)，出口反應(yīng)液中的 znh3,0Xnh3 /2 1NH 3ZNH30XNH3 3zNH3 ,0XNH3 / 2 NH 3ZNH3,0XNH3 0.05 11 0.95 R的濃度分別為 0.95 0.94/2 11 0.95 0.94 3 0.95 0.94/2 11 0.95 0.94 阪 o.026 0.236 0.708 （1）和（2），當(dāng) 33 250mol/m 和 2000mol

42、/m。試計(jì) 算反應(yīng)器出口處的 A的轉(zhuǎn)化率以及 B和S的濃度（原料中不含 R和S）。 (1) A+B=R (2) 2A=R+S 解:在反應(yīng)式（1 ）和（2） 中，設(shè)A的轉(zhuǎn)化率分別為XA1和XA2則有 Ca Ca0 (1Xa1Xa2 ) Cr Cr0Ca0 Xa1Ca0 Xa2 / 2 12.3 33 3333 將題中數(shù)據(jù) ca0= 3000 mol/m ; Ca= 250 mol/m ; Cr0= 0 mol/m ; Cr= 2000 mol/m 代入, 求解方程可得 Xa1= 0.417 ; Xa2= 0.5 所以反應(yīng)器出口處 A的轉(zhuǎn)化率為 A=Xa1 + Xa2= 0.417 + 0.5 =

43、 0.917 的濃度為 的濃度為 Cb= Cb0 Ca0Xa1 = 1749 mol/m3 c S= Cs0+Cs0Xa2/2 = 750 mol/m3 溫度,（K） 413.2 433.2 453.2 473.2 493.2 k/mol/(g h) 2.0 4.8 6.9 13.8 25.8 k如下表所示，求出反應(yīng)的活化能和頻率因子。 在不同溫度下測(cè)得的某污染物催化分解反應(yīng)的速率常數(shù) 解：根據(jù)表中數(shù)據(jù)求出Ink和1/T值，做lnk-1/T曲線(xiàn)如下 n 1/T /K -1 11-3 習(xí)題11.9圖Ink-1/T 曲線(xiàn) 根據(jù)式11.3.31可得 所以反應(yīng)的活化能為 Ea=5.2 X 104kJ/

44、kmol 頻率因子為 ko=8.36 X 10mol/(g h) 12.2 液相反應(yīng)A + 24 P的反應(yīng)速率方程為 Ea 6286.3 R rA (mol m 3 h 1)kcACB 在50C時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)為 4.5mol/(m 3 h)，現(xiàn)將組成為 Cao= 0.50mol/m 3, cb0= 0.90mol/m 3, cp0=0,溫度為 50C 的反 應(yīng)原料，以5.0m3/h的流量送入一平推流反應(yīng)器，使反應(yīng)在 反應(yīng)器有效體積。 50C恒溫條件下進(jìn)行：試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)所需的 解:反應(yīng)為恒容恒溫反應(yīng)，根據(jù)表 13.1.1的設(shè)計(jì)方程 (CB0 BCA0 )k .CB0BCA0XA

45、ln Cb0(1Xa) BCA0XA 變形可得 Cb0(1Xa) (CB0B CA0 ) k 將 a B= 2, CAc=0.5mol/m , cb0= 0.9 , xa= 0.8 代入上式可得: T = 1.31h 所以反應(yīng)器體積 V= T qV= 6.53m3 采用CSTR反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)習(xí)題13.1的反應(yīng)，若保持其空時(shí)為 3h，則組分A的最終轉(zhuǎn)化率為多少？ P的生成率又是多少? 解:根據(jù)反應(yīng)式 rArp 2rQ2ca 2 0.5cA 精選文庫(kù) 代入恒溫恒容的 CSTF反應(yīng)器基本方程 gXA可得 rA Cao Xa rA Cao Ca 2 2Ca Ca 將已知數(shù)據(jù)Cao= 2kmol/mT =

46、100- 1 計(jì)算可得 T = 99 h所以反應(yīng)器體積 V= qv t= 30175m 15.7 在等溫間歇反應(yīng)器中發(fā)生二級(jí)液相反應(yīng)At B,反應(yīng)速率常數(shù)為0.05 物料的操作時(shí)間除反應(yīng)時(shí)間tR還包括輔助時(shí)間tD，假定tD= 20min。試求每次操作的tR，使得單位操作時(shí)間的 和1= 3h代入方程可得 3 解得 ca 0.2573kmol /m ， 3cA 7ca 2 所以轉(zhuǎn)化率Xa= 87.14 % 對(duì)P進(jìn)行物料衡算亦有 c和 rp rP 2ca代入，解得 Cp rp 2 3 0.25731.544kmol/ m3 35 所以p的收率 Xp CpCpo Cp Cpo p1.544/277.2

