《环境工程学一》作业

  • 2019-03-17 12:00
  • 2020-01-03 23:02

第 1 次作业

1.

$\ce{SO2}$:$w_V = \cfrac{w_mV_m}{M} = \cfrac{0.15 \times 22.4}{64} = \pu{52.5 ppb}$;

$\ce{NO2}$:$w_V = \cfrac{w_mV_m}{M} = \cfrac{0.12 \times 22.4}{46} = \pu{58.4 ppb}$;

$\ce{CO}$:$w_V = \cfrac{w_mV_m}{M} = \cfrac{4.00 \times 22.4}{28} = \pu{3.2 ppm}$。

2.

(1)

$w_m = \cfrac{w_VM}{V_m} = \cfrac {1.50 \times 10^{-4} \times 154 \times 1000}{22.4}\pu{g/m3_N} = \pu{1.03 g/m3_N}$;
$c = \cfrac{w_V}{V_m} = \cfrac {1.50 \times 10^{-4} \times 1000}{22.4} \pu{g/m3_N} = \pu{67.0 mol/m3_N}$。

(2)

$m = qw_mt = \cfrac {10 \times 1.03 \times 86400}{1000} \pu{kg} = \pu{890 kg}$。

3.

取 $\pu{100 g}$ 重油,则各元素的含量为:$\ce{C}$:$\pu{85.5 g} \rightarrow \pu{7.12 mol}$,$\ce{H}$:$\pu{11.3 g} \rightarrow \pu{11.2 mol}$,$\ce{O}$:$\pu{2.0 g} \rightarrow \pu{0.125 mol}$,$\ce{N}$:$\pu{0.2 g} \rightarrow \pu{0.0143 mol}$,$\ce{S}$:$\pu{1.0 g} \rightarrow \pu{0.03125 mol}$。

(1)

①理论耗氧量:$\cfrac{7.12 + \cfrac {1}{4} \times 11.2 + 0.03125 - \cfrac {1}{2} \times 0.125}{0.1}\pu{mol/kg} = \pu{98.9 mol/kg}$,理论空气量:$4.78 \times \pu{98.9 mol/kg} = \pu{473 mol/kg}$,即 $\cfrac{473 \times 22.4}{1000}\pu{m3/kg} = \pu{10.6 m3/kg}$;

理论烟气量:$\left(\cfrac{7.12 + \cfrac{1}{2} \times 11.2 + \cfrac {1}{2} \times 0.0143 + 0.03125}{0.1} + 3.78 \times 98.9\right)\pu{mol/kg} = \pu{501 mol/kg}$,即 $\cfrac{501 \times 22.4}{1000}\pu{m3/kg} = \pu{11.2 m3/kg}$。

(2)

理论干烟气量:$\left(501 - \cfrac{\cfrac{1}{2}\times 11.2}{0.1}\right)\pu{mol/kg} = \pu{445 mol/kg}$,即 $\cfrac{445 \times 22.4}{1000}\pu{m3/kg} = \pu{9.97 m3/kg}$。

$\ce{SO2}$浓度:$\cfrac {0.03125}{0.1\times445} = 7.02\times10^{-4}$,$\ce{CO2}$最大浓度:$\cfrac {7.12}{0.1\times331} = 0.16$。

(3)

实际空气量:$1.1 \times \pu{10.6 m3/kg} = \pu{11.7 m3/kg}$,实际烟气量:$\pu{11.2 + 0.1 \times 10.6 m3/kg} = \pu{12.3 m3/kg}$。

4.

取 $\pu{100 g}$ 燃煤,则各元素的含量为:$\ce{C}$:$\pu{65.7 g} \rightarrow \pu{5.475 mol}$,$\ce{H}$:$\pu{3.2 g} \rightarrow \pu{3.17 mol}$,$\ce{O}$:$\pu{2.3 g} \rightarrow \pu{0.144 mol}$,$\ce{S}$:$\pu{1.7 g} \rightarrow \pu{0.0531 mol}$,水分:$\pu{9.0 g} \rightarrow \pu{0.500 mol}$。

(1)

理论耗氧量:$\cfrac{5.475 + \cfrac{1}{4}\times 3.17 + 0.0531 - \cfrac{1}{2}\times 0.144}{0.1}\pu{mol/kg} = \pu{62.5 mol/kg}$,即 $\cfrac{62.5 \times 22.4}{1000}\pu{m3/kg} = \pu{1.4 m3/kg}$;

理论空气量:$4.78 \times \pu{1.4 m3/kg} = \pu{6.7 m3/kg}$;

理论烟气量:$\left(\cfrac{5.475 + \cfrac {1}{2}\times 3.17 + 0.0531 + 0.500 }{0.1} + 3.78 \times 62.5\right)\pu{mol/kg} = \pu{312.1 mol/kg}$,即 $\cfrac{312.1 \times 22.4}{1000}\pu{m3/kg} = \pu{7.0 m3/kg}$;

