环境工程原理重点教学相关

环境工程原理重点第一部分一、 量纲与无量纲1. 量纲：用来描述物体或系统物理状态的可测量性质。 量纲与单位不同，其区别在于，量纲是可测量的性质，而单位是测量的标准，用这些标准和确定的数值可以定量的描述量纲。表示：如【长度】或【L】表示长度的量纲，不是具体确定数值的某一长度。分类：基本量（质量M、长度L、时间t、温度T）和导出量。导出量量纲可用基本量量纲组合形式表示。2. 无量纲准数：由各种变量和参数组合而成的没有单位的群数。无量纲准数实际上量纲为1，其数值与所选单位制无关，但组合群数单位统一。 雷诺数Re：惯性力与黏性力之比，用于判断流体的流动状态。定义式： Re=u L/（：密度，kg/m³；u：流速，m/s；：黏度，kg/(m· s)）二、 常用物理量及其表示方法（一） 浓度1.质量浓度：A =mA/V（A：组分A的质量浓度，kg/m³；mA：混合物中组分A的质量，kg；V：混合物的体积，m³）2.物质的量浓度：cA=nA/V（cA：组分A的物质的量浓度，kmol/m³；nA：混合物中组分A的物质的量，kmol）3.两者关系：cA=A/MA（MA：组分A的摩尔质量，kg/kmol）4.质量分数：xmA=mA/m(xmA：组分A的质量分数；m：混合物的总质量，kg)5.理想气体状态方程：pVA=nART（p：混合气体的绝对压力，Pa；VA：组分A的体积，m³；nA：组分A的物质的量，mol；R：理想气体常数，8.314 J/（mol· K）；T：混合气体的绝对温度，K）6.摩尔分数：xA=nA/n（xA：组分A的摩尔分数；n：混合物总物质的量，mol）7.质量比：混合物中某组分的质量与惰性组分质量的比值。以XmA表示。 XmA=mA/(m-mA) (XmA：组分A的质量比，量纲为1；m-mA：混合物中惰性物质的质量，kg) 摩尔比：混合物中某组分的物质的量与惰性组分物质的量的比值。以X表示。 XA=nA/（n-nA） (XA：组分A的摩尔比，量纲为1；n-nA：混合物中惰性组分的物质的量，mol)（二） 流量：qV=V/t（m³/s）体积流量 qm=V/t（kg/s）质量流量 qm=qv（三） 流速：um=qv/(d²/4)（m/s） （经常使用圆形管，d为内径）（四） 通量：单位时间内通过单位面积的物理量。表示传递速率的重要物理量。三、 热量衡算方程：E=HP-HF+Eq （HF：单位时间输入系统的物料的焓值总和，即物料带入的能量总和，kJ/s；HP：单位时间输出系统的物料的焓值总和，及物料带出的能量总和，kJ/s；Eq：单位时间系统内部物料能量的积累，kJ/s；E：单位时间系统内部总能量的变化，kJ/s）四、 流体流动（um2/um1=(d1/d2)²圆形管道）1. 机械能衡算方程设计的能量分为两类：1）机械能：包括动能、位能及静压能。在流体流动过程中可以相互转变，也可转变为热和内能；2）内能和热：不能直接转变为机械能而用于流体的输送。2. 方程：1/2um2+gz+p/=-We-hf3. 伯努利方程：1/2um2+gz+p/=04. 雷诺数：Re=u L/（圆管内：Re<2000时，流动总是层流，成为层流区；当Re>4000时，一般出现湍流，称为湍流区）5. 牛顿黏性定律：=-·dux/dy (：剪切应力，N/m2;：动力黏性系数，简称黏度，Pa·s；dux/dy：垂直于流动方向的速度梯度，或称剪切变形速率，s-1)该定律指出，相邻流体层之间的剪切应力与该处垂直于流动方向的速度梯度dux/dy成正比。适用于层流运动。6. 黏度：=/（：流体运动黏度，m2/s；：流体密度，kg/m3） 温度对黏度的影响较大，由于内聚力是影响黏度的主要因素，因此，对于液体，当温度升高时，分子间距离增大，吸引力减小，因而使速度梯度所产生的剪切应力减小，即黏度减小；对于气体，由于气体分子间距大，内聚力很小，所以黏度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的，温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以黏度增加。7. 