华北理工环境工程原理课件02质量衡算与能量衡算

第I篇环境工程原理基础第I篇环境工程原理基础流体流动：输送流体、沉降分离流体中颗粒物，污染物的过滤分离等热量传递：加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、设备的保温等质量传递：吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物、化学反应等第I篇环境工程原理基础本篇主要讲述质量衡算、能量衡算等环境工程中分析问题的基本方法，以及流体流动和热量、质量传递的基础理论。本篇主要内容第二章质量衡算与能量衡算第三章流体流动第四章热量传递第五章质量传递第I篇环境工程原理基础第二章质量衡算与能量衡算第二章质量衡算与能量衡算第一节常用物理量常用物理量及单位换算常用物理量及其表示方法第二节质量衡算衡算系统的概念总质量衡算方程第三节能量衡算总能量衡算方程热量衡算方程本章主要内容一、计量单位二、物理量的单位换算三、量纲和无量纲准数四、常用物理量及其表示方法本节的主要内容第一节常用物理量计量单位是度量物理量的标准物理量＝数值×单位国际单位制，符号为SI7个基本单位；2个辅助单位；导出单位。第一节常用物理量一、计量单位国际单位制的基本单位量的名称单位名称单位符号长度质量时间电流热力学温度物质的量发光强度米千克（公斤）秒安（培）开（尔文）摩（尔）坎（德拉）MKgsAKmolcdmkg表2.1.1国际单位制的基本单位7个基本单位2个辅助单位表2.1.2国际单位制的辅助单位量的名称单位名称单位符号平面角立体角弧度球面度radsr第一节常用物理量表2.1.3国际单位制中规定了若干具有专门名称的导出单位量的名称单位名称单位符号其他表示式例频率力；重力压力，压强；应力能量；功；热功率；辐射通量电荷量电位；电压；电动势电容电阻电导磁通量磁通量密度，磁感应强度电感摄氏温度光通量光照度放射性活度吸收剂量剂量当量赫（兹）牛（顿）帕（斯卡）焦（耳）瓦（特）库（仑）伏（特）法（拉）欧（姆）西（门子）韦（伯）特（斯拉）亨（利）摄氏度流（明）勒（克斯）贝可（勒尔）戈（瑞）希（沃特）HzNPaJWCVFΩSWbTH℃lmlxBqGySv1/skg·m/s2N/m2N·mJ/sA·sW/AC/VV/AA/VV·sWb/m2Wb/Acd·srlm/m21/sJ/kgJb/kg第一节常用物理量导出单位同一物理量用不同单位制的单位度量时，其数值比称为换算因数例如1m长的管用英尺度量时为3.2808ft，则英尺与米的换算因数为3.2808。解：1kgf＝9.80665N1cm＝0.01m所以：1.033kgf/cm2＝1.033×9.80665N/(0.01m)2=1.013×105N/m2【例题2.1.1】:已知1atm＝1.033kgf/cm2，将其换算为N/m2。二、物理量的单位换算第一节常用物理量(一)量纲用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的量纲。量纲与单位的区别：量纲是可测量的性质；单位是测量的标准，用这些标准和确定的数值定量地描述量纲。可测量物理量可以分为两类：基本量和导出量。三、量纲和无量纲准数第一节常用物理量基本量纲:质量、长度、时间、温度的量纲，分别以M、L、t和T表示，简称MLtT量纲体系。其它物理量均可以以M、L、t和T的组合形式表示其量纲:[速度]=[密度]=[压强]=[粘度]=Lt－1ML－3ML－1t－2ML－1t－1第一节常用物理量(二)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，称为无量纲准数。无量纲准数既无量纲，又无单位，其数值大小与所选单位制无关。只要组合群数的各个量采用同一单位制，都可得到相同数值的无量纲准数。