環(huán)境工程原理第02章質(zhì)量衡算與能量衡算1-3節(jié).

1、第一篇第一篇 環(huán)境工程原理基礎(chǔ)環(huán)境工程原理基礎(chǔ)在環(huán)境污染控制領(lǐng)域，無論是水、廢氣、固體在環(huán)境污染控制領(lǐng)域，無論是水、廢氣、固體廢棄物處理，還是給、排水管道工程，都涉及到流廢棄物處理，還是給、排水管道工程，都涉及到流體流動、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。體流動、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。本篇主要講述本篇主要講述質(zhì)量衡算、能量衡算質(zhì)量衡算、能量衡算等環(huán)境工程等環(huán)境工程中分析問題的中分析問題的基本方法基本方法，以及流體流動和以及流體流動和熱量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞的的基本理論基本理論。三傳：三傳：動量動量傳遞、傳遞、熱量熱量傳遞和傳遞和質(zhì)量質(zhì)量傳遞傳遞第二章第二章 質(zhì)量衡算與能量衡算質(zhì)量衡算與能量

2、衡算主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 常用物理量常用物理量第二節(jié)第二節(jié) 質(zhì)量衡算質(zhì)量衡算第三節(jié)第三節(jié) 能量衡算能量衡算計(jì)量單位是度量物理量的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位是度量物理量的標(biāo)準(zhǔn) 物理量數(shù)值物理量數(shù)值單位單位國際單位制，符號為國際單位制，符號為SI 第一節(jié)第一節(jié) 常用物理量常用物理量一、計(jì)量單位一、計(jì)量單位 量的名稱量的名稱 單位名稱單位名稱 單位符號單位符號長度長度質(zhì)量質(zhì)量時間時間電流電流熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度物質(zhì)的量物質(zhì)的量 米米 千克千克 秒秒安安 培培 開開 爾文爾文 摩摩 爾爾 s AKmolmkg表表2.1.1 國際單位制的基本單位國際單位制的基本單位7個基本單位個基本單位量的名稱量的名稱 單位

3、名稱單位名稱 單位符號單位符號 平面角平面角 立體角立體角 弧度弧度 球面度球面度 rad sr 按照定義式由基本單位相乘或相除求得，按照定義式由基本單位相乘或相除求得，并且導(dǎo)出單位定義式中并且導(dǎo)出單位定義式中比例系數(shù)永遠(yuǎn)取比例系數(shù)永遠(yuǎn)取1 1。導(dǎo)出單位導(dǎo)出單位2個輔助單位個輔助單位 同一物理量用不同單位制的單位度量時，其同一物理量用不同單位制的單位度量時，其數(shù)值比稱為數(shù)值比稱為換算因數(shù)，換算因數(shù)，工程中常用單位在各種單工程中常用單位在各種單位制間的換算因數(shù)見附錄位制間的換算因數(shù)見附錄1。 二、物理量的單位換算二、物理量的單位換算三、量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)三、量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)( (一一) )量綱量綱

4、（看課本看課本p18，2分鐘分鐘）描述物體或系統(tǒng)描述物體或系統(tǒng)物理狀態(tài)物理狀態(tài)的的可測量性質(zhì)可測量性質(zhì)稱為量綱。稱為量綱。 量綱與單位的區(qū)別：量綱與單位的區(qū)別： 量綱是量綱是可測量的性質(zhì)可測量的性質(zhì)； 單位是單位是測量的標(biāo)準(zhǔn)測量的標(biāo)準(zhǔn)，用這些標(biāo)準(zhǔn)和確定的，用這些標(biāo)準(zhǔn)和確定的數(shù)值可以定量地描述量綱。數(shù)值可以定量地描述量綱?？蓽y量物理量可以分為兩類：基本量和導(dǎo)出量。可測量物理量可以分為兩類：基本量和導(dǎo)出量。 基本量綱基本量綱: : 質(zhì)量、長度、時間、溫度，分別以質(zhì)量、長度、時間、溫度，分別以M、 L、t和和T表示，簡稱表示，簡稱MLtT量綱體系。量綱體系。導(dǎo)出量剛：導(dǎo)出量剛：均可用均可用M、L、t

5、和和T的組的組合形式來表示合形式來表示 導(dǎo)出量導(dǎo)出量=M L t T 注意：利用量綱所建立起來的關(guān)系注意：利用量綱所建立起來的關(guān)系是定性的而是定性的而不是定量的不是定量的 速度速度= = 密度密度= 黏度黏度=Lt1ML3ML1t1量綱指數(shù)量綱指數(shù)( (二二) )無量綱準(zhǔn)數(shù)無量綱準(zhǔn)數(shù)由各種變量和參數(shù)組合而成的沒有單位的群數(shù)，由各種變量和參數(shù)組合而成的沒有單位的群數(shù)，其其量綱為量綱為1 1。 無量綱準(zhǔn)數(shù)既無量綱，又無單位，無量綱準(zhǔn)數(shù)既無量綱，又無單位，通常具有一通常具有一定的物理意義。定的物理意義。其其數(shù)值大小與所選的單位制無關(guān)，數(shù)值大小與所選的單位制無關(guān)，但但組合群數(shù)的各個量組合群數(shù)的各個量必

