环境工程原理期末总结

环境工程原理期末总结2014.12.31主要内容•绪论•物料衡算与热量衡算•传热原理（计算1）•沉降•过滤•传质原理•吸收（计算1）•反应工程（计算1）总传热公式mQKAtQ的计算K的计算Δtm的计算总衡算导热对流热辐射强化传热过程知识关联图11122221()()spspQmcTTmctt温差差别(局部)QAt热量衡算方程：传热速率Q的计算：牛顿冷却定律：nimiiinAbTTQ111)(niiinAbTTQ111)(1212lnrrrrrm导热速率方程平壁：圆筒壁：辐射传热速率42411212121100100TTACQ0000111SiSoOiiimdddRRkddd总传热系数的计算：mQKAt对流传热系数的求解导热系数：物性参数金属非金属固体液体气体当流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3。410Re上式的应用条件：考试中一般满足120Pr7.050/dL物性参数的定性温度为流体进出口的平均温度。ndNuPrRe023.08.0对流传热系数无相变：管内强制对流的影响因素：1.进口段的影响2.热流方向的影响3.自然对流的影响4.其他因素的影响：管路弯曲，表面粗糙度增大管内强制对流传热系数的途径：1.在管路条件不变的情况下，增大流速，α增大。2.在流量不变的情况下，减小管径或采用蛇管。注意：此时α并不与管径尺寸成反比。变化的根本原因：层流底层的厚度的变化有相变：冷凝：影响冷凝传热的因素，如何影响冷凝液层的厚度沸腾：沸腾的过热度与传热系数的关系临界点表面汽化沸腾条件－－过热，气化核心强化传热措施传热平均温度差的计算：1212lnmttttt首先依据题意，画出流体温度在传热设备中的变化趋势；其次，计算两流体流体进口温差、出口温差；求对数平均值传热过程强化的途径mQKAt1.增大总传热系数：,,11ooososiiimiodddRRKddd0.80.023RePrnd2.增大传热面积3.增大传热平均温度差1212lnmttttt逆流优于并流如何有效提高K？控制热阻法：，Rs可忽略时，K接近于小一方；若大小，小≈K如汽水冷凝水此时，有效提高K的途径为提高小黑体、镜体、透过体、灰体、黑度ε(1)Plancklaw辐射热传导－－基本概念、基本原理基本概念基本原理(2)Stefan-Boltzmannlaw(四次方定律)(3)Kirchhofflaw减小热辐射的措施沉降颗粒特性离心重力沉降过滤非均相分离过程知识关联图斯托克斯公式传热综合题有一列管换热器，外表面积为40m2，列管为φ25×2.5mm的钢管。用饱和水蒸气将处理量为2.5×104kg/h的油从40℃加热到80℃。油走管程，流动状态为湍流。蒸气走壳程，水蒸气压力为0.2MPa(绝压)，冷凝给热系数α=1.2×104W/(m2.K)，油的平均比热容cp=2.1×103J/(kg.K)。⑴当油的处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？若要保持油的出口温度仍为80℃，此换热器是否够用？⑵若不够用，可采取哪些措施？⑶并联或串联多大的换热器才够用？解：⑴当油的处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？若要保持油的出口温度仍为80℃，此换热器是否够用？查表知2atm水蒸气的饱和蒸气温度ts=120℃℃7.578012040120ln)80120()40120(mt).W/(m7.2527.5740)4080(2100)3600/25000(2mps℃tAtcmK列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。油走管程,ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。K为基于管外表面积A的总传热系数221m1111dddbdK查得钢管导热系数λ=45W/(m.K)，则K).W/(m9.32720255.2245250025.01200017.25211111221m112dddbdK列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。油走管程,ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。∵α1α2∴α2≈K当油的流量增加一倍时，u’=2u741.12'8.02'2uuKK若油出口温度仍为80℃时：AAtKAtAKtcmtcm'741.1''2mmpsps2m95.45741.1402'A列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。油走管程,ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。若换热面仍为40m2，油的出口温度t’7.57'12080ln)'120(80741.1)4080()40'(2pspsKAttKAcmtcm可解得：t’=76.2℃A’A，所以换热面不够。列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。油走管程,ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。⑵若不够用，可采取哪些措施①增大传热面──并联或串联一台换热器②提高加热蒸气的压力，以提高传热推动力③加添加物，增加扰动──提高管程对流给热系数，以降低管程热阻⑶并联或串联多大的换热器才够用？