流动状态对剪切应力的影响：流动的剪切应力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起。由于质点脉动对流体之间的相互影响远大于分子运动，因此剪切应力将大大增加。8. 阻力损失起因：黏性流体的内摩擦造成的摩擦阻力和物体前后压强差引起的形体阻力。损失影响因素：1）雷诺数大小；2）物体形状；3）物体表面粗糙度9. 范宁公式：pf=·l/d·um2/2 (摩擦系数是流体的物性和流动状态的函数，量纲为1)摩擦系数与雷诺数Re及相对粗糙度/d的关系P82（P113,3.5,3.12）10. 局部阻力损失：hf=um2/2（：局部阻力系数，无量纲，=l/d）11. 流体测量计：1）测速管；2）孔板流量计；3）文丘里流量计；4）转子流量计五、 热量传递1.热量传递的方式：1）导热；2）热对流；3）热辐射2.傅立叶定律：q=Q/A=-dT/dy (Q：传热速率，W；q：热流密度，W/m2；：导热系数，W/(m·K)；dT/dy：热度梯度，K/m；A：垂直于热流方向的面积，m2)3.普兰德数：Pr=/a=cp/ 运动黏度越大，表明该物体传递动量的能力越大，流速受影响的范围越广，即流动边界层增厚；导热系数a越大，热量传递越迅速，温度变化范围越大，即传热边界层增厚。4.保温层的临界直径：dc=2/ （dc：临界直径；：导热系数；：对流传热系数） 保温层的临界厚度：0.5（dc-d1）(d1：保温层内径)5.热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。不需要媒介。6.辐射传热：物质之间相互辐射和吸收辐射能的传热过程。7.黑体：落在物体表面的辐射能全部被物体吸收，这种物体称为绝对黑体。黑体具有最大的吸收能力，也具有最大的辐射能力。mT=常数=2.9×10-38.灰体：物体能以相同的吸收率吸收所有波长范围的辐射能，则物体对投入辐射的吸收率与外界无关，这种物体成为灰体。六、 质量传递1. 传递机理：1）分子扩散；2）涡流扩散2. 费克定律：NAz=-DAB·dca/dz （NAz：扩散通量或扩散速率，kmol/（m2·s）；cA：组分A的物质的量，kmol/m3；DAB：组分A在组分B中进行扩散的分子扩散系数，m2/s）3. 施密特数：SC=/DAB传递边界层厚度c与流动边界层厚度一般并不相等，他们的关系取决于SC。SC是分子动量传递能力和分子扩散能力的比值，表示物性对传质的影响，代表了壁面附近速率分布与浓度分布的关系。第二部分一、 沉降1. 污染体系分为均相和非均相；分离技术分为传质分离（均相）和机械分离（非均相）。2. 沉降分离主要用于颗粒物从流体中的分离。其原理是将含有颗粒物的流体（水或气体）至于某种力场（重力场、离心力场、电场或惯性场）中，使颗粒物与连续相的流体之间发生相对运动，沉降到器壁、器底或其他沉积表面，从而实现颗粒物与流体的分离。沉降分离包括重力沉降（重力）、离心沉降（离心力）、电沉降（电场力）、惯性沉降（惯性力）和扩散沉降（热运动）。3颗粒流体阻力由形状阻力和摩擦阻力组成。4. 重力沉降受重力、浮力和阻力；离心沉降受离心力和周围流体浮力。5. 层流区：Rep2，ut=1/18·（p-）/·gdp2 (斯托克斯（Stokes）公式) 过渡区：2<Rep<103，艾伦（Allen）公式 湍流区：103<Rep<2×105，牛顿（Newton）公式6. 沉降速度的计算方法有：试差法、摩擦数群法、无量纲判据K。7. 与重力沉降比，离心沉降有如下特征：P224（了解，不考）8. 旋风分离器针对气体非均相混合物，旋流分离器针对液体非均相混合物。9离心沉降机主要用于悬浮液的固、液分离。二、 过滤1. 按过滤机理可分为表面过滤和深层过滤；按促使流体流动的推动力可分为重力过滤、真空过滤、压力差过滤和离心过滤。2. 表面过滤通常发生在过滤液体中颗粒浓度较高或过滤速度较慢，滤饼层容易形成的条件下；深层过滤现象通常发生在以固体颗粒为过滤介质的操作中。3. 表面过滤的过滤阻力由过滤介质和过滤层的阻力组成。4. 恒压过滤：V2+2VVe=KA2t；q2+2qqe=Kt 化简为 V2=Kat；q2=Kt恒速过滤：V2+VVe=K/2·A2t；q2+qqe=K/2·t 化简为 V2=K/2·A2t；q2=K/2·t5. 