6、須采用同一單位制必須采用同一單位制。準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)符號符號定義定義雷諾數(shù)雷諾數(shù)( (Reynold) )-3M L-1Ltu-1-1ML t-3-1000-1-1M L Lt LRe=M L tM L t Reu L LL 水中污染物濃度常用單位是水中污染物濃度常用單位是 mg/L 或或 mol/L (M)，空氣中污染物濃度單位常用空氣中污染物濃度單位常用 g/L 或或 mol/m3。四、常用物理量及其表示方法四、常用物理量及其表示方法(一一) 濃度濃度（1）質(zhì)量濃度）質(zhì)量濃度A AAmV AAncV（2）物質(zhì)的量濃度）物質(zhì)的量濃度cA 1質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度Nii 1 cc

7、Nii 1 AmAmxm組分組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合物的總質(zhì)量混合物的總質(zhì)量組分組分A的質(zhì)量的質(zhì)量 式中式中:MA組分組分A的摩爾質(zhì)量，的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。AAAcM 組分組分A的質(zhì)量濃度與其物質(zhì)的量濃度關(guān)系的質(zhì)量濃度與其物質(zhì)的量濃度關(guān)系:2. 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)（1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù) 在水處理中，水中污染物的在水處理中，水中污染物的濃度一般較低濃度一般較低，在實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，常將質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)加以換算，即際應(yīng)用中，常將質(zhì)量濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)加以換算，即1mg/L=1mg/1000g = 110-6（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）= 1ppm1g

8、/L= 1g/1000g = 110-9（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）= 1ppb在大氣污染控制工程中，常用體積分?jǐn)?shù)表示污染物在大氣污染控制工程中，常用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度。例如質(zhì)的濃度。例如mL/m3，則此氣態(tài)污染物質(zhì)濃度為，則此氣態(tài)污染物質(zhì)濃度為10-6。1mol任何任何理想氣體理想氣體在相同的壓強(qiáng)和溫度下有相同在相同的壓強(qiáng)和溫度下有相同的體積，因此用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度非常方的體積，因此用體積分?jǐn)?shù)表示污染物質(zhì)的濃度非常方便；其最大的優(yōu)點(diǎn)是與溫度、壓力無關(guān)。便；其最大的優(yōu)點(diǎn)是與溫度、壓力無關(guān)。例如：體積分?jǐn)?shù)例如：體積分?jǐn)?shù)10-6表示每表示每106體積空氣中有體積空氣中有1體體積的污染

9、物，等價于每積的污染物，等價于每106mol空氣中有空氣中有1mol的污染的污染物。任何單位物質(zhì)的量有相同數(shù)量的分子，體積分物。任何單位物質(zhì)的量有相同數(shù)量的分子，體積分?jǐn)?shù)數(shù)10-6也相當(dāng)于每也相當(dāng)于每106個空氣分子中有個空氣分子中有1個污染物分子。個污染物分子。 對于氣體污染物，若把混合物看成理想氣體，對于氣體污染物，若把混合物看成理想氣體，則符合理想氣體狀態(tài)方程，即：則符合理想氣體狀態(tài)方程，即： 式中：式中：p絕對壓力，絕對壓力，Pa；VA體積，體積，m3；nA物質(zhì)的量，物質(zhì)的量，mol； R摩爾氣體常數(shù)，摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol K) T 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度，K。AApV

10、n RT(2.1.9)根據(jù)質(zhì)量濃度的定義根據(jù)質(zhì)量濃度的定義AAn RTVp AAAAmn MVV 310 AAAVRTVpM 310 AAAn MV 310 思考：體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系？思考：體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度之間的關(guān)系？AAVV ？【例題例題2.1.3】在在101.325KPa、25條件下，某室內(nèi)條件下，某室內(nèi)一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為9.010-6。用質(zhì)量濃度表示。用質(zhì)量濃度表示一氧化碳的濃度。一氧化碳的濃度。解：解：CO分子的摩爾質(zhì)量為分子的摩爾質(zhì)量為28g/mol，根據(jù)式，根據(jù)式2.1.13，得，得CO的質(zhì)量濃度為：的質(zhì)量濃度為：33356mg/m 3 .10kg