要考虑哪些因素？并联一台同样大小的换热器，流量ms’增加一倍，传热面增加一倍，流速不变，传热系数K不变──正好够用。列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。油走管程,ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。若串联一台换热器，由上面计算通过查换热器规格知，串联一台6m2的换热器即可。列管换热器,A=40m2,φ25×2.5mm钢管。油走管程,ms2=2.5×104kg/h,t1=40℃,t2=80℃,湍流,cp=2.1×103J/(kg.K)。蒸气走壳程,ps=0.2MPa(绝压),α=1.2×104W/(m2.K)。传质原理•1.掌握基本概念–Fick定律–等分子反方向扩散–单向扩散•2.气液相平衡原理–吸收的方向、推动力和极限•3.双膜理论–模型–控制步骤的判断需要掌握的公式1.Fick定律AAABdcJDdz2.等分子反方向稳态扩散12()AAAABccNDz12()AAAABBMcccNDcz3.单方向稳态扩散浓度梯度浓度梯度的差分形式漂流因子4.亨利定律*ApEx实验证明:a）对稀溶液而言，E只是温度的函数，温度上升，E增加，溶解度下降；b）难溶气体的E大，易溶气体的E小。Henry定律的其他形式**/AAAAcHppcH或AAymxZPppiCcic相界面气膜液膜气相主体液相主体δG’δL’双膜模型(*)ALAANKcc5.对流扩散的传质公式(*)AGAANKpp相间()ALAiANkcc()AGAAiNkpp相内平衡关系pA=cA/H在理解双膜理论的基础上，能够推导KL或KG与kL和kG之间的关系。判断控制步骤。例题：在总压P＝500kN/m2、温度t=27C下使含CO23.0%（体积％）的气体与含CO2370g/m3的水相接触，试判断是吸收还是解吸？并计算以CO2分压差表示的总传质推动力。已知在操作条件下，亨利系数E＝1.73105kN/m2，水溶液的密度可取1000kg/m3。解：由题意可知，4310514.156.5510409.8CCxAA于是：pe=ExA=1.731051.51410-4=26.19kPa而气相主体中CO2的分压pA=p3.0%=5003.0%=15kPa33/10409.84437.0mkmolCA对稀水溶液，C＝1000/18=55.56kmol/m3可见pepA，故将发生解吸现象。以分压表示的总传质推动力：p=pe–pA=26.18–15=11.18kPa例：在填料塔内以水吸收空气～氨混合气中的氨。已知：总压P为1大气压，温度t为20℃，亨利系数E为7.66×104Pa，气相体积传质分系数kGa为4.25×10-4kmol/(s∙m3∙kpa)，液相体积传质分系数kLa为5.82×10-3s－1。气相中含氨5.4%（体积），液相中含氨0.062（摩尔分率），液相可按稀溶液处理。试求气、液界面处平衡的浓度以及气相传质阻力占总阻力的分率。解：m=E/P=76.6/101.33=0.756y=0.054x=0.062c=1000/18=55.56kmoL/m4333101.334.25100.0431/()5.821055.560.323/()yaGaxaLakpkkmoLmskCkkmoLms1111211211()()0.7564.3110(0.054)0.323(0.062)yaxaymxkyykxxyxyx在界面处：0629.01x0475.01y1/1//1/0.04310.756/0.32325.54yayaxaKkmk气相阻力占总阻力分率为：008.90)54.250431.0/(1吸收•1.吸收影响因素：温度、压力•2.平衡线和吸收操作线图示及基于图的分析•3.计算要求：–物料衡算–最小液气比–传质单元数–传质单元高度–填料层高度需要掌握的公式1212BBGYYLXX22BBGYYLXXB12*12minBLYYGXX1.逆流操作时的物料衡算及最小液气比1212lnmyyyyy12OGmyyNy12*yyyGdyHKayyOGOGHHNOGyGHKa12*yOGydyNyy＝1SmmGLALG＝2.填料层高度的计算公式例：设计一台常压操作的填料吸收塔，用清水吸收焦炉气中的氨，操作条件下的平衡关系为y=1.2x，气体流率为4480m3/(m2.h)，入塔气体浓度为10g/Nm3，要求回收率为95%，吸收剂用量为最小用量的1.5倍,气相体积总传质系数Kya=200kmol/(m3.h)。试求：⑴水用量(m3/(m2.h))(取ρ水=1000kg/m3)；⑵出塔溶液中氨的浓度(mol%)；⑶填料层高度(m)；⑷Kya正比于G0.8(G为摩尔流率)，若回收率不变，塔内温度、压力、均不变,在液流量不变情况下，气体流率增加一倍，则填料层高度应变为多少？解：⑴y1=(10×10-3/17)/(1/22.4)=0.0132y2=Y1(1-η)=0.0132(1-0.95)=6.59×10-4(L/G)min=(y1-y2)/(y1/m)=ηm=0.95×1.2=1.14L/G=1.5(L/G)min=1.5×1.14=1.71G=4480/22.4=200kmol/(m2.h)L=1.71×200=342kmol/(m2.h)=342×18/1000=6.16m3/(m2.h)⑵x1=(y1-y2)/(L/G)=(0.0132-6.59×10-4)/1.71=0.00733=0.733%⑶HOG=G/K