$\ce{SO2}$ 的浓度:$\cfrac{0.0531 \times 22.4}{0.1 \times 1000 \times 7.0} = 1.70 \times 10^{-3}$。

(2)

灰分含量:$\cfrac{18.1 \times 10 \times 80~\%}{7.0}\times \pu{10^6 mg/m3} = \pu{2.07E4 mg/m3}$。

(3)

$\pu{1 t}$ 燃煤含有 $\ce{S}$ 含量为 $\pu{17 kg}$,物质的量 $\cfrac {17}{32}\pu{mol} = \pu{0.531 mol}$; 则需要 $\ce{Ca}$ 质量为 $0.531 \times 40 \times \pu{1.7 kg} = \pu{36.1 kg}$,石灰石的质量为 $\cfrac {28.9}{35 ~\%}\pu{kg} = \pu{103.2 kg}$。

5.

(1)

烟道气中 $\ce{N2}$ 的体积分数为 $1 - 0.11 - 0.08 - 0.02 - 120 \times 10^{-6} = 0.79$,则空气过剩 $\alpha = \cfrac {0.08 - 0.5 \times 0.02}{0.264 \times 0.79 - 0.08 + 0.5 \times 0.02} = 0.505$。

(2)

$\pu{1m3}$ 该状态下气体含有气体物质的量为:$\cfrac {700 \times 133.322}{8.31 \times 443}\pu{mol} = \pu{25.35 mol}$,则 $\ce{SO2}$ 排放浓度为 $120 \times 10^{-6} \times 25.35 \times \pu{64E6 \mu g/m3} = \pu{1.94E5 \mu g/m3}$。

(3)

干烟道气排放流量为 $5663.37 \times (1 - 0.08) \pu{m3/min} = \pu{5210.30 m3/min}$,校准至标况:$\cfrac {5210.30 \times 700 \times 133.322 \times 273.15}{443 \times 101325} = \pu{2958. 99 m3/min}$。

(4)

标况下颗粒物浓度:$\cfrac {30.0 \times 5210.30}{2958.99}\pu{g/m3} = \pu{52.83 g/m3}$。

第 2 次作业

1.

(1)

由已知,列表,如表 2-1 所示:

表2-1 $G - x - \ln d_p$分布表
$G$$x$
标准正态分布对应随机变量
$d_p$
($\pu{\mu m}$)
$\ln d_p$
0.004-2.65206980820.693147181
0.065-1.51410188841.386294361
0.19-0.87789629561.791759469
0.47-0.075269862102.302585093
0.851.036433389202.995732274
0.9852.170090378403.688879454

作图:

y = 0.6236 x + 2.3419 r ² = 0.9999 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -3 -2 -1 0 1 2 3 ln d p x G - x - ln d p 分布表

由图得:$r^2 = 0.9999$,说明该粉尘的粒径分布符合对数正态分布。

(2)

由图得:,几何标准差

质量中位直径

个数中位直径

算术平均直径

表面积-体积平均直径

2.

(1)

处理气体流量:,则

(2)

漏风率:

(3)

除尘效率:考虑漏风,。不考虑漏风,

3.

进气口气流流速,气体密度。压力损失

4.

(1)

总除尘效率:

(2)

排放浓度:

(3)

排放量:

5.

由公式:,列表,如表 2-2 所示:

表2-2 分级除尘效率
粒径间隔/$\pu{μm}$<0.60.6~0.70.7~0.80.8~1.01~22~33~44~55~66~88~1010~1220~30
质量频率/$\%$进口/$g_{1i}$20.40.40.73.562413223118
出口/$g_{2i}$71231416296222.58.57
分级除尘效率/$\eta_i$0.930 0.950 0.900 0.914 0.920 0.947 0.976 0.991 0.980 0.980 0.983 0.985 0.983

作图:

0.89 0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 0 5 10 15 20 25 30 η i d p i /μm 分级除尘效率曲线

6.

由公式:,列表,如表 2-3 所示:

表2-3 分级除尘效率
平均粒径/$\pu{\mu m}$0.2512345678101420>23.5
质量频率/$\%$0.10.49.5202015118.55.55.540.80.2
分级效率/$\%$83047.56068.575818689.5959899100
$n_i\eta_i$0.000080.00120.0451250.120.1370.11250.08910.07310.0492250.052250.03920.007920.002

求得

7.

查表得下空气的黏度为,密度为

(1)

直径,近似计算坎宁汉修正系数

(2)

直径,忽略坎宁汉修正,假设其位于斯托克斯区,,符合要求。

(3)

直径,直接考虑位于湍流过渡区,,满足,符合要求。

8.

查表得下空气的黏度为,密度为

考虑最小粒径的水泥颗粒,,忽略坎宁汉修正,假设其位于斯托克斯区,,计算,符合要求。

则沉降时间,最远距离

第 3 次作业

1.