11、/m 10298314. 810013. 128100 . 9AAnxn 組分組分A的摩爾分?jǐn)?shù)的摩爾分?jǐn)?shù)混合物的總物質(zhì)的量混合物的總物質(zhì)的量組分組分A的物質(zhì)的量的物質(zhì)的量 當(dāng)混合物為氣液兩相體系時，常以當(dāng)混合物為氣液兩相體系時，常以 x 表示液相表示液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，中的摩爾分?jǐn)?shù)，y 表示氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)。表示氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)。， AAAiimNmixMxxM1/ AAAii1mNix Mxx M 組分組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系 3質(zhì)量比與摩爾比質(zhì)量比與摩爾比AAAmmXmm 組分組分A的質(zhì)量比的質(zhì)量比混合物中惰性物質(zhì)的質(zhì)量混合物中惰性物質(zhì)的質(zhì)量 組分組分A的質(zhì)

12、量的質(zhì)量 (當(dāng)混合物中除組分當(dāng)混合物中除組分A外，其余為惰性組分時）外，其余為惰性組分時）組分組分A的質(zhì)量比定義的質(zhì)量比定義質(zhì)量比與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系質(zhì)量比與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系 mmmxXxAAA1 組分組分A的摩爾比定義的摩爾比定義AAAnXnn 組分組分A的摩爾比的摩爾比混合物中惰性物質(zhì)的物質(zhì)的量混合物中惰性物質(zhì)的物質(zhì)的量 組分組分A的物質(zhì)的量的物質(zhì)的量 摩爾比與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系摩爾比與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系 AAAxXx1 AAApYpp 常表示液相某組分的摩爾比常表示液相某組分的摩爾比氣態(tài)混合物摩爾比用分壓表示氣態(tài)混合物摩爾比用分壓表示 思考：理想氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其壓力分?jǐn)?shù)也等思考：理想氣體的體積分?jǐn)?shù)

13、等于其壓力分?jǐn)?shù)也等于其摩爾分?jǐn)?shù)于其摩爾分?jǐn)?shù)根據(jù)道爾頓（根據(jù)道爾頓（Dalton）分壓定律：總壓）分壓定律：總壓PPi （分壓）（分壓）Pi=niRT/VP=P1+P2+Pn =n1RT/V+ n2RT/V+ = (ni) RT/V=nRT/V 根據(jù)阿馬格定律（根據(jù)阿馬格定律（Amagat）定律：）定律：VVi （i組分在總壓組分在總壓P下單獨(dú)存在具有的體積）下單獨(dú)存在具有的體積）PVi=niRTPVP Vi = (ni)RT = nRTiiPnPn iiVnVn iiPVPV 體積流量體積流量 VVqt 質(zhì)量流量質(zhì)量流量 u二維流動二維流動（平面）（平面）(二二) 流量流量(三三) 流速流速在

14、在x,y,z三個坐標(biāo)軸方向上的投影分別為三個坐標(biāo)軸方向上的投影分別為ux，uy，uzqV與與qm間的關(guān)系？間的關(guān)系？單位時間內(nèi)流過管道任一截面流體的量單位時間內(nèi)流過管道任一截面流體的量流量用體積計(jì)量：流量用體積計(jì)量：流量用質(zhì)量計(jì)量：流量用質(zhì)量計(jì)量：mVqt 單位時間內(nèi)流體在流動方向流過的距離單位時間內(nèi)流體在流動方向流過的距離三維流動三維流動 （空間）（空間）一維流動一維流動（管道中）（管道中）速度分布 怎么計(jì)算怎么計(jì)算? ?Vm4qdu qv由生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定，適宜的由生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定，適宜的um需要通過經(jīng)濟(jì)權(quán)衡確定。需要通過經(jīng)濟(jì)權(quán)衡確定。選管徑程序：選管徑程序：取經(jīng)驗(yàn)值取經(jīng)驗(yàn)值 求求d 圓整圓整d

15、校核校核u。一般一般液體流速取液體流速取0.53.0 m/s，氣體則為氣體則為1030 m/s。 VAmdu AquAA 圓形管道圓形管道 m24Vqud mu平均流速平均流速按體積流量相等的原則定義按體積流量相等的原則定義流過截面的面積，流過截面的面積，m2 單位時間內(nèi)通過單位面積的物理量稱為該物單位時間內(nèi)通過單位面積的物理量稱為該物理量的通量。理量的通量。通量是表示傳遞速率的重要物理量通量是表示傳遞速率的重要物理量。p單位時間內(nèi)通過單位面積的單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量熱量，稱為熱量通，稱為熱量通量，單位為量，單位為J/(m2s)；p單位時間內(nèi)通過單位面積的某組分的單位時間內(nèi)通過單位面積的

