环境工程原理(第二版)全部课后答案.doc 195页

'第I篇习题解答第一章绪论1.1简要概述环境学科的发展历史及其学科体系。解：环境学科是随着环境问题的日趋突出而产生的一门新兴的综合性边缘学科。它经历了20世纪60年代的酝酿阶段，到20世纪70年代初期从零星的环境保护的研究工作与实践逐渐发展成为一门独立的新兴学科。环境学科是一门正在蓬勃发展的科学，其研究范围和内涵不断扩展，所涉及的学科非常广泛，而且各个学科间又互相交叉和渗透，因此目前有关环境学科的分支学科还没有形成统一的划分方法。图1-1是环境学科的分科体系。图1-1环境学科体系1.2简要阐述环境工程学的主要任务及其学科体系。解：环境工程学作为环境学科的一个重要分支，主要任务是利用环境学科以及工程学的方法，研究环境污染控制理论、技术、措施和政策，以改善环境质量，保证人类的身体健康和生存以及社会的可持续发展。图1-2是环境工程学的学科体系。环境工程学环境净化与污染控制技术及原理生态修复与构建技术及原理清洁生产理论及技术原理环境规划管理与环境系统工程环境工程监测与环境质量评价水质净化与水污染控制工程空气净化与大气污染控制工程固体废弃物处理处置与管理物理性污染控制工程土壤净化与污染控制技术废物资源化技术3 图1-2环境工程学的学科体系1.3去除水中的悬浮物，有哪些可能的方法，它们的技术原理是什么？解：去除水中悬浮物的方法主要有：沉淀、离心分离、气浮、过滤（砂滤等）、过滤（筛网过滤）、反渗透、膜分离、蒸发浓缩等。上述方法对应的技术原理分别为：重力沉降作用、离心沉降作用、浮力作用、物理阻截作用、物理阻截作用、渗透压、物理截留等、水与污染物的蒸发性差异。1.4空气中挥发性有机物（VOCs）的去除有哪些可能的技术，它们的技术原理是什么？解：去除空气中挥发性有机物（VOCs）的主要技术有：物理吸收法、化学吸收法、吸附法、催化氧化法、生物法、燃烧法等。上述方法对应的技术原理分别为：物理吸收、化学吸收、界面吸附作用、氧化还原反应、生物降解作用、燃烧反应。1.5简述土壤污染可能带来的危害及其作用途径。解：土壤污染的危害及其作用途径主要有以下几个方面：①通过雨水淋溶作用,可能导致地下水和周围地表水体的污染;②污染土壤通过土壤颗粒物等形式能直接或间接地为人或动物所吸入;③通过植物吸收而进入食物链,对食物链上的生物产生毒害作用等。1.6环境净化与污染控制技术原理可以分为哪几类？它们的主要作用原理是什么？解：从技术原理上看，环境净化与污染控制技术原理可以分为“隔离技术”、“分离技术”和“转化技术”三大类。隔离技术是将污染物或者污染介质隔离从而切断污染物向周围环境的扩散，防止污染近一步扩大。分离技术是利用污染物与污染介质或其它污染物在物理性质或化学性质上的差异使其与介质分离，从而达到污染物去除或回收利用的目的。转化技术是利用化学或生物反应，使污染物转化成无害物质或易于分离的物质，从而使污染介质得到净化与处理。3 1.7《环境工程原理》课程的任务是什么？解：该课程的主要任务是系统、深入地阐述环境污染控制工程，即水质净化与水污染控制工程、大气（包括室内空气）污染控制工程、固体废物处理处置与管理和资源化工程、物理性污染（热污染、辐射污染、噪声、振动）控制工程、自然资源的合理利用与保护工程、生态修复与构建工程以及其它污染控制工程中涉及到的具有共性的工程学基础、基本过程和现象以及污染控制装置的基本原理，为相关的专业课程打下良好的理论基础。3 第二章质量衡算与能量衡算2.1某室内空气中O3的浓度是0.08×10-6（体积分数），求：（1）在1.013×105Pa、25℃下，用μg/m3表示该浓度；（2）在大气压力为0.83×105Pa和15℃下，O3的物质的量浓度为多少？解：理想气体的体积分数与摩尔分数值相等由题，在所给条件下，1mol空气混合物的体积为V1＝V0·P0T1/P1T0＝22.4L×298K/273K＝24.45L所以O3浓度可以表示为0.08×10－6mol×48g/mol×（24.45L）－1＝157.05μg/m3（2）由题，在所给条件下，1mol空气的体积为V1＝V0·P0T1/P1T0=22.4L×1.013×105Pa×288K/(0.83×105Pa×273K）＝28.82L所以O3的物质的量浓度为0.08×10－6mol/28.82L＝2.78×10－9mol/L2.2假设在25℃和1.013×105Pa的条件下，SO2的平均测量浓度为400μg/m3，若允许值为0.14×10-6，问是否符合要求？解：由题，在所给条件下，将测量的SO2质量浓度换算成体积分数，即大于允许浓度，故不符合要求2.3试将下列物理量换算为SI制单位：质量：1.5kgf·s2/m=kg密度：13.6g/cm3=kg/m3195 压力：35kgf/cm2=Pa4.7atm=Pa670mmHg=Pa功率：10马力＝kW比热容：2Btu/(lb·℉)=J/（kg·K）3kcal/（kg·℃）=J/（kg·K）流量：2.5L/s=m3/h表面张力：70dyn/cm=N/m5kgf/m=N/m解：质量：1.5kgf·s2/m=14.709975kg密度：13.6g/cm3=13.6×103kg/m3压力：35kg/cm2=3.43245×106Pa4.7atm=4.762275×105Pa670mmHg=8.93244×104Pa功率：10马力＝7.4569kW比热容：2Btu/(lb·℉)=8.3736×103J/（kg·K）3kcal/（kg·℃）=1.25604×104J/（kg·K）流量：2.5L/s=9m3/h表面张力：70dyn/cm=0.07N/m5kgf/m=49.03325N/m2.4密度有时可以表示成温度的线性函数，如ρ＝ρ0+At式中：ρ——温度为t时的密度，lb/ft3；ρ0——温度为t0时的密度，lb/ft3。t——温度，℉。如果此方程在因次上是一致的，在国际单位制中A的单位必须是什么？解：由题易得，A的单位为kg/（m3·K）195 2.5一加热炉用空气（含O20.21,N20.79）燃烧天然气（不含O2与N2）。分析燃烧所得烟道气，其组成的摩尔分数为CO20.07，H2O0.14，O20.056，N20.734。求每通入100m3、30℃的空气能产生多少m3烟道气？烟道气温度为300℃，炉内为常压。解：假设燃烧过程为稳态。烟道气中的成分来自天然气和空气。取加热炉为衡算系统。以N2为衡算对象，烟道气中的N2全部来自空气。设产生烟道气体积为V2。根据质量衡算方程，有0.79×P1V1/RT1＝0.734×P2V2/RT2即0.79×100m3/303K＝0.734×V2/573KV2＝203.54m32.6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。（1）求下游的污染物浓度（2）求每天有多少kg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）每天通过下游测量点的污染物的质量为2.7某一湖泊的容积为10×106m3，上游有一未被污染的河流流入该湖泊，流量为50m3/s。一工厂以5m3/s的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解污染物，浓度为100mg/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，则输出的浓度也为则由质量衡算，得195 即5×100mg/L－（5＋50）m3/s－10×106×0.25×m3/s＝0解之得＝5.96mg/L2.8某河流的流量为3.0m3/s，有一条流量为0.05m3/s的小溪汇入该河流。为研究河水与小溪水的混合状况，在溪水中加入示踪剂。假设仪器检测示踪剂的浓度下限为1.0mg/L。为了使河水和溪水完全混合后的示踪剂可以检出，溪水中示踪剂的最低浓度是多少？需加入示踪剂的质量流量是多少？假设原河水和小溪中不含示踪剂。解：设溪水中示踪剂的最低浓度为ρ则根据质量衡算方程，有0.05ρ＝（3＋0.05）×1.0解之得ρ＝61mg/L加入示踪剂的质量流量为61×0.05g/s＝3.05g/s2.9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ρ则由质量衡算得10.0kg/s－（0.20/3600）×ρ×100×100×1×109m3/s－4×100×1×106ρm3/s＝0解之得195 ρ＝1.05×10-2mg/m3（2）设空箱的长宽均为L，高度为h，质量流量为qm，风速为u。根据质量衡算方程有带入已知量，分离变量并积分，得积分有ρ＝1.15×10-2mg/m32.10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ρ0，池中总氮浓度为ρ由质量衡算，得即积分，有求得t＝0.18min195 2.11有一装满水的储槽，直径1m、高3m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直径为4cm，测得水流过小孔时的流速u0与槽内水面高度z的关系u0＝0.62（2gz）0.5试求放出1m3水所需的时间。解：设储槽横截面积为A1，小孔的面积为A2由题得A2u0＝－dV/dt，即u0＝－dz/dt×A1/A2所以有－dz/dt×（100/4）2＝0.62（2gz）0.5即有－226.55×z-0.5dz＝dtz0＝3mz1＝z0－1m3×（π×0.25m2）-1＝1.73m积分计算得t＝189.8s2.12给水处理中，需要将固体硫酸铝配成一定浓度的溶液作为混凝剂。在一配料用的搅拌槽中，水和固体硫酸铝分别以150kg/h和30kg/h的流量加入搅拌槽中，制成溶液后，以120kg/h的流率流出容器。由于搅拌充分，槽内浓度各处均匀。开始时槽内预先已盛有100kg纯水。试计算1h后由槽中流出的溶液浓度。解：设t时槽中的浓度为ρ，dt时间内的浓度变化为dρ由质量衡算方程，可得时间也是变量，一下积分过程是否有误？30×dt＝（100＋60t）dC＋120Cdt即（30－120C）dt＝（100＋60t）dC由题有初始条件t＝0，C＝0195 积分计算得：当t＝1h时C＝15.23％2.13有一个4×3m2的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/（m2·h），有50％的太阳能被吸收用来加热流过取暖器的水流。水的流量为0.8L/min。求流过取暖器的水升高的温度。解：以取暖器为衡算系统，衡算基准取为1h。输入取暖器的热量为3000×12×50％kJ/h＝18000kJ/h设取暖器的水升高的温度为（△T），水流热量变化率为根据热量衡算方程，有18000kJ/h＝0.8×60×1×4.183×△TkJ/h.K解之得△T＝89.65K2.14有一个总功率为1000MW的核反应堆，其中2/3的能量被冷却水带走，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）如果水温只允许上升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℃。解：输入给冷却水的热量为Q＝1000×2/3MW＝667MW（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×103×4.183×10kJ/m3＝667×103KWQ＝15.94m3/s（2）由题，根据热量衡算方程，得195 100×103×4.183×△TkJ/m3＝667×103KW△T＝1.59K195 195 第四章热量传递4.1用平板法测定材料的导热系数，即在平板的一侧用电加热器加热，另一侧以冷水通过夹层将热量移走，同时板的两侧由热电偶测量其表面温度，电热器流经平板的热量为电热器消耗的功率。设某材料的加热面积A为0.02m2，厚度b为0.01m，当电热器的电流和电压分别为2.8A和140V时，板两侧的温度分别为300℃和100℃；当电热器的电流和电压分别为2.28A和114V时，板两侧的温度分别为200℃和50℃。如果该材料的导热系数与温度的关系为线性关系，即，式中T的单位为℃。试确定导热系数与温度关系的表达式。解：设电热器的电流和电压为I和U，流经平板的热量流量为Q。由题有Q＝UI且有对于薄板，取db厚度，有又因为导热系数与温度存在线性关系，所以有分别对db和dT进行积分得分别取边界条件，则得根据题目所给条件，联立方程组解之得195 a＝2.24×10-3K－1λ0＝0.677W/（m·K）因此，导热系数与温度的关系式为λ＝0.677（1+2.24×10-3T）4.2某平壁材料的导热系数W/(m·K)，T的单位为℃。若已知通过平壁的热通量为qW/m2，平壁内表面的温度为。试求平壁内的温度分布。解：由题意，根据傅立叶定律有q＝－λ·dT/dy即q＝－λ0（1＋αT）dT/dy分离变量并积分整理得此即温度分布方程4.3某燃烧炉的炉壁由500mm厚的耐火砖、380mm厚的绝热砖及250mm厚的普通砖砌成。其λ值依次为1.40W/(m·K)，0.10W/(m·K)及0.92W/(m·K)。传热面积A为1m2。已知耐火砖内壁温度为1000℃，普通砖外壁温度为50℃。（1）单位面积热通量及层与层之间温度；（2）若耐火砖与绝热砖之间有一2cm的空气层，其热传导系数为0.0459W/(m·℃)。内外壁温度仍不变，问此时单位面积热损失为多少？解：设耐火砖、绝热砖、普通砖的热阻分别为r1、r2、r3。（1）由题易得r1＝＝＝0.357m2·K/Wr2＝3.8m2·K/W195 r3＝0.272·m2K/W所以有q＝＝214.5W/m2由题T1＝1000℃T2＝T1－QR1＝923.4℃T3＝T1－Q（R1＋R2）＝108.3℃T4＝50℃（2）由题，增加的热阻为r’＝0.436m2·K/Wq＝ΔT/（r1＋r2＋r3＋r’）＝195.3W/m24.4某一φ60mm×3mm的铝复合管，其导热系数为45W/(m·K)，外包一层厚30mm的石棉后，又包一层厚为30mm的软木。石棉和软木的导热系数分别为0.15W/(m·K)和0.04W/(m·K)。试求（1）如已知管内壁温度为-105℃，软木外侧温度为5℃，则每米管长的冷损失量为多少？（2）若将两层保温材料互换，互换后假设石棉外侧温度仍为5℃，则此时每米管长的冷损失量为多少？解：设铝复合管、石棉、软木的对数平均半径分别为rm1、rm2、rm3。由题有rm1＝mm＝28.47mmrm2＝mm＝43.28mm195 rm3＝mm＝73.99mm（1）R/L＝＝＝3.73×10－4K·m/W＋0.735K·m/W＋1.613K·m/W＝2.348K·m/WQ/L＝＝46.84W/m（2）R/L＝＝＝3.73×10－4K·m/W＋2.758K·m/W＋0.430K·m/W＝3.189K·m/WQ/L＝＝34.50W/m4.5某加热炉为一厚度为10mm的钢制圆筒，内衬厚度为250mm的耐火砖，外包一层厚度为250mm的保温材料，耐火砖、钢板和保温材料的导热系数分别为0.38W/（m·K）、45W/（m·K）和0.10W/（m·K）。钢板的允许工作温度为400℃。已知外界大气温度为35℃，大气一侧的对流传热系数为10W/（m2·K）；炉内热气体温度为600℃，内侧对流传热系数为100W/（m2·K）。试通过计算确定炉体设计是否合理；若不合理，提出改进措施并说明理由。（补充条件：有效管径2.0m）解：设由耐火砖内侧表面和保温材料外测表面的面积分别为A1和A4，耐火砖、钢筒和保温材料的对数平均面积分别为Am1、Am2、Am3。钢板内侧温度为T。稳态条件下，由题意得：（因为钢板内侧温度较高，所以应该以内侧温度不超过400℃为合理）195 有效管径R=2.0m带入已知条件，解得T＝463.5℃>400℃计算结果表明该设计不合理改进措施：1、提高钢板的工作温度，选用耐热钢板；2、增加耐火砖厚度，或改用导热系数更小的耐火砖。4.6水以1m/s的速度在长为3m的φ25×2.5mm管内，由20℃加热到40℃。试求水与管壁之间的对流传热系数。解：由题，取平均水温30℃以确定水的物理性质。d＝0.020m，u＝1m/s，ρ＝995.7kg/m3，μ＝80.07×10-5Pa·s。流动状态为湍流所以得4.7用内径为27mm的管子，将空气从10℃加热到100℃，空气流量为250kg/h，管外侧用120℃的饱和水蒸气加热(未液化)。求所需要的管长。解：以平均温度55℃查空气的物性常数，得λ＝0.0287W/（m·K），μ＝1.99×10－5Pa·s，cp＝1.005kJ/（kg·K），ρ＝1.077kg/m3由题意，得u＝Q/（ρA）＝112.62m/sRe＝duρ/μ＝0.027×112.62×1.077/（1.99×10－5）＝1.65×105所以流动为湍流。Pr＝μcp/λ＝（1.99×10－5）×1.005/0.0287＝0.697α＝0.023·λ/d·Re0.8·Pr0.4195 ＝315.88W/（m2·K）ΔT2＝110K，ΔT1＝20KΔTm＝（ΔT2－ΔT1）/ln（ΔT2/ΔT1）＝（110K－20K）/ln（110/20）＝52.79K由热量守恒可得απdLΔTm＝qmhcphΔThL＝qmcphΔTh/（απdΔTm）＝250kg/h×1.005kJ/（kg·K）×90K/［315.88W/（m2·K）·π·0.027m·52.79K］＝4.44m4.8某流体通过内径为50mm的圆管时，雷诺数Re为1×105，对流传热系数为100W/（m2·K）。若改用周长与圆管相同、高与宽之比等于1：3的矩形扁管，流体的流速保持不变。问对流传热系数变为多少？解：由题，该流动为湍流。因为为同种流体，且流速不变，所以有由可得矩形管的高为19.635mm，宽为58.905mm，计算当量直径，得d2＝29.452mm195 4.9在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为φ19×2mm的钢管内流动，水的对流传热系数为3490W/（m2·K），煤油的对流传热系数为458W/（m2·K）。换热器使用一段时间后，管壁两侧均产生污垢，煤油侧和水侧的污垢热阻分别为0.000176m2·K/W和0.00026m2·K/W，管壁的导热系数为45W/（m·K）。试求（1）基于管外表面积的总传热系数；（2）产生污垢后热阻增加的百分数。解：（1）将钢管视为薄管壁则有K＝338.9W/（m2·K）（2）产生污垢后增加的热阻百分比为注：如不视为薄管壁，将有5％左右的数值误差。4.10在套管换热器中用冷水将100℃的热水冷却到50℃，热水的质量流量为3500kg/h。冷却水在直径为φ180×10mm的管内流动，温度从20℃升至30℃。已知基于管外表面的总传热系数为2320W/（m2·K）。若忽略热损失，且近似认为冷水和热水的比热相等，均为4.18kJ/（kg·K）.试求（1）冷却水的用量；（2）两流体分别为并流和逆流流动时所需要的管长，并加以比较。解：（1）由热量守恒可得qmccpcΔTc＝qmhcphΔTh195 qmc＝3500kg/h×50℃/10℃＝17500kg/h（2）并流时有ΔT2＝80K，ΔT1＝20K由热量守恒可得KAΔTm＝qmhcphΔTh即KπdLΔTm＝qmhcphΔTh逆流时有ΔT2＝70K，ΔT1＝30K同上得比较得逆流所需的管路短，故逆流得传热效率较高。4.11列管式换热器由19根φ19×2mm、长为1.2m的钢管组成，拟用冷水将质量流量为350kg/h的饱和水蒸气冷凝为饱和液体，要求冷水的进、出口温度分别为15℃和35℃。已知基于管外表面的总传热系数为700W/（m2·K），试计算该换热器能否满足要求。解：设换热器恰好能满足要求，则冷凝得到的液体温度为100℃。饱和水蒸气的潜热L＝2258.4kJ/kgΔT2＝85K，ΔT1＝65K195 由热量守恒可得KAΔTm＝qmL即列管式换热器的换热面积为A总＝19×19mm×π×1.2m＝1.36m2＜4.21m2故不满足要求。4.12火星向外辐射能量的最大单色辐射波长为13.2μm。若将火星看作一个黑体，试求火星的温度为多少？解：由λmT＝2.9×10－3得4.13若将一外径70mm、长3m、外表温度为227℃的钢管放置于：（1）很大的红砖屋内，砖墙壁温度为27℃；（2）截面为0.3×0.3m2的砖槽内，砖壁温度为27℃。试求此管的辐射热损失。（假设管子两端的辐射损失可忽略不计）补充条件：钢管和砖槽的黑度分别为0.8和0.93解：（1）Q1－2＝C1－2φ1－2A（T14－T24）/1004由题有φ1－2＝1，C1－2＝ε1C0，ε1＝0.8Q1－2＝ε1C0A（T14－T24）/1004＝0.8×5.67W/（m2·K4）×3m×0.07m×π×（5004K4－3004K4）/1004＝1.63×103W（2）Q1－2＝C1－2φ1－2A（T14－T24）/1004由题有φ1－2＝1195 C1－2＝C0/[1/ε1＋A1/A2（1/ε2－1）]Q1－2＝C0/[1/ε1＋A1/A2（1/ε2－1）]A（T14－T24）/1004＝5.67W/（m2·K4）[1/0.8＋（3×0.07×π/0.3×0.3×3）（1/0.93－1）]×3m×0.07m×π×（5004K4－3004K4）/1004＝1.42×103W4.14一个水加热器的表面温度为80℃，表面积为2m2，房间内表面温度为20℃。