深层过滤速度与阻力和推动力的关系：u=p/(rL)=p/（R）（r、R：阻力；p：推动力）6. 悬浮颗粒的运动包括的主要行为有：迁移行为、附着行为和脱落行为。7. 迁移行为的作用力包括：1）扩散作用力（布朗运动）；2）重力沉降；3）流体运动作用力（惯性力）附着行为的作用力包括：静电斥力、静电引力和范德华引力脱落行为的作用力包括：剪切作用和碰撞作用8. 水头损失变化图P257三、 吸收1. 吸收是依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中的物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。按溶质和吸收剂之间发生的作用吸收分为：物理吸收和化学吸收按混合气体中被吸收组分的数目吸收分为：单组份吸收和多组分吸收按在吸收过程中温度是否会变化吸收分为：等温吸收和非等温吸收2. 亨利定律：pA*=ExA（pA：组分A在气相中的平衡分压，Pa；xA：溶质A在液相中的摩尔分数；E：亨利系数，Pa）3. 溶质在气、液两相中如果不是处于平衡状态，必然要从一相传递到另一相，使气、液两相逐渐达到平衡，溶质传递的方向就是系统趋于平衡的方向。4. 吸收过程的传递基本步骤：1）溶质由气相主体传递至气、液两相界面的气相一侧，即气相内的传递；2）溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相际传递；3）溶质由相界面的液相一侧传递至液相主体，即液相内的传递。5. 双模理论的基本论点：1）相互接触的气、液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的气膜和液膜。溶质分子以稳态的分子扩散连续通过这两层膜；2）在相界面处，气、液两相在瞬间即可达到平衡，界面上没有传质阻力，溶质在界面上两相的组成存在平衡关系；3）在膜层以外，气、液两相流体都充分湍动，不存在浓度梯度，组成均一，没有传质阻力；溶质在每一相中的传质阻力都集中在虚拟的膜层内。因此，相际传质的阻力就全部集中在两层膜中，故该模型又称双阻力模型。6. 气相总传质速率方程：NA=KG(pA-pA*)液相总传质速率方程：NA=KL(cA*-cA)，1/KL=H/kG+1/kL7. 传质总阻力包括气膜阻力和液膜阻力，即1/KL=H/kG+1/kL或1/KG=1/kG+1/HkL8. 化学吸收除了溶质组分在气、液两相之间的相平衡关系之外，还有溶质在液相中的化学反应平衡关系。四、 吸附1. 吸附分离操作是通过多孔固体物料与某一混合组分体系接触，有选择地使体系中的一种或多种组分附着于固体表面，从而实现特定组分分离的操作过程。2. 按作用力性质吸附分为：物理吸附和化学吸附按吸附剂再生方法分为：变温吸附和变压吸附按原料组成吸附可分为：大吸附量分离和杂志去除按分离机理吸附可分为：位阻效应、动力学效应和平衡效应3. 常用的吸附剂有：活性炭、活性炭纤维、炭分子筛、硅胶、活性氧化铝和沸石分子筛4. 在一定条件下吸附剂与吸附质接触时，吸附质会在吸附剂上发生凝聚，与此同时，凝聚在吸附剂表面的吸附质也会向气相中逸出。当两者的变化速率相等，吸附质在气、固两相中的浓度不再随时间发生变化时，称这种状态为吸附平衡状态。q=f（p，T）（气相）；q=f（c，T）(液相) 图P3055. Freundlich方程：q=kp1/n6. Langmuir方程基本假定：1）吸附剂表面性质均一，每一个具有剩余价力的表面分子或原子吸附一个气体分子；2）气体分子在固体表面为单层吸附：3）吸附是动态的，被吸附分子受热运动影响可以重新回到气相；4）吸附过程类似于气体的凝结过程，脱附类似于液体的蒸发过程，达到吸附平衡时，吸附速率等于脱附速率；5）气体分子在固体表面的凝结速率正比于该组分的气相分压；6）吸附在固体表面的气体分子之间无作用力。=q/qm7. BET理论认为吸附过程取决于范德华力。由于这种力的作用，可使吸附质在吸附剂表面吸附一层后，再一层一层吸附下去，只不过逐渐减弱而已。8. 