16、某組分的質(zhì)量質(zhì)量，成，成為該組分的質(zhì)量通量，單位為該組分的質(zhì)量通量，單位為為kg/(m2s)；p單位時間內(nèi)通過單位面積的單位時間內(nèi)通過單位面積的動量動量，稱為動量通，稱為動量通量，單位為量，單位為N/m2。(四四) 通量通量第一節(jié)第一節(jié) 常用物理量常用物理量（1 1）什么是換算因數(shù)？）什么是換算因數(shù)？（2 2）什么是量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)？單位與量綱的區(qū)別）什么是量綱和無量綱準(zhǔn)數(shù)？單位與量綱的區(qū)別（3 3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量比的區(qū)別與聯(lián)系。舉出質(zhì)量比）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量比的區(qū)別與聯(lián)系。舉出質(zhì)量比的應(yīng)用實(shí)例。的應(yīng)用實(shí)例。（4 4）大氣污染控制工程中經(jīng)常用體積分?jǐn)?shù)表示污染）大氣污染控制工程中經(jīng)常用體積分?jǐn)?shù)表示污

17、染物的物的濃度，說明濃度，說明該單位的該單位的優(yōu)點(diǎn)，闡述優(yōu)點(diǎn)，闡述與質(zhì)量濃與質(zhì)量濃度的關(guān)系。度的關(guān)系。（5 5）平均速度的涵義是什么？用管道輸送水和空氣）平均速度的涵義是什么？用管道輸送水和空氣時，較為經(jīng)濟(jì)的流速范圍為多少？時，較為經(jīng)濟(jì)的流速范圍為多少？本節(jié)思考題本節(jié)思考題一、衡算的基本概念一、衡算的基本概念二、總質(zhì)量衡算二、總質(zhì)量衡算主要內(nèi)容主要內(nèi)容第二節(jié)第二節(jié) 質(zhì)量衡算質(zhì)量衡算 質(zhì)量衡算方程質(zhì)量衡算方程質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律一、衡算的基本概念一、衡算的基本概念(一一) 衡算系統(tǒng)衡算系統(tǒng)用來分析質(zhì)量遷移的特定區(qū)域，即用來分析質(zhì)量遷移的特定區(qū)域，即衡算的空間范圍衡算的空間范圍衡算系統(tǒng)衡算系統(tǒng)

18、輸出輸出輸入輸入轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化積累積累衡算系統(tǒng)大小和幾何形狀的選取根據(jù)研究問題確定衡算系統(tǒng)大小和幾何形狀的選取根據(jù)研究問題確定邊界邊界系統(tǒng)周圍環(huán)境系統(tǒng)周圍環(huán)境 1、總、總衡算：衡算：對對宏觀范圍宏觀范圍進(jìn)行的衡算，不涉及內(nèi)進(jìn)行的衡算，不涉及內(nèi)部的詳細(xì)情況，即：部的詳細(xì)情況，即：由系統(tǒng)周圍環(huán)境各有關(guān)物理量由系統(tǒng)周圍環(huán)境各有關(guān)物理量的變化來推斷系統(tǒng)內(nèi)部物理量的總體平均變化。的變化來推斷系統(tǒng)內(nèi)部物理量的總體平均變化。 一個反應(yīng)池、一個車間，一個湖泊、一段河流；一個反應(yīng)池、一個車間，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。一座城市上方的空氣，甚至可以是整個地球。(二二) 總衡算與微分衡

19、算總衡算與微分衡算 研究一個過程的總規(guī)律而不涉及內(nèi)部詳細(xì)情況研究一個過程的總規(guī)律而不涉及內(nèi)部詳細(xì)情況 時，也可運(yùn)用總衡算。時，也可運(yùn)用總衡算。 解決工程中物料平衡、能量轉(zhuǎn)換與消耗、設(shè)備受力，以解決工程中物料平衡、能量轉(zhuǎn)換與消耗、設(shè)備受力，以及管道內(nèi)平均流速、阻力損失等實(shí)際問題。及管道內(nèi)平均流速、阻力損失等實(shí)際問題。 2、微分衡算：對、微分衡算：對微元范圍微元范圍進(jìn)行的衡算，用進(jìn)行的衡算，用于于考察考察系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)內(nèi)部各點(diǎn)的變化規(guī)律各點(diǎn)的變化規(guī)律。 取設(shè)備中的微元體或管道中的微元段取設(shè)備中的微元體或管道中的微元段 建立微分方程，特定條件下求解建立微分方程，特定條件下求解t0 穩(wěn)態(tài)過程的數(shù)學(xué)特征：