将其看成一个黑体，试求因辐射而引起的能量损失。解：由题，应满足以下等式且有φ1－2＝1；A＝A1；C1－2＝C0×ε1又有A1＝2m2；ε1＝1所以有195 第五章质量传递5.1在一细管中，底部水在恒定温度298K下向干空气蒸发。干空气压力为0.1×106pa、温度亦为298K。水蒸气在管内的扩散距离（由液面到管顶部）L＝20cm。在0.1×106Pa、298K的温度时，水蒸气在空气中的扩散系数为DAB＝2.50×10-5m2/s。试求稳态扩散时水蒸气的传质通量、传质分系数及浓度分布。解：由题得，298K下水蒸气饱和蒸气压为3.1684×103Pa，则pA,i＝3.1684×103Pa，pA,0＝0（1）稳态扩散时水蒸气的传质通量：（2）传质分系数：（3）由题有yA,i＝3.1684/100＝0.031684yA,0＝0简化得5.2在总压为2.026×105Pa、温度为298K的条件下，组分A和B进行等分子反向扩散。当组分A在两端点处的分压分别为pA,1＝0.4×105Pa和pA,2＝0.1×105Pa时，由实验测得k0G＝1.26×10-8kmol/(m2·s·Pa)，试估算在同样的条件下，组分A通过停滞组分B的传质系数kG以及传质通量NA。解：由题有，等分子反向扩散时的传质通量为195 单向扩散时的传质通量为所以有又有即可得=1.44×10-5mol/(m2·s·Pa)5.3浅盘中装有清水，其深度为5mm，水的分子依靠分子扩散方式逐渐蒸发到大气中，试求盘中水完全蒸干所需要的时间。假设扩散时水的分子通过一层厚4mm、温度为30℃的静止空气层，空气层以外的空气中水蒸气的分压为零。分子扩散系数DAB＝0.11m2/h.水温可视为与空气相同。当地大气压力为1.01×105Pa。解：由题，水的蒸发可视为单向扩散30℃下的水饱和蒸气压为4.2474×103Pa，水的密度为995.7kg/m3故水的物质的量浓度为995.7×103/18＝0.5532×105mol/m330℃时的分子扩散系数为DAB＝0.11m2/hpA,i＝4.2474×103Pa，pA,0＝0195 又有NA＝c水V/(A·t)(4mm的静止空气层厚度认为不变)所以有c水V/(A·t)＝DABp(pA,i－pA,0)/(RTpB,mz)可得t＝5.8h故需5.8小时才可完全蒸发。5.4内径为30mm的量筒中装有水，水温为298K，周围空气温度为30℃，压力为1.01×105Pa，空气中水蒸气含量很低，可忽略不计。量筒中水面到上沿的距离为10mm，假设在此空间中空气静止，在量筒口上空气流动，可以把蒸发出的水蒸气很快带走。试问经过2d后，量筒中的水面降低多少？查表得298K时水在空气中的分子扩散系数为0.26×10-4m2/s。解：由题有，25℃下的水饱和蒸气压为3.1684×103Pa，水的密度为995.7kg/m3故水的物质的量浓度c水为995.7×103/18＝0.5532×105mol/m330℃时的分子扩散系数为DAB＝D0(T/T0)1.75＝0.26×10-4m2/s×(303/298)1.75＝2.6768×10-5m2/spA,i＝3.1684×103Pa，pA,0＝0pB,m＝(pB,0－pB,i)/ln(pB,0/pB,i)＝0.99737×105Pa又有NA＝c水dV/(A·dt)＝c水dz/dt所以有c水dz/dt＝DABp(pA,i－pA,0)/(RTpB,mz)分离变量，取边界条件t1＝0，z1＝z0＝0.01及t2＝2d,z2＝z，积分有可得z＝0.0177mΔz＝z－z0＝0.0077m＝7.7mm5.5一填料塔在大气压和295K195 下，用清水吸收氨－空气混合物中的氨。传质阻力可以认为集中在1mm厚的静止气膜中。在塔内某一点上，氨的分压为6.6×103N/m2。水面上氨的平衡分压可以忽略不计。已知氨在空气中的扩散系数为0.236×10-4m2/s。试求该点上氨的传质速率。解：设pB,1,pB,2分别为氨在相界面和气相主体的分压，pB,m为相界面和气相主体间的对数平均分压由题意得：5.6一直径为2m的贮槽中装有质量分数为0.1的氨水，因疏忽没有加盖，则氨以分子扩散形式挥发。假定扩散通过一层厚度为5mm的静止空气层。在1.01×105Pa、293K下，氨的分子扩散系数为1.8×10-5m2/s，计算12h中氨的挥发损失量。计算中不考虑氨水浓度的变化，氨在20℃时的相平衡关系为P=2.69×105x(Pa)，x为摩尔分数。解：由题，设溶液质量为ag氨的物质的量为0.1a/17mol总物质的量为(0.9a/18＋0.1a/17)mol所以有氨的摩尔分数为故有氨的平衡分压为p＝0.1053×2.69×105Pa＝0.2832×105Pa即有pA,i＝0.2832×105Pa，PA0＝0所以195 5.7在温度为25℃、压力为1.013×105Pa下，一个原始直径为0.1cm的氧气泡浸没于搅动着的纯水中，7min后，气泡直径减小为0.054cm，试求系统的传质系数。水中氧气的饱和浓度为1.5×10-3mol/L。解：对氧气进行质量衡算，有－cA,GdV/dt＝k(cA,s－cA)A即dr/dt＝－k(cA,s－cA)/cA,G由题有cA,s＝1.5×10-3mol/LcA＝0cA,G＝p/RT＝1.013×105/(8.314×298)mol/m3＝40.89mol/m3所以有dr＝－0.03668k×dt根据边界条件t1＝0，r1＝5×10-4mt2＝420s，r2＝2.7×10-4m积分，解得k＝1.49×10-5m/s5.8溴粒在搅拌下迅速溶解于水，3min后，测得溶液浓度为50％饱和度，试求系统的传质系数。假设液相主体浓度均匀，单位溶液体积的溴粒表面积为a，初始水中溴含量为0，溴粒表面处饱和浓度为cA,S。解：设溴粒的表面积为A，溶液体积为V，对溴进行质量衡算,有d(VcA)/dt＝k(cA,S－cA)A因为a＝A/V，则有dcA/dt＝ka（cA,S－cA）195 对上式进行积分，由初始条件，t＝0时，cA＝0，得cA/cAS＝1－e-kat所以有5.9在稳态下气体A和B混合物进行稳态扩散，总压力为1.013×105Pa、温度为278K。气相主体与扩散界面S之间的垂直距离为0.1m，两平面上的分压分别为PA1=1.34×104Pa和PA2=0.67×104Pa。混合物的扩散系数为1.85×10-5m2/s，试计算以下条件下组分A和B的传质通量，并对所得的结果加以分析。（1）组分B不能穿过平面S；（2）组分A和B都能穿过平面S。解：（1）由题，当组分B不能穿过平面S时，可视为A的单向扩散。pB,1＝p－pA,1＝87.9kPapB,2＝p－pA,2＝94.6kPaDAB＝1.85×10-5m2/s（2）由题，当组分A和B都能穿过平面S，可视为等分子反向扩散可见在相同条件下，单向扩散的通量要大于等分子反向扩散。195 第六章沉降6.1直径60μm的石英颗粒，密度为2600kg/m3，求在常压下，其在20℃的水中和20℃的空气中的沉降速度（已知该条件下，水的密度为998.2kg/m3，黏度为1.005×10-3Pa·s；空气的密度为1.205kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s）。解：（1）在水中假设颗粒的沉降处于层流区，由式（6.2.6）得：m/s检验：位于在层流区，与假设相符，计算正确。（2）在空气中应用K判据法，得所以可判断沉降位于层流区，由斯托克斯公式，可得：m/s6.2密度为2650kg/m3的球形颗粒在20℃的空气中自由沉降，计算符合斯托克斯公式的最大颗粒直径和服从牛顿公式的最小颗粒直径（已知空气的密度为1.205kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s）。解：如果颗粒沉降位于斯托克斯区，则颗粒直径最大时，所以，同时所以，代入数值，解得m195 同理，如果颗粒沉降位于牛顿区，则颗粒直径最小时，所以，同时所以，代入数值，解得m6.3粒径为76μm的油珠（不挥发，可视为刚性）在20℃的常压空气中自由沉降，恒速阶段测得20s内沉降高度为2.7m。已知20℃时，水的密度为998.2kg/m3，黏度为1.005×10-3Pa·s；空气的密度为1.205kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s。求：（1）油的密度；（2）相同的油珠注入20℃水中，20s内油珠运动的距离。解：（1）油珠在空气中自由沉降的速度为假设油珠在空气中自由沉降位于层流区，由斯托克斯公式检验油珠的雷诺数为属于层流区，计算正确。（2）假设油珠在水中自由上浮位于层流区，由斯托克斯公式计算油珠的雷诺数属于层流区，假设正确，所以油珠在水中运动的距离为195 6.4容器中盛有密度为890kg/m3的油，黏度为0.32Pa·s，深度为80cm，如果将密度为2650kg/m3、直径为5mm的小球投入容器中，每隔3s投一个，则：（1）如果油是静止的，则容器中最多有几个小球同时下降？（2）如果油以0.05m/s的速度向上运动，则最多有几个小球同时下降？解：（1）首先求小球在油中的沉降速度，假设沉降位于斯托克斯区，则m/s检验沉降速度计算正确。小球在3s内下降的距离为m所以最多有4个小球同时下降。（2）以上所求得的小球的沉降速度是小球与油的相对速度，当油静止时，也就是相对于容器的速度。当油以0.05m/s的速度向上运动，小球与油的相对速度仍然是m/s，但是小球与容器的相对速度为m/s所以，小球在3s内下降的距离为m所以最多有11个小球同时下降。6.5设颗粒的沉降符合斯托克斯定律，颗粒的初速度为零，试推导颗粒的沉降速度与降落时间的关系。现有颗粒密度为1600kg/m3，直径为0.18mm的小球，在20℃的水中自由沉降，试求小球加速到沉降速度的99%所需要的时间以及在这段时间内下降的距离（已知水的密度为998.2kg/m3，黏度为1.005×10-3Pa·s）。解：（1）对颗粒在水中的运动做受力分析195 所以，对上式积分得，得或，其中Ut为终端沉降速度，m/s检验，符合题意，所以小球加速到沉降速度99%的时间为s（2）由所以6.6落球黏度计是由一个钢球和一个玻璃筒组成，将被测液体装入玻璃筒，然后记录下钢球落下一定距离所需要的时间，即可以计算出液体黏度。现在已知钢球直径为10mm，密度为7900kg/m3，待测某液体的密度为1300kg/m3，钢球在液体中下落200mm，所用的时间为9.02s，试求该液体的黏度。解：钢球在液体中的沉降速度为m/s假设钢球的沉降符合斯托克斯公式，则195 Pa·s检验：，假设正确。6.7降尘室是从气体中除去固体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，如下图所示。现用降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。求能被完全去除的最小尘粒的直径。含尘气体净化气体uiut降尘室图6-1习题6.7图示解：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，当时，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m/s假设沉降在层流区，应用斯托克斯公式，得mμm检验雷诺数，在层流区。所以可以去除的最小颗粒直径为85.7μm195 6.8采用平流式沉砂池去除污水中粒径较大的颗粒。如果颗粒的平均密度为2240kg/m3，沉淀池有效水深为1.2m，水力停留时间为1min，求能够去除的颗粒最小粒径（假设颗粒在水中自由沉降，污水的物性参数为密度1000kg/m3，黏度为1.2×10-3Pa·s）。解：能够去除的颗粒的最小沉降速度为m/s假设沉降符合斯克托斯公式，则所以m检验，假设错误。假设沉降符合艾伦公式，则所以m检验，在艾伦区，假设正确。所以能够去除的颗粒最小粒径为2.12×10-4m。6.9质量流量为1.1kg/s、温度为20℃的常压含尘气体，尘粒密度为1800kg/m3，需要除尘并预热至400℃，现在用底面积为65m2的降尘室除尘，试问（1）先除尘后预热，可以除去的最小颗粒直径为多少？（2）先预热后除尘，可以除去的最小颗粒直径是多少？如果达到与（1）相同的去除颗粒最小直径，空气的质量流量为多少？（3）欲取得更好的除尘效果，应如何对降尘室进行改造？195 （假设空气压力不变，20℃空气的密度为1.2kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s，400℃黏度为3.31×10-5Pa·s。）解：（1）预热前空气体积流量为，降尘室的底面积为65m2所以，可以全部去除的最小颗粒的沉降速度为假设颗粒沉降属于层流区，由斯托克斯公式，全部去除最小颗粒的直径为检验雷诺数假设正确（2）预热后空气的密度和流量变化为，体积流量为可以全部去除的最小颗粒的沉降速度为同样假设颗粒沉降属于层流区，由斯托克斯公式，全部去除最小颗粒的直径为检验雷诺数假设正确的颗粒在400℃空气中的沉降速度为要将颗粒全部除去，气体流量为质量流量为（3）参考答案：将降尘室分层，增加降尘室的底面积，可以取得更好的除尘效果。195 6.10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20μm，求降尘室最大处理的气体流量。解：假设颗粒沉降位于斯托克顿区，则颗粒的沉降速度为检验，假设正确降尘室总沉降面积为m2所以最大处理流量为m3/s6.11用与例题相同的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粉尘的临界直径（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m，进口高度m，进口气速m/s所以分离粉尘的临界直径为6.12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600mm195 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：（1）能完全去除的颗粒沉降速度为m/s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。（2）标准旋风分离器进口宽度m，进口高度m，进口气速m/s分离因数临界粒径分割直径6.13原来用一个旋风分离器分离气体粉尘，现在改用三个相同的、并联的小旋风分离器代替，分离器的形式和各部分的比例不变，并且气体的进口速度也不变，求每个小旋风分离器的直径是原来的几倍，分离的临界直径是原来的几倍。解：（1）设原来的入口体积流量为qV，现在每个旋风分离器的入口流量为qV/3，入口气速不变，所以入口的面积为原来的1/3，又因为形式和尺寸比例不变，分离器入口面积与直径的平方成比例，所以小旋风分离器直径的平方为原来的1/3，则直径为原来的所以小旋风分离器直径为原来的0.58倍。195 （2）由式（6.3.9）由题意可知：、、、都保持不变，所以此时由前述可知，小旋风分离器入口面积为原来的1/3，则为原来的倍所以倍所以分离的临界直径为原来的0.76倍。6.14用一个小型沉降式离心机分离20℃水中直径10μm以上的固体颗粒。已知颗粒的密度为1480kg/m3，悬浮液进料半径位置为r1=0.05m，离心机转鼓壁面半径为r2=0.125m，求离心机转速为1000r/min和3000r/min时的平均分离因数和固体颗粒沉降到转鼓壁面位置所需要的时间（水的密度为998.2kg/m3，黏度为1.005×10-3Pa·s）。解：先计算颗粒在离心机中的最大沉降速度检验，雷诺数，符合斯托克斯公式。所以，当r/min同理，当r/min195 6.15用离心沉降机去除悬浊液中的固体颗粒，已知颗粒直径为50μm，密度为1050kg/m3，悬浊液密度为1000kg/m3，黏度为1.2×10-3Pa·s，离心机转速为3000r/min，转筒尺寸为h=300mm，r1=50mm，r2=80mm。求离心机完全去除颗粒时的最大悬浊液处理量。解：计算颗粒在离心机中的最大沉降速度检验，雷诺数颗粒在沉降机中的沉降时间沉降机的容积为m3所以最大料液处理量为m3/sm3/h6.16.水力旋流器的直径对离心力的影响和离心机转鼓的直径对离心力的影响是否相同？解：参考答案：对旋流分离器，离心力，进口流速不变，离心力与直径成反比，所以增大直径，离心力减小。对离心机，离心力195 ，转速不变，离心力与直径成正比，所以增大直径，离心力增加。195 第七章过滤7.1用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为式中：t的单位为s（1）如果30min内获得5m3滤液，需要面积为0.4m2的滤框多少个？（2）求过滤常数K，qe，te。解：（1）板框压滤机总的过滤方程为在内，，则根据过滤方程求得，需要的过滤总面积为所以需要的板框数（2）恒压过滤的基本方程为与板框压滤机的过滤方程比较，可得，为过滤常数，与相对应，可以称为过滤介质的比当量过滤时间，7.2如例7.3.3中的悬浮液，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；195 （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m2/m3滤饼层比阻为m-2过滤得到1m3滤液产生的滤饼体积过滤常数m2/s所以过滤方程为当q=1.5时，s（2）时间延长一倍，获得滤液量为m3所以可再得0.6m3的滤液。7.3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，则共得到多少滤液（忽略介质阻力）？解：恒速过滤的方程式为式（7.2.18a）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，所以由恒压过滤方程式（7.2.15），所以所以总的滤液量为m3195 7.4有两种悬浮液，过滤形成的滤饼比阻都是r0=6.75×1013m-2Pa-1，其中一种滤饼不可压缩，另一种滤饼的压缩系数为0.5，假设相对于滤液量滤饼层的体积分数都是0.07，滤液的黏度都是1×10-3Pa·s，过滤介质的比当量滤液量为qe为0.005m3/m2。如果悬浮液都以1×10-4m3/（m2·s）的速率等速过滤，求过滤压差随时间的变化规律。解：由题意可知，两种滤饼由过滤方程，得恒速过滤对不可压缩滤饼，由s=0，r0=6.75×1013m-2Pa-1，μ=1×10-3Pa·s，f=0.07，qe=0.005m3/m2，u=1×10-4m3/m2·s对可压缩滤饼，由s=0.5，r0=6.75×1013m-2Pa-1，μ=1×10-3Pa·s，f=0.07，qe=0.005m3/m2，u=1×10-4m3/m2·s7.5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）由恒压过滤方程当过滤压差提高一倍时，过滤时间不变时所以195 m3（2）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，所以所以m37.6用过滤机过滤某悬浮液，固体颗粒的体积分数为0.015，液体粘度为1×10-3Pa·s。当以98.1kPa的压差恒压过滤时，过滤20min得到的滤液为0.197m3/m2，继续过滤20min，共得到滤液0.287m3/m2，过滤压差提高到196.2kPa时，过滤20min得到滤液0.256m3/m2，试计算qe，r0，s以及两压差下的过滤常数K（滤液黏度为1×10-3Pa·s）。解：依题意，可得（1）（2）（3）由（1）、（2）得，所以m3/m2由（1）、（3）得，得将qe和s代入（1）得m-2所以，当压差为98.1kPa时m2/s195 当压差为196.2kPa时m2/s7.7恒压操作下过滤试验测得的数据如下，求过滤常数K、qe。t/s38.2114.4228379.4q/m3·m-20.10.20.30.4解：q/m3·m-20.10.20.30.4t/q/m-1·s382572760949由以上数据，作t/q和q的直线图图7-1习题7.7中t/q和q直线图由图可知直线的斜率为1889，截距为193.5所以过滤常数m2/sm3/m27.8板框压滤机有20个板框，框的尺寸为450mm×450mm×20mm，过滤过程中，滤饼体积与滤液体积之比为0.043m3/m3，滤饼不可压缩。