准数符号定义雷诺数(Reynold)3][MLρ1][LtuLL][11][tML0001113[Re]tLMtMLLLtMLRe=标准提法是量纲为1第一节常用物理量uL例如：氨的水溶液的浓度1．质量浓度与物质的量浓度mg/Lmol/L氨的质量或物质的量/溶液体积2.质量分数与摩尔分数%mg/kgmol/kmol氨的质量/溶液的质量氨的物质的量/溶液的物质的量3．质量比与摩尔比mol/kmolmg/kg氨的质量/水的质量氨的物质的量/水的物质的量四、常用物理量第一节常用物理量(一)浓度第一节常用物理量在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L污水的质量可以近似认为等于1000g，所以实际应用中，常常将质量浓度和质量分数加以换算，即1mg/L相当于1mg/1000g＝1×10-6（质量分数）=1ppm1μg/L相当于1μg/1000g＝1×10-9（质量分数）=1ppb当污染物的浓度过高，导致污水的比重发生变化时，上两式应加以修正，即1mg/L相当于1×10-6×污水的密度（质量分数）1μg/L相当于1×10-9×污水的密度（质量分数）ppm————ppb————μg/g，10-6μg/kg，10-9（质量分数）第一节常用物理量在大气污染控制工程中，常用体积分数表示污染物质的浓度。例如mL/m3，则此气态污染物质浓度为10-6。1摩尔任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积，因此可以用体积分数表示污染物质的浓度，在实际应用中非常方便；同时，该单位的最大优点是与温度、压力无关。第一节常用物理量例如，10-6（体积分数）表示每106体积空气中有1体积的污染物，这等价于每106摩尔空气中有1摩尔污染物质。又因为任何单位摩尔的物质有着相同数量的分子，10-6（体积分数）也就相当于每106个空气分子中有1个污染物分子。根据质量浓度的定义pRTnVAA310VMnVmAAAAAAApMRTVV310根据理想气体状态方程310AAAMnV体积分数和质量浓度之间的关系AAVV？第一节常用物理量(2.1.10)(2.1.11)(2.1.13)【例题2.1.3】在1atm、25℃条件下，某室内空气一氧化碳的体积分数为9.0×10-6。用质量浓度表示一氧化碳的浓度。第一节常用物理量第一节常用物理量例：NH3的水溶液质量分数为0.3，摩尔分数为？NH3的水溶液摩尔分数为0.3，质量分数为？当混合物为气液两相体系时，常以x表示液相中的摩尔分数，y表示气相中的摩尔分数体积流量VVqt质量流量mVqtu在x,y,z三个轴方向上的投影分别为xu、yu、zu一维流动二维流动三维流动速度分布平均速度(二)流量(三)流速第一节常用物理量(2.1.21)(2.1.22)圆形管道24Vmqud4Vmqdu在管路设计中，选择适宜的流速非常重要!!!。一般地，液体的流速取0.5~3.0m/s,气体则为10~30m/s。速度分布流速影响流动阻力和管径，因此直接影响系统的操作费用和基建费用。第一节常用物理量mu（主体）平均流速dVAmuAquAA按体积流量相等的原则定义(2.1.24)(2.1.25)单位时间内通过单位面积的物理量称为该物理量的通量。通量是表示传递速率的重要物理量。单位时间内通过单位面积的热量，称为热量通量，单位为J/（m2·s）；单位时间内通过单位面积的某组分的质量，成为该组分的质量通量，单位为kg/（m2·s）；单位时间内通过单位面积的动量，称为动量通量，单位为N/m2。(四)通量第一节常用物理量一、衡算的基本概念二、总质量衡算本节的主要内容第二节质量衡算1Vq2VqVmq分离、反应——分析物质流迁移转化?某污染物生物降解输入量－输出量-降解量=积累量输入量1输入量2输出量降解量积累量第二节质量衡算一、衡算的基本概念输入速率－输出速率＋转化速率=积累速率12ddmmmrmqqqt质量衡算的一般方程转化速率或反应速率——单位时间因生物或化学反应而转化的质量。