20、穩(wěn)態(tài)過程的數(shù)學(xué)特征： 當(dāng)系統(tǒng)中流速、壓力、密度等物理量只是當(dāng)系統(tǒng)中流速、壓力、密度等物理量只是位置位置的函數(shù)的函數(shù)，不隨時間變化不隨時間變化，稱為，稱為 當(dāng)系統(tǒng)中流速、壓力、密度等物理量不僅當(dāng)系統(tǒng)中流速、壓力、密度等物理量不僅隨位置隨位置變化變化，而且，而且隨時間變化隨時間變化，稱為，稱為。（三）穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)與非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)（三）穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)與非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)過程的數(shù)學(xué)特征：非穩(wěn)態(tài)過程的數(shù)學(xué)特征： t0 mmmmqqqt12rdd 質(zhì)量衡算的一般方程：質(zhì)量衡算的一般方程：轉(zhuǎn)化速率或反應(yīng)速率轉(zhuǎn)化速率或反應(yīng)速率(kg/s)，單位時間內(nèi)因化學(xué)反應(yīng)或生物反單位時間內(nèi)因化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的質(zhì)量。組分為反應(yīng)物時

21、應(yīng)而轉(zhuǎn)化的質(zhì)量。組分為反應(yīng)物時，qmr 為負(fù)值，組分為生成為負(fù)值，組分為生成物時，物時，qmr 為正值。為正值。(2.2.4)輸入速率輸入速率(kg/s)，單位時間輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量，單位時間輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量輸出速率輸出速率(kg/s)，單位時間輸出系統(tǒng)的物料質(zhì)量，單位時間輸出系統(tǒng)的物料質(zhì)量積累速率積累速率(kg/s)，單位時間內(nèi)系統(tǒng)積累的物料質(zhì)量，單位時間內(nèi)系統(tǒng)積累的物料質(zhì)量二、二、總質(zhì)量衡算（物料衡算）總質(zhì)量衡算（物料衡算） 寫出衡算方程寫出衡算方程衡算的類型衡算的類型(總衡算總衡算? 微分衡算微分衡算?)某組分某組分?全部組分全部組分?單位時間，某時間段或一個周期？單位時間，某時間段或

22、一個周期？質(zhì)量衡算的分析步驟質(zhì)量衡算的分析步驟注意單位要統(tǒng)一！注意單位要統(tǒng)一！輸出輸入轉(zhuǎn)化積累確定衡算的對象確定衡算的對象某組分 劃定衡算系統(tǒng)劃定衡算系統(tǒng) 確定衡算對象確定衡算對象 確定衡算基準(zhǔn)確定衡算基準(zhǔn)邊界劃定衡算的系統(tǒng)劃定衡算的系統(tǒng)(一一) 穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng)12ddmmmrmqqqt 混合輸出混合輸出輸入輸入1輸入輸入2輸入速率：輸入速率：qm1 = 1qv1 + 2qv2輸出速率：輸出速率： qm2 = mqvm = m (qv1+qv2)mqvm1qv12qv2反應(yīng)速率反應(yīng)速率=0=0積累速率積累速率=0=0則質(zhì)量平衡方程為：則質(zhì)量平衡方程為：1qv1+ 2qv2= m

23、(qv1+qv2)12mmqq 【例題例題2.2.2】污水處理工藝的沉淀池用于去除水中污水處理工藝的沉淀池用于去除水中懸浮物，濃縮池用于進(jìn)一步濃縮沉淀的污泥，將上懸浮物，濃縮池用于進(jìn)一步濃縮沉淀的污泥，將上清液返回到沉淀池。污水流量清液返回到沉淀池。污水流量5000m3/d，懸浮物含，懸浮物含量量200mg/L，沉淀池出水中懸浮物濃度，沉淀池出水中懸浮物濃度20mg/L，沉，沉淀污泥含水率淀污泥含水率99.8%，進(jìn)入濃縮池停留一定時間后，進(jìn)入濃縮池停留一定時間后，排出污泥含水率為排出污泥含水率為96%，上清液懸浮物含量，上清液懸浮物含量100mg/L。設(shè)系統(tǒng)處于設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)，過程中，過程

24、中無生物作用無生物作用，求整個系統(tǒng)，求整個系統(tǒng)污泥產(chǎn)量和排水量以及濃縮池上清液回流量。污水污泥產(chǎn)量和排水量以及濃縮池上清液回流量。污水密度密度103kg/m3。(p31，看書，看書1分鐘）分鐘） 1= (10096)/(100/1000) = 40 g/L = 40000 mg/L4= (100 99.8)/(100/1000) = 2 g/L = 2000 mg/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已知：qv0=5000m3/d, =200mg/L, =20mg/L, 2 =100mg/L，31qv2qv1qv32340qv0qv4污泥產(chǎn)量排水量上清液流量進(jìn)水量