47、% Cpmax Cao 由題13.1和題13.3可知， CSTF過(guò)渡時(shí)，應(yīng)注意兩者的區(qū)別。此外，在本題中連續(xù)操作的收率大于間歇操作，這是由于 注： 工程上的 CSTF和間歇式反應(yīng)器的T和t數(shù)值相同時(shí)，兩者轉(zhuǎn)化率和收率都不相等，因此在反應(yīng)器由實(shí)驗(yàn)室的間歇式向 A的濃度較低有利于目的產(chǎn)物 P的生成。 13.6 k為1.0 h -1，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化率XA為99%。 某反應(yīng)器可將污染物 A轉(zhuǎn)化成無(wú)害的物質(zhì) C,該反應(yīng)可視為一級(jí)反應(yīng)，速率常數(shù) 1.00kg/L ;反應(yīng)條件穩(wěn)定且所有的反應(yīng)均發(fā)生在反 由于該反應(yīng)器相對(duì)較細(xì)長(zhǎng)，設(shè)計(jì)人員假定其為平推流反應(yīng)，來(lái)計(jì)算反應(yīng)器參數(shù)。但是，反應(yīng)器的攪拌裝置動(dòng)力較強(qiáng)，實(shí)際的 混

48、和已滿(mǎn)足完全混和流反應(yīng)器要求。已知物料流量為304.8m3/h，密度為 應(yīng)器中。 (1) 按照pfr來(lái)設(shè)計(jì)，反應(yīng)器體積為多少，得到的實(shí)際轉(zhuǎn)化率為多少？ (2) 按照CSTR來(lái)設(shè)計(jì)，反應(yīng)器體積又為多少？ 解: ( 1)對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，在 PFR反應(yīng)器中有 可得 1 t = ln100，即 t= 4.6 h 所以反應(yīng)器體積為 V= qv t = 1403m 該反應(yīng)器實(shí)際為 CSTF反應(yīng)器，則 Cao =ln -A0 Ca k =Cao Ca C 1 4.6二01，計(jì)算可得 ca= 0.179c ao Ca 所以實(shí)際轉(zhuǎn)化率 Xa= 82.1 % (2)對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，在 CSTF反應(yīng)器中有 Cao 1

49、Ca L/(mol min)，反應(yīng)物初始濃度 CAo為2mol/L。每批 B產(chǎn)量最大。 解:對(duì)于二級(jí)反應(yīng)，在間歇式反應(yīng)器中有 Ca 丄kt CA0 根據(jù)題中數(shù)據(jù)有 Ca 1 0.05tR 2 變形有： cA mol / L 0.05tR 0.5 操作時(shí)間 t 總=t R+t D 單位時(shí)間A的反應(yīng)量 CA0 CA tR t D 0.05tR 0.5 tR 20 對(duì)上式右邊求導(dǎo)，并令其等于0 解得t R= 14.1min 所以當(dāng)t R= 14.1min時(shí)，單位時(shí)間產(chǎn)率最大。 15.3 液相反應(yīng) 速率常數(shù)。 A 7 B在一間歇反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，于不同時(shí)間測(cè)得反應(yīng)器內(nèi) A的濃度如下表所示，試求該反應(yīng)的反應(yīng)

50、級(jí)數(shù)和反應(yīng) t /min 20 40 80 120 精選文庫(kù) -1 p A/(mg - L ) 90 72 57 36 32 解：假設(shè)零級(jí)反應(yīng)- A= kt+ p A0。根據(jù)表中數(shù)據(jù)做pA t的曲線(xiàn)如下，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有線(xiàn)性關(guān)系，假設(shè)錯(cuò)誤! 圖 12-2 rA=k，即 dp A/d t=- k, p 假設(shè)一級(jí)反應(yīng)- 系 In P a=4.44-0.0087 r A=k p A, t , R= 0.9934。 習(xí)題12.3中p A t的關(guān)系曲線(xiàn) 即dp A/d t = k p A, ln p A= kt +ln p a0。根據(jù)表中數(shù)據(jù)做ln p a t的曲線(xiàn)如下，發(fā)現(xiàn)有線(xiàn)性關(guān) 2.5 4.5 0 m 4

