环境工程学原理自测题.doc

一、填空题（每空1分，共20空）2. 环境净化与污染控制的技术原理包括稀释、隔离、分离、转化。3. “三传”为动量传递、热量传递和质量传递，“一反”为化学反应过程。4. 国际单位制由7个基本单位、2个辅助单位、导出单位组成。5. 质量衡算的基本关系是：输入速率输出速率转化速率=积累速率；以单位时间质量表示时的数学表达式是：组分不发生转化时的特征是：6. 物质的总能量由内能、动能、位能、静压能组成7. 有黏性、可压缩的流体、层流情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力。8. 所有气体和大多数低分子量的液体均属牛顿型流体。9. 环境工程中常遇到的两相间传质过程包括气体的吸收、萃取、吸附、膜分离、生物膜反应。 10.环境工程中常遇到的单相中的传质包括流体流过可溶性固体表面、溶质在流体中的溶解、气固相催化反应。11. 传质边界层的名义厚度定义为12. 温度影响流体密度、粘度，进而影响沉降速度。13. 环境工程领域的过滤中，使用的过滤介质主要有固体颗粒、织物介质、多孔固体介质、多孔膜。14. 环境工程领域中的过滤过程中的固体颗粒包括天然的和人工合成的， 天然颗粒包括石英砂、无烟煤、磁铁矿粒等，人工颗粒包括聚苯乙烯发泡塑料球等。15、过滤的主要类型按过滤机理分有表面过滤和深层过滤；按促使流体流动的推动力分有重力过滤，真空过滤，压力差过滤，离心过滤。16. 吸收在环境工程领域的应用有净化有害气体、回收有用物质、曝气充氧。17. 吸收过程一般可分解为气相内的传递、相际传递、液相内的传递三个基本步骤。18. 吸收塔中气液两相的流动方式有逆流、并流。19.常用的吸附剂有活性炭、活性炭纤维、硅胶、活性氧化铝、沸石分子筛。20. 吸附过程有外扩散、内扩散、吸附几个基本步骤。21. 空间时间是反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间，可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。空间速度是单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。单位为时间的倒数。表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的物料，反映了一个反应器的强度。空速越大，反应器的负荷越大。22. 根据反应物料的流动与混和状态，反应器可分理想流反应器和非理想流反应器。理想流反应器分为完全混合流（全混流）反应器和推流反应器。23、反应器设计的基本内容包括选择合适的反应器型式，确定最佳的操作条件，计算达到规定的目标所需要的反应体积，确定反应器的主要尺寸；它通常用到的基本方程为反应动力学方程，物料衡算式，能量衡算式，动量衡算式。24. 均相理想连续反应器包括完全混合流连续反应器（包括单级、多级串联）、平推流反应器。25. 气液相反应过程一般可概括为：A从气相主体通过气膜扩散到气液相界面，A从相界面进入液膜，同时B从液相主体扩散进入液膜，A、B在液膜内发生反应，生成物P的扩散，液膜中未反应完的A扩散进入液相主体，在液相主体与B发生反应。25. 微生物反应中的基质的作用包括合成新的细胞物质、生成反应物、提供必要的能源。26. 细胞产率系数有以基质重量为基准的细胞产率系、以碳元素为基准的细胞产率系数、以氧消耗量为基准的细胞产率系数、以ATP为基准的细胞产率系数、以有效电子(available electron)为基准的细胞产率系数。以基质重量为基准的细胞产率系数可能小于1，也可能大于1；以碳元素为基准的细胞产率系数的大小只能小于1。27. 微生物的间歇培养生长曲线可分为延滞期、加速期、对数生长期、减速期、稳定期、死亡期。28.基本量纲包括质量、长度、时间、温度的量纲，分别以M、L、t和T表示，简称MLtT量纲体系。29.其它物理量均可以以M、L、t和T的组合形式表示其量纲，速度、压力、密度的量纲分别为Lt-1、ML-1t-2、ML-3。二、简单题（共10题，每题5分）1. 什么是量纲和无量纲准数？单位和量纲的区别是什么？可测量物理量分类？（ 5） （1）用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的量纲。 由各种变量和参数组合而成的没有单位的群数，称为无量纲准数。无量纲准数既无量纲，又无单位，其数值大小与所选单位制无关。只要组合群数的各个量采用同一单位制，都可得到相同数值的无量纲准数。（2）量纲与单位的区别 量纲是可测量的性质； 单位是测量的标准，用这些标准和确定的数值可以定量地描述量纲。（3）可测量物理量可以分为两类：基本量和导出量。2. 