25、進(jìn)濃縮池水量求：求： qv1，qv2，qv32劃劃定定衡衡算算的的系系統(tǒng)統(tǒng)1qv2qv1qv32340qv0qv4污泥產(chǎn)量排水量上清液流量進(jìn)水量進(jìn)入濃縮池水量解：(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，取1d 為衡算基準(zhǔn)，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。 輸入100mVqq 輸出21122mVVqqq001122VVVqqq012VVVqqq1Vq 2Vq 1qv2qv1qv32340qv0qv4污泥產(chǎn)量排水量上清液流量進(jìn)水量進(jìn)入濃縮池水量(2) 濃縮池上清液量：濃縮池為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對象濃縮池上清液量：濃縮池為衡算系統(tǒng)，懸浮物為衡算對

26、象污泥含水率從污泥含水率從99.8降至降至96,污泥體積由污泥體積由472.5 m3/d減少為減少為22.5m3/d，相差，相差20倍。倍。輸入441133VVVqqq144mVqq 輸出21133mVVqqq413VVVqqqqv3 = 450 m3/d， qv4 = 472.5 m3/d(二二) 穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)rmqk V 污染物的生物降解經(jīng)常被視為污染物的生物降解經(jīng)常被視為一級反應(yīng)一級反應(yīng)，即污，即污染物的降解速率與其濃度成正比。假設(shè)體積染物的降解速率與其濃度成正比。假設(shè)體積V中可中可降解物質(zhì)的濃度均勻分布，則降解物質(zhì)的濃度均勻分布，則 反應(yīng)速率常數(shù)，s-1或d-1物質(zhì)質(zhì)量濃度

27、負(fù)號表示污染物隨時間的增加而減少體積質(zhì)量衡算方程：質(zhì)量衡算方程：qm1 qm2 kV = 0讀法：卡帕【例題例題2.2.3】一湖泊容積為一湖泊容積為10106m3。有一流量為。有一流量為5.0m3/s、污染物濃度為、污染物濃度為10.0mg/L的支流流入。同時，的支流流入。同時，有一排放口將流量為有一排放口將流量為0.5m3/s，質(zhì)量濃度為，質(zhì)量濃度為100mg/L的的污水排入，污染物降解速率常數(shù)為污水排入，污染物降解速率常數(shù)為0.20d-1。假設(shè)污染。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質(zhì)量

28、濃度?；蛘邷p少，求穩(wěn)態(tài)情況下流出水中污染物的質(zhì)量濃度。解：假設(shè)完全混合，即解：假設(shè)完全混合，即湖中污染物的質(zhì)量濃度等于流湖中污染物的質(zhì)量濃度等于流出水中污染物的質(zhì)量濃度。出水中污染物的質(zhì)量濃度。1Vq2VqVmq11122mVVqqq輸入速率輸入速率 輸出速率輸出速率2mm12()mVVVqqqq 降解速率 m rmqk V 5331.0105.51023.1 100質(zhì)量衡算方程為： L/mg5 . 3以湖為衡算系統(tǒng)，污染物為衡算對象，取以湖為衡算系統(tǒng)，污染物為衡算對象，取為衡算基準(zhǔn)為衡算基準(zhǔn)根據(jù)質(zhì)量衡算方程12ddmmmqqt 10mq 20.274mqz m1 2 z1mq2mq12ddm

29、t 0采用微分衡算方程，通過對初始狀態(tài)采用微分衡算方程，通過對初始狀態(tài)和最終狀態(tài)進(jìn)行積分，求得未知量。和最終狀態(tài)進(jìn)行積分，求得未知量。【例題例題2.2.5】一圓筒形儲罐，直徑為一圓筒形儲罐，直徑為0.8m。罐內(nèi)盛有。罐內(nèi)盛有2m深的水。在無水源補(bǔ)深的水。在無水源補(bǔ)充的情況下，打開底部閥門放水。已知水流出的質(zhì)量流量與水深充的情況下，打開底部閥門放水。已知水流出的質(zhì)量流量與水深Z的關(guān)系為的關(guān)系為20.274mqzkg/s，求經(jīng)過多長時間后，水位下降至，求經(jīng)過多長時間后，水位下降至1m？解：以解：以儲罐儲罐為衡算系統(tǒng)，為衡算系統(tǒng)，罐內(nèi)水罐內(nèi)水為衡算對象，取為衡算對象，取為衡算基準(zhǔn)為衡算基準(zhǔn)tzzdd

30、502274. 01020.274dd502tztz t = 1518 s tztmdd502dd故：將已知數(shù)據(jù)代入衡算式：分離變量，在 t1= 0、 t2 =t和z1 = 2 m、z2 = 1 m間積分：解得：2 0.810005024mAzzz灌中水的瞬時質(zhì)量為：各種條件下的質(zhì)量衡算各種條件下的質(zhì)量衡算d0dmt穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)反應(yīng)系統(tǒng) qm1 qm2 qmr = 0穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng) qmr = 0qm1 = qm2 非穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)非反應(yīng)系統(tǒng) qmr = 0（1）簡述質(zhì)量衡算的分析步驟。簡述質(zhì)量衡算的分析步驟。（2）質(zhì)量衡算的基本方程是什么？

