1、2022-8-5第02章质量衡算与能量衡算第第02章质量衡算与能量章质量衡算与能量衡算衡算第02章质量衡算与能量衡算在环境污染控制工程领域，无论是水处理、废气处理和固体废弃物处理处置，还是给水排水管道工程，都涉及流体流动、热量传递、质量传递现象。l流体流动：输送流体、沉降分离流体中颗粒物，污染物的过滤分离等l热量传递：加热、冷却、干燥、蒸发以及管道、设备的保温等l质量传递：吸收、吸附、吹脱、膜分离以及生物、化学反应等第第I篇篇 工程原理基础工程原理基础第02章质量衡算与能量衡算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传递、质量传递的基础理论。系统掌握流体
2、流动和热量传递、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。第第I篇篇 工程原理基础工程原理基础第02章质量衡算与能量衡算第二章第二章 质量衡算与能量衡算质量衡算与能量衡算东北大学环境工程研究所第02章质量衡算与能量衡算第一节 常用物理量 常用物理量及单位换算 常用物理量及其表示方法第二节 质量衡算 衡算系统的概念 总质量衡算方程第三节 能量衡算 总能量衡算方程 热量衡算方程本章主要内容第02章质量衡算与能量衡算国际单位制 的基本单位 量的名称 单位名称 单位符号 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 发光强度 米 千克（公斤）秒 安培 开
3、尔文 摩尔 坎德拉 M Kg s A K mol cd 计量单位是度量物理量的标准 物理量数值单位国际单位制，符号为SI 1.1 计量单位mkg表2.1.1 国际单位制的基本单位7 7个基本单个基本单位位1.1.常用物理量常用物理量第02章质量衡算与能量衡算2 2个辅助单个辅助单位位表2.1.2 国际单位制的辅助单位 量的名称 单位名称 单位符号 平面角 立体角 弧度 球面度 rad sr 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。导出单位导出单位1.1.常用物理量常用物理量第02章质量衡算与能量衡算当采用其他单位制时，将各物理量的单位代入定义式中，得到的
4、k不等于1。例如，上例中，若距离的单位为cm，则k=0.01。式中式中F F力；力；m m质量；质量；a a加速度；加速度；u u速度；速度；t t时间；时间；s s距离；距离；k k比例系数。比例系数。力的导出单位力的导出单位，按牛顿运动定律写出力的定义式，即，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，则力的导出单位为导出单位导出单位1.1.常用物理量常用物理量第02章质量衡算与能量衡算 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。例如1m长的管用英尺度量时为3.28084ft，则英尺与米的换算因数为3.28084。解：按照题意，将kgf/cm2中力的单位k
5、gf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又 1cm0.01m所以 1.03323kgf/cm21.033239.80665N/(0.01m)2=1.013105 N/m2【例题1】已知1atm1.03323kgf/cm2，将其换算为N/m2。1.2 物理量的单位换算1.1.常用物理量常用物理量第02章质量衡算与能量衡算1质量浓度与物质的量浓度质量浓度与物质的量浓度（1）质量浓度（2）物质的量浓度组分A的摩尔质量2.质量分数质量分数组分A的质量分数混合物的总质量组分A的质量 1.1.常用物理量常用物理量1.3 常用物理量的表示方法
6、第02章质量衡算与能量衡算在水处理中，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 110-6（质量分数）=1ppm1g/L 相当于1g/1000g 110-9（质量分数）=1ppbppmppb g/g，10-6 g/kg，10-9（质量分数）1.1.常用物理量常用物理量第02章质量衡算与能量衡算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
7、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。1.1.常用物理量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 Pam3K-1mol-1；T热力学温度，K。第02章质量衡算与能量衡算1.1.常用物理量常用物理量【例题2】在101.325KPa、25条件下，某室内空气一氧化碳的体积分数为9.010-6。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
8、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第02章质量衡算与能量衡算体积流量 质量流量 3.流量4.流速1.1.常用物理量常用物理量圆形管道 速度分布 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。流速影响流动阻力和管径，因此直接影响系统的操作费用和基建费用。第02章质量衡算与能量衡算 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。p单位时间内通过单位面积的热量，称为热量通量，单位为J/（m2s）；p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
9、量，单位为kg/（m2s）；5.通量1.1.常用物理量常用物理量第02章质量衡算与能量衡算2.2.质量衡算质量衡算?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输出量转化量积累量2.1 衡算的基本概念第02章质量衡算与能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，为反应物时，为负值。单位时间：2.2.质量衡算质量衡算2.1 衡算的基本概念第02章质量衡算与能量衡算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
10、，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2.2.质量衡算质量衡算第02章质量衡算与能量衡算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。稳态系统与非稳态系统2.2.质量衡算质量衡算第02章质量衡算与能量衡算各种情况下的质量衡算 稳态系统 非稳态系统 组分发生反应 组分不发生反应 2.2 总质量衡算2.2.质量衡算质量衡算第02章质量衡算与能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
11、位要统一划定衡算的系统确定衡算的对象某组分2.2.质量衡算质量衡算第02章质量衡算与能量衡算【例题3】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。2.2.质量衡算质量衡算A 稳态非反应系统第02章质量衡算与能量衡算氯化物的输出速率为氯化物的输入速率为2.2.质量衡算质量衡算解：首先划定衡算系统，绘制质量平衡图 第02章质量衡算与能量衡算2.2.质量衡算质量衡算【例题4】某污水处理工艺中含有