实验测得，在50.5kPa的恒压下，过滤方程为（q，t的单位分别是m3/m2和s）。求：195 （1）在50.5kPa恒压过滤时，框全充满所需要的时间；（2）初始压差为50.5kPa恒速过滤，框全充满的时间和过滤结束时的压差；（3）操作从50.5kPa开始，先恒速过滤至压差为151.5kPa，然后恒压操作，框全充满所需要的时间。解：（1）滤框全充满时，滤饼体积为m3滤液体积为m3所以m3/m2sh（2）恒速过滤的条件下，由（7.2.12），当时，m3/m2s框全充满的时间为s过滤结束时的过滤常数为，m2/s过滤结束时压差为kPa（3）先恒速过滤的情况为，滤速为m3/m2s，m2/s由以上几式得sm3后恒压过滤m3195 所以s所以整个过程时间为s7.9实验室小试中，在100kPa的恒压下对某悬浮液进行过滤实验，测得qe为0.01m3/m2，过滤常数K为1.936×10-4m2/s，悬浮液中固体颗粒密度为2000kg/m3，质量分数为0.07，滤饼不可压缩，含水量为30%（质量）。如果用一个直径1.5m，长10m的转筒真空过滤机处理这种悬浮液，转筒浸没角为120°，转速为0.5r/min，操作真空度为80kPa，其他条件与小试实验相同。求：（1）过滤机的生产能力；（2）滤饼厚度。解：（1）在其它条件不变的情况下，所以实际操作中的过滤常数为转筒过滤机任意面积在一个周期中的过滤时间为由恒压过滤方程所以，所以一个周期的滤液量为生产能力为（2）在1kg的悬浮液中对水进行物料衡算而又195 由上述三式，可得前面求得所以每平方米过滤面积上的滤饼体积为0.0048m3所以滤饼厚度为0.0048m7.10用板框过滤机恒压过滤料液，过滤时间为1800s时，得到的总滤液量为8m3，当过滤时间为3600s时，过滤结束，得到的总滤液量为11m3，然后用3m3的清水进行洗涤，试计算洗涤时间（介质阻力忽略不计）。解：由（7.2.11）得依题意，过滤结束时所以过滤结束时m3/s洗涤速度与过滤结束时过滤速度相同所以洗涤时间为s7.11直径为0.1mm的球形颗粒悬浮于水中，现采用重力过滤法分离。已知介质阻力可以忽略，滤饼不可压缩，空隙率为0.6，悬浮液中固相的体积分数为0.1，悬浮液的最初深度为1m。水的黏度为1×10-3Pa·s，密度为1000kg/m3。（1）如果忽略颗粒的沉降速度，求滤出一半水分所需的时间及当时的滤饼厚度和悬浮液层的厚度；（2）如果颗粒沉降可在瞬间完成，求滤出一半水分所需的时间及当时的滤饼厚度和悬浮液层的厚度。解：（1）颗粒的比表面积为m2/m3滤饼层比阻为m-2195 滤饼层厚度和滤液体积的关系为过滤推动力所以，当t=0时，q=0，当滤出一半水分，q=0.45m3/m2时，t=t1，代入上式积分得s，此时滤饼厚度为m滤饼上方悬浮液厚度为m（2）当颗粒瞬时完成沉降时，以1m2面积计，滤饼层的厚度为，m滤饼层比阻不变，为m-2同样，同样，当t=0时，q=0，当滤出一半水分，q=0.45m3/m2时，t=t1，代入上式积分得s滤饼上方悬浮液厚度为m7.12在直径为10mm的砂滤器中装满150mm厚的细沙层，空隙率为0.375，砂层上方的水层高度保持为200mm，管底部渗出的清水流量为6mL/min，求砂层的比表面积（水温为20℃，黏度为1.005×10-3Pa·s，密度为998.2kg/m3）。解：清水通过砂层的流速为cm/minm/s推动力为Pa由式（7.3.11），可得颗粒的比表面积：195 所以m2/m3，m2/m37.13．温度为38℃的空气流过直径为12.7mm的球形颗粒组成的固定床，已知床层的空隙率为0.38，床层直径0.61m，高2.44m，空气进入床层时的绝对压力为111.4kPa，质量流量为0.358kg/s，求空气通过床层的阻力。解：颗粒比表面积查38℃下空气密度为1.135kg/m3，黏度为1.9×10-5Pa·s。空床流速为空气通过床层的阻力为7.14用生物固定床反应器处理废气，已知反应器的内径为1.8m，填料层高3m，填料颗粒为高5mm、直径3mm的柱体，空隙率为0.38。通过固定床的废气平均密度为25.5kg/m3，黏度为1.7×10-5Pa·s，已知气体通过固定床后的压降为12.3kPa，求气体的平均体积流量.（忽略填料上附着的生物膜对床层的影响）。解：由于颗粒是非球形颗粒，颗粒的比表面积为：m2/m3空床流速m/s体积流量195 m3/s7.15某固定床反应器，内径为3m，填料层高度为4m，填料为直径5mm的球形颗粒，密度为2000kg/m3，反应器内填料的总质量为3.2×104kg。已知通过固定床的气体流量为0.03m3/s，平均密度为38kg/m3，粘度为0.017×10-3Pa·s，求气体通过固定床的压力降。解：颗粒床层的体积为填料的体积为所以床层的空隙率为颗粒的比表面积为气体通过颗粒床层的流速为由公式（7.3.11），得所以气体通过床层的压力降为8.4Pa7.16.一个滤池由直径为4mm的砂粒组成，砂砾球形度为0.8，滤层高度为0.8m，空隙率为0.4，每平方米滤池通过的水流量为12m3/h，求水流通过滤池的压力降（黏度为1×10-3Pa·s）。解：颗粒的比表面积为空床流速所以水流通过滤池的压力降为195 195 第八章吸收8.1在30℃，常压条件下，用吸收塔清水逆流吸收空气-SO2混合气体中的SO2，已知气-液相平衡关系式为，入塔混合气中SO2摩尔分数为0.05，出塔混合气SO2摩尔分数为0.002，出塔吸收液中每100g含有SO20.356g，试分别计算塔顶和塔底处的传质推动力，用、、、表示。解：（1）塔顶出塔SO2的摩尔分数为，入塔吸收液中SO2的摩尔分数为所以与出塔气相平衡的吸收液摩尔分数为与入塔吸收液平衡的气相摩尔分数为所以kPa忽略吸收液中溶解的SO2，则摩尔浓度可计算为mol/Lmol/L（2）塔底入塔SO2的摩尔分数为，出塔吸收液中SO2的摩尔分数为所以与入塔气相平衡的吸收液摩尔分数为与出塔吸收液平衡的气相摩尔分数为所以kPamol/L8.2吸收塔内某截面处气相组成为，液相组成为195 ，两相的平衡关系为，如果两相的传质系数分别为kmol/(m2·s)，kmol/(m2·s)，试求该截面上传质总推动力、总阻力、气液两相的阻力和传质速率。解：与气相组成平衡的液相摩尔分数为所以，以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为同理，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为所以，以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为kmol/(m2·s)以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为kmol/(m2·s)传质速率kmol/(m2·s)或者kmol/(m2·s)以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数分析传质阻力总传质阻力(m2·s)/kmol其中液相传质阻力为(m2·s)/kmol占总阻力的66.7%气膜传质阻力为(m2·s)/kmol占总阻力的33.3%8.3用吸收塔吸收废气中的SO2，条件为常压，30℃，相平衡常数为，在塔内某一截面上，气相中SO2分压为4.1kPa，液相中SO2浓度为0.05kmol/m3195 ，气相传质系数为kmol/(m2·h·kPa)，液相传质系数为m/h，吸收液密度近似水的密度。试求：（1）截面上气液相界面上的浓度和分压；（2）总传质系数、传质推动力和传质速率。解：（1）设气液相界面上的压力为，浓度为忽略SO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为kmol/m3溶解度系数kmol/(kPa·m3)在相界面上，气液两相平衡，所以又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等，所以所以由以上两个方程，可以求得kPa，kmol/m3（2）总气相传质系数kmol/(m2·h·kPa)总液相传质系数m/h与水溶液平衡的气相平衡分压为kPa所以用分压差表示的总传质推动力为kPa与气相组成平衡的溶液平衡浓度为kmol/m3用浓度差表示的总传质推动力为kmol/m3传质速率kmol/(m2·h)或者kmol/(m2·h)8.4101.3kPa操作压力下，在某吸收截面上，含氨0.03摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m3的溶液发生吸收过程，已知气膜传质分系数为195 kmol/(m2·s·kPa)，液膜传质分系数为m/s，操作条件下的溶解度系数为kmol/(m2·kPa)，试计算：（1）界面上两相的组成；（2）以分压差和摩尔浓度差表示的总传质推动力、总传质系数和传质速率；（3）分析传质阻力，判断是否适合采取化学吸收，如果采用酸溶液吸收，传质速率提高多少。假设发生瞬时不可逆反应。解：（1）设气液相界面上的压力为，浓度为因为相界面上，气液平衡，所以，气相中氨气的分压为kPa稳态传质条件下，气液两相传质速率相等，所以根据上面两个方程，求得kPa，kmol/m3（2）与气相组成平衡的溶液平衡浓度为kmol/m3用浓度差表示的总传质推动力为kmol/m3与水溶液平衡的气相平衡分压为kPa所以用分压差表示的总传质推动力为kPa总气相传质系数kmol/(m2·s·kPa)总液相传质系数m/s传质速率kmol/(m2·s)或者kmol/(m2·s)195 （3）以气相总传质系数为例进行传质阻力分析总传质阻力(m2·s·kPa)/kmol其中气膜传质阻力为(m2·s·kPa)/kmol占总阻力的95.6%液膜传质阻力为(m2·s·kPa)/kmol占总阻力的4.4%所以这个过程是气膜控制的传质过程，不适合采用化学吸收法。如果采用酸液吸收氨气，并且假设发生瞬时不可逆反应，则可以忽略液膜传质阻力，只考虑气膜传质阻力，则kmol/(m2·s·kPa)，仅仅比原来的传质系数提高了4.6%，如果传质推动力不变的话，传质速率也只能提高4.6%。当然，采用酸溶液吸收也会提高传质推动力，但是传质推动力提高的幅度很有限。因此总的来说在气膜控制的吸收过程中，采用化学吸收是不合适的。8.5利用吸收分离两组分气体混合物，操作总压为310kPa，气、液相分传质系数分别为kmol/(m2·s)、kmol/(m2·s)，气、液两相平衡符合亨利定律，关系式为（p*的单位为kPa），计算：（1）总传质系数；（2）传质过程的阻力分析；（3）根据传质阻力分析，判断是否适合采取化学吸收，如果发生瞬时不可逆化学反应，传质速率会提高多少倍？解：（1）相平衡系数所以，以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为kmol/(m2·s)以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为195 kmol/(m2·s)（2）以液相摩尔分数差为推动力的总传质阻力为其中液膜传质阻力为，占总传质阻力的99.7%气膜传质阻力为，占传质阻力的0.3%所以整个传质过程为液膜控制的传质过程。（3）因为传质过程为液膜控制，所以适合采用化学吸收。如题设条件，在化学吸收过程中，假如发生的是快速不可逆化学反应，并且假设扩散速率足够快，在相界面上即可完全反应，在这种情况下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收过程，此时kmol/(m2·s)与原来相比增大了426倍8.6已知常压下，20℃时，CO2在水中的亨利系数为1.44×10-5kPa，并且已知以下两个反应的平衡常数kmol/m3kmol/m3若平衡状态下气相中的CO2分压为10kPa，求水中溶解的CO2的浓度。（CO2在水中的一级离解常数为kmol/m3，实际上包含了上述两个反应平衡，）解：首先求得液相中CO2的浓度由亨利定律忽略CO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为kmol/m3所以kmol/m3195 由反应，得kmol/m3由反应，得kmol/m3所以水中溶解的CO2总浓度为kmol/m38.7在两个吸收塔a、b中用清水吸收某种气态污染物，气-液相平衡符合亨利定律。如下图所示，采用不同的流程，试定性地绘出各个流程相应的操作线和平衡线位置，并在图上标出流程图中各个浓度符号的位置。X2bY2bX1aX1bX2aY1aY2aY1babX2bY1bX1aX1bX2aY1aY2aY2bab195 X2bY2bX1aX1bY1aY2aY1babX2a图8-1习题8.7图示解：X2bX1bXX2aX1aXYY1aY2aYY1bY2b(a)X2bX1bXX2aX1aXYY1aY2aYY2bY1b(b)195 X2bX1bXX2aX1aXYY1aY2aYY1bY2b(c)图8-2习题8.7图中各流程的操作线和平衡线8.8用吸收法除去有害气体，已知操作条件下相平衡关系为，混合气体初始含量为，吸收剂入塔浓度为，液气比为2。已知在逆流操作时，气体出口浓度为。如果操作条件不变，而改为并流操作，气体的出口含量是多少？逆流操作吸收的溶质是并流操作的多少倍？假设总体积传质系数不变。解：逆流操作时，液体出口含量为平均传质推动力传质单元数为改为并流操作后，体积传质系数不变，所以传质单元高度不变，传质单元数也不变。联立并流操作的物料衡算和传质单元数计算式195 将数值代入以上两式，求得，逆流和并流操作所吸收的溶质量之比为8.9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）气体的流量为mol/s液体的流量为mol/s假设吸收在塔底达到平衡则，所以所以最大吸收率为（2）气体的流量为mol/s液体的流量为mol/s假设吸收在塔底达到平衡则，所以195 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，所以所以最大吸收率为8.10用一个吸收塔吸收混合气体中的气态污染物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，（1）如果要求吸收率达到80%，求最小气液比；（2）溶质的最大吸收率可以达到多少，此时液体出口的最大浓度为多少？解：（1）气相入口摩尔比，液相入口摩尔比吸收率，所以，所以，最小液气比（2）假设吸收塔高度为无穷大，求A的最大吸收率①当液气比，操作线与平衡线重合，气液两相在塔顶和塔底都处于平衡状态。吸收率此时液相出口浓度②当液气比195 ，操作线与平衡线在塔顶点相交，即液相进口浓度与气相出口浓度平衡。吸收率此时液相出口浓度与①相比，吸收率达到同样大小，但是液相出口浓度要低。③当液气比，操作线与平衡线在塔底点相交，即液相出口浓度与气相进口浓度平衡。此时液相出口浓度吸收率与①相比，液相出口浓度达到同样大小，但是吸收率要低。8.11在逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合废气中的组分A，入塔气体溶质体积分数为0.01，已知操作条件下的相平衡关系为，吸收剂用量为最小用量的1.5倍，气相总传质单元高度为1.2m，要求吸收率为80%，求填料层的高度。解：已知传质单元高度，求得传质单元数，即可得到填料层高度。塔底：塔顶：，操作过程的液气比为吸收因子所以，传质单元数为所以填料层高度为m195 8.12在一个填料塔中用清水吸收空气中的某气态污染物，在其他条件不变的情况下，将吸收率从95%提高到98%，则吸收剂的用量增加多少倍？假设过程为气膜控制吸收过程，吸收因子为。解：吸收剂用量的增加，会带来液相吸收系数的变化，题意中气膜控制吸收过程用意在于可以忽略液相吸收系数的变化对总传质系数的影响，而认为总传质系数不变。在清水吸收的条件下，吸收塔高度不变，吸收因子，假设吸收剂用量增加n倍，则吸收因子也会增加n倍。其中S=1.779，，所以求得n=1.90所以吸收剂用量需要增加1.90倍。8.13在填料层高度为5m的填料塔内，用清水吸收空气中的某气态污染物。液气比为1.0，吸收率为90%，操作条件下的相平衡关系为。如果改用另外一种填料，在相同的条件下，吸收率可以提高到95%，试计算两种填料的气相总体积传质系数之比。195 解：吸收因子原填料下：气相总传质单元高度为：新填料下：气相总传质单元高度为：在其它条件不变的情况下，两种填料的气相总体积传质系数之比为195 第九章吸附9.125℃，101.3kPa下，甲醛气体被活性炭吸附的平衡数据如下：q/[g(气体)•g(活性炭)-1]00.10.20.30.35气体的平衡分压/Pa02671600560012266试判断吸附类型，并求吸附常数。如果25℃，101.3kPa下，在1L的容器中含有空气和甲醛的混合物，甲醛的分压为12kPa，向容器中放入2g活性炭，密闭。忽略空气的吸附，求达到吸附平衡时容器内的压力。解：由数据可得吸附的平衡曲线如下图9-1习题9.1图中吸附平衡线由上述的平衡曲线，可以判断吸附可能是Langmuir或Freundlich型。由，整理数据如下1/q1053.32.861/p0.003740.000620.000180.00008作1/q和1/p的直线195 图9-2习题9.1图中1/q－1/p的关系曲线由，整理数据如下：lnp5.597.388.639.41lnq-2.30-1.61-1.20-1.05作lnq和lnp的直线图9-3习题9.1图lnq和lnp的关系曲线由以上计算可知，用Freundlich等温方程拟合更好一些。同时计算参数如下：1/n=0.3336，n=3，lnk=-4.1266，k=0.016，所以等温线方程为题设条件下，甲醛的物质的量为mol质量为g假设达到吸附平衡时吸附量为q，则此时的压力为195 将代入，可以求得Pa所以此时甲醛的平衡分压已经很低，如果忽略的话，可以认为此时容器内的压力为kPa9.2现采用活性炭吸附对某有机废水进行处理，对两种活性炭的吸附试验平衡数据如下：平衡浓度COD/(mg•L-1)10050010001500200025003000A吸附量/[mg•g(活性炭)-1]55.6192.3227.8326.1357.1378.8394.7B吸附量/[mg•g(活性炭)-1]47.6181.8294.1357.3398.4434.8476.2试判断吸附类型，计算吸附常数，并比较两种活性炭的优劣。解：由数据可得吸附的平衡曲线如下：Langmuir吸附等温线方程为，变形后可得，整理数据如下：r10050010001500200025003000r/q(A)1.802.604.394.605.606.607.60r/q(B)2.102.753.404.205.025.756.30作r/q和r的直线195 图9-4习题9.2图吸附等温线r/qr图9-5习题9.2图r/q和r的关系曲线由直线可知，用Langmuir吸附等温线方程可以很好地拟合吸附曲线。分别求得方程的常数为活性炭A：1/qm=0.0019，qm=526，1/k1qm=1.8046，k1=0.00105活性炭B：1/qm=0.0015，qm=667，1/k1qm=1.9829，k1=0.00076比较两种活性炭的吸附平衡常数，可以看到B的饱和吸附量要大于A，比表面积较大，吸附容量比较大；而A的吸附系数比较大，吸附的性能较好。9.3有一初始浓度（比质量分数）为Y0的流体，要求用吸附剂将其浓度降低到Y2（对应的固体相的吸附质比质量分数为X2）。试证明：两级错流吸附比单级吸附节约吸收剂。证明：对单级吸附，由物料衡算有195 所以吸附剂的用量为对于二级错流吸附，第一级吸附剂用量为，一级流出流体的浓度为，第一级吸附剂用量为，一级流出流体的浓度为假设两级所用吸附剂总量为，，两级的物料衡算方程分别为两式相加，并且设可得，因为所以即所以上式即为9.4用活性炭固定床对生物处理出水进行深度处理，已知生物处理出水COD浓度为100mg/L，要求活性炭吸附后出水COD浓度达到5mg/L。在不同的空床速度和床层高度下，测得的穿透时间如下：空床速度/(m•h-1)床高/m0.40.60.81.01.210穿透时间/h148.6452.7751.91047.31355.212.582.1238.7398.4564.3718.6195 1551.3153.3249.6352.1448.9（1）求不同空床流速下的Bohart-Adams公式的参数，并作空床流速对这些参数的曲线。（2）在进水浓度和处理要求相同的情况下，求空床速度为12m/h，床层高度为1.5m时的穿透时间（认为此时仍然符合Bohart-Adams公式）。