31、質(zhì)量衡算的基本方程是什么？（3）簡述穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的特征。簡述穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)和非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的特征。（4）以全部組分為對象進(jìn)行質(zhì)量衡算時，衡算方程具有什么特征？（5）對存在一級反應(yīng)過程的系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量衡對存在一級反應(yīng)過程的系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量衡算時，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率如何表示？算時，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率如何表示？本節(jié)思考題本節(jié)思考題書面作業(yè)書面作業(yè)p462.6；2.7；2.9第三節(jié) 能量衡算 通過能量衡算可確定：通過能量衡算可確定： 加熱系統(tǒng)的供熱量、冷卻系統(tǒng)所需冷卻水加熱系統(tǒng)的供熱量、冷卻系統(tǒng)所需冷卻水 量、系統(tǒng)交換的熱量與溫度變化的關(guān)系量、系統(tǒng)交換的熱量與溫度變化的關(guān)系 流體輸送機(jī)械的功率等。流體輸送機(jī)械的功率等

32、。環(huán)境工程主要涉及兩大類問題：環(huán)境工程主要涉及兩大類問題： 物料溫度與熱量變化過程加熱、冷卻、散熱物料溫度與熱量變化過程加熱、冷卻、散熱 各種能量的相互轉(zhuǎn)化過程流體輸送各種能量的相互轉(zhuǎn)化過程流體輸送一、能量衡算方程一、能量衡算方程二、二、熱量衡算方程熱量衡算方程三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算方程三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算方程四、開放系統(tǒng)的熱量衡算方程四、開放系統(tǒng)的熱量衡算方程主要內(nèi)容主要內(nèi)容第三節(jié) 能量衡算一、能量衡算方程一、能量衡算方程（1 1）流體攜帶能量）流體攜帶能量( (物質(zhì)物質(zhì)和能量和能量) )可進(jìn)出系統(tǒng)可進(jìn)出系統(tǒng)開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)（2 2）只與環(huán)境交換能量）只與環(huán)境交換能量( (熱，功熱，功)

33、)無物質(zhì)交換無物質(zhì)交換封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)邊界 加熱或冷卻系統(tǒng)、流體輸送設(shè)備加熱或冷卻系統(tǒng)、流體輸送設(shè)備 河流或湖泊水體、區(qū)域大氣乃至整個地球。河流或湖泊水體、區(qū)域大氣乃至整個地球。2、能量輸入、輸出方式：、能量輸入、輸出方式：WQ1EE2E輸入輸出做功總能量1、進(jìn)行能量衡算首先要確定衡算的范圍，即衡算系統(tǒng)、進(jìn)行能量衡算首先要確定衡算的范圍，即衡算系統(tǒng)EQW系統(tǒng)從外界吸收的熱量系統(tǒng)對外所做的功系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化 (2.3.1)物料所具有的各種能物料所具有的各種能量之和，即總能量量之和，即總能量EE = E2E1E3 系統(tǒng)內(nèi)物料能量積累 靜壓能靜壓能位能位能動能動能內(nèi)能內(nèi)能EEEEE 輸出系統(tǒng)的物料

34、攜帶總能量 輸入系統(tǒng)的物料攜帶總能量 E 系統(tǒng)能量變化系統(tǒng)能量變化 3、能量衡算的一般方程、能量衡算的一般方程系統(tǒng)經(jīng)過某一過程時，其內(nèi)部能量的變化以系統(tǒng)從系統(tǒng)經(jīng)過某一過程時，其內(nèi)部能量的變化以系統(tǒng)從環(huán)境吸收熱量和對外做功的形式表現(xiàn)出來，因此環(huán)境吸收熱量和對外做功的形式表現(xiàn)出來，因此 二、熱量衡算方程二、熱量衡算方程在冷卻、加熱、散熱過程中，只涉及物料溫度在冷卻、加熱、散熱過程中，只涉及物料溫度與熱量的變化過程，此時能量可用焓表示。與熱量的變化過程，此時能量可用焓表示。此類過程系統(tǒng)對外不做功，即此類過程系統(tǒng)對外不做功，即 W = 0，PFEHHEq單位時間內(nèi)系統(tǒng)物料總單位時間內(nèi)系統(tǒng)物料總能量的變

