质量衡算与能量衡算.docx
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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
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？
4.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？
5.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？
2.什么是圭寸闭系统和开放系统？
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，贝U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。
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？
3.分支管路具有哪些特点？
4.并联管路具有哪些特点？
5.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18C,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。
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。
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=O、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。
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。
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?
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？
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。
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？
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。
7.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二-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？
第川篇综合练习题
、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）粘度卩;
（2）扩散系数D。
答：
（1）粘度卩的量纲：
（2）扩散系数D的量纲：
［D］二M2t，
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：
「-Um
d2
层流时：
，二一
Re
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。
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。
6.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。
7.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
1
■=0.3164Re4。
，管长增加一倍时，压降增加一倍；管径增加一倍
Re
时，压降减小为原来的1/16。
1
（2）湍流时，，=0.3164Re°，流量增加一倍时，压降增加，为原来的5.19（或2（2+1/4））倍。
8.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•
ln—In—
当打在内层，有Q2=匸主=2订（「—T2）/
RI盍2人
I）
为比较QiQ2的大小，将上两式相除，可得Q1/Q2.1,因此应将'2放在内
9.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。
11.流体中组分A的含量为CA，°，与平壁面接触，壁面上组分A的含量为6」，
且％0＞云」。
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
（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。
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Q二一b——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1果。
'。
因此,2A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。
16.燃烧废气中含有S02,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。
DABp
答：
吸收法可近似认为单向扩散，NA=RTLpm（p『％）。
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S02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3X104m3/d,B0D5
浓度为200mg/L，要求稳态运行时，出水B0D5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r=0.1c（反应速率
常数0.1d-1）。
（1）确定曝气池的有效容积；
（2）若曝气池中污泥浓度为2000mg/L，回流污泥浓度为4000mg/L,求沉
系统稳态运行，—=0;代入相应数值得：
dt:
RX:
（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、20T下，氨的分子扩散系数为1.8为0_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
p=269x（KN/rm）。
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pA,j=269X0.105=28.2KN/m2
氨在空气中的分压为Pa,o=0
空气的分压：
在水面上：
pB,i=p—pA,i=101.3—28.2=73.1KN/m2
在空气中：
Pb,。
=p-Pa,。
=101.3—0=101.3KN/m2
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
12小时氨的挥发损失量为:
G=2.975X3.14X24=224.4kg/d
1.4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
其中，/'1=‘2=0.02;h=I?
=1000m；dr:
d?
=500:
250
所以，q“：
qv2=4迈=5.6
（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）
2222222uLuuuuuu大管：
\丄」2」=1.0」0.4」0.5」=1.9」
2d1222222
两管水力损失相等，hf1二hf2
所以qv:
qv2=业（»=4.4
u2d2
当两管合并后接入构筑物时，忽略交汇点处水力损失:
大管：
22222uLuuuu
hf1=1丄「丄丄=1.0二0.4丄=1.4丄
f1121d122
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