解：（1）固定床的穿透时间与床高的关系式为，其中，，由实验数据，作tb和z的直线图9-6习题9.4图tb和z的关系曲线由直线的斜率和截距可以计算得到不同空床流速下的Bohart-Adams公式的参数，v/(m•h-1)BN0/(mg•L-1)AK/[L(mgh)-1]zA/m101501.71.50×106449.286.54×10-50.29912.5799.39.99×105239.0212.3×10-50.299154977.45×105146.5620.1×10-50.295空床流速对这些参数的曲线如下195 图9-7习题9.4图空床流速与N0，K，ZA的关系（2）当空床速度为12m/h，由上图可以查得N0=10.3×105mg/L，K=11.7×10-5L/(mg·h)，可以求得B=858，A=251.2此时的Bohart-Adams公式为当塔高为1.5m时，穿透时间为h195 第十章其他分离过程10.1用H型强酸性阳离子交换树脂去除质量浓度为5%的KCl溶液，交换平衡时，从交换柱中交换出来的H离子的摩尔分数为0.2，试计算K离子的去除率。已知=2.5，溶液密度为1025kg/m3。解：溶液中K+的摩尔浓度为[K+]=mol/L所以K离子的去除率为10.2用H型强酸性阳离子树脂去除海水中的Na+、K+离子（假设海水中仅存在这两种阳离子），已知树脂中H+离子的浓度为0.3mol/L，海水中Na+、K+离子的浓度分别为0.1mol/L和0.02mol/L，求交换平衡时溶液中Na+、K+离子的浓度。已知，。解：，同时，联立以上几式，求得，所以平衡时溶液中的浓度Na+为0.0162mol/L，K+为0.00046mol/L10.3某强碱性阴离子树脂床，床层空隙率为0.45，树脂颗粒粒度为0.25mm，孔隙率为0.3，树脂交换容量为2.5mol/m3，水相原始浓度1.2mol/m3，液相与树脂相离子扩散系数分别为m2/h、m2195 /h，溶液通过树脂床的流速为4m/h。试判断属哪种扩散控制。解：彼克来准数Vermeulen准数所以属于液膜扩散控制。10.4已知某条件下，丙酮（A）—水（B）—氯苯（S）三元混合溶液的平衡数据如下：水层（质量分数%）氯苯层（质量分数%）丙酮（A）水（B）氯苯（S）丙酮（A）水（B）氯苯（S）099.890.1100.1899.821089.790.2110.790.4988.722079.690.3122.230.7976.983069.420.5837.481.7260.804058.641.3649.443.0547.515046.283.7259.197.2433.576027.4112.5961.0722.8515.0860.5825.6613.7660.5825.6613.76根据以上数据：（1）在直角三角坐标图上绘出溶解度曲线、联结线和辅助曲线；（2）依质量比组成绘出分配曲线（近似认为前五组数据B、S不互溶）；（3）水层中丙酮浓度为45%时，水和氯苯的组成：（4）与上述水层相平衡的氯苯层的组成；（5）如果丙酮水溶液质量比浓度为0.4kg(A)/kg(B)，而且B/S=2.0，萃取剂为纯氯苯，在分配曲线上求出组分A在萃余相中的组成；195 （6）由0.12kg氯苯和0.08kg水构成的混合液中，加入多少丙酮可以使三元混合液成为均相溶液。解：做图并依图解答，解略。10.5用三氯乙烷做萃取剂萃取污水中某种有机物（质量分数为0.3），原料液的流量为1000kg/h，萃取剂的用量为800kg/h，分别采用单级萃取和二级错流萃取（每级萃取剂用量相同），求萃取后萃余相中该有机物的含量。分配曲线如下图所示。图10-1习题10.5图示解：（1）单级萃取原液中丙酮的质量比为操作线的斜率为在分配曲线图上，过（0.428，0）作斜率为-0.875的操作线，交分配曲线于点（XmR，YmE），即可以得到萃余相的组成，XmR=0.22。所以萃余相中，丙酮的质量分数为0.18195 图10-2习题10.5图的操作线1（2）二级错流二级错流时，每级萃取剂的用量相同，所以每级操作线的斜率为在分配曲线图中过（0.428，0）作斜率为-1.75的第一级操作线，交分配曲线于点（Xm1，Ym1），此点的坐标为第一级萃余相和萃取相的组成，然后过（Xm1，0）作第一级操作线的平行线交分配曲线于（Xm2，Ym2），即得到二级错流萃余相的组成Xm2=0.145。所以，萃余相中丙酮的质量分数为0.127。195 图10-3习题10.5图的操作线2由于作图的缘故，最后的结果可能会有差异。10.6假设萃取剂S和稀释剂B完全不互溶，在多级错流萃取的情况下，如果平衡关系可以用表示，且各级萃取剂用量相等，证明所需的理论级数为式中S为每级萃取剂用量，XmN为溶质A在萃余相中的终浓度。证明：在多级错流萃取中，每级的操作线方程可以分别表示如下（假设Ym0=0）：，因为，所以，所以，。。。。。。，所以，195 所以两边取对数，得所以10.7用45kg纯溶剂S萃取污水中的某溶质组分A，料液处理量为39kg，其中组分A的质量比为，而且S与料液组分B完全不互溶，两相平衡方程，分别计算单级萃取、两级错流萃取（每级萃取剂用量相同）和两级逆流萃取组分A的萃出率。解：（1）单级萃取料液中B的量为kg根据物料衡算又因为所以萃余相溶质质量比为所以溶质A的萃出率为69.3%（2）两级错流两级错流的情况下，每级的萃取剂用量为22.5kg则第一级萃余相的浓度为因为第一级的萃余相浓度就是第二级的原料液浓度，因此可以计算第二级的萃余相浓度因此溶质A的萃出率为78%（3）两级逆流两级逆流的物料衡算为195 ，又根据相平衡方程由以上三个方程式可以求得所以溶质A的萃出率为88%10.8采用多级逆流萃取塔，以水为萃取剂，萃取甲苯溶液中的乙醛。原料液流量为1000kg/h，含有乙醛0.15，甲苯0.85（质量分数）。如果甲苯和水认为完全不互溶，乙醛在两相中的分配曲线可以表示为。如果要求萃余相中乙醛的含量降至0.01，试求：（1）最小萃取剂用量；（2）如果实际使用的萃取剂为最小萃取剂的1.5倍，求理论级数。解：（1）原料液中乙醛的质量比为最终萃余相中乙醛的质量比为所以多级逆流操作的的操作线方程为过点（0.01，0）和点（0.176，Ym1）的直线，当点（0.176，Ym1）在分配曲线上时，对应最小萃取剂的用量。此时，所以操作线的斜率为最小萃取剂用量为kg/h（2）如果萃取剂的用量为kg/h操作线的斜率为于是可以得到操作线和分配曲线图，用作图法可以求得理论级数为5。195 图10-4习题10.8图多级逆流萃取塔操作线和分配曲线图10.9用反渗透过程处理溶质为3%（质量分数）的溶液，渗透液含溶质为150×10-6。计算截留率β和选择性因子a，并说明这种情况下哪一个参数更适用。解：溶质的量很少，可以忽略溶质对溶液体积和总摩尔数的影响，所以截留率：选择性因子：在溶质的量与溶液相比很少，选择性因子很大时，采用截留率表征分离情况，结果更为清晰，容易理解。10.10用膜分离空气（氧20%，氮80%），渗透物氧浓度为75%。计算截留率β和选择性因子a，并说明这种情况下哪一个参数更适用。解：氮气截留率：选择性因子：195 由于分离的两个组分总体数量相差不大，两个参数比较，选择性因子更能反映膜分离空气的效率，所以这个参数更适用。10.11含盐量为9000mg(NaCl)/L的海水，在压力5.6MPa下反渗透脱盐。在25℃下，采用有效面积为12cm2的醋酸纤维素膜，测得水流量为0.012cm3/s，溶质浓度为450mg/L。求溶剂渗透系数、溶质渗透系数和脱盐率（已知该条件下，渗透压系数为1.8×103MPa）。解；原料液含盐摩尔分数渗透液含盐摩尔分数所以渗透压MPa溶剂通量为m3/(m2s)所以溶剂渗透系数溶质通量为mol/(m2s)溶质渗透系数脱盐率10.1220℃，20MPa下，某反渗透膜对5000mg/L的NaCl溶液的截留率为90%，已知膜的水渗透系数为4.8×10-5g/（cm2·s·MPa），求30MPa下的截留率。解：进料侧盐摩尔浓度为透过侧盐摩尔浓度为膜两侧的渗透压差为由式（10.3.22），可得溶质渗透系数195 假设当膜两侧压力为30MPa时，截留率为β1此时，膜两侧的渗透压差为所以可求得10.13用微滤膜处理某悬浮液，0.1MPa下，滤膜的清水通量为150L/(m2h)，已知悬浮颗粒为0.1μm的球形微粒，当滤饼层的厚度为6μm，空隙率为0.2时，滤膜的通量为40L/(m2h)，求此时的过滤压差。解：微滤膜的阻力为m-1滤饼的比阻力为m-2滤饼的阻力为m-1所以题中所求条件下的过滤压差为10.14采用电渗析的方法除盐，已知料液的NaCl浓度为0.3mol/L，实验测得传质系数为m/s，膜中Cl-离子的迁移数为0.52，边界层中Cl-离子迁移数为0.31，求该电渗析过程的极限电流密度。解：由式（10.3.43）得极限电流密度：A/m2195 第十一章反应动力学基础11.1根据间歇操作、半间歇操作及连续操作的特点，画出在下列反应器中或反应器出口处反应物A的浓度随时间（或位置）的变化曲线。图11-1习题11.1图示(a)间歇反应器(t=0,cA=cA0)；(b)半间歇反应器(t=0,cA=cA0,cB=0)；(c)槽式连续反应器；(d)管式连续反应器（给出cA随位置的变化）；(e)三级串联槽式连续反应器（给出cA1，cA2，cA3随时间的变化）解：(a)(b)(c)195 (d)(e)图11-2习题11.1图中各类反应器中A的浓度随时间的变化曲线11.2对于按反应式(1)和(2)进行的平行串联反应，设反应开始时系统中的总摩尔数为n0，A、B、Q、P的摩尔数分别为：nA0、nB0、nQ0、nP0，A和B的摩尔分数分别为zA0和zB0。试给出t时刻时A和B的摩尔分数zA和zB以及A在反应(1)和(2)的转化率xA1和xA2之间的关系。A+B=Q(1)A+2Q=P(2)解：对于反应式（1）（2）有其中：所以，t时刻时A和B的摩尔分数为195 11.3气态NH3在常温高压条件下的催化分解反应2NH3=N2+3H2可用于处理含NH3废气。现有一NH3和CH4含量分别为95％和5％的气体，通过NH3催化分解反应器后气体中NH3的含量减少为3％，试计算NH3的转化率和反应器出口处N2、H2和CH4的摩尔分数。（CH4为惰性组分，不参与反应）解：在气相反应中，NH3分解膨胀因子为将已知数据；代入式11.2.28可得：根据题意：，，，由表11.2-1可得：11.4对于习题11.3的反应，设反应器出口处的压力为0.1013MPa（1大气压）、温度为723.15K(450℃)，试求出各组分在反应器出口处的浓度。解：根据理想气体状态方程，有将R＝8.314Pam3/(molK)，P＝0.1013MPa，T＝723.15K代入，可得cj＝16.85zjmol/m3由题目可知，zN2＝0.236，zH2＝0.708，zCH4＝0.026所以各组分在出口处的浓度为195 cN2＝3.98mol/m3；cH2＝11.93mol/m3；cCH4＝0.438mol/m3；cNH3＝0.506mol/m311.5在连续反应器内进行的恒容平行反应(1)和(2)，当原料中（反应器进口）的A、B浓度均为3000mol/m3时，出口反应液中的A、R的浓度分别为250mol/m3和2000mol/m3。试计算反应器出口处的A的转化率以及B和S的浓度（原料中不含R和S）。A+B=R(1)2A=R+S(2)解：在反应式（1）和（2）中，设A的转化率分别为xA1和xA2则有将题中数据cA0＝3000mol/m3；cA＝250mol/m3；cR0＝0mol/m3；cR＝2000mol/m3代入，求解方程可得xA1＝0.417；xA2＝0.5所以反应器出口处A的转化率为xA＝xA1＋xA2＝0.417＋0.5＝0.917B的浓度为cB＝cB0－cA0xA1＝1749mol/m3S的浓度为cS＝cS0+cS0xA2/2＝750mol/m311.6对于等温恒压气相反应，已知该反应的膨胀因子为δA，反应开始时各组分的分压分别为pA0，pB0，pP0和pM0，A的摩尔分数为zA0。反应系统中含有惰性组分M。试求出反应体系中各组分的分压与A的转化率xA的关系。解：对于等温恒压气相反应，设反应开始时总摩尔数为n0则有反应体系总压强为转化率为xA时的总摩尔数为195 转化率为xA时A的总摩尔数为nA＝n0PA0(1-xA)所以组分A的分压为同理可得：；；11.7对于由反应(1)和(2)构成的复杂反应，试给出反应组分A、B、Q、P的反应速率-rA、-rB、rQ、rP与反应(1)和(2)的反应速度r1和r2的关系。A+2B=Q(1)A+Q=P(2)解：根据反应式（1）和（2）的计量方城可得－rA=r1+r2；－rB=2r1；rQ=r1－r2；rP＝r211.8微生物反应一般在常温附近进行时，其反应速率常数k与温度的关系可以用下式表示：式中：k20——20℃时的反应速率常数；α——温度变化系数；t——温度，℃。试给出α与Arrhenius公式中活化能Ea的关系式。解：由可得（将温度变为绝对温度）根据式11.3.31可知代入可得195 变形可得即11.9在不同温度下测得的某污染物催化分解反应的速率常数k如下表所示，求出反应的活化能和频率因子。温度,(K)413.2433.2453.2473.2493.22.04.86.913.825.8解：根据表中数据求出lnk和1/T值，做lnk-1/T曲线如下图11-3习题11.9图lnk-1/T曲线根据式11.3.31可得所以反应的活化能为Ea=5.2×104kJ/kmol频率因子为k0=8.36×104mol/(g·h)11.10在一些反应中，反应产物能对反应起催化作用，加速反应进程，此类反应称为“自催化反应”。对于由反应式(1)和(2)表示的自催化反应，试给出反应物A的速率方程（恒容反应）及其积分式。A→P(1)195 A+P=P+P(2)解：在反应（1）和（2）中，反应速率方程为－rA1＝k1cA；－rA2＝k2cAcP反应前后总摩尔数不变，有cA0＋cP0＝cA＋cP，即cP＝cA0＋cP0－cA对于恒容反应有对方程变形可得积分可得（本题情况比较多，可以考虑从不同情况解析，比如说考虑写成总的反应式后用大K表示。本解法只是一种情况）11.11对于表11.3.1所示的恒温恒容反应，试推导出以转化率xA为变量的反应速率方程及其积分形式。解：（1）零级反应，，kt＝cA0xA（2）一级反应，，kt＝－ln（1－xA）（3）二级反应，，（4）二级反应，，（5）n级反应，，195 第十二章反应动力学的解析方法12.1下图为活性污泥法处理污水的一般工艺。在曝气池中，微生物分解有机物并产生生物污泥。生物污泥在沉淀池里进行固液分离，排出系统的污水中不含污泥。污泥以泥浆或者湿污泥的形式从沉淀池底部排出，一部分作为剩余污泥排出系统，另一部分作为活性污泥回流到曝气池，曝气池中的生物污泥叫活性污泥。系统每天处理水量qV0，为1240m3/d。日产污泥干重qVm为100kg/d，外排的剩余污泥流量为qVs。曝气池中的污泥浓度ρs，为1kg/m3。回流和外排湿污泥浓度ρsr为10kg/m3。曝气池面积A为1000m2，有效容积V为1500m3。沉淀池和管道容积可忽略不计。试估算外排的剩余污泥流量qVs和回流污泥流量qVr。图12-1习题12.1图示解：由剩余污泥量qVm＝qVsρsr可得对二沉池进行污泥衡算有（qV0＋qVr）ρs＝qVsρsr＋qrρsr12.2习题12.1系统的进水中，还含有1mg/L的苯。试通过物料平衡来估算系统出水中苯的浓度。假定，单位面积曝气池上的苯挥发量为kρA，其中ρA为曝气池中苯的浓度，常数k约为5cm195 /h。曝气池中苯的生物降解反应可视为一级反应，-rA=krρA，kr=2d-1。由于生物污泥的吸附作用，实验测得在外排和回流的湿污泥中，苯的浓度约为出水中苯浓度的两倍。解：对反应系统内的水进行衡算有qV0＝qVs＋qV1，即qV1＝qV0－qVs＝1230m3/d对反应系统的苯进行衡算有Bz流入＝Bz排出＋Bz外排污泥＋Bz挥发＋Bz降解qV0ρA0=qV1ρA1+2qVsρA1+kAρA+krρAV1240×1＝1230ρA1+2×（126.7＋10）ρA1+2×1500ρA+0.05×24×1000ρA对二沉池的苯进行衡算有ρA（qV0＋qVr）＝qV1ρA1＋（qVr＋qVs）2ρA1（1240＋126.7）ρA＝1230ρA1＋2（126.7＋10）ρA1所以反应器内苯浓度ρA＝0.232mg/L反应出水中苯浓度ρA1＝0.211mg/L12.3液相反应A→B在一间歇反应器内进行，于不同时间测得反应器内A的浓度如下表所示，试求该反应的反应级数和反应速率常数。t/min0204080120ρA/(mg·L-1)9072573632解：假设零级反应－rA=k，即dρA/dt=－k，ρA=－kt+ρA0。根据表中数据做ρA－t的曲线如下，发现没有线性关系，假设错误！图12-2习题12.3中ρA－t的关系曲线195 假设一级反应－rA=kρA，即dρA/dt=－kρA，lnρA=－kt+lnρA0。根据表中数据做lnρA－t的曲线如下，发现有线性关系lnρA=4.44-0.0087t，R=0.9934。图12-3习题12.3中lnρA－t的关系曲线假设二级反应－rA=kρA2，即dρA/dt=－kρA2，1/ρA=－kt+1/ρA0。根据表中数据做1/ρA－t的曲线如下，发现有线性关系1/ρA=0.0108-0.000176t，R为0.999。图12-4习题12.3中1/ρA－t的关系曲线经比较可得，该反应为二级反应。12.4污染物A在一平推流反应器内发生液相分解反应，不同停留时间时反应器出口处A的浓度如下表所示，试分别采用积分法和微分法求该反应的反应级数和反应速率常数。τ/min05101520ρA/mg·L－112538.523.316.112.5解：（1）积分法：195 假设该液相分解反应为一级反应－rA=kρA，则有kτ＝lnρA0-lnρA。根据表中数据，计算lnρA值，并做τ－lnρA曲线τ/min05101520lnρA4.833.653.152.782.53图12-5习题12.4中τ－lnρA的关系曲线假设该液相分解反应为二级反应，则有1/ρA＝kτ-1/ρA0根据表中数据，计算1/ρA值，并做τ－1/ρA曲线τ/min051015201/ρA/(L·mg－1)0.0080.0260.0430.0620.080图12-6习题12.4中τ－1/ρA的关系曲线拟和得1/ρA＝0.0036τ＋0.0078，R＝0.9998线性关系良好，反应级数为2级。（2）微分法：做ρA－τ曲线，并求解各数据点斜率195 54.623.613.359.91.5ρA/(mg·L-1)12080604020对于ln(-rA)与lnρA作图可得ln(-rA)4.03.162.591.790.4lnρA4.784.384.093.692.99对曲线进行拟和，可得ln(－rA)＝2lnρA－5.6即n＝2，k＝0.037L/(mg·min)12.5设将100个细菌放入到1L的培养液中，温度为30℃，得到以下结果，求：t/min0306090120ρA/(mg·L-1)1002004008001600⑴预计3h后细菌的数量；⑵此动力学过程的级数；⑶经过多少时间可以得到106个细菌；⑷细菌繁殖的速率常数。解：解法一：⑴3h为180min，以上表类推，每隔30min细菌个数翻一倍，所以3h后细菌的个数为1600×2×2为6400个。(2-4)由积分法可得，设为一级反应，则做lnρA－t曲线：195 图12-7习题12.5图中lnρA－t的关系曲线线性关系良好，可得该过程级数为1，lnρA＝0.0231t＋4.605。故繁殖速率常数k＝0.023min-1将ρA＝106代入拟和方程可得：t＝398.7min解法二：⑵（为1级反应）⑶设ρ为细菌浓度，细菌是增加的，故速率方程写为：移项积分得到由k不变，可知：；代入数据：，解得t=399min⑷细菌繁殖的速率常数12.6气相反应在某个温度下以等摩尔比的NO和H2混合气体在不同初压力下的半衰期如下表，试求反应总级数。195 p0/kPa50.045.438.432.426.9t1/2/min95102120176224解：对非一级反应，半衰期可表示为由于反应中k，n均为常数，上式可变形为式1在气相反应中，气体浓度为式2将式2代入式1可得取对数可得根据题中的数据，计算lnt1/2和lnp0值，如下表p0/kPa50.045.438.432.426.9t1/2/min95102140176224ln(t1/2/min)4.554.634.945.175.41ln(p0/kPa)3.913.823.653.483.29做lnt1/2－lnp0曲线，并求得曲线斜率195 图12-8习题12.6图中lnt1/2－lnp0的关系曲线则反应级数12.7氰酸铵在水中发生以下反应：NH4OCNàCO(NH2)2，实验测得氰酸铵的初始浓度CA0与半衰期t1/2有以下关系：cA0/mol·L-10.050.10.2t1/2/min37.019.29.5试根据上述数据确定该反应的级数解：根据式12.2.12，简单n级反应的半衰期为根据题中数据，做lnt1/2-lncA0曲线有图12-9习题12.7图中lnt1/2-lncA0的关系曲线由图知，曲线斜率k=1-n=-0.9808反应级数12.8某高分子碳氢化合物A被不断输入到高温CSTR进行热裂解反应，改变物料流入量测得裂解结果如下表：qnA0/(kmol·h-1300100030005000195 )cA/(kmol·L-1)16305060已知V=0.1L，cA0=100kmol/L(1)若本反应在恒压条件下进行，求该裂解反应的速率方程。