吸附过程基本步骤：1）吸附质由流体相扩散到吸附剂外表面，称外扩散；2）吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散，称内扩散；3）吸附质被吸附剂表面吸附。9. 大部分吸附质的吸附发生在一个比较窄的区域内，即吸附区。当吸附区的下端达到床层底部时，出口流体的浓度急剧升高，这时对应的点称为穿透点。五、 其他分离过程1. 通过固体离子交换剂中的离子与溶液中的离子经行等当量的交换来去除溶液中的某些离子的操作称为离子交换。2. 离子交换剂按活性基团性质分为：强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。3. 交换容量：离子交换树脂的交换容量是树脂最重要的性能，它定量的表示树脂交换能力的大小。可分为全交换容量（由滴定法测定）和工作交换容量。影响工作交换容量因素：再生方式和程度、原水离子成分、树脂层高度、操作流程和温度4. 影响离子交换树脂选择性的因素：离子的水化半径和离子的化合价等。5. 离子交换过程主要控制步骤：1）边界水膜内的迁移；2）交联网孔内的扩散；3）离子交换；4）交联网内的扩散；5）边界水膜内的迁移。6. 萃取是分离液体混合物的一种重要的单元操作。在预分离的原料混合液中加入一种与其不相溶或部分互溶的液体溶剂，形成两相体系，在充分混合的条件下，利用混合液中被分离组分在两相中分配差异的性质，是该组分从混合液转移到液体溶剂中，从而实现分离。7. 三角形相图中，3个顶点A、B、S各代表一种纯组分，习惯上分别表示纯溶质相、纯稀释剂相和纯溶剂相。任意一条边上的任一点均代表一个二元混合物。三角形内任一点代表一个三元混合物。8. 萃取平衡，共轭液相分为：萃取相E和萃余相R。9. 分配系数：溶质A在两相中的平衡关系可以用相平衡常数k来表示。K=ymA/xmA10. 选择性系数：萃取剂对原料混合液中两个组分的溶解能力的大小，可以用选择性系数来表示。=（ymA/xmA）/(ymB/xmB)=kA/kB11. 膜分离过程的分类：P361膜分离过程的特点是： 1) 膜分离过程不发生相变化，所以能耗较低，能量转化效率高；2) 膜分离过程可在常温下进行，特别适于对热敏感物质的分离； 3) 通常不需要投加其他物质，可节省化学药剂，并有利于不改变分离物质原有的属性；4）在膜分离工程中，分离和浓缩同时进行，有利于回收有价值的物质；5）膜分离装置简单，可实现连续分离，适应性强，操作容易且易于实现自动控制。12. 膜分离特征参数：渗透性和选择性。渗透性也称为通量或渗透速率，表示单位时间通过单位面积膜的渗透物的量，可以用体积通量NV来表示，单位为m3/(m2·s)。当渗透物为水时，称为水通量NW。选择性，对于溶液脱盐或脱除微粒、高分子物质等情况，可用截留率表示。膜对于液体混合物或气体混合物的选择性通常以分离因子表示。13. 假定膜左侧为溶剂，右侧为溶液，由于溶液中溶质的浓度有c1>c2=0，则溶液侧的溶剂化学位1<2。若膜两侧的压力相等，则溶剂分子自纯溶剂的一方透过膜进入溶液的一方，这就是渗透现象。依靠外界压力使溶剂从高浓度侧向低浓度侧渗透的过程称为反渗透。14. 反渗透和纳滤过程机理的基本理论：1）氢键理论；2）悠闲吸附毛细孔流机理；3）溶解扩散机理。15. 微滤或超滤主要机理：1）在膜表面及微孔内被吸附（一次吸附）；2）溶质在膜孔中停留而被去除（阻塞）；3）在膜面被机械截留（筛分）。一般认为物理筛分起主导作用。16. 当含有不同大小分子的混合液流动通过膜面时，在压力差的作用下，混合液中小于膜孔的组分透过膜，而大于膜孔的组分被截留。这些被截留的组分在紧邻膜表面形成浓度边界层，使边界层中的浓度大大高于主体溶液中的浓度，形成由膜面到主体溶液之间的浓度差。浓度差的存在导致紧靠膜面的溶质反向扩散到主体溶液中，这就是超滤过程中的浓差极化现象。在超滤过程中，由于被截留的溶质大多为胶体和大分子物质，这些物质在溶液中的扩散系数很小，溶质向主体溶液中的反向扩散通量远比渗透速率低。因此，在超滤过程中，浓差极化比通常会很高。当胶体或大分子溶质在膜表面上的浓度超过其在溶液中的溶解度是，便会在膜表面形成凝胶层。10试题和教育