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第二章1. 某一湖泊的容积为10 * 106 m3 ,上游有一未被污染的河流流入该湖泊，流量为50 m3/s。一工厂以5 m3/s的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解污染物，浓度为100 mg/L。污染物降解反应速率常数为0.25d-1 。假设污染物在湖中充分混合。求稳态时湖中污染物的浓度。解：设稳态时湖中污染物浓度为，则输出的浓度也为由质量恒算，得带入数值为.解得=5.96 mg/L 2.一条河流的上游流量为10.0 m3/s，氯化物的浓度为20.0 mg/L；有一条支流汇入，流量为5.0 m3/s，氯化物浓度为40.0 mg/L。视氯化物为不可降解物质，系统处于稳定状态，试计算汇合点下游河水中氯化物浓度。假设在该点两股流体完全混合。解：因为系统处于稳定状态且完全混合，所以故汇合点下游河水中氯化物浓度为26.7mg/L3.有一个总功率为100MW的核反应堆，其中2/3的能量杯冷却水带走，不考虑其他能量损失。冷却水来自于当地的一条河流，河水的流量为100m3/s，水温为20。（1） 如果水温允许上升10，冷却水需要多大的流量？（2） 如果加热后的水返回河中，问河水的水温会上升多少摄氏度？ 解：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。解：（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。假设完全混合。（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。解：（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，求得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5 000m3/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。 解：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。解：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（）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。解：设直径为10 的颗粒沉降属于斯托克斯区，沉降速度检验：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40 mm，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1.205 kg/m3，黏度为1.8110-5Pas。解：（1）试差法假设颗粒的沉降处于层流区，并且由于p，所以得：m/s检验：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：m/s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？ 解：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，有解得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。解：（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？解：（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）？解：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所以总的滤液量为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？解：（1）由恒压过滤方程得当过滤压差提高一倍时，过滤时间不变时所以，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，所以即得V2=17.7m36、 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1800 kg/m3。已知滤饼的比阻为41011m-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。解：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=110-3Pas，密度为998.2 kg/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：，所以kg，所以滤饼的体积为 m3，滤液体积为m3，所以所以（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m3，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*105 kPa，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。解：（）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所以，可以判断CO2发生有气相向液相传递。（）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（）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0.023 kmol/(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=0.06 kmol/(m3.s)。如果氨气的吸收率为99%，填料塔的塔高应为多少？解：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。解：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。解：（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，则所以最大吸收率为（3）吸收剂中氨的摩尔分数为假设吸收在塔底达到平衡，则所以最大吸收率为
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