恰好完全分离时,最大石英颗粒和最小角闪石颗粒应具有相同的终端沉降速率。代入牛顿区终端沉降速率公式 得:,即最大石英粒径与最小角闪石粒径的最大比值为

2.

给定温度 、气压 条件下,求得空气密度 ,黏度

先按斯托克斯区计算终端沉降速度,,雷诺数 ,超出斯托克斯区范围,不符合假设。

按湍流过渡区计算终端沉降速度,,雷诺数 ,符合湍流过渡区范围。

阻力系数 ,阻力

3.

给定温度 、气压 条件下,求得空气密度 ,黏度

考虑最小粒径的水泥颗粒,,忽略坎宁汉修正,假设其位于斯托克斯区,,计算 ,符合要求。

则沉降时间 ,最远距离

4.

给定温度 、气压 条件下,求得空气密度 ,黏度

时,假设其位于斯托克斯区,,计算 符合要求。

时,假设其位于牛顿区,有 ,即 ,计算 符合要求。

5.

在条件相同的情况下,多层重力沉降室除尘效率正比于层数,即 ,则 ,即设置 23 层可得到 的操作效率。

6.

求得

假设位于斯托克斯区,,满足要求。

7.

对粒径为 的粒子,估算其坎宁汉修正系数 ,沉降效率

对粒径为 的粒子,估算其坎宁汉修正系数 ,沉降效率

8.

按公式 ,计算分级效率,如表 3-1 所示:

表3-1 分级效率
$d_{\mathrm p}$$d_{\mathrm pi}$$g_{3i}$$g_{2i}$$\eta_i \\ (\%)$
0 ~ 52.50.5765.59
5 ~ 107.51.412.949.41
10 ~ 1512.51.94.579.17
15 ~ 2017.52.12.190.00
20 ~ 2522.52.11.592.65
25 ~ 3027.520.796.26
30 ~ 3532.520.597.30
35 ~ 4037.520.497.83
40 ~ 4542.520.398.36
>45N/A841.199.9

按照上表计算结果作出分级效率曲线,如图 1 所示:

0.00% 10.00% 20.00% 30.00% 40.00% 50.00% 60.00% 70.00% 80.00% 90.00% 100.00% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 分级效率曲线

由图得,分割粒径为

9.

由于颗粒粒径分布符合对数正态分布,,则

积分可得

10.

(1)

四块板子将电除尘器分成 个通道,则 ,板面积 。则

(2)

流量为 的通道达到最大速度,;平均速度为 ,则二者比值为

查图 6-27 得校正系数 ,则通过率 ,分级效率

11.

(1)

代入 ,求得

按公式计算,如表 3-2 所示:

表3-2 分级除尘效率
质量分数/$\%$0 ~ 2020 ~ 4040 ~ 6060 ~ 8080 ~ 100
平均粒径/$\pu{\mu m}$3.5 8.0 13.0 19.0 45.0
分级效率/$\%$93.25%99.79%100.00%100.00%100.00%

则总分级效率

(2)

排放浓度为 ,符合环境保护的相关规定。

(3)

满足使用者需要。

12.

给定温度 ,求得空气黏度

当粒径为 、液滴直径为 时,碰撞数

同理分别求出粒径为 和液滴直径在 下的捕集效率,如表 3-3 所示:

表3-3 捕集效率
液滴直径/$\pu{\mu m}$粒径/$\pu{\mu m}$1050
5050.39%0.00%
10042.66%10.23%
50010.11%25.05%

13.

按公式 ,其中 ,则 。求出各粒径分级效率,如表 3-4 所示:

表3-4 分级效率
$d_{\mathrm p}/\pu{\mu m}$$d_{\mathrm pi}/\pu{\mu m}$$g_i/\%$$\eta_i/\%$
< 0.10.050.010.1
0.1 ~ 0.50.30.212.9
0.5 ~ 1.00.750.7817.0
1.0 ~ 5.031394.9
5.0 ~ 10.07.516100.0
10.0 ~ 15.012.512100.0
15.0 ~ 20.017.58100.0
> 20.0N/A50100.00%

则总除尘效率

14.

给定温度 、气压 条件下,求得空气密度 ,黏度

雨滴直径为 ,位于牛顿区,终端沉降速率

颗粒物密度取 ,则碰撞数 ,查教材图 5-16 (3A) 得

由公式,每个雨滴下降过程中补给的颗粒物质量

雨滴自身质量 ,则比例为

15.

给定温度 条件下,求得空气黏度

由公式 ,其中 ,则 成线性关系,斜率为

作散点图如图 3-2 所示:

y = 13146 x + 616.51 r ² = 0.9905 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 Δ p /Pa m /kg 回归曲线

求得回归曲线斜率为 ,则

16.

(1)

给定温度 、气压 条件下,求得空气密度 ,黏度

代入公式 ,则

(2)

捕集效率为 时,,代入公式得

(3)

由《Air Pollution Control Engineering》公式,穿透率 ,取,取 ,即有