第2章质量衡算与能量衡算.ppt

环境工程原理,第一篇 环境工程原理基础,第篇 环境工程原理基础,质量衡算与能量衡算,流体输送、流体中的过程,加热、冷却、设备保温等,热量传递,吸收、吸附、萃取、膜分离 生物、化学反应,质量传递,给水处理、污水处理，废气处理，固体废弃物处理土壤净化 给水排水管道工程,流体流动,第篇 环境工程原理基础,本篇的要求 系统掌握流体流动和热量、质量传递过程的基础理论，对优化污染物的分离和转化过程、提高污染控制工程的效率具有重要意义。 本篇内容概述 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。,第篇 环境工程原理基础,本篇包含的主要章节 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,第二章 质量衡算与能量衡算,第二节 质量衡算,第三节 能量衡算,第一节 常用物理量,一、计量单位,计量单位是度量物理量的标准,物理量数值×计量单位,国际单位制:1960年10月第十一届国际计量大会通过了一种新的单位制度，称为国际单位制度，其代号为SI。它是米-千克-秒(单位制) 制的引伸。由于SI制的“统用性”和“一贯性”的优点，在国际上迅速得到推广。其包括7个基本单位、2个辅助单位和导出单位 。,第一节 常用物理量,第一节 常用物理量,7个基本单位,2个辅助单位,第一节 常用物理量,导出单位,按照定义式由基本单位相乘或相除求得，并且其导出单位的定义式中的比例系数永远取1。,力的导出单位，按牛顿运动定律写出力的定义式，即 按照国际单位制规定，取 k =1，则力的导出单位为 当采用其它单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得到的k不等于1。例如，上例中，若距离的单位为cm，则k =0.01。,国际单位制中规定了若干具有专门名称的导出单位,第一节 常用物理量,二、物理量的单位换算,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,解：按照题意，将kgf/cm2中力的单位kgf换算为N，cm2换算为m2。查表，N与kgf的换算因数为9.80665，因此 1kgf9.80665N 1cm0.01m 所以 1.033kgf/cm21.033×9.80665N/(0.01m)2=1.013×105 N/ m2,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。,例2.1.1 已知1atm1.033kgf/cm2，将其换算为N/ m2。,设备周围空气流动速度，cm/s,例2.1.2 设备壁面因强制对流和辐射作用向周围环境中散失的热量可用下式表示，即,式中,对流-辐射联合传热系数，kcal/（m2·h·）,若将a的单位改为W/(m2·K), u 的单位改为m/s，试将上式加以变换。,第一节 常用物理量,解：根据附录，1kcal4186.8 W·s，1h=3600s；1表示温差为1，用K表示温度时，温差为1K。因此 1kcal/（m2·h·）4186.8/3600 W/(m2·K)1.163 W/(m2·K) 1cm/s0.01m/s,第一节 常用物理量,第一节 常用物理量,三、量纲和无量纲准数,(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可以定量地描述量纲。,可测量物理量可以分为两类：基本量和导出量。,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。,【物理量】表示该物理量的量纲，不指具有确定数值的某一物理量。利用量纲所建立起来的关系是定性的而不是定量的。,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。,Re,标准提法是量纲为1,第一节 常用物理量,例如：氨的水溶液的浓度,氨的物质的量/溶液的物质的量,(一)浓度,四、常用物理量及其表示方法,第一节 常用物理量,1质量浓度与物质的量浓度 （1）质量浓度A ， （2）物质的量浓度cA ， c,组分A的摩尔质量,(2.1.2),(2.1.4),(2.1.5),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）= 1ppm 1g/L 相当于1g/1000g 1×10-9（质量分数）=1ppb,当污染物的浓度过高，导致污水的密度发生变化时，上两式应加以修正，即 1mg/L =1×10-6×混合物的密度（质量分数） 1g/L=1×10-9 ×混合物的密度 （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。