(2)若忽略反应过程中的气体混合物体积变化，求反应的速率方程。解：(1)对于CSTR反应器，在恒温恒压下有其中：，逐点计算xA和rA，列于下表qnA0/(kmol·h-1)300100030005000cA/(kmol·L-1)16305060xA0.51220.31820.160.1176－rA/(kmol·L-1·h-1)1536.6318250005880k/h-196.010610098设反应级数n=1，则－rA=kcA，即k=rA/cA，计算得到k基本上为恒值所以反应速率方程为－rA=100cAkmol/（L·h）(2)，，qnA0/(kmol·h-1)300100030005000cA/(kmol·L-1)16305060xA0.840.70.50.4－rA/(kmol·L-1·h-1)252070001500020000k/h-139.3842.642.4343.03假设n为1.5，则k=－rA/cA1.5kmol/（L·h），逐点计算可知假设n为1.5是正确的。k=41.86所以反应速率方程为195 －rA=41.86cA1.5kmol/（L·h）12.9在350℃恒温恒容下，某气态污染物A发生二聚反应生成R，即，测得反应体系总压p与反应时间t的关系如下：t/min0612263860p/kPa66.762.358.953.550.446.7试求时间为26min时的反应速率。解：由于在恒容恒温下反应，反应前后的总摩尔数改变，因此总压强的变化可以反映反应进行的程度。设t为0时，A的浓度为cA0，时间为t时，则为cA，由计量方程知二聚物R浓度为（cA0－cA）/2，总物质的量为（cA0＋cA）/2。由理想气体方程知：，即由于是恒容反应，有又由理想气态方程得：根据表中数据，做p-t曲线图12-10习题12.9图中p-t的关系曲线在t＝26min处做曲线的切线，做得斜率。有195 12.10反应为n级不可逆反应。已知在300K时使A转化率达到20％需12.6min，而在340K时达到同样的转化率需要3.20min，求该反应的活化能。解：对于n级反应，其反应速率方程的积分形式为令：，则有300340则有：所以该反应的活化能E＝29.06kJ/mol12.11等温条件下进行乙酸A和丁醇B的酯化反应：CH3COOH+C4H9OHàCH3COOC4H9+H2O乙酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16mol/L。测得不同时间下乙酸转化量如下表所示。试求反应对乙酸的级数。t/h012345678A转化量/(mol·L-1)00.01630.02730.03660.04520.05400.06090.06830.0740解：题中给的数据中，乙酸转化率均较低，且丁醇又大大过量。故，可忽略逆反应的影响，同时可不考虑丁醇浓度对反应速率的影响。因此，设正反应速率方程为195 积分得到：式1假设反应为2级反应，n＝2则式1可以转化为t/h012345678cA/(mol·L-1)0.23320.21680.20590.19660.18800.17920.17230.16490.159200.32350.56900.79881.03241.29371.51431.77721.9924做与t的关系曲线如下图12-10习题12.11图（）—t的关系曲线由图可知，线性关系良好，故该反应对于乙酸为2级反应。但是丁醇浓度是否有影响，还需进一步实验验证。195 第十三章均相化学反应器13.1在等温恒容间歇式反应器中进行以下反应。反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目标产物为P，试计算反应时间为3h时A的转化率。,,解：根据反应式有代入恒容恒温条件下的间歇反应器的基本方程可得积分得解得将已知数据代入上式，有所以A组分浓度A组分转化率xA＝99.88％注：该题亦可以求P的收率，但是太麻烦。故未作为提问。具体解法如下：将除于则有所以195 解得所以P的收率为13.2液相反应A＋2B→P的反应速率方程为在50℃时的反应速率常数为，现将组成为cA0＝0.50mol/m3，cB0＝0.90mol/m3，cP0=0，温度为50℃的反应原料，以5.0m3/h的流量送入一平推流反应器，使反应在50℃恒温条件下进行：试计算A的转化率为80％时所需的反应器有效体积。解：反应为恒容恒温反应，根据表13.1.1的设计方程变形可得将αB＝2,cA0=0.5mol/m3，cB0＝0.9，xA＝0.8代入上式可得：τ＝1.31h所以反应器体积V＝τqV＝6.53m313.3采用CSTR反应器实现习题13.1的反应，若保持其空时为3h，则组分A的最终转化率为多少？P的生成率又是多少？解：根据反应式代入恒温恒容的CSTR反应器基本方程可得195 将已知数据cA0＝2kmol/m3和τ＝3h代入方程可得解得，所以转化率xA＝87.14％对P进行物料衡算亦有和将代入，解得所以P的收率注：由题13.1和题13.3可知，CSTR和间歇式反应器的τ和t数值相同时，两者转化率和收率都不相等，因此在反应器由实验室的间歇式向工程上的CSTR过渡时，应注意两者的区别。此外，在本题中连续操作的收率大于间歇操作，这是由于A的浓度较低有利于目的产物P的生成。13.4在CSTR反应器中，A被转化成C，反应速率方程为-rA(mol×L-1×s-1)=0.15cA(1)假定流量为100L/s，A的初始浓度cA0为0.10mol/L，转化率xA为90％。试求所需反应器的体积。(2)设计完成时，工程师发现该反应级数应该是0级而不是1级。速率方程应该为：-rA=0.15mol/(L×s)试问这对反应的设计有何影响？195 解：（1）对于一级反应，在CSTR反应器中有反应器体积（2）对于0级反应，在CSTR反应器中有所需反应器体积13.5在两级串连CSTR反应器中进行一级不可逆液相反应，反应速率-rA＝kcA，k为定值，且进料流量qV，浓度cA一定，总转化率xA为84％，试证明当两反应器的有效体积相等时，总体积最小。解：取xA1和xA2分别为经过第1和第2个反应器后的总转化率，且xA2＝0.84对于第i个串联的CSTR反应器有：可得即2级CSTR反应器总体积将V对xA1求导有使V最小须满足，即解得xA1＝0.6所以对于第1、2个反应器分别有195 故，当V1＝V2时，总体积V最小13.6某反应器可将污染物A转化成无害的物质C，该反应可视为一级反应，速率常数k为1.0h-1，设计转化率xA为99％。由于该反应器相对较细长，设计人员假定其为平推流反应，来计算反应器参数。但是，反应器的搅拌装置动力较强，实际的混和已满足完全混和流反应器要求。已知物料流量为304.8m3/h，密度为1.00kg/L；反应条件稳定且所有的反应均发生在反应器中。(1)按照PFR来设计，反应器体积为多少，得到的实际转化率为多少？(2)按照CSTR来设计，反应器体积又为多少？解：（1）对于一级反应，在PFR反应器中有可得1·τ＝ln100，即τ＝4.6h所以反应器体积为V＝qVτ＝1403m3该反应器实际为CSTR反应器，则有，计算可得cA’＝0.179cA0所以实际转化率xA’＝82.1％（2）对于一级反应，在CSTR反应器中有1·τ＝100－1计算可得τ＝99h所以反应器体积V＝qVτ＝30175m3195 13.7在等温间歇反应器中发生二级液相反应A→B，反应速率常数为0.05L/(mol×min)，反应物初始浓度CA0为2mol/L。每批物料的操作时间除反应时间tR还包括辅助时间tD，假定tD＝20min。试求每次操作的tR，使得单位操作时间的B产量最大。解：对于二级反应，在间歇式反应器中有根据题中数据有变形有：操作时间t总=tR+tD单位时间A的反应量对上式右边求导，并令其等于0解得tR＝14.1min所以当tR＝14.1min时，单位时间产率最大。13.8在同一温度下，两CSTR反应器均稳定发生一级液相反应，其中一个反应器容积是另一个2倍。进料按一定比例分配到两反应器中，使总转化率达到最大值0.7。假定总进料流量保持不变而小反应器因维修停止进料，试求此时大反应器的转化率。解：如图(a)，当流量分配正比于反应器体积时，两个反应器停留时间相同，出口浓度相同，此时总转化率最大。195 图13-1习题13.8图示证明如下，设小反应器的流量为xqV，05-9时，η值小于0.1，且η≈1/ΦS。此时宏观反应速率主要受扩散的影响。ΦS值越小，由公式(14.1-52)可知，扩散速率便越大。则扩散就不成为限制反应速率主要因素，反应速率受扩散的影响就越小。反之，ΦS值越大，说明扩散速率越小，反应速率受扩散的影响就越大。14.3某气相反应2A→R+S在固体催化剂存在下进行，该反应的速率方程为-rA=kCcA2。已知纯A的体积流量为2.5m3/h时，在350℃，2MPa下加入装有3升催化剂的中试管式反应器中，反应物A的转化率为70.0%。现要求设计一反应器，在350℃，4MPa下处理体积流量为150m3/h的原料气，原料气中A和稀释剂的体积分数分别为0.70和0.30，求A的转化率为90.0%时，所需催化剂的床层体积。解：195 依据题中条件可得，解得V2＝496L14.4某一级不可逆气固相催化反应，当cA＝10-2mol/L，0.1013MPa及400℃时，其反应速率为-rA＝kcA＝10-6mol/(s×cm3)，如果要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响，问催化剂粒径如何确定(已知De＝10-3cm2/s)。解：对于一级气固相催化反应有rA＝kcA要求催化剂中内扩散对总速率基本上不发生影响则有，，取0.3则有：所以，催化剂粒径14.5在一实验室规模的填充床反应器中，进料速率固为定qnA0＝10kmol/h，改变催化剂质量m，获得反应的下列一些动力学数据：m/kg1234567xA0.120.200.270.330.370.410.44(1)求转化率为40％时的反应速率。(2)在设计进料速率为qnA0＝400kmol/h的大填充床反应器时，在转化率为40％时需要多少催化剂？(3)假如采用大量产物循环的反应器，qnA0＝400kmol/h，xA＝0.4，-rAm取(1)中的计算结果，则需要多少催化剂？（大量产物循环的反应器，可看作是CSTR反应器）解：（1）该填充床反应器为等温固定床催化反应器，其设计方程195 变形为即根据题中数据做曲线如下，曲线的斜率为反应速率图14-2习题14.5图XA—m/qnA0的关系曲线所以，转化率xA＝0.4时的反应速率（2）已知在填充床中，qnA0＝400kmol/h，xA＝0.4根据曲线有所以，需要的催化剂质量为（3）对于大量产物循环的反应器，可看作是全混流式反应器195 根据全混流式反应器的设计方程（取xA＝0.4时的反应速率）所以需要的催化剂质量为14.6利用甲醇胺(RNH2)水溶液吸收H2S气体的反应属于瞬间反应：在20℃，10atm条件下在气液反应器内用有机胺水溶液吸收一惰性气体中的H2S（摩尔含量0.2%），试计算当甲醇胺的摩尔浓度大于多少时该反应可视为界面反应？已知：kL=4.3×10-5m/s，kG=0.06mol/(m×s×atm)，DA=1.48×10-9m2/s，DB=0.95×10-9m2/s。解：反应器内气相的H2S的分压pA＝ptzA＝10×0.002＝0.02atm反应恰为界面反应时，液相主体中的B浓度即当甲醇胺浓度大于43.5mol/m3时，H2S的吸收反应可以视为液面反应。14.7对于习题14.6中的H2S吸收反应，已知气液界面积为ai=1200m2/m3（液体），H2S的亨利常数为HA=8.3×103mol/(atm×m3)。其他参数同习题14.6，试分别计算RNH2浓度为30mol/m3和150mol/m3时的以液体体积为基准的H2S吸收速率-rAL。解：（1）cBL＝30mol/m3时，根据cBLcBL,C可知，该反应为界面反应。以气液相界面为基准的反应速率所以，以液体体积为基准的H2S吸收速率14.8氨与H2SO4的反应为瞬时反应，若氨的分压为0.006MPa，硫酸浓度为0.4kmol/m3，试计算氨的吸收速率。已知：kG＝3.5kmol/(m3×MPa)，kL＝0.005m/h，氨在硫酸溶液中的溶解度系数HA为750kmol/(m3×MPa)，假定硫酸和氨的液相扩散系数相等。氨与硫酸的反应为:解：根据题中数据有，硫酸的临界浓度而cBl＝0.4kmol/m3<。因此，计算气液反应速率时，需同时考虑气膜及液膜阻力。该反应为瞬间反应，所以氨的吸收速率与氨的扩散速率相同195 195 第十五章微生物反应器15.1试推导出以NO3-为氮源时的与式(15.2.2)相对应的a、b和c的表达式。解：设氮源为NO3－，其余同式15.2.2的条件，为了保持电荷平衡，左边添加H+项，则计量方程表示为：CHmOn＋aNO3－＋aH+＋bO2＝Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O根据N、H、O的质量守恒得到：a＝zYx/c+wYp/cb＝(1-Yx/c-Yp/c+m/4-n/2)+(Yp/c/4)(-u+2v-5w)+(Yx/c/4)(-x+2y-5z)c＝m/2+(Yp/c/2)(w-u)+(Yx/c/2)(-x+z)15.2以葡萄糖为碳源，NH3为氮源在好氧条件下培养某细菌时，葡萄糖中的碳的2/3转化为细菌细胞中的碳元素。已知细胞组成为C4.4H7.3N0.86O1.2，设反应产物只有CO2和H2O。试求出Yx/s和Yx/o。解：将葡萄糖的元素组成式写为CH2O，且根据题意Yp/c＝0，则微生物反应计量方程如下：根据题意：，得b1＝0.91由计量方程，求得各元素的物料衡算式如下：C的物料衡算：6＝b1×4.4+b2O的物料衡算：6+2a1＝1.2b1+2b2+b3N的物料衡算：a2＝0.86b1H的物料衡算：12+3a2＝7.3b1+2b3解上述联立方程得：a1＝1.47，a2＝0.78，b2＝2.0，b3＝3.85消耗1mol葡萄糖(180g)生成得细胞量为：0.91×(4.4×12+7.3×1+0.86+1.2×16)＝83.1gYx/s＝83.1/180＝0.46kg/kgYx/o×＝83.1/1.47*32＝1.77kg/kg195 15.3某细菌的Yx/c与基质的种类无关，在好氧条件下为0.6，已知以葡萄糖为基质时的Yx/s=0.5kg/kg，试计算以乙醇为基质时的Yx/s。解：基质为葡萄糖时，以碳元素为基准的细胞产率系数Yx/c将已知数据Yx/c＝0.6，Yx/s＝0.5，γs＝0.4代入上式所以以质量为基准的生长速率γx＝0.48kg/(m3·h)基质为乙醇时，Yx/c和γx不变，则有以基质质量为基准的细胞产率系数15.4试证明微生物的倍增时间td与比生长速率μ之间存在以下关系：解：微生物的比生长速率为变形可得积分可得当X/X0＝2时，有ln2＝μtd所以，微生物的比生长速率为μ＝ln2/td＝0.693/td15.5已知葡萄糖在微生物膜中的扩散系数为1.06×10-6m2195 /h，且受温度的影响可以忽略不计。利用在5℃和20℃条件下长期运行的微生物膜反应器测得5℃和20℃时的微生物密度分别为5.0×104g/m3和2.0×104g/m3，葡萄糖的一级降解反应速率常数分别为3.76×10-3m3/(g×h)和1.2×10-2m3/(g×h)。试画出5℃和20℃条件下，微生物膜有效系数与微生物膜厚度的关系。解：微生物膜的有效系数为修正西勒数由上述两式可得代入数据，即可作图。15.6在一培养器内利用间歇操作将某细菌培养到对数增长期，细胞浓度达到1.0g/L时改为连续操作，将培养液连续供入培养器（稀释率D=1.0h-1），测得不同时间时的细胞浓度如下表所示。试利用作图法求出该细菌的μmax。（假设在该实验条件下细菌的生长符合monod方程，且S>>Ks）t/h00.51.01.52.02.53.03.5X/(g·L-1)1.000.960.670.500.430.330.260.20解：改为连续操作初期，反应器为非稳态操作，细胞浓度逐渐减少。因为S>>Ks，所以根据可得根据细胞的物料衡算式（非稳态操作）由流入培养液Xin＝0可得变形可得195 积分可得做ln(X/X0)+Dt－t曲线，其斜率为μmax=0.55h-1图15-1习题15.6图ln(X/X0)+Dt—t的关系曲线注：连续培养操作中，加入物料一般不含有菌体（P454），此外微生物的生长速率rx定义可以参考公式15.3.115.7某细菌利用苯酚为基质时的生长速率rx与苯酚浓度S和细胞浓度X的关系为：式中：μm——最大比生长速率；Ks——基质饱和常数，g/L；Ki——基质抑制系数。在一连续培养器内利用苯酚浓度为20.0g/L的培养液对该细菌进行培养，已知μm=0.5h-1，Ks=1.0g/L，Ki=4.0g/L。(1)画出培养器内的基质浓度S与D的关系曲线，即D-S曲线；(2)试求出临界稀释率Dc及其相对应的S值。解：(1)根据题中γx与S、X的关系式以及μ＝D可得：式1计算可得式2根据式2可绘出S－D曲线。195 图15-2习题15.7图中S－D曲线（2）由于基质有抑制作用，在最大稀释率时，故将b式两边对S求导，并令得式3其相对应的基质浓度把已知数据代入可得Dc＝0.251/h；Sc＝2.0g/L15.8在CSTR反应器中，用葡萄糖为限制性基质，在一定条件下培养某种微生物，实验测得不同基质浓度下，微生物的比生长速率如下表所示：S/(mg·L-1)50025012562.531.215.67.8μ/10-2h-19.547.725.583.592.091.140.6若该条件下微生物的生长符合Monod方程，试求该条件下的μmax和Ks解：将Monod方程变形为：根据题中数据，做1/μ－1/S曲线1/S/（Lg-1）2481632.164.11281/μ/h-110.513.017.927.947.887.7167195 图15-3习题15.8图1/μ－1/S的关系曲线所以，最大比生长速率μmax＝0.125h-1基质饱和常数Ks＝0.155g/L15.9用间歇培养器将某细菌从0.2g/L培养到14g/L需要24小时，设培养过程为对数增长期，已知Yx/s=0.5，mx=0，S0=10g/L。试计算培养开始10小时的基质浓度。解：培养过程处于对数生长期，则lnX与t成直线关系ln(X/X0)＝kt代入已知数据，可得k＝0.177g/(Lh)设培养10小时后的细胞浓度为X，则ln(X/0.2)＝0.177×10解得X＝1.174g/L因为mx＝0，根据式15.4.6可得所以，培养开始10h的基质浓度S＝8.1g/L15.10以葡萄糖为基质在一连续培养器中培养大肠杆菌，培养液的基质浓度为5g/L，当D=0.15h-1时，出口处的基质浓度为0.1g/L，细胞浓度为2.5g/L。若大肠杆菌的生长符合Monod方程，且Ks=0.2g/L，试求出μmax和Yx/s。195 解：根据公式(15.4.24)，代入数据可得：算得：μmax＝0.451/h根据公式(15.4.33)X＝Yx/s(S0-S)，代入数据可得：2.5＝Yx/s(5－0.1)算得：Yx/s＝0.51kg（细胞）/kg（基质）15.11在10L的全混流式反应器中，于30℃下培养大肠杆菌。其动力学方程符合Monod方程，其中μmax为1.0h-1，KS为0.2g/L。葡萄糖的进料浓度为10g/L，进料流量为4L/h，Yx/s＝0.5。(1)试计算在反应器中的细胞浓度及其生长条件；(2)为使反应器中细胞产率最大，试计算最佳进料速率和细胞的最大产率。解：（1）全混流式反应器的稀释率可得反应器底物浓度反应器内细胞浓度所以，细胞产率（2）当细胞产率最大时有，，则有最佳进料速率反应器中细胞浓度所以，细胞最大产率15.12全混流式反应器与高速离心机相连，所进行微生物发酵反应如下：195 在循环物料中和反应器出口处微生物浓度分别为X3和X，且，循环比试求：Xe/X，X3/Xe。解：根据物料平衡分析可知：由qv（1＋γ）＝qve＋qv3，且qve＝qv，代入上式得：15.13在习题15.12中，已知所进行的微生物发酵反应符合Monod动力学，即已知Ks＝1g/m3，μm＝2h-1，每生成1g微生物菌体需要消耗2g底物S，试求Se和Xe。其他已知数据有：Q0＝1m3/h，S0=3g/m3，X0=0，V=1m3，γ＝0.5，Xe/X3=0.25。图15-4习题15.12图示解：由上题知：，又知γ＝0.5，可以解得β＝2.0。195 微生物的生长速率变形得到：又由上题知：，代入可得：S=0.33g/m3，Se=S=0.33g/m3Xe=0.5(S0－Se)=1.34g/m3195 第II篇思考题第一章绪论1.