大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度，（1）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（体积分数）。1摩尔任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积，因此可以用体积分数表示污染物质的浓度，在实际应用中非常方便；同时，该单位的最大优点是与温度、压力无关。 3. ppm、ppt定义？在水处理中的应用？（5） （1）ppm、ppb是质量分数，ppm：g/g， 10-6 ； ppt：g/kg， 10-9。 （2）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）=1ppb当污染物的浓度过高，导致污水的比重发生变化时，上两式应加以修正，即 1mg/L 相当于1/污水的密度（质量分数） 1g/L相当于1/污水的密度 （质量分数）4. 简述稳态系统和非稳态系统的特征（5）。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。稳态流动的数学特征： 对稳态质量衡算系统：0非稳态质量衡算系统：5. 总衡算、微分衡算及用途（5）？（1）宏观范围的衡算叫总衡算。空间范围可为一个反应池、一个车间，或者一个湖泊、一段河流、一座城市上方的空气，甚至可以是整个地球。当研究一个过程的总体规律而不涉及内部的详情时，可用总衡算，用宏观尺度系统的外部（进、出、环境）各有关物理量的变化考察系统内部物理量的总体平均变化。（1）对维元范围的衡算叫微分衡算。空间范围为环境设备或管道中一个微元体。当需要探究系统内部的质量和能量变化规律，了解过程机理时，采用微分衡算。6. 什么是封闭系统和开放系统？（5）封闭系统：流体携带能量进出系统，即只有能量能够穿越系统边界，物质不能穿越边界。开放系统：系统与外界交换能量 （热，功），即能量和物质能够穿越系统边界。对稳流开放系统，进出系统物料量相同，且组成稳定，所以研究系统可看成封闭系统，7. 简述层流和湍流的流态特征。（5） 层流流动基本特征：不同径向位置的流体微团各以确定的速度沿轴向分层运动，表现为各层之间相互影响和作用较小，层间流体互不掺混，剪应力主要是由分子运动引起的。 流速较小时湍流（紊流）基本特征：流体微团（质点）以较高的频率发生各个方向的脉动，各层流体相互掺混，相互影响较大，流体流经空间固定点的速度随时间不规则地变化，剪应力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起。 当流体流速增大到某个值之后8.流体流动时产生阻力的根本原因是什么？（5）流体本身具有粘性，流体流动时因产生内摩擦力而消耗能量，是流体阻力损失产生的根本原因。而管道的大小、内壁的形状、粗糙度等又影响着流体流动的状况，是流体阻力产生的外部条件。9.什么是流动边界层？边界层理论的要点是什么？（7）（1）实际流体流过壁面时，在壁面附近形成速度分布，流体与固体壁面的相对速度为零。粘性影响仅限于壁面附近的薄层，即边界层，离开表面较远的区域，则可视为理想流体。存在速度梯度的区域即为边界层（2）普兰德边界层理论要点：1）当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面处存在非常薄的一层区域边界层；2）在边界层内，流体的流速很小，但速度梯度很大；3）在边界层内，粘性力可以达到很高的数值，它所起的作用与惯性力同等重要，在边界层内不能全部忽略粘性；4）在边界层外的整个流动区域，可将粘性力全部忽略，近似看成是理想流体的流动。5）流动分为两个区域:边界层、外部流动区。10. 实际流体的流动具有两个基本特征。（5）(1)在固体壁面上，流体与固体壁面的相对速度为零，这一特征称为流动的无滑移（粘附）特征。(2)当流体之间发生相对运动时，流体之间存在剪切力（内摩擦力）11. 比较层流边界层与静止流体中的热量传递异同。（5）（1）相同点：流体层与层之间、静止流体中无流体质点的宏观运动，在垂直于流动方向上，热量的传递通过导热进行机理相同。（2）不同点：流体的流动增大了壁面处（层流边界层）的温度梯度，使壁面处的热通量较静止时大 ，层流流动使传热增强大小不同。12. 简述费克定律的物理意义和适用条件。（5）（1）物理意义：在一维稳态情况下，由浓度梯度引起的扩散通量与浓度梯度成正比。（2）适用条件：分子扩散过程只有在固体、静止流体或层流流动的流体中才会单独发生。 13. 简述对流传质的机理和传质阻力的分布。（7）（1）层流边界层：在垂直于流动的方向上只存在由浓度梯度引起的分子扩散。扩散通量依据费克第一定律。但其扩散通量明显大于静止时的传质。这是因为流动加大了壁面处的浓度梯度，从而使壁面上的扩散通量增大。 （2）湍流边界层：除了分子扩散外，更重要的是涡流扩散。a.层流底层：物质依靠分子扩散传递，浓度梯度较大，传质速率可用费克第一定律描述，其浓度分布曲线很陡，近似为直线； b.湍流核心区：有大量的旋涡存在，物质的传递主要依靠涡流扩散，由于强烈混合，浓度梯度几乎消失，组分在该区域内的浓度基本均匀，其分布曲线较为平坦，近似为一垂直直线c.过渡区：分子扩散和涡流扩散同时存在14.简要分析颗粒在重力沉降过程中的受力情况。（5）颗粒在重力沉降过程中有重力、浮力、流体阻力。颗粒在流体中开始沉淀瞬间，流体阻力为零，此时颗粒所受的向下净作用力最大，颗粒加速度最大；随着颗粒的沉降，颗粒与流体的相对速度加大，流体阻力也随着增大，颗粒受到的向下净作用力减小，加速度减小，沉淀变为减速过程；经过很短时间后，颗粒受力达到平衡，开始恒速下沉。15. 比较离心沉降和重力沉降的主要区别。（5） 沉降方向不是向下，而是向外，即背离旋转中心。 由于离心力随旋转半径而变化，致使离心沉降速度也随粒径所处的位置而变。 离心沉降速度在数值上远大于重力沉降速度。16. 表面过滤和深层过滤的主要区别是什么。（5）表面过滤通常发生在过滤流体中颗粒物浓度较高或过滤速度较慢的情况。主要是拦截作用。深层过滤过程 利用过滤介质间空隙进行过滤。 通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中。 滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径。 悬浮颗粒随流体进入滤料内部，在拦截、惯性碰撞、扩散沉淀等作用下颗粒附着在滤料表面上而与流体分开。17.吸收的主要类型有哪些。（5） (1)按溶质和吸收剂之间发生的反应：物理吸收，化学吸收； (2)按混合气体中被吸收组分数目：单组分吸收，多组分吸收； (3)按体系温度是否变化：非等温吸收，等温吸收。18. 利用吸收法净化气态污染物的特点有哪些。（5） (1)处理气体量大，成份复杂，同时含有多种气态污染物； (2)吸收组分浓度低； (3) 吸收效率和吸收速率要求高； (4)多采用化学吸收如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的SO2； (5) 多数情况吸收过程仅是将污染物由气相转入液相，还需对吸收液进一步处理，以免造成二次污染。19. 双膜理论的基本论点是什么。（5） 相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的气膜和液膜。溶质以稳态分子扩散方式通过气膜和液膜，因此，气相和液相的对流传质速率相等。 在相界面处，气液两相在瞬间即可达到平衡，界面上没有传质阻力，溶质在相界面上两相组成存在平衡关系。 在膜层以外，气液两相流体都充分湍动，不存在浓度梯度，组成均一，没有传质阻力；溶质在每一相中的传质阻力集中在虚拟膜层中，即相际传质阻力全部在两层膜中。20. 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、特征、优点、缺点？（10） (1)间歇操作：将反应原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物料，然后进入下一轮操作。 操作特点反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的输出，不存在物料的进与出。 基本特征间歇反应过程是一个非稳态的过程，反应器内组成随时间变化而变化。 主要优点操作灵活，设备费低，适用于小批量生产或小规模废水的处理。 主要缺点设备利用率低，劳动强度大，每批的操作条件不易相同，不便自动控制。（2）连续操作：连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器 操作特点物料连续输入，产物连续输出，时刻伴随着物料的流动。 基本特征连续反应过程是一个稳态过程，反应器内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可能随位置变化而变化。） 主要优点便于自动化，劳动生产率高，反应程度与产品质量较稳定。规模大或要求严格控制反应条件的场合，多采用连续操作。 主要缺点灵活性小，设备投资高。（3）半连续操作：原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出，而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作或半连续操作。主要特点：半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。反应器内的组成随时间变化而变化。