35、化可表示為：能量的變化可表示為：則能量衡算方程可表示為：則能量衡算方程可表示為：HHEqPFq 單位時間輸出輸出系統(tǒng)的物料的焓值總和，即物料帶出的能量總和能量總和 單位時間輸入輸入系統(tǒng)的物料的焓值總和，即物料帶入的能量總和能量總和 單位時間系統(tǒng)內(nèi)能量能量的積累積累 單位時間環(huán)境輸入系統(tǒng)熱量，即系統(tǒng)的吸熱量吸熱量 (2.3.4)單位：單位：kJ/s 焓的定義焓的定義Hep 焓是溫度與物態(tài)的函數(shù)，進(jìn)行熱量衡算時除選取焓是溫度與物態(tài)的函數(shù)，進(jìn)行熱量衡算時除選取 時基準(zhǔn)外，還需選取物態(tài)與溫度基準(zhǔn)。時基準(zhǔn)外，還需選取物態(tài)與溫度基準(zhǔn)。 通常以通常以273K物質(zhì)的液態(tài)為基準(zhǔn)物質(zhì)的液態(tài)為基準(zhǔn)。 對有化學(xué)反應(yīng)的

36、系統(tǒng)，要考慮對有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)，要考慮反應(yīng)物與生成物不反應(yīng)物與生成物不 同溫度時的焓值同溫度時的焓值。單位質(zhì)量物質(zhì)的焓單位質(zhì)量物質(zhì)內(nèi)能物質(zhì)所處的壓強(qiáng)單位質(zhì)量物質(zhì)體積 (2.3.5)封閉系統(tǒng)與環(huán)境沒有物質(zhì)交換qEq QEQ 系統(tǒng)從外界吸收的熱量系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于內(nèi)部能量的積累等于內(nèi)部能量的積累對物料總質(zhì)量或單位質(zhì)量物料進(jìn)行衡算，單位：kJ。HHEqPFq 內(nèi)部能量的變化表現(xiàn)為？三、封閉系統(tǒng)的熱量衡算封閉系統(tǒng)的熱量衡算00物料的定壓熱容 物料溫度改變 物料的質(zhì)量 無相變條件下物質(zhì)熱量和溫度的變化可用比熱容來表示Qm H Qm e 物料的定容熱容 (一）無相變條件下的熱量衡算一）無相變條件下的

37、熱量衡算pHcT VecT QEmL QpEmcT 物質(zhì)的潛熱 對于固體或液體：對于固體或液體：CP = CVpQmcT QmL (二）有相變條件下的熱量衡算二）有相變條件下的熱量衡算發(fā)生相變時，吸收或放出熱量而溫度不變發(fā)生相變時，吸收或放出熱量而溫度不變則系統(tǒng)能量的變化可表示為：則系統(tǒng)能量的變化可表示為：系統(tǒng)能量的變化可表示為：系統(tǒng)能量的變化可表示為：看課本看課本p40例題例題2.3.1和和2.3.2注意：對單位時間物料進(jìn)行衡算注意：對單位時間物料進(jìn)行衡算HHEqPFq 1、穩(wěn)態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)過程HHqPF 四、開放系統(tǒng)的熱量衡算四、開放系統(tǒng)的熱量衡算(2.3.12)開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)與環(huán)境既有物

38、質(zhì)交換又有能量交換與環(huán)境既有物質(zhì)交換又有能量交換則熱量衡算方程表示為則熱量衡算方程表示為系統(tǒng)內(nèi)無熱量積累系統(tǒng)內(nèi)無熱量積累 看課本看課本p41例題例題2.3.3 2、開放系統(tǒng)中能量變化率的計(jì)算：、開放系統(tǒng)中能量變化率的計(jì)算：當(dāng)當(dāng)只有一種物料只有一種物料流經(jīng)系統(tǒng)時，物料進(jìn)入系統(tǒng)流經(jīng)系統(tǒng)時，物料進(jìn)入系統(tǒng)輸入輸入的能量的能量mHq HP2 (2.3.14)物料離開系統(tǒng)所物料離開系統(tǒng)所輸出輸出的能量的能量mHq HF1 (2.3.13)mHHq HHPF21() (2.3.15)式中：qm通過系統(tǒng)的物料的質(zhì)量流量，kg/h或kg/s; H1 單位質(zhì)量物料進(jìn)入系統(tǒng)時的焓，kJ/kg; H2 單位質(zhì)量物料離開系統(tǒng)時的焓，kJ/kg;則系統(tǒng)的能量變化率為則系統(tǒng)的能量變化率為(1)物料無相變mmpHHqHHq cTPF21() (2.3.16)(2)物料有相變PFmmHHqHHq r21() (2.3.17)當(dāng)物料離開系統(tǒng)時的當(dāng)物料離開系統(tǒng)時的溫度低于飽和溫度溫度低于飽和溫度mmmpHHqHHq rq cTPF21() (2.3.18)物料經(jīng)過系統(tǒng)放出潛熱，物料經(jīng)過系統(tǒng)放出潛熱，r為負(fù)值！為負(fù)值！飽和蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg。若定壓比熱容不隨溫度變化若定壓比熱容不隨溫度變化( (或取物料平均溫度定壓或取物料平均溫度定壓比熱容比熱容) )如熱流體為飽和蒸