“环境工程学”的主要研究对象是什么？2.去除水中的溶解性有机污染物有哪些可能的方法？它们的技术原理是什么？3.简述土壤污染治理的技术体系。4.简述废物资源化的技术体系。5.阐述环境净化与污染控制技术原理体系。6.一般情况下，污染物处理工程的核心任务是：利用隔离、分离和（或）转化技术原理，通过工程手段（利用各类装置），实现污染物的高效、快速去除。试根据环境净化与污染防治技术的基本原理，阐述实现污染物高效、快速去除的基本技术路线。第二章质量衡算与能量衡算第一节常用物理量1．什么是换算因数？英尺和米的换算因素是多少？2．什么是量纲和无量纲准数？单位和量纲的区别是什么？3．质量分数和质量比的区别和关系如何？试举出质量比的应用实例。4．大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度，试说明该单位的优点，并阐述与质量浓度的关系。5．平均速度的涵义是什么？用管道输送水和空气时，较为经济的流速范围为多少？第二节质量衡算1.进行质量衡算的三个要素是什么？2.简述稳态系统和非稳态系统的特征。3.质量衡算的基本关系是什么？195 1.以全部组分为对象进行质量衡算时，衡算方程具有什么特征？2.对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时，物质的转化速率如何表示？第三节能量衡算1．物质的总能量由哪几部分组成？系统内部能量的变化与环境的关系如何？2．什么是封闭系统和开放系统？3．简述热量衡算方程的涵义。4．对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现？5．对于不对外做功的开放系统，系统能量能量变化率可如何表示？第三章流体流动第一节管流系统的衡算方程1．用圆管道输送水，流量增加1倍，若流速不变或管径不变，则管径或流速如何变化？2．当布水孔板的开孔率为30％时，流过布水孔的流速增加多少？3．拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系，试简述这种关系，并说明该方程的适用条件。4．在管流系统中，机械能的损耗转变为什么形式的能量？其宏观的表现形式是什么？5．对于实际流体，流动过程中若无外功加入，则流体将向哪个方向流动？6．如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率？第二节流体流动的内摩擦力1.简述层流和湍流的流态特征。2.什么是“内摩擦力”？简述不同流态流体中“内摩擦力”的产生机理。3.流体流动时产生阻力的根本原因是什么？4．什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？5．简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。195 第三节边界层理论1.什么是流动边界层？边界层理论的要点是什么？2．简述湍流边界层内的流态，以及流速分布和阻力特征。3．边界层厚度是如何定义的？简述影响平壁边界层厚度的因素，并比较下列几组介质沿平壁面流动时，哪个边界层厚度较大：（1）污水和污泥；（2）水和油；（3）流速大和流速小的同种流体。4.为什么管道进口段附近的摩擦系数最大？5.简述边界层分离的条件和过程。6.当逆压梯度相同时，层流边界层和湍流边界层分离点的相对位置如何?请解释其原因。第四节流体流动的阻力损失1．简述运动中的物体受到阻力的原因。流线型物体运动时是否存在形体阻力？2．简述流态对流动阻力的影响。3．分析物体表面的粗糙度对流动阻力的影响，举应用实例说明。4.不可压缩流体在水平直管中稳态流动，试分析以下情况下，管内压力差如何变化：（1）管径增加一倍；（2）流量增加一倍；（3）管长增加一倍。5．试比较圆管中层流和湍流流动的速度分布特征。6．试分析圆管湍流流动的雷诺数和管道相对粗糙度对摩擦系数的影响。第五节管路计算1.管路设计中选择流速通常需要考虑哪些因素?2.简单管路具有哪些特点？195 1.分支管路具有哪些特点？2.并联管路具有哪些特点？3.分析管路系统中某一局部阻力变化时，其上下游流量和压力的变化。第六节流体测量1.简述测速管的工作原理和使用时的注意事项。2.分析孔板流量计和文丘里流量计的相同点和不同点。3.使用转子流量计时读数为什么需要换算？测定气体的流量计能否用来测量液体？4.简述转子流量计的安装要求。第四章热量传递第一节热量传递的方式1.什么是热传导？2.什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。3.简述辐射传热的过程及其特点4.试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。5.若冬季和夏季的室温均为18℃，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？第二节热传导1.简述傅立叶定律的意义和适用条件。2．分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。3．为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？4．当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。5.若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应如何布置效果最好。195 第三节对流传热1．简述影响对流传热的因素。2．简述对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施。3．为什么流体层流流动时其传热过程较静止时增强？4．传热边界层的范围如何确定？试分析传热边界层与流动边界层的关系。5.试分析影响对流传热系数的因素。6．分析圆直管内湍流流动的对流传热系数与流量和管径的关系，若要提高对流传热系数，采取哪种措施最有效？7．流体由直管流入短管和弯管，其对流传热系数将如何变化？为什么？8．什么情况下保温层厚度增加反而会使热损失加大？保温层的临界直径由什么决定？9．间壁传热热阻包括哪几部分？若冷热流体分别为气体和液体，要强化换热过程，需在哪一侧采取措施？10．什么是传热效率和传热单元数？第四节辐射传热1．分析热辐射对固体、液体和气体的作用特点。2．比较黑体和灰体的特性及其辐射能力的差异。3.温度对热辐射和辐射传热的影响。4．分析物体辐射能力和吸收能力的关系。5．简述气体发射和吸收辐射能的特征，分析温室效应产生的机理。第五节换热器1.简述换热器的类型。2.什么是间壁式换热器，主要包括哪几种类型？3.列管式换热器式最常用的换热器，说明什么是管程、壳程，并分析当气体和液体换热时，气体宜通入哪一侧？4．简述增加传热面积的方法。5．试分析提高间壁式换热器传热系数的途径。195 第五章质量传递第一节环境工程中的传质工程1.简述环境工程中常见的传质过程及其应用领域？第二节质量传递的基本原理2.什么是分子扩散和涡流扩散？3.简述费克定律的物理意义和适用条件。4.简述温度、压力对气体和液体分子扩散系数的影响。5.对于双组分气体物系，当总压和温度提高1倍时，分子扩散系数将如何变化？6.分析湍流流动中组分的传质机理。第三节分子传质1．什么是总体流动？分析总体流动和分子扩散的关系。2．在双组分混合气体的单向分子扩散中，组分A的宏观运动速度和扩散速度的关系？3．单向扩散中扩散组分总扩散通量的构成及表达式。4.简述漂移因子的涵义。5.分析双组分混合气体中,当NB=0、NB=-NA及NB=-2NA时，总体流动对组分传质速率的影响。第四节对流传质1.简述对流传质的机理和传质阻力的分布。2．传质边界层的范围如何确定？试分析传质边界层与流动边界层的关系。3．为什么流体层流流动时其传质速率较静止时增大？4．虚拟膜层的涵义是什么？试比较对流传质速率方程和费克定律的异同。5．比较对流传热和对流传质的区别。为什么对流传质存在两种情况？6.简述影响对流传质速率的因素和强化传质的措施。195 第六章沉降第一节沉降分离的基本概念1.简述沉降分离的原理、类型和各类型的主要特征。2.简要说明环境工程领域涉及哪些沉降分离的过程，并说明其沉降类型和作用力。3.颗粒的几何特性如何影响颗粒在流体中受到的阻力？4.不同流态区，颗粒受到的流体阻力不同的原因是什么？5.颗粒和流体的哪些性质会影响到颗粒所受到的流体阻力，怎么影响？第二节重力沉降1.简要分析颗粒在重力沉降过程中的受力情况。2.层流区颗粒的重力沉降速度主要受哪些因素影响？3.影响层流区和紊流区颗粒沉降速度的因素有何不同，原因何在？4.流体温度对颗粒沉降的主要影响是什么？5.列出你所知道的环境工程领域的重力沉降过程。6.分析说明决定重力沉降室除尘能力的主要因素是什么？7.通过重力沉降过程可以测定颗粒和流体的哪些物性参数，请你设计一些的测定方法。第三节离心沉降1.简要分析颗粒在离心沉降过程中的受力情况。2.比较离心沉降和重力沉降的主要区别。3.同一颗粒的重力沉降和离心沉降速度的关系怎样？4.简要说明旋风分离器的主要分离性能指标。5.标准旋风分离器各部位尺寸关系是什么？6.旋风分离器和旋流分离器特点有何不同？7.离心沉降机和旋流分离器的主要区别是什么。8.在环境工程领域有哪些离心沉降过程。195 第四节其它沉降1.电沉降过程中颗粒受力情况如何，沉降速度与哪些因素有关。2.简述电除尘器的组成和原理。3.电除尘器的优点是什么。4.惯性沉降的作用原理是什么，主要受哪些因素的影响。5.惯性沉降应用的优缺点是什么。6.环境工程领域有哪些电除尘和惯性除尘过程。第七章过滤第一节过滤操作的基本概念1.过滤过程在环境工程领域有哪些应用。2.环境工程领域中的过滤过程，使用的过滤介质主要有哪些？3.过滤的主要类型有哪些？4.表面过滤和深层过滤得主要区别是什么？第二节表面过滤的基本理论1.表面过滤得过滤阻力由哪些部分组成？2.表面过滤速度与推动力和阻力的关系，如何表示？3.过滤常数与哪些因素有关？4.恒压过滤和恒速过滤的主要区别是什么？5.如何通过实验测定过滤常数、过滤介质的比当量过滤体积和压缩指数？6.洗涤过程和过滤过程有什么关系？7.间歇式过滤机和连续式过滤机的相同点和不同点是什么？第三节深层过滤的基本理论1.混合颗粒和颗粒床层有哪些主要的几何特性？。2.混合颗粒的平均粒径和颗粒床层的当量直径如何定义？3.流体通过颗粒床层的实际流速与哪些因素有关，与空床流速是什么关系？195 4.深层过滤速度与推动力和阻力的关系，如何表示？5.悬浮颗粒在床层中的运动包括哪些主要行为？6.流体在深层过滤中的水头损失如何变化，主要存在哪些变化情况？7.如何防止滤料表层的堵塞，为什么？第八章吸收第一节吸收的基本概念1.简述吸收的基本原理和过程。2.吸收的主要类型是什么？3.环境工程领域有哪些吸收过程。4.环境工程领域吸收的特点是什么？第二节物理吸收1.亨利定律有哪些表达形式，意义如何？2.如何通过平衡曲线判断传质方向，其物理意义何在？3.举例说明如何改变平衡条件来实现传质极限的改变。4.吸收过程的基本步骤是什么？5.双膜理论的基本论点是什么？6.吸收速率与传质推动力和传质阻力的关系，有哪些表达形式？7.吸收的传质阻力有哪几个部分组成，如何表示，关系如何？8.简要说明气体性质对传质阻力的不同影响，并举例说明。第三节化学吸收1.化学吸收与物理吸收的主要区别是什么？2.化学反应对吸收过程有哪些影响？3.如何联系化学吸收的气液平衡和反应平衡？4.如何解释化学吸收中传质速率的增加？5.化学反应速率的不同如何影响化学吸收？195 6.化学吸收的适用范围是什么？第四节吸收设备的主要工艺计算1.吸收塔两相流动的方式各有什么优缺点？2.板式塔和填料塔的主要区别是什么？3.画图说明并流和逆流操作线和平衡线的不同。4.最小吸收剂如何确定，吸收剂用量选择遵循什么原则？5.总体积传质系数的物理意义是什么？6.传质单元的意义是什么，传质单元数和传质单元高度与哪些因素有关。7.吸收过程计算的基本关系式有哪些？第九章吸附第一节吸附分离操作的基本概念1.吸附分离的基本原理。2.简要说明吸附根据不同的分类方法可以分为哪些类型。3.吸附在环境工程领域有哪些应用，举例说明。第二节吸附剂1.常用的吸附剂有哪些？2.吸附剂的主要特性是什么？3.简述一下几种吸附剂的制备、结构和应用特性：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。第三节吸附平衡1.环境条件如何影响吸附平衡？2.Freundlich方程的形式和适用范围。3.Langmuir方程的基本假设是什么？4.Langmuir方程的形式和适用范围。195 5.BET方程的物理意义是什么？6.如何表示吸附剂对不同吸附质的选择性？7.简要说明液体吸附的吸附等温式形式和适用范围。第四节吸附动力学1.吸附过程的基本步骤是什么？2.吸附过程可能的控制步骤是什么？第五节吸附操作与吸附穿透曲线1.常见的吸附分离设备和操作方式有哪些？2.接触过滤吸附中，单级吸附、多级吸附和多级逆流吸附的平衡线和操作线关系如何，画示意图说明。3.接触过滤多级逆流吸附最小吸附剂如何确定，画示意图说明。4.固定床吸附中，床层可以分为几个区域，各区域的特点是什么？5.简述固定床吸附从开始到完全失去吸附能力的变化过程。6.画出穿透曲线的示意图，并在图中标出穿透点、终点、剩余吸附量和饱和吸附量。第十章其他分离过程第一节离子交换1.影响离子交换树脂选择性的因素有哪些？2.离子交换反应有哪些主要类型？3.离子交换过程的主要步骤是什么，可能的控制步骤是什么？4.如何判断离子交换速度的控制步骤？5.离子交换速度的影响因素有哪些？第二节萃取1.萃取分离的原理和特点是什么？195 2.萃取分离在环境工程领域有哪些应用。3.说明三角形相图中各区域点的意义。4.三角形相图中如果包含溶解度曲线和联结线，说明各区域点的意义（稀释剂和萃取剂完全不互溶）？5.三角形相图中包含溶解度曲线，说明哪些区域是均相，哪些是多相，相的组成如何（稀释剂和萃取剂完全不互溶）？6.萃取剂的选择原则是什么？7.画图说明单级萃取、多级错流萃取和多级逆流萃取分配曲线和操作线的不同关系？8.萃取剂用量的确定有哪些考虑？第三节膜分离1.简述膜分离过程的类型和特点。2.膜组件有哪些主要形式？3.决定膜分离渗透性的主要因素有哪些？4.膜分离的选择性可以用哪些参数表示？5.多孔模型和溶解-扩散模型的基本假设是什么，分别涉及到哪些膜和物性参数？6.渗透现象是如何发生的，实现反渗透的条件是什么？7.反渗透和纳滤机理有哪些基本理论？8.浓差极化现象是如何发生的，对膜分离过程有何影响？9.说明凝胶层的形成过程以及对膜分离的影响。10.说明电渗析中浓差极化的形成过程以及极限电流密度的出现和影响。第十一章反应动力学基础第一节反应器和反应操作1.反应器的一般特性主要指哪几个方面？2.反应器研究开发的主要任务是什么？3.什么是间歇操作、连续操作和半连续操作？它们一般各有哪些主要特点？195 4.什么是空间时间和空间速度？它们所表达的物理意义分别是什么？5.一般情况下，反应器内的流体流动状态会对反应结果产生影响，为什么？6.根据反应物料的流动与混和状态，反应器可分为哪些类型。1.反应器设计的基本内容包括哪几个方面？它通常使用哪几类基本方程？第二节反应的计量关系1.什么是膨胀因子？膨胀因子为1的反应体系，反应后系统的物质的量将如何变化？若是膨胀因子为0.5的反应体系，则如何变化？2.什么是简单反应和复杂反应？可逆反应属于哪一类反应？为什么？3.什么是均相内反应和界面反应？4.对于连续反应器，某一关键组分的转化率的一般定义是什么？5.对于实际规模的化学反应器，影响某一关键组分的转化率的主要因素是什么？第三节反应动力学1.若将反应速率的定义写成－rA＝－dCA/dt，该定义式成立的条件是什么？说明理由。2.气－固相反应的反应速率有哪几种表达方式？气－液相反应哪？3.什么是反应级数？它的大小能否反映反应速率的大小？为什么？4.对于某一化学反应，它的速率常数是否与反应物的浓度有关？催化剂能否改变速率常数的大小？5.零级不可逆单一反应有哪些主要特点？6.一级不可逆单一反应有哪些主要特点？7.二级不可逆单一反应有哪些主要特点？8.对于可逆单一反应，反应物的浓度能减少到零吗？为什么？9.在平行反应中，什么是主反应？什么是副反应和副产物？10.（9）对于串联反应，其中间产物的浓度随反应时间如何变化？在实际操作中能否将中间产物的浓度控制到最大值？如何控制？195 第十二章反应动力学的解析方法第一节动力学实验及实验数据的解析方法1.动力学实验的主要目的有哪些？2.用槽式反应器进行动力学实验有哪些优点？3.对反应器进行物料衡算时，一般应注意哪些问题？4.对于全混流槽式反应器和推流式反应器，分别如何选择物料衡算单元，为什么？第二节间歇反应器的解析1.在环境工程研究中，进行液相反应速率方程的实验测定时，常采用间歇反应器，为什么？2.简述利用间歇反应器进行动力学实验的一般步骤。3.试用流程图表达间歇动力学实验数据的积分解析法。4.试用流程图表达间歇动力学实验数据的微分解析法。5.如何利用半衰期确定反应级数？第三节连续反应器的解析1.在稳态状态下，槽式连续反应器内的组分组成和转化率随时间变化吗？为什么？2.试用流程图表达利用槽式连续反应器进行动力学实验的一般步骤。3.试用流程图表达利用积分平推流反应器进行动力学实验的一般步骤。4.试用流程图表达利用微分反应器进行动力学实验的一般步骤。5.什么是积分反应器和微分反应器？它们用于动力学实验时，各有什么特点？第十三章均相化学反应器第一节间歇与半间歇反应器1.对于一个实际规模的均相连续反应器，影响反应物转化率的主要因素有哪些？195 1.间歇反应器的一般操作方式是什么？你能举出哪些间歇反应器的例子？2.半间歇反应器有哪几种操作方式？3.半间歇反应器与间歇反应器相比有哪些异同点？4.对于半间歇反应器，转化率是如何定义的？第二节完全混合流反应器1.全混流连续反应器的一般操作方式是什么？你能举出哪些间歇反应器的例子？2.与间歇反应器相比，对于同一反应，在同样的反应条件下，达到同样的转化率，所需全混流连续反应器的体积有何不同？为什么？3.对于一简单不可逆反应，在反应器总有效体积和反应条件不变的条件下，随着全混流反应器的级数的增加，反应物的转化率如何变化？为什么？转化率的极限值是什么？4.简述多级全混流反应器的解析计算法。5.简述多级全混流反应器的图解计算法。第三节平推流反应器1.对于一个实际规模的反应器，在什么条件下可视为平推流反应器？2.对于不可逆液相反应，利用间歇反应器和理想平推流反应器进行反应操作时的基本方程有何异同？简要分析其理由。3.与间歇反应器相比，对于同一反应，在同样的反应条件下，达到同样的转化率，所需平推流反应器的体积相同。如何解释这种现象？4.循环反应器有哪几种典型的操作方式？5.对于在平推流反应内进行的不可逆液相反应，如果将出口处的反应物料器一部分返回到反应器，反应物的转化率将如何变化？如何解释这种变化？第十四章非均相化学反应器第一节固相催化反应器195 1.催化反应有哪些基本特征？2.固体催化剂的一般组成是什么？载体在固体催化剂中起什么作用？3.固相催化反应过程一般可概括为哪些步骤？4.固相催化反应有哪些基本特点？5.固相催化反应的本征动力学过程包括哪些步骤？6.在进行本征动力学速率方程的实验测定中，如何消除外扩散和内扩散的影响？分别如何确定实验条件？7.催化剂有效系数的基本定义什么？它有哪些用途？8.催化西勒（Thiele）模数的物理意义是什么？具体说明西勒（Thiele）模数的大小如何影响催化剂的有效系数？9.简述影响球形催化剂有效系数的主要因素及其产生的影响。10.什么是流化床反应器？与固定床反应器相比，它有哪些优缺点？第二节气液相反应器1.气－液相反应过程一般可概括为哪些步骤？2.气－液相反应的本征反应速率方程是什么涵义？3.气－液相瞬间反应的基本特点是什么？4.气－液相瞬间反应的增强系数有何物理意义？5.什么是界面反应？6.气－液相快速反应的基本特点是什么？7.根据气－液相拟一级快速反应的宏观速率方程，简述提高反应速率的措施。8.什么是八田数？它有何物理意义？9.气－液相拟一级快速反应的增强系数具有什么物理意义？10.气－液慢速反应的基本特点是什么？11.气液相反应的宏观速率方程根据本征反应速率的快慢有不同的表达形式，为什么？195 第十五章微生物反应器第一节微生物与微生物反应1.为什么说微生物反应类似于化学反应中的自催化反应？2.微生物反应一般可分为哪几类反应？3.微生物反应中的基质有哪些作用？4.微生物反应的产物有哪几类？5.有机物的微生物分解反应中产生的能量有哪些用途？第二节微生物反应的计量关系1.什么是计量学限制性基质？2.什么是生长速率限制性基质？3.细胞产率系数有哪些用途？4.细胞产率系数有哪几种？它们取值范围各是什么？5.什么是有效电子？如何计算？6.什么是代谢产物的产率系数？第三节微生物反应动力学1.