组分为生成物时为正值，质量增加单位时间：以某种元素或某种物质为衡算对象第二节质量衡算(2.2.4)1VqVmq2Vq12mmqq12ddmmmrmqqqt【例题】一条河流的上游流量为10m3/s，氯化物的浓度为20mg/L，有一条支流汇入，流量为5m3/s，其氯化物浓度为40mg/L。视氯化物为不可降解物质，系统处于稳定状态，计算汇合点下游河水中的氯化物浓度，假设在该点流体完全混合。解：首先划定衡算系统，绘制质量平衡图第二节质量衡算(二)稳态非反应系统1VqVmq2Vq氯化物的输出速率为氯化物的输入速率为1122VVmVmqqq11122mVVqqq2mmVmqq12VmVVqqq112212VVmVVqqqq第二节质量衡算1、需要划定衡算的系统2、要确定衡算的对象3、确定衡算的基准4、绘制质量衡算系统图5、注意单位要统一划定衡算的系统确定衡算的对象某组分衡算的范围某组分，和全部组分单位时间，某时间段内，或一个周期总衡算和微分衡算第二节质量衡算总质量衡算12ddmmmrmqqqtρ0ρ1ρ2ρ4ρ31Vq3Vq4Vq2Vq0Vq【例题】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。污水的比重为1000kg/m3。？？？根据需要划定衡算的系统第二节质量衡算已知0Vq=5000m3/d，0＝200mg/L，2＝20mg/L，31＝(100-96)/(100/1000)＝40(g/L)＝40000(mg/L)4＝(100-99.8)/(100/1000)＝2(g/L)＝2000(mg/L)＝100mg/L污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质量比，因此污泥中悬浮物含量为第二节质量衡算ρ0ρ1ρ2ρ4ρ31Vq3Vq4Vq2Vq0Vq99.8%96%输入速率001122VVVqqq100mVqq输出速率21122mVVqqq012VVVqqq1Vq2Vq=22.5(m3/d)＝4977.5(m3/d)ρ0ρ1ρ2ρ4ρ31Vq3Vq4Vq2Vq0Vq第二节质量衡算(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。(2)浓缩池上清液量取浓缩池为衡算系统，悬浮物为衡算对象污泥含水率从99.8％降至96％,污泥体积由472.5m3/d减少为22.5m3/d,相差20倍。输入速率441133VVVqqq144mVqq输出速率21133mVVqqq413VVVqqq=450(m3/d)＝472.5(m3/d)4Vq3Vqρ0ρ1ρ2ρ4ρ31Vq3Vq4Vq2Vq0Vq第二节质量衡算99.8%96%1、需要划定衡算的系统2、要确定衡算的对象3、确定衡算的基准4、绘制质量衡算系统图5、注意单位要统一划定衡算的系统确定衡算的对象某组分衡算的范围某组分，和全部组分单位时间，某时间段内，或一个周期总衡算和微分衡算第二节质量衡算总质量衡算12ddmmmrmqqqtmrqkV(2.2.8)mrq污染物的生物降解经常被视为一级反应，即污染物的降解速率与其浓度成正比。假设体积V中可降解物质的浓度均匀分布，则反应速率常数，s-1或d-1物质浓度负号表示污染物随时间的增加而减少体积反应速率第二节质量衡算1Vq2VqVmq【例题2.2.3】一个湖泊的容积为10.0×106m3。有一流量为5.0m3/s、污染物浓度为10.0mg/L的受污染支流流入该湖泊.同时，还有一污水排放口将污水排入湖泊，污水流量为0.5m3/s，浓度为100mg/L。污染物的降解速率常数为0.20d-1。假设污染物质在湖泊中完全混合，且湖水不因蒸发等原因增加或者减少。求稳态情况下流出水中污染物的浓度。解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物浓度等于流出水中的污染物浓度120mmqqkVm(三)稳