,1mol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。,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106mol空气中有1mol污染物质。又因为任何单位物质的量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。,第一节 常用物理量,对于气体，体积分数和质量浓度之间的关系和压力、温度以及污染物质的相对分子质量有关。对于理想气体，可以用理想气体状态方程表示，即： 式中：p绝对压力，Pa； VA体积，m3； nA物质的量，mol； R摩尔气体常数，8.314 Pa·m3·K-1·mol-1； T热力学温度，K。,(2.1.9),0.082 atmL/(mol K),第一节 常用物理量,根据质量浓度的定义,根据理想气体状态方程,体积分数和质量浓度之间的关系,？,(2.1.10),(2.1.11),(2.1.13),第一节 常用物理量,例2.1.3 在101.325KPa、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。,解：根据理想气体状态方程，1mol空气在101325Pa和25下的体积为,一氧化碳（CO）的摩尔质量为28 g/mol，所以CO的质量浓度为,mg/m3,（2）摩尔分数,组分A的摩尔分数,混合物的总物质的量,组分A的物质的量,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,，,组分A的质量分数与摩尔分数的关系,(2.1.15b),(2.1.15a),(2.1.14),第一节 常用物理量,3质量比与摩尔比,组分A的质量比,混合物中惰性物质的质量,组分A的质量,（当混合物中除组分A外，其余为惰性组分时）,组分A与惰性组分的关系,(2.1.16),第一节 常用物理量,第一节 常用物理量,第一节 常用物理量,体积流量,质量流量,(二)流量,(三)流速,(2.1.21),(2.1.22),在x,y,z三个坐标轴方向上的投影分别为ux，uy，uz,第一节 常用物理量,圆形管道,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0.53.0m/s，气体则为1030m/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。,(2.1.25),第一节 常用物理量,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kmol/（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,本节的主要内容 一、衡算的基本概念 二、总质量衡算 本节的理论依据 质量守恒定律，这也是环境工程原理中的主要基本原理之一。 本节主要研究的参数 污染物在某一环境系统中的输入量、输出量、降解量和累积量间的关系。,第二节 质量衡算,分离、反应 分析物质流迁移转化,?,某污染物,生物降解,输入量输出量转化量=积累量,输入量1,输入量2,输出量,降解量,积累量,一、衡算的基本概念,第二节质量衡算,输入速率输出速率转化速率=积累速率,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反应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,(2.2.4),第二节质量衡算,第二节质量衡算,(2.2.8),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,物质质量浓度,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,稳态系统 非稳态系统,组分发生反应 组分不发生反应,以某组分为对象 以全部组分为对象,以总质量表示 以单位时间质量表示,一、总质量衡算,第二节质量衡算,质量衡算方程的应用,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,用来分析质量迁移的特定区域，即衡算的空间范围,环境设备或管道中一个微元体微分衡算,一个反应池、一个车间，或者一个湖泊、一段河流、一座城市上方的空气，甚至可以是整个地球总衡算,(一)衡算系统,第二节质量衡算,质量衡算系统图,单位要统一,稳态流动的数学特征：,当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，不随时间变化，称为稳态系统；当上述物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称为非稳态系统。