什么是微生物的比生长速率？2.Monod方程中的最大比生长速率和饱和系数各表达什么意义？3.与富营养细胞相比，贫营养细胞的饱和系数有何特点？4.基质消耗速率方程中的维持系数有什么物理意义？5.影响以微生物膜表面积为基准的基质消耗速率的主要因素（主要指与微生物膜和基质本身特性有直接关系的主要因素，不包括温度、pH等环境条件）有哪些？6.试比较固体催化剂的有效系数与微生物膜的有效系数的定义有何不同？第四节微生物反应器的操作与设计1.微生物的间歇培养生长曲线可分为哪几个阶段？什么是最大收获量？2.微生物的半连续培养的操作方式有何特点？195 1.在微生物的半连续培养中，反应器内基质浓度会出现先增加后减少的现象。为什么出现这种现象？2.什么是稀释率？微生物的连续培养系统（没有细胞循环系统）中，稀释率的最大值是什么？3.在微生物的连续培养系统中，能否控制微生物的比生长速率？如何实现？4.什么是微生物连续培养中的“洗脱现象”？为什么会出现这种现象？5.细胞循环反应器可以在大于微生物比生长速率的条件下稳定运行，为什么？195 第III篇综合练习题一、环境工程原理基础1．1简答题1．写出下列物理量的量纲（1）粘度μ；（2）扩散系数D。答：（1）粘度μ的量纲：（2）扩散系数D的量纲：2．简述等分子反向扩散和单向扩散过程及传质通量的区别。答：单向扩散时存在流体的总体流动，因此扩散组分的传质通量增加。3．边界层分离的条件是什么？层流边界层和湍流边界层哪个更容易发生边界层分离？为什么？答：粘性作用和存在逆压梯度是流动分离的两个必要条件层流边界层更容易发生分离。原因：层流边界层中近壁处速度随y的增长缓慢，逆压梯度更容易阻滞靠近壁面的低速流体质点。4．水在圆形直管中呈层流流动。若流量不变，说明在下列情况下，摩擦阻力的变化情况：（1）管长增加一倍；（2）管径增加一倍。答：层流时：管长增加一倍时，阻力损失增加一倍；管径增加一倍时，阻力损失减小为原来的1/16。5．试写出几种主要的强化间壁式换热器传热效果的具体措施。195 答：根据传热基本方程，可通过增加传热面积、增大传热系数和推动力来强化传热。具体措施包括：（1）采用小直径管、异形表面、加装翅片等；（2）改变两侧流体相互流向，提高蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度，增加管壳式换热器的壳程数；（3）提高流体的速度，增强流体的扰动，采用短管换热器，防止结垢和及时清除污垢等。1．网球的粗糙表面有利于减少运动阻力，试解释原因。答：运动阻力包括摩擦阻力和形体阻力。由于球面面积较小，网球运动速度较快，形体阻力占主要地位。表面粗糙可以使边界层湍流化，使边界层分离点后移，减少形体阻力，从而减少运动阻力。2．水在光滑圆形直管中流动，分析以下情况下因摩擦阻力而产生的压降的变化情况：（1）水在管中呈层流流动，流量不变，管长增加一倍或管径增加一倍；（2）水作湍流流动，管长及管径不变，流量增加一倍，摩擦系数为。答：压降（1）层流时，，管长增加一倍时，压降增加一倍；管径增加一倍时，压降减小为原来的1/16。（2）湍流时，，流量增加一倍时，压降增加，为原来的5.19（或2（2＋1/4））倍。3．某热水管道采用两种导热系数不同的保温材料进行保温，若保温材料厚度相同，为了达到较好的保温效果，应将哪种材料放在内层，试解释原因。答：应将导热系数小的材料放在内层。证明过程：设当在内层，有195 当在内层，有为比较的大小，将上两式相除，可得，因此应将放在内层。1．转子流量计在安装和使用中应注意什么？答：安装转子流量计时应注意：（1）转子流量计必须垂直安装,若倾斜度1度将造成0.8％的误差。（2）转子流量计必须安装在垂直管路上，且流体流动的方向必须由下往上。使用时应注意：测量流体和环境条件是否与出厂时标定的相同，如不同，需对读数进行校正10.流体在管内流动时，同时发生传热或传质过程。当流速增加致使流态发生变化时，对流动和传递过程产生什么影响？当流体流过弯管时，与直管有什么不同？答：流动转化为湍流后，流动阻力增加，传热或传质阻力减少。流体流过弯管时，由于离心力的作用，扰动加剧，使阻力损失增加，传递系数增大，传递过程被强化。CA0CA0CA011.流体中组分A的含量为，与平壁面接触，壁面上组分A的含量为，且>。试绘制当流体分别为静止、沿壁面层流流动和湍流流动时，组分A在壁面法向上的浓度分布示意图。a.静止时b.层流流动c.湍流流动答：图15-1综合练习题1.1(11)图答案见上图。12.设冬天室内的温度为，室外温度为，>。在两温度保持不变的情况下，试绘制下列三种情况下从室内空气到室外大气温度分布示意图。195 （1）室外平静无风，不考虑辐射传热；（2）室外冷空气以一定流速流过砖墙表面；（3）除了室外刮风外，还考虑砖墙与四周环境的辐射传热。室内T1室外T2室内T1室外T2室内T1室外T213.流体沿平壁面流动时，同时发生传质过程。当流速增加致使流动状态由层流变为湍流时，试分析流动边界层厚度的变化，以及对流动阻力和传质阻力产生的影响。答：边界层厚度与流速有关，流速增加，边界层厚度减少。流动由层流变成湍流，速度梯度变大，摩擦力增加，流动阻力增加；边界层厚度减少，而传质阻力主要集中在边界层，湍流加大了液体的对流，浓度梯度增大，传质阻力减少。14.流体沿壁面流动时，有时会出现边界层分离的现象。试论述（1）边界层分离的条件；（2）流动状态对边界层分离和流动阻力的影响。答：（1）边界层分离的条件：流体具有粘滞性，产生逆压梯度，将靠近界面的慢流体的速度阻滞为零，即可发生边界层分离。（2）层流边界层速度变化较湍流小，慢速流体更容易被阻滞。所以，湍流边界层分离比层流延后。由于湍流边界层分离延后，分离点下移，尾流区较小，所以其形体阻力小。15.有一个套管换热器，内管外侧装有翅片，用水冷却空气，空气和水各应走哪里（管内和壳间）？试解释原因。答：装有翅片的目的一方面是为了加大接触面积；另一方面是为了破坏边界层形成以提高对流传热系数。由总传热速率方程可以看到：要提高传热器的传热效果，应当提高限制步骤的传热效果。因此，在用水冷却空气的换热过程中，空气对流传热慢，是制约因素。所以，翅片应放在空气一侧，即空气走壳间，水走管内。195 16．燃烧废气中含有SO2，欲采用吸收法去除。根据你所学的知识，分析提高去除效率的方法。答：吸收法可近似认为单向扩散，。由上式可知，为了提高吸收效率，可以增加SO2的浓度（浓缩尾气），换用高效的吸收液（碱液等）；同时即使更换新的吸收液；增大吸收液与SO2的接触面积（雾状喷淋）；适当增加温度和压强，以加快碱液对SO2的吸收速率。1．2某城市生活污水采用完全混合曝气法处理，水量为3×104m3/d，BOD5浓度为200mg/L，要求稳态运行时，出水BOD5浓度达到一级排放标准，即30mg/L，曝气池中有机物的降解遵循一级反应，反应速率为（反应速率常数0.1d-1）。（1）确定曝气池的有效容积；曝气池沉淀池污泥回流（2）若曝气池中污泥浓度为2000mg/L，回流污泥浓度为4000mg/L，求沉淀池的污泥回流比R。解：（1）以曝气池和沉淀池为衡算系统，以BOD5为衡算对象，由物料衡算方程得：系统稳态运行，＝0；代入相应数值得：195 （2）以曝气池为衡算系统，以污泥为衡算对象。由衡算方程，得1．3一直径为2m的贮槽中装有质量分数为0.1的氨水，因疏忽没有加盖，则氨以分子扩散形式挥发。假定扩散通过一层厚度为5mm的静止空气层。在101KN/m2、20℃下，氨的分子扩散系数为1.8×10－5m2/s，计算12小时中氨的挥发损失量。计算中不考虑氨水浓度的变化，氨在时的相平衡关系为。解：氨在水中的摩尔分数为：由题中的相平衡关系算出氨在液面上的分压＝269×0.105=28.2KN/m2氨在空气中的分压为＝0空气的分压：在水面上：在空气中：空气的对数平均分压为：因此，氨在空气中的扩散速率为：水槽的表面积为195 12小时氨的挥发损失量为：G＝2.975×3.14×24=224.4kg/d1．4将水从贮水池输送到处理构筑物中，原有一条管路，直径为500mm。为增加输水量，在该管旁增加一条新管，管径为250mm。两管均为水平敷设，长度相等，为1000m，流动处于阻力平方区，摩擦系数为0.02。当两管的出水端单独接入构筑物和合并后接入构筑物时，两管中的流量比为多少？当两管长度为10m时，流量比为多少？解：（1）管长为1000m时，阻力损失主要为沿程损失，局部损失可以忽略。两管单独接入构筑物或合并后接入构筑物时，两管的水力损失应相等有：即：其中，＝＝0.02；＝＝1000m；:＝500:250所以，（2）管长为10m时，沿程阻力损失和局部阻力损失均要考虑。当两管单独接入构筑物时，两管的水力损失分别为：（注：以下两式中删除了分母中的g）大管：小管：两管水力损失相等，故所以195 当两管合并后接入构筑物时，忽略交汇点处水力损失：大管：小管：两管水力损失相等，故所以1．5有一外径为150mm的钢管，为减少热损失，今在管外包以两层绝热层。已知两种绝热材料的热传导系数之比为1：2，两种绝热层厚度都为30mm。试比较两种绝热材料不同顺序放置时的热损失。设两种情况下内外温度不变。解：设两种绝热材料的导热系数为：＝1：2当导热系数的材料放在内层时：（1）其中，将，代入式（1）得（注：式（2）和（4）最后一项的分母中增加了λ1）195 （2）当导热系数的材料放在内层时：（3）向式（3）代入，得（4）比较式（2）和（4）可以看到即把导热系数较小的绝热材料放在内层可以减少热损失。1.6某一双池塘系统如图所示。上游流量为10×104m3/d，其中有机物浓度为20mg/L。第一个池塘的容积为5.0×104m3，第二个池塘的容积为3.0×104m3。有一股流量为1×104m3/d的污水进入第一个池塘，有机物浓度为120mg/L。有机物降解符合一级反应动力学，降解速率常数为0.30d－1。不考虑蒸发、渗漏或降雨等因素，假设每一个池塘都呈完全混合状态，求稳定状态下每个池塘出水的有机物浓度。解：以第一个池塘为衡算系统，在稳定状态下，由物料衡算方程得：=25.6mg/L以第二个池塘为衡算系统，在稳定状态下，由物料衡算方程得：195 =23.7mg/L1.7现有一传热面积为3m2、由φ25×2.5mm的管子组成的列管式换热器，拟用初温为30℃的水将某液体由200℃冷却到100℃，水走管内。已知水和液体的定压比热容分别为4.18kJ/(kg.·K)和2.0kJ/(kg.·K)，冷侧和热侧的对流传热系数分别为2000W/（m2·K）和250W/（m2·K）。当水和液体的质量流量分别为1000kg/h和1200kg/h时，通过计算说明该换热器是否满足要求；若不满足，可通过什么方法解决（定性分析）？（两流体呈逆向流动，忽略管壁热阻和污垢热阻）解：用30℃的水将某液体由200℃冷却到100℃时，由热量衡算方程，有，故水的最终温度为℃逆向传热时的平均温差为℃传热阻力为该换热器在此时能够传递的热量为<因此，该换热器无法满足要求。解决的方法：195 在无法改变水温的情况下，增加水的流量，从而增大平均温差；增加换热器数量或换用换热面积较大的换热器；在换热器内部安装翅片，热流体走管外，增大热侧对流传热系数，从而增大总传热系数，并增大传热面积。1.8将20℃的水以30m3/h的流量从水池送至高位水箱，已知水箱顶部压强为0.05MPa（表压），水箱水面与水池水面的高差为10m。输水管内径为80mm，长18m，管线局部阻力系数（阀全开时），摩擦系数，求所需泵的功率。已知水的粘度为1×10－3Pa·s，密度为1×103kg/m3。解：输水管中的水流流速输水管局部阻力损失：摩擦系数：输水管沿程阻力损失：所需泵的功率1.930℃、100kPa下，在填料塔中用水吸收混合于空气中的SO2。在塔内某一点上，气相中SO2的浓度为y=0.09，液相中SO2的浓度为x=0.002，气相传质阻力认为集中在2mm厚的气膜中。计算稳定条件下在该点上SO2的传质速率。已知SO2在空气中的分子扩散系数为5×10－5m2/s，30℃时SO2水溶液的平衡关系为Y=26.5X。195 解：液相中SO2的摩尔比为在稳态条件下，气相界面SO2的摩尔比为：YA,1=26.5XA,1＝26.5×0.002=0.053气相界面SO2的摩尔分数为气相主体中SO2的浓度：0.09设yB,1和yB,2为惰性组分在2相界面和气相主体间的摩尔分数,则所以1.10一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径为583mm，保温层外表面的实测温度为48℃，空气温度为22℃。此时空气与保温层外表面的自然对流传热系数为3.43W/m2·K，保温层外表面的黑度是0.9。试求此管道每米长度的总散热量。（此时，辐射传热的角系数为1，总辐射系数为）解：对流传热：辐射传热：195 所以：1.11某热水管道拟采用两层保温材料进行保温，已知两种材料的导热系数分别和，>。若保温材料厚度相同，为了达到较好的保温效果，应将哪种材料放在内层，试通过计算式说明原因。解：当导热系数为的材料在内层时，>，<，令＝a，＝c当导热系数为的材料在内层时，>，>，令＝c，＝a因为所以即为了达到较好的保温效果，导热系数为的材料应放在内层1.12纯气体A通过厚度为0.01m的气膜从主体向催化剂表面扩散，在催化剂表面发生瞬时化学反应A（g）→2B（g），生成的B又反向扩散回来。已知总压力为1.013×105Pa，温度为300K，扩散系数DAB为1.5×10－5m2/s。试求A的扩散速率。解：由因为所以：195 1.13一直径为20mm的球形萘粒置于压力为1.013×105Pa、温度为318K的空气中，已知该温度下萘的蒸汽压为74Pa，萘在空气中的扩散系数为6.9×10－6m2/s，萘的分子量为128，密度为1145kg/m3。试求以下两种情况下，萘球全部升华所需要的时间。（1）萘粒置于大范围静止空气中（注：在大范围静止空气中的传质阻力相当于通过厚度为球半径的静止空气层的阻力）；（2）空气以0.3m/s的速度流动，此时的平均对流传质系数为6.4×10－3m/s。解：（1）设任一时刻萘球的半径为r，有传质速率方程，有又根据质量衡算，有即所以其中，边界条件t＝0，r＝0.01;t=t，r＝0积分得：195 （2）又所以二、分离过程原理2.1简答题1.进口气速不变，增大旋风分离器的直径，对离心力有何影响？转速不变，增大离心机转鼓直径，对离心力有何影响？参考答案：对旋风分离器，离心力，进口气速不变，离心力与直径成反比，所以增大直径，离心力减小。对离心机，离心力，转速不变，离心力与直径成正比，所以增大直径，离心力增加。2.在过滤过程中，滤饼层的可压缩性通常用什么参数来表示？试分析说明滤饼层为不可压缩和可压缩两种情况时，增加过滤压差对过滤速度的影响。参考答案：通常用压缩指数s来表示。由可知，增加过滤压差，过滤速度都会增加，但是滤饼层不可压缩时，过滤速度会增加得更快。3.试比较深层过滤和表面过滤的特点和差异。参考答案：从两者的过滤介质、过滤过程、过滤机理和应用范围加以比较。。4.试说明反渗透膜材质是如何影响膜的截留率的？195 参考答案：，可见膜材料的选择性渗透系数直接影响截留率。要实现高效分离，KW要尽可能大，KA要尽可能小，也就是膜材料必须对溶剂的亲和力强，而对溶质的亲和力弱。5.空气中含有SO2和CH4两种气体，其分压相同，试判断哪种污染物更易被水吸收？为什么？参考答案：SO2更容易被水吸收。因为SO2在水中的溶解度系数更大，而且能够跟水结合并进一步解离。6.采用活性炭吸附某含酚废水，当采用单级吸附饱和后，将饱和后的活性炭填充到固定床中，从顶部通入同样浓度的含酚废水，问活性炭是否还能吸附酚？为什么？参考答案：还能吸附。因为单级吸附饱和后，所对应的平衡浓度较低，通入新的废水后，液相浓度增加，活性碳又处于不饱和状态，所以还会继续吸附。2.2某水中含有颗粒直径为0.2mm的悬浮液，颗粒所占的体积分率为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，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。（水的粘度为1×10-3Pa·s）解：（1）首先计算形成滤饼的比阻滤饼的空隙率为0.6，颗粒的比表面积m2/m3，取比例系数，可得滤饼的比阻为：m-2又假设每得到1m3滤液形成的滤饼体积为c，则根据水的物料衡算可得，得m3（滤饼）/m3（滤液）所以，恒压过滤的过滤常数可计算为195 m2/s由恒压过滤方程得s（2）若是时间延长一倍，则s由恒压过滤方程所以m3所以延长一倍的时间，再得到的滤液量为m32.3在310kPa的操作压力下，采用吸收法去除混合气体中的组分A，已知混合气体中A的分压为100kPa，吸收液中A的摩尔分数为0.003，以摩尔分数差为推动力的气膜和液膜传质系数分别为kmol/m2·s、kmol/m2·s，亨利系数E为1.067×104kPa，试求：（1）组分A的传质速率；（2）分析传质阻力，判断是否适合采取化学吸收；（3）如果采用化学吸收，传质速率提高多少。假设发生瞬时不可逆反应。解：（1）以气相分压差为推动力的气膜传质系数为kmol/kPa·m2·s以液相浓度差为推动力的液膜传质系数为m/s溶解度系数kmol/kPa·m3所以以气相分压差为推动力的气相总传质系数为kmol/kPa·m2·s195 传质推动力为kPa所以传质速率为kmol/m2·s（2）传质阻力分析总传质阻力(m2·s·kPa)/kmol其中气膜传质阻力为(m2·s·kPa)/kmol，占总阻力的0.2%液膜传质阻力占总阻力99.8%，传质过程为液膜控制，适合采用化学吸收。（3）采用化学吸收时，忽略液相传质阻力，且认为液相中A摩尔分数为0则此时传质速率为kmol/m2·s比原传质速率提高627倍2.4某活性炭吸附苯酚的吸附等温试验方程式为q＝2.5C0.5，其中q为吸附容量（mg/g），C为吸附平衡溶质浓度（mg/L）。今有浓度为100mg/L、体积为200mL的苯酚溶液，问：（1）采用单级间歇操作进行处理，欲将溶液中的苯酚浓度降低到10mg/L，需要投加多少活性炭？（2）将经过单级操作的活性炭加入固定床中，持续吸附浓度为100mg/L的苯酚溶液，最多还可以吸附多少苯酚？（3）在固定床中吸附饱和的活性炭是否还可以继续吸附？解：（1）单级吸附饱和时，活性炭吸附量为mg/g由质量衡算可得g所以需要2.28g活性炭（2）固定床中的活性炭达到吸附平衡时，对应的平衡浓度为100mg/L所以活性炭吸附量为mg/g195 所以mg，还可以吸附38.99mg苯酚（3）理论上，增加溶液中苯酚的平衡浓度，活性炭还可以继续吸附苯酚，直到达到活性炭的饱和吸附量。2.5以甲苯为萃取剂，采用萃取法处理含A废水。已知待处理的废水体积为10L,密度为1000kg/m3，废水中的A浓度为1000mg/L，萃取剂量为2kg。如果要求萃取后废水中A浓度达到1mg/L以下，问是否能达到要求？如果能达到，应采取什么样的萃取方式？请通过计算说明。假设A的分配系数为10，并不随溶液组成而变化。解：，要求达到的浓度为（1）采用单级萃取，达不到要求（2）采用多级错流萃取设有n级，每级萃取剂用量2/n达不到要求。（3）采用多级逆流萃取多级逆流操作县最大斜率为多级逆流的最小萃取剂用量为kg<2kg所以，理论上可以采用多级逆流萃取达到要求。2.6采用一半径为r195 的旋流分离器分离某悬浮液，假设能完全分离的颗粒的临界直径为dc。如果将旋流分离器的半径减少为原来的1/2，而其他条件（如液体进口处切向速度、进口宽度和旋流分离器高度均不变），求此时颗粒的临界直径为多少？解：旋流分离器分离颗粒的临界直径可以表达为从这个式子可以看到，颗粒的临界直径与分离器半径无关，所以改变半径不会影响临界直径。2.7某水中含有颗粒直径为0.2mm的悬浮液，颗粒所占的体积分率为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，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。（水的粘度为1×10-3Pa·s）解：（1）首先计算形成滤饼的比阻滤饼的空隙率为0.6，颗粒的比表面积m2/m3，取比例系数，可得滤饼的比阻为：m-2又假设每得到1m3滤液形成的滤饼体积为c，则根据水的物料衡算可得，得m3（滤饼）/m3（滤液）所以，恒压过滤的过滤常数可计算为m2/s由恒压过滤方程得s（2）若是时间延长一倍，则s195 由恒压过滤方程所以m3所以延长一倍的时间，再得到的滤液量为m32.8采用吸收法去除某有害气体,已知气液两相的相平衡关系为y*＝1.2x。采用逆流操作。假设进口处气体中溶质摩尔分数为y1＝0.3，入塔吸收剂的溶质摩尔分数为x2=0.005，如果要求出口处气体中溶质摩尔分数降低为y2=0.001，问能否达到要求？请说明理由。如果达不到，有办法可使出口处气体溶质摩尔分数达到要求吗？解：不能达到要求。因为入塔吸收剂的摩尔分数为x2=0.005，与之平衡的气相摩尔分数为可以通过改变条件，使平衡关系发生变化，减小平衡常数；或者降低入塔吸收剂溶质的摩尔分数。