12、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。0124 3 3？根据需根据需要划定衡要划定衡算的系统算的系统第02章质量衡算与能量衡算2.2.质量衡算质量衡算已知=5 000m3/d，200
13、mg/L，20mg/L，(100-96)/(100/1000)40 g/L40000 mg/L(100-99.8)/(100/1000)2 g/L2000 mg/L100mg/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。第02章质量衡算与能量衡算输入速率输出速率=22.5 m3/d 4977.5 m3/d 012432.2.质量衡算质量衡算第02章质量衡算与能量衡算2.2.质量衡算质量衡算(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
14、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 01243第02章质量衡算与能量衡算2.2.质量衡算质量衡算【例题5】一个湖泊的容积为10.0106m3。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。B 稳态反应系统稳态情况:第02章质
15、量衡算与能量衡算解：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 2.2.质量衡算质量衡算B 稳态反应系统第02章质量衡算与能量衡算2.2.质量衡算质量衡算【例题6】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0.0510-6相比较。第02章质量衡算与
16、能量衡算2.2.质量衡算质量衡算输入速率 输出速率降解速率 5021.4140 mg/h 10001000 mg/h 第02章质量衡算与能量衡算解：根据质量衡算方程【例题6】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/skg02.2.质量衡算质量衡算C 非稳态系统第02章质量衡算与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？3.1 能量衡算方程3.3.能量衡算能量衡算第02
17、章质量衡算与能量衡算3.1 能量衡算方程3.3.能量衡算能量衡算流体输送中，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？第02章质量衡算与能量衡算（1）物料和能量都可以穿越系统边界热量 做功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）只有能量可以穿越边界（热和功）3.3.能量衡算能量衡算第02章质量衡算与能量衡算3.3.能量衡算能量衡算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
18、的变化 对于物料系统内部能量的变化量：第02章质量衡算与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 单位时间系统物料总能量的变化值：3.2 热量衡算方程3.3.能量衡算能量衡算第02章质量衡算与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 3.3.能量衡算能量衡算第02章质量衡算与能量衡算3.3
19、 封闭系统的热量衡算3.3.能量衡算能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温度的升高和物态的变化。第02章质量衡算与能量衡算3.3 封闭系统的热量衡算3.3.能量衡算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02章质量衡算与能量衡算物质的潜热(溶解热和汽化热)对于固体或液体：热量衡算方程3.3.能量衡算能量衡
20、算3.3 封闭系统的热量衡算对于气体：气体变化前后体积不变用cv，压力不变的cp相变，无温变无相变第02章质量衡算与能量衡算3.3.能量衡算能量衡算【例题1】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 Q1.5t1.5t kWh水中能量的变化为2014.18（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。第02章质量衡算与能量衡算与环境既有
21、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，无能量积累3.4 开放系统的热量衡算开放系统3.3.能量衡算能量衡算第02章质量衡算与能量衡算3.4 开放系统的热量衡算3.3.能量衡算能量衡算【例题2】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/(kgK)。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。第02章质量衡算与能量衡算3.3.
22、能量衡算能量衡算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饱和水的焓第02章质量衡算与能量衡算 开放系统中稳定状态下能量变化率的计算：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因物料离开系统所输出的能量为式中：通过系统的物料的质量流量，kg/h或kg/s；1H 单位质量物料
23、进入系统时的焓，kJ/kg；2H 单位质量物料离开系统时的焓，kJ/kg。则系统的能量变化率为3.3.能量衡算能量衡算第02章质量衡算与能量衡算3.3.能量衡算能量衡算 (1)当物料无相变时，若定压比热容不随温度变化，或取物料平均温度下的定压比热容时:T 例如：用水对热电厂的烟气进行冷却，表示冷却水质量流量，表示冷却水在流经热电厂的冷凝器后温度的升高。(2)当物料有相变时，如热流体为饱和蒸汽，放出热量后变为冷凝液。当冷凝液以饱和温度离开系统时:式中：r 饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg。当物料离开系统时的温度低于饱和温度时，物料经过系统放出潜热时，r为负值！第02章质量衡算与能量衡算3.3.能量
24、衡算能量衡算Q【例题3】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第02章质量衡算与能量衡算 边界条件：h 3.3.能量衡算能量衡算第02章质量衡算与能量衡算3.3.能量衡算能量衡算【例4
25、】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第02章质量衡算与能量衡算3.3.能量衡算能量衡算解：（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第02章质量衡算与能量衡算（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。3.3.能量衡算能量衡算2022-8-5第02章质量衡算与能量衡算