,对于稳态过程，内部无物料积累,稳态系统与非稳态系统,第二节质量衡算,第二节质量衡算,例：一条河流的上游流量为10.0m3/s，氯化物的质量浓度为20.0mg/L，有一条支流汇入，流量为5.0m3/s，其氯化物质量浓度为40.0mg/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质量浓度，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,(二)稳态非反应系统,第二节质量衡算,氯化物的输出速率为,氯化物的输入速率为,第二节质量衡算,例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，质量浓度为100mg/L。污染物的降解速率常数为0.20 d-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质量浓度。,完全混合意味着湖泊中的污染物质量浓度等于流出水中的污染物质量浓度,(三)稳态反应系统,第二节质量衡算,解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物质量浓度等于流出水中的污染物质量浓度,输入速率,输出速率,降解速率,第二节质量衡算,解：根据质量衡算方程,例题：一圆筒形储罐，直径为0.8m。罐内盛有2m深的水。在无水源补充的情况下，打开底部阀门放水。已知水流出的质量流量与水深Z的关系为 kg/s，求经过多长时间后，水位下降至1m？,kg/s,kg,t=1518 s,0,(2.2.3),(四)非稳态系统,练习：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。,？,？,？,根据需要划定衡算的系统,已知,=5 000m3/d，,200mg/L，,20mg/L，,(100-96)/(100/1000)40 g/L40000 mg/L,(100-99.8)/(100/1000)2 g/L2000 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,(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,=22.5 m3/d,4977.5 m3/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,污泥含水率从99.8降至96,污泥体积由472.5 m3/d减少为22.5m3/d,相差20倍。,输入速率,输出速率,=450 m3/d,472.5 m3/d,练习：在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者，每人每小时吸两支香烟。每支香烟散发1.4mg的甲醛。甲醛转化为二氧化碳的反应速率常数为k0.40 h-1。新鲜空气进入会议室的流量为1 000m3/h，同时室内的原有空气以相同的流量流出。假设混合完全，估计在25、101.3KPa的条件下，甲醛的稳态质量浓度。并与造成眼刺激的起始体积分数0.05×10-6相比较。,输入速率,输出速率,降解速率,50×2×1.4140 mg/h,1000×1000 mg/h,本节的主要内容 一、能量衡算方程 二、热量衡算方程 三、封闭系统的热量衡算 四、开放系统的热量衡算 本节的理论依据 能量守恒定律,第三节 能量衡算,第三节能量衡算,水预热系统,用热水或蒸汽加热水或污泥,用冷水吸收电厂的废热,水或污泥吸收热量温度升高,冷却水吸收热量温度升高,用量？,加热时间？,流量？,温度？,一、能量衡算方程,第三节能量衡算,分析能量流,流体输送中，通过水泵对水做功，将水提升到高处,？,流体在管道中流动，由于黏性产生摩擦力，消耗机械能，转变为热量,？,？,？,两大类问题：主要涉及物料温度与热量变化的过程 冷却、加热、散热 系统对外做功，系统内各种能量相互转化 流体输送,机械能衡算,热量衡算,第三节能量衡算,（1）流体携带能量进出系统,能量既不会消失也不能被创造。