51、 50100 t/min a 3.5 p 3 150 p A2, 1/ p A= kt+1/ p A0。根據(jù)表中數(shù)據(jù)做1/ p A t的曲線(xiàn)如下，發(fā)現(xiàn)有線(xiàn)性關(guān) 圖12-4 習(xí)題12.3中1/ p A-t的關(guān)系曲線(xiàn) 經(jīng)比較可得，該反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)。 圖 12-3 習(xí)題12.3中l(wèi)n p A-1的關(guān)系曲線(xiàn) 2 假設(shè)二級(jí)反應(yīng)rA=kp A,即dp A/dt= k 系 1/ p A=0.0108-0.000176t, R為 0.999 。 15.4 污染物A在一平推流反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生液相分解反應(yīng)，不同停留時(shí)間時(shí)反應(yīng) 器出口處A的濃度如下表所示，試分別采用積分法和微分法求該反應(yīng)的反應(yīng) 37 精選文庫(kù) 級(jí)數(shù)和反

52、應(yīng)速率常數(shù)。 T /min 0 5 10 15 20 p A /mg L1 125 38.5 23.3 16.1 12.5 解：(1)積分法： 假設(shè)該液相分解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)rA=kp A,則有kT = In p A0-In p a。 根據(jù)表中數(shù)據(jù)，計(jì)算In p A值，并做T In p A曲線(xiàn) T /min 0 5 10 15 20 In p A 4.83 3.65 3.15 2.78 2.53 、 假設(shè)該液相分解反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)，則有 1/ p A= k T 1/ p A0 根據(jù)表中數(shù)據(jù)，計(jì)算1/ p, A值，并做T - -1/ p A曲線(xiàn) T /min 0 5 10 15 20 1/ p A

53、/ (L - mg1) 0.008 0.026 0.043 0.062 0.080 擬和得 1/ p A= 0.0036 T + 0.0078， R= 0.9998 線(xiàn)性關(guān)系良好，反應(yīng)級(jí)數(shù)為 2級(jí)。 微分法：做p A T曲線(xiàn)， 并求解各數(shù)據(jù)點(diǎn)斜率 d A 54.6 23.6 13.3 59.9 1.5 dt p A /(mg - L-1) 120 80 60 40 20 (2) 對(duì)于In(- r a)與In p a作圖可得 A In(- rA) 4.0 3.16 2.59 1.79 0.4 In p A 4.78 4.38 4.09 3.69 2.99 線(xiàn)進(jìn)行擬和，可得ln( rA) = 2l

54、n p a-5.6 即n= 2, k= 0.037L/(mg - min) 15.5 設(shè)將 100個(gè)細(xì)菌放入到1L的培養(yǎng)液中，溫度為 30 C,得到以下結(jié)果，求: 15.8 43 t /min 30 60 90 120 P A -1 /(mg L ) 100 200 400 800 1600 預(yù)計(jì)3h后細(xì)菌的數(shù)量; 此動(dòng)力學(xué)過(guò)程的級(jí)數(shù)； 經(jīng)過(guò)多少時(shí)間可以得到 細(xì)菌繁殖的速率常數(shù)。 解：解法一： 106個(gè)細(xì)菌; 3h 為180min，以上表類(lèi)推， (2-4)由積分法可得，設(shè)為一級(jí)反應(yīng)，則做 7 5 A P 6 4080 t/min 120 圖12-7 習(xí)題12.5圖中In p A t 線(xiàn)性關(guān)系良

55、好，可得該過(guò)程級(jí)數(shù)為1，In pA= 0.0231 t + 4.605。 故繁殖速率常數(shù) k= 0.023 min -1 將p A= 10代入擬和方程可得：t = 398.7min 解法二： 的關(guān)系曲線(xiàn) ,、Inr, Inn n二一1- In e, In C2 In 200 100 In 400 200 60 30 30 In 200 In 400 =1 (為1級(jí)反應(yīng)) 設(shè)P為細(xì)菌濃度，細(xì)菌是增加的，故速率方程寫(xiě)為: de dt ke 移項(xiàng)積分得到 et de t 0kdt hn t C0 由k不變，可知: Ct,i C0 C0 代入數(shù)據(jù)：丄In?00 30100 t 100 解得 t=399min 每隔