21. 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） 对于化学反应： k的大小与温度和催化剂等有关， 与反应物浓度无关对于生物化学和微生物：k的大小与温度、酶、基质浓度有关22、零级不可逆单一反应有哪些主要特点？（5）cA=cA0kt 反应速率与反应物的浓度无关。 半衰期为t1/2=cA0/(2k)，即与初始浓度成正比。 在生物化学以及微生物反应中，当基质浓度足够高时往往属于零级反应。 23、一级不可逆单一反应有哪些主要特点？ （5）cAcA0ekt 反应物浓度与反应时间成指数关系，只有t时，反应物浓度才趋近于零。 反应物浓度的对数与反应时间成直线关系，以lnk对t作图可得一直线，其斜率为k。 半衰期与k成反比，与反应物的初始浓度无关。 24. 半间歇反应器有哪几种操作方式？（5）(1)将两种或两种以上的反应物、或其中的一些组分一次性放入反应器中，然后将某一种反应物连续加入反应器。 特点：可控制加入成分在反应器中的浓度，便于控制反应速率 (2)将反应物料一次性加入反应器，在反应过程中将某个产物连续取出。 特点：可以使反应产物维持在低浓度水平（利于可逆反应向生成产物的正方向进行；防止分泌产物对微生物生长的抑制作用）25、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？（5）对同一反应，在同样反应条件下达到同样转换率需要的空间时间（反应时间）全混流反应器大于间歇反应器，说明全混流反应器的反应效率低于间歇反应器，即达到同样的目标全混流连续反应器需要更大的有效体积。26. 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？（7）（1）增加（2）达到同样反应目的，多级串联全混流反应器系统需要的总空间时间远小于单一全混流反应器，多级串联全混流反应器效率高于单一反应器。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，多级时出口浓度小于单级，转化率提高。简单不可逆反应转化率的极限值：100%。27. 循环反应器有哪几种典型的操作方式？（7）(1)将排出反应器的混合物的一部分不经任何处理直接返送到入口处。反应器反应物料产物循环(a)（2）在反应器出口设一分离装置，将反应产物分离取出，只把未反应的物料返送到反应器入口处。反应器反应物料产物未反应物料循环(b)分离器(3)微生物培养中常用的一种形式。在反应器出口设置菌体分离器，将反应产生的菌体浓缩，把浓缩后的菌体的一部分或全部返送到反应器 生成物营养物质菌体分离器菌体浓缩液(c)28.气液相瞬间反应的基本特点是什么？（5） 反应过程为传质 控制。 组分A和组分B之间的反应瞬间完成，A与B不能共存。 在液膜内的某一个面上A和B的浓度均为0，该面称“反应面”，“反应面”的位置随液相中B的浓度的升高向气膜方向移动。29、什么是界面反应？（5）、气液相瞬间反应中，当液相浓度升高到某一数值时，反应面与气液界面重合，这种情况称“界面反应”。30、气液相快速反应的基本特点是什么？（5） 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，不发生A和B之间的反应31. Monod方程中的最大比生长速率和饱和系数各表达什么意义？（5）S：生长限制性基质的浓度(mg/L)max ：最大比生长速率(1/h)，表示细胞的最大生长能力Ks：饱和系数(mg/L)。Ks与max/2时的S值相等，表示细胞生长速率随基质浓度变化的快慢。32. 与富营养细胞相比，贫营养细胞的饱和系数有何特点？（5）富营养细胞：Ks值较大，在低基质浓度时的生长速率低。贫营养细胞：Ks值较小，在低基质浓度时的亦能快速生长。环境治理中贫营养细胞能使基质消耗到很低的水平，对治理非常有利。三、计算题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？（10）qm=umA对于圆形管道，半径为R qm=umR2对于不可压缩流体相同， 稳态、无转化过程（1）流量增加1倍，流速不变时，管径发生变化：qm1=umR122qm1=umR22R22/ R12=2R2/ R1=1.414（2）流量增加1倍，管径不变时，流速发生变化：qm1=um1R2qm1=um2Rum2/ um1=22、当布水孔板的开孔率为30时，流过布水孔的流速增加多少？(10)设反应器和小孔中的流速分别为u1、u2，截面积分别为A1、A2，根据不可压缩流体的连续性方程，有 u1 A1u2 A2具题意，A2=30%A1，带人上式得， u1 0.3u2 u2 1/0.3u13. 12章均相化学反应器1-3节，p426-444，(20分)10