在给定的过程中，能量会发生形式上的改变,开放系统,封闭系统,能量输入输出的方式：,（2）系统与外界交换能量 （热，功）,任何系统经过某一过程时，其内部能量的变化等于该系统从环境吸收的热量与它对外所作的功之差，即,物料所具有的各种能量之和，即总能量,物料从外界吸收的热量,物料对外界所作的功,系统内部物料能量的变化,系统内能量的变化 （输出系统的物料的总能量）（输入系统的物料的总能量）（系统内物料能量的积累）,对于物料总质量 ：,(2.3.1),第三节能量衡算,第三节能量衡算,（输出系统的物料的总能量）（输入系统的物料的总能量）（系统内能量的积累）（系统从外界吸收的热量）（对外界所作的功）,对于单位时间：,（单位时间输出系统的物料带出的总能量）（单位时间输入系统的物料带入的总能量）（单位时间系统内能量的积累） （单位时间系统从外界吸收的热量）（单位时间对外界所作的功）,第三节能量衡算,对于单位质量物料：,0,能量可用焓表示,(2.3.1),第三节能量衡算,单位时间输出系统的物料的焓值总和，即物料带出的能量总和,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,单位时间系统内能量的积累,单位时间环境输入系统的热量，即系统的吸热量,对于单位时间：,(2.3.4),二、热量衡算方程,第三节能量衡算,物质的焓定义为,焓值是温度与物态的函数，因此进行衡算时除选取时间基准外，还需要选取物态与温度基准，通常以273K物质的液态为基准。,单位质量物质的焓,单位质量物质的内能,物质所处的压强,单位质量物质的体积,(2.3.5),第三节能量衡算,三、封闭系统的热量衡算,封闭系统与环境没有物质交换的系统 大气层、封闭的系统等,系统从外界吸收的热量等于内部能量的积累,对物料总质量进行衡算,内部能量的变化表现为？,(2.3.4),第三节能量衡算,物料的比定压热容,物料温度改变,物料的质量,无相变情况下表现为温度的变化,（1）恒压过程中，体系所吸收的热量全部用于焓的增加，即,（2）恒容、不做非体积功的条件下，体系所吸收的热量全部用于增加体系的内能，即,物料的比定容热容,第三节能量衡算,物质的潜热,对于固体或液体：,热量衡算方程,例题热水器发热元件的功率是1.5kW，将水20L从15加热到65，试计算需要多少时间？假设所有电能都转化为水的热能，忽略水箱自身温度升高所消耗的能量和从水箱向环境中散失掉的能量。,系统吸收的热量来自发热元件，加热时间为 ， 输入的热量为 Q1.5×t1.5t kW·h,水中能量的变化为,20×1×4.18×（6515）4180 kJ,输入的能量等于水中能量的变化,水,0.77 h,解：以热水器中水所占的体积为衡算系统，为封闭系统。,与环境既有物质交换又有能量交换的系统,对于单位时间物料进行衡算,对于稳态过程,(2.3.12),开放系统,第三节能量衡算,四、开放系统的热量衡算,【例题2.3.3】在一列管式换热器中用373K的饱和水蒸气加热某液体，液体流量为1000kg/h。从298K加热到353K，液体的平均比热容为3.56kJ/(kg·K)。饱和水蒸气冷凝放热后以373 K的饱和水排出。换热器向四周的散热速率为10 000 kJ/h。试求稳定操作下加热所需的蒸气量。,解：取整个换热器为衡算系统，时间基准为1h，物态温度基准为273K液体。,373K饱和水的焓： 353K的液体：,输入系统的物料的焓值包括：,设饱和水蒸气用量为G kg/h，查得373K的饱和水蒸气的焓为2677 kJ/kg，饱和水的焓为418.68 kJ/kg,输出系统的物料的焓值包括：,=10 000 kJ/h,解得G91.1 kg/h,饱和水蒸气的焓： 298K的液体：,饱和水蒸气的焓,298K的液体,353K的液体,373K饱和水的焓,Q,【例题2.3.4】一污水池内有50m3的污水，温度为15，为加速消化过程，需将其加热到35。采用外循环法加热，使污水以5 m3/h的流量通过换热器，换热器用水蒸气加热，其出口温度恒定为100。假设罐内污水混合均匀，污水的密度为1000kg/ m3，不考虑池的散热，问污水加热到所需温度需要多少时间？,非稳态过程,解：池中污水混合均匀，因此任意时刻从池中排出的污水温度与池中相同，设其为T。以污水池为衡算系统，以0的污水为温度物态基准。,输出系统的焓,系统内积累的焓,输入系统的焓,T,边界条件：,h,开放系统中能量变化率的计算：,的能量为,当只有一种物料流经系统输入或输出热量时，因物料进入系统而输入,(2.3.12),(2.3.14),因物料离开系统所输出的能量为,(2.3.13),第三节能量衡算,物料经过系统放出潜热时，r为负值！,【例2.3.5】 燃煤发电厂将煤的化学能的三分之一转化为电能，输出电能1000MW。其余三分之二的化学能以废热的形式释放到环境中，其中有15%的废热从烟囱中排出，其余85%的余热随冷却水进入附近的河流中。如图所示。河流上游的流速为100m3/s，水温为20。试计算： （1）若冷却水的温度只升高了10，冷却水的流量为多少？ （2）这些冷却水进入河流后，河水的温度将变化多少？,？,？,1700MW,解：（1）以冷却水为衡算对象,则冷却水热量的变化率为,水的密度为1000kg/m3，故水的体积流量为40.6 m3/s。,设冷却水的质量流量为,冷却水吸收热量速率为,（2）以河流水为衡算对象，在100m3/s的流量下，吸收1700MW能量后河水温度的变化为,河水温度升高了4.1，变为24.1。,