2.9某活性炭吸附苯酚的吸附等温试验方程式为q＝2.5C0.5，其中q为吸附容量（mg/g），C为吸附平衡溶质浓度（mg/L）。今有浓度为100mg/L、体积为200mL的苯酚溶液，问：(1)采用单级间歇操作进行处理，欲将溶液中的苯酚浓度降低到20mg/L，需要投加多少活性炭？(2)如果将在上一单级操作中饱和后的活性炭，再次全部投入到同样体积和浓度的苯酚溶液中，问此次能否使溶液中的苯酚浓度再次降低到20mg/L？请用操作线定性说明。(3)重复(2)的操作直至活性炭不再吸附苯酚为止，求此时活性炭的饱和吸附量为多少？解：（1）由物料衡算，需要投加得活性碳的量为g（2）不能。图略。（3）当活性碳不能吸附时，其饱和吸附量与处理液的初始浓度平衡所以mg/g195 2.10以三氯甲烷为萃取剂，采用萃取法处理含酚废水。已知待处理的含酚废水体积为10L,密度为1000kg/m3，废水中的酚浓度为100mg/L，萃取剂量为2kg。如果要求萃取后废水中酚浓度达到15mg/L以下，问是否能达到要求？如果能达到，应采取什么样的萃取方式？请通过计算说明。假设酚的分配系数为15，并不随溶液组成而变化。解：1采用单级萃取，不能达到要求2采用二级错流萃取，不能达到要求3采用三级错流萃取，达到要求。2.11(1)采用超滤膜过滤含高浓度乳化油废水，试分析随着压力的增加，膜通量将如何变化？(2)采用反渗透膜进行海水淡化，操作温度为25°C,海水中NaCl质量分数为2.0％，如果操作压力为1.2MPa，问是否能正常运行达到脱盐目的？解：（1）膜通量可以表示为195 在此过滤过程中，初期，随着压力的增加，膜通量增大；由于容易形成凝胶层，所以凝胶层形成之后，再增大压力，，凝胶层厚度也会增加，凝胶层阻力随之增加，抵消了压力增加对膜通量的贡献，所以一旦凝胶层形成，膜通量就不会随压力增大而增加。（2）进料盐浓度为mol/L所以渗透压为MPa渗透压大于操作压力，所以不能正常脱盐。2.12采用转筒离心机分离悬浊液中的固体颗粒，已知颗粒直径为50mm，颗粒密度为6600kg/m3，悬浊液密度为1000kg/m3，黏度为1.2×10-3Pa·s，转筒尺寸为h=500mm,r1=50mm,r2=100mm,离心机转速为250r/min。(1)求离心机完全去除固体颗粒时的最大悬浊液处理量。(2)如果改用直径D与离心机相同的漩流分离器处理该悬浊液，假设进液口宽度B=D/4，液体在旋流分离器中的旋转圈数为5，采用什么样的操作条件，才能使漩流分离器的分离效率与离心机相同。解：（1）假设颗粒运动位于层流区，则颗粒的沉降时间为所以悬浊液的最小停留时间为1.56s最大处理量为m3/s检验：沉降速度雷诺数，假设真确。（2）在旋流分离器中分离相同的颗粒，需要的进口流速为195 m/s检验：，假设正确。2.13对某有害气体采用吸收法处理，已知气液两相的相平衡关系为y*＝1.2x。假设气体中溶质摩尔分数为0.3，吸收剂中的溶质摩尔分数为0.01，液气比为2。(1)采用逆流操作时，请画出操作线和平衡线的关系示意图。假设气体出口处气体中溶质摩尔分数为0.02，计算气体进口和出口处的推动力。(2)采用并流操作（气体和吸收剂均从塔底部进入）时，请画出操作线和平衡线的关系示意图。如果同样要求气体出口处气体中溶质摩尔分数达到0.02，问是否能够达到要求？气体中溶质摩尔分数最低能达到多少？(3)在上述并流操作条件下，如果要使气体出口处气体中溶质摩尔分数达到0.02，应如何调整操作参数？请通过计算说明。解：（1），，气体出口处与液相平衡的气相摩尔分数为所以推动力为气体进口处液相摩尔分数为气体出口处与液相平衡的气相摩尔分数为所以推动力为（2）并流操作，气体出口最大为由物料衡算机平衡关系，可以求得，所以出口气体最低为195 不能达到处理要求。（3）可以通过增加液气比来实现，即将液气比提高到58.4可以实现。X1X2XX2X1XYY1Y2YY1Y22.14采用萃取法处理含酚废水。已知待处理的含酚废水体积为10L,密度为1000kg/m3，废水中的酚浓度为100mg/L，要求萃取后废水中酚浓度达到15mg/L以下。假设酚的分配系数为15，并不随溶液组成而变化。(1)采用单级萃取时，问需要添加多少kg的萃取剂？(2)将单级萃取后的萃取相与同样体积和同样浓度的含酚废水再次接触进行萃取操作，问废水中的酚浓度可以降低到多少？并请画出操作线和平衡线的关系示意图。(3)重复（2）的操作，求最终得到的萃取相中酚的最大浓度为多少？（25分）解：（1）单级萃取料液中B的量为kg根据物料衡算又因为所以需要的萃取剂为kg（2）再次萃取后，由物料衡算和平衡关系195 可得，浓度为3.7mg/L（3）重复操作，最终得到的萃取相中的浓度是与处理液浓度平衡的浓度所以，浓度为1500mg/L三、反应工程原理3.1简答题1.简述影响均相连续反应器内反应物的转化率的主要因素。解：（1）反应器：反应器的操作方式（全混流、平推流等）、反应器有效容积；（2）反应：反应级数、反应速率常数；（3）操作条件：反应停留时间、进料浓度、温度。2.西勒（Thiele）模数的物理意义是什么？具体说明西勒（Thiele）模数的大小如何影响催化剂的有效系数？解：物理意义是最大反应速率与最大内扩散速率的比值ΦS值越大，内扩散阻力越大，有效系数越小（1）ΦS<0.1-0.3时，η≈1，此时扩散的影响可忽略不计。（2）ΦS>5-9时，η值小于0.1，且η≈1/ΦS。此时宏观反应速率主要受扩散的影响。3.根据环境净化与污染防治技术的基本原理，阐述实现污染物高效、快速去除的基本技术路线。解：原理体系：利用隔离、分离、转化等技术原理，通过工程手段，实现污染物的高效、快速去除。技术路线：通过隔离/分离/转化方式的优选与组合，实现对污染物的高效（去除效率、能耗）、快速地去除。即通过对装置的优化设计以及对操作方式和操作条件的优化，实现对介质的混合状态和流体流态的优化和对迁移（物质、能量）和反应速率的强化，从而实现对污染物的高效（去除效率、能耗）、快速去除。195 4.影响以微生物膜表面积为基准的基质消耗速率的主要因素（主要指与微生物膜和基质本身特性有直接关系的主要因素，不包括温度、pH等环境条件）有哪些？解：根据公式其中所以，影响微生物膜反应速率（以表面积为基准）的因素为基质的特性：基质在微生物膜内的有效扩散系数Dsf，基质反应速率常数k；微生物膜特性：膜内的微生物浓度Xf，：微生物膜的厚度δ；微生物的膜内微生物种类表面的基质浓度5.简要说明为什么气液相反应的宏观速率方程根据本征反应速率的快慢有不同的表达形式。解：气液相反应过程是包括传质和反应的多个步骤的综合过程。宏观反应速率控制步骤为传质过程或反应过程，由本征反应速率和传质速率快慢所决定。控制步骤不同，反应区域与浓度分布亦不同，反应速率方程和传质形式发生改变，从而使宏观速率方程具有不同的表达形式。6.试比较固体催化剂的有效系数与微生物膜的有效系数的定义有何不同？解：固相催化剂的有效系数(η)，也称效率因子：微生物膜的有效系数(ηS)两种定义中反应速率最大值或理想值的定义不同1.一般情况下，反应器内的流体流动状态会对反应结果产生影响，为什么？195 解：反应过程和传递过程是反应工程的关键，而反应器内流体的流动状态将直接影响反应过程和传递过程，即流动状态不同，将使反应器内的浓度分布、温度分布和流速分布的不同，可能造成反应器各“流团”停留时间分布、组分分布和反应速率分布的不同，从而影响反应的结果。8.若将反应速率的定义写成－rA＝－dcA/dt，该定义式成立的条件是什么,并说明理由？解：成立的条件为恒容反应。根据反应速率的一般定义(nA=cAV)即对于恒容反应有所以反应速率的定义9.进行反应速率方程的实验测定时，常采用间歇反应器，为什么？解：间歇反应器获取数据较为方便（1）平推流反应器和全混流反应器需调节至稳态，才可进行实验测定，获取数据；间歇反应器只需一次性将物料加入反应器，便可进行实验测定。（2）平推流反应器和全混流反应器需进行多次实验，改变时间τ或进口浓度cA0，测定反应器出口浓度cA；间歇反应器只需进行一次实验。10．气液相反应的宏观速率方程根据本征反应速率的快慢有不同的表达形式，为什么？解：气液相反应过程是包括传质和反应的多个步骤的综合过程。宏观反应速率控制步骤为传质过程或反应过程，由本征反应速率和传质速率快慢所决定。控制步骤不同，反应区域与浓度分布亦不同，反应速率方程和传质形式发生改变，从而使宏观速率方程具有不同的表达形式。11.简要阐述环境净化与污染控制技术原理体系以及在实际工程中实现污染物高效、快速去除的基本技术路线。解：（1）原理体系：利用隔离、分离、转化等技术原理，通过工程手段，实现污染物的高效、快速去除。（2）技术路线：通过隔离/分离/转化方式的优选与组合，实现对污染物的高效（去除效率、能耗）、快速地去除。195 即通过对装置的优化设计以及对操作方式和操作条件的优化，实现对介质的混合状态和流体流态的优化和对迁移（物质、能量）和反应速率的强化，从而实现对污染物的高效（去除效率、能耗）、快速去除。12.对于不可逆液相反应，利用间歇反应器和理想平推流反应器进行反应操作时的基本方程有何异同？简要分析其理由。解：间歇反应器基本方程为平推流反应器的基本方程为异同：方程的基本形式相同，但间歇反应器为反应速率正比于转化率随时间的变化率，而平推流反应器为反应速率正比于转化率随空间的变化率。原因：平推流反应器可以看作一个微元在流动过程中进行间歇反应，其反应时间可用流动的距离或体积进行表示。即在空间上的平推流反应器与在时间上的间歇反应器。13.简述影响球形催化剂有效系数的主要因素及其产生的影响。解：球形催化剂的效率系数的定义为西勒模数反映了反应过程受本征反应及内扩散的影响程度，与η大小有关根据可知η的主要影响因素有催化剂颗粒半径R，扩散系数De，反应速率常数kV，催化剂表面反应物浓度cAS。R、kv、cAS、n越大，本征反应速率越大，则扩散过程对反应速率影响越大，η值越小；De越大，扩散速率越大，则本征反应对反应速率影响越大，η值越大。14.分析气－液相快速反应的特点。根据气－液相拟一级快速反应的宏观速率方程，简述提高反应速率的措施。解：特点为A与B之间的反应速率较快，反应发生在液膜内的某一区域中，在液相主体不存在A组分，也不发生A和B之间的反应。195 拟一级快速反应的宏观反应速率方程其中，提高反应速率的措施：①提高Hatta（八田）数：可以通过提高B在液相主体的浓度cBL、A在液相中的扩散系数DLA。②提高cAi：加大气相中A的分压③提高kLA：改善传质，即提高A在液相中的扩散系数DLA，减少液膜厚度δL3.2在气固相催化反应本征动力学实验中，向一连续反应器内装入质量为m1的催化剂（填充层高h1），保持温度、压力、进口物料组成不变，改变反应物A的进料摩尔流速qnA0，测定相应的反应率xA，得到xA－m/qnA0曲线。在同一反应器内装入质量为m2（填充层高度为h2）的催化剂，在同样的温度、压力和进口物料组成的条件下得到另一条xA－m/qnA0曲线（见图1）。简要回答以下问题：（1）说明如何利用该实验结果，确定消除外扩散影响的物料流速条件，并说明理由。（2）h1和h2的大小关系如何，为什么？（3）该实验较宜使用积分反应器还是微分反应器？为什么？xAm/qnA0图1不同填充层高度条件下转化率与物料摩尔流速的关系曲线解：（1）两条曲线重合部分的实验条件，说明两种情况下尽管有线速度的差别，但不影响反应速率，在这种实验条件下，即可以认为消除外扩散的影响195 对于不同填充高度h，当m/qnA0相同时，即qnA0/m相同，即单位质量催化剂处理物料相同，不同的只是h增加，则有h↑→m↑→qnA0↑→qV0↑→线速度↑。所以当两线重合时，说明线速度↑不影响反应速度，即外扩散影响已经消除。（2）若外扩散未消除，h↑→m↑→qnA0↑→qV0↑→线速度↑→外扩散↑→反应速度↑→xA↑所以h↑→xA线速度↑，所以h1>h2（3）宜采用积分反应器因为此实验的关键是比较不同h时的转化率xA，而微分反应器要求xA在5％以内（入口处xA0=0）在xA<5%的情况下还要比较xA的大小比较困难。3.3已知单一不可逆液相反应A→P的反应速率只与反应物A的浓度有关，现拟利用半衰期法确定其反应速率方程，请设计一个简单可行的实验方案并给出实验数据的解析方法。（10分）解：（1）设-rA=kcAn，利用间歇积分反应器，改变A的初始浓度cA0，测定A的转化率为50％时的时间t1/2（2）以lgt1/2对lgcA0作图，得一直线，直线斜率等于1-nlgcA0（3）由此求得反应级数n若n=1，则若n≠1，则195 积分可得：若n≠1反应速率常数为3.4细菌A和B均能利用基质S作为唯一碳源和能源生长，且利用S时的生长速率均符合Monod方程。已知A和B的生长动力学参数为：μmax，A=0.5h-1，Ks,A=1mg/L，Yx/s,A=0.4mg（细胞）/mg（基质），μmax，B=0.3h-1，Ks,B=0.2mg/L，Yx/s,B=0.3mg（细胞）/mg（基质）。若以S为唯一基质，用连续培养器对A和B进行混合培养，已知培养器的有效体积为0.5m3，新鲜培养液中S的浓度为50mg/L，试回答以下问题：（共20分）（1）在培养达到稳定态时，保证A和B共存的必要条件是什么？（2）在培养液供应量为0.2m3/h的条件下，试计算培养达到稳定态时培养器内A和B的细胞浓度分别为多少？基质的转化率是多少？（3）在培养液供应量为0.06m3/h的条件下，试计算达到稳定态时培养器内A和B的细胞浓度分别为多少？基质的转化率是多少？（4）讨论利用连续培养器进行混合菌培养时的注意事项以及影响培养器内基质转化率的主要参数和操作条件。解：A、B培养时，细胞比增长速率为做A、B生长曲线，如下图195 。（1）在培养达到稳定态时，保证A和B共存，有（2）培养液供应量为0.2m3/h稀释率根据生长曲线有所以，比增长速率稳态时，只存在A，而B则被洗脱。A的细胞浓度B的细胞浓度XB=0稳态时，反应器基质浓度基质转化率（3）培养液供应量为0.06m3/h稀释率195 稳态时，A被洗脱，只存在BXA=0基质转化率为（4）要使连续培养器内的混合菌共存，条件非常苛刻，即稀释率等于不同菌的比生长速率，否则将会有洗脱现象发生。影响转化率的重要参数：KS，操作条件：D3.5利用间歇反应器进行一级不可逆液相反应A→B的动力学实验，实验结果表明，在30oC时，A的转化率达到80％的反应时间为3小时，试回答以下问题。（共25分）（1）在同样的温度条件下，利用完全混合流反应器进行A→B反应时，要使A的去除率达到80％，反应物料需在反应器中平均停留多少时间？（2）将A的浓度为300mol/m3的液体以0.50m3/h的速度送入一完全混合流反应器（温度条件不变），试求反应器有效体积为2m3时的A的转化率。在同样的条件下，若将5个体积均为0.4m3的完全混合流反应器串连使用，A的转化率将达到多少？（3）在同样的条件下，将A的浓度为300mol/m3的液体以0.50m3/h的速度送入一平推流反应器，试求反应器有效体积为2m3时的A的转化率。（4）根据以上计算结果，讨论反应器操作方式对转化率的影响。解：对于一级不可逆液相反应，在间歇反应器中有195 （1）一级反应，在完全混合流反应器中有（2）在完全混合流反应器中空间时间反应器出口A浓度转化率xA＝1-cA/cA0=68.2%若改为5个全混流反应器串联单个反应器空间时间第5个反应器出口A浓度反应器出口转化率（3）在平推流反应器中停留时间出口浓度转化率（4）对于一级反应①间歇反应器的反应时间t与平推流反应器的时间相等时，转化率相同②相同时，全混流反应器的转化率小于平推流反应器③总相同时，多级串联CSTR转化率大于CSTR。195 3.6某地下水净化工程计划利用硝酸根离子的氢气催化还原反应去除地下水中的硝酸根（将氢气送入污染地下水中，并选择金属铜为固体催化剂（内部无微孔）。假设该反应主要发生在催化剂的外表面，为非慢速反应且硝酸根的主要还原产物为氮气（实事上，根据反应条件的不同，氨有时会成为主要还原产物）,反应式为：NO3-+H2àN2+H2O（1）试分析该反应系统的微观过程。（2）假如让你设计该反应系统，你会选用哪种形式的固相催化反应器？为什么？该类反应器有什么缺点？（3）根据反应器设计的需要，须进行动力学实验获得该反应的本征反应动力学方程。确定实验条件时应特别注意哪些问题？试给出确定关键性实验条件的方法？（共20分）解：（1）本反应为非均相气液固三相反应。①H2溶解于地下水，由气相进入液相。②液相主体中的H2、NO3－扩散，从流体主体穿过边界层向固体催化剂表面传递。③反应物的吸附：反应物在催化剂表面活性中心上吸附，成为活化分子。④表面反应：活化分子在催化剂表面上发生反应，生成吸附态产物。反应必须借助于催化剂表面的活性中心才能发生。⑤产物的脱附：反应产物N2从固体表面脱附。⑥产物的扩散：反应产物N2从固体外表面穿过边界层向流体主体传递。⑦反应产物N2从液相进入气相。（2）选择流化床反应器。原因如下：①反应为液-固反应，流化床反应器主要用于液-固催化反应，而固定床催化反应器则用于气－固催化反应②热能效率高，而且床内温度易于维持均匀；③传质效率高；④反应器的结构简单。流化床反应的缺点为：195 ①能量消耗大；②颗粒间的磨损和带出造成催化剂的损耗；③气固反应的流动状态不均匀，有时会降低气固接触面积；④颗粒的流动基本上是全混流，同时造成流体的返混，影响反应速率。（3）要获得该反应的本征动力学方程，须消除扩散的影响（本反应主要为外扩散）消除外扩散的预备实验方法：①在一反应器内装入质量为m1的催化剂，此时的填充层高度为h1，在保持相同温度、压力、进口物料组成的条件下，改变进料摩尔流速qnA0，测定相应的反应率xA；②在同一反应器内装入质量为m2的催化剂，此时的填充层高度为h2，在同样的温度、压力、进口物料组成的条件下测定不同qnA0时的xA；③将一组实验数据按xA～m/qnA0作图，得两条曲线，如图。在两条曲线重合部分，尽管气体流动的线速度不同（即流体的流动状态不同），但反应速率相同，说明反应没有受到扩散的影响。选取重合部分m/qnA0作为实验条件，便可认为消除了外扩散的影响。3.7污染物A的分解反应AàP可视为一级反应（恒容），反应的活化能为84kJ/mol。在150oC条件，利用平推流反应器进行分解反应，A的去除率达到一定要求时需要的反应器体积为Vp。（1）在相同的反应温度下，设改用全混流反应器时达到同样的去除率需要的反应器体积为Vm，则Vm与Vp的比值Vm/Vp存在何种定量关系。（2）根据Vm/Vp值的大小，比较平推流反应器和全混流反应器的反应效率并说明造成这种现象的主要原因是什么？（3）设A的去除率目标为60％，若将平推流反应器改为全混流操作，要达到同样的去除率反应温度应如何变化？（4）在上一问中，若将反应器改为两个体积相等的全混流反应器(总有效体积不变)，进行串联操作，若要达到60％的去除率，反应温度应如何变化？（共20分）195 解：（1）对于一级反应，平推流反应器有全混流反应器有对上述两式变形可得和所以（2）Vm/Vp>1平推流反应器的反应效率高于相同体积的全混流反应器。原因为全混流反应器具有混匀作用，物料进入反应器后被稀释，浓度降低，反应效率降低，故Vm>Vp。（3）根据平推流反应器设计方程可得根据全混流反应器设计方程有所以由有计算可得Tm=432K，tm=158.9℃升高8.9℃（4）由（3）可得195 由2级全混流反应器可得所以计算可得Tm=427.4K，tm=154.3℃升高4.3℃3.8一假单胞菌利用基质S时的生长速率符合Monod方程。已知其最大比生长速率为0.4h-1，Ks值为0.74kg/m3,Yx/s为0.5。现利用连续培养器对该细菌进行培养，培养基中基质S的浓度为10kg/m3,稀释率D为0.2h-1。在进行连续运行之前，利用间歇培养操作，将细胞浓度培养至6.0kg/m3。（1）计算稳定运行时基质S的利用率。（2）计算稳定运行时培养器中的细胞浓度，并定性分析连续培养操作开始后培养器内细胞浓度的变化及其原因。（3）由于操作不慎，培养器内混入A和B两种杂菌。已知该两种菌利用S时的最大比生长速率分别为0.1h-1和0.3h-1，Ks值均为0.21kg/m3。试分析长期培养时培养器内的细菌组成情况。（4）根据微生物反应器的理论，在不停止运行的情况下，你有什么方法排除该两种杂菌的影响，使培养器内恢复到非污染的状态，并说明理由。（5）计算基质S的利用率达到99%时的稀释率。（6）根据（1）和（5）的计算结果，讨论在环境工程上利用降低稀释率提高污水生物处理系统（细胞分散体系）中污染物去除率的局限性。可采取其它什么措施提高污水生物处理系统（细胞分散体系）的污染物去除率？试利用微生物反应器的知识，分析该措施的理论依据。（30分）解：（1）195 稳定运行时，基质浓度利用率（2）稳定运行时培养器中的细胞浓度连续培养开始后，X逐渐下降，最后稳定在4.63kg/m3左右，因为刚开始时细菌生长量不足，被洗脱，所以X下降。（3）如图所示杂菌A，μA杂菌B，μB假单胞菌μ反应器稀释率D=0.2h-1,取μB和μ的交点为μx则根据曲线可知，μmaxA