在。但是,在包括我国在内的许多发展中国家,甚至包括一些发达国家,煤炭仍然是主要燃料之一, 大气污染治理的任务还相当繁重 此外,大气中含硫物质引起的酸沉降( Acid deposition)和酸雨( Acid rain)问题,氟利昂(CFCs) 等制冷介质的使用所引起的大气臭氧层破坏( Stratospheric ozone depletion)问题,数以百计的有害 气态污染物所造成的大气污染问题等,也随着工业的发展越来越凸现出来。以大气质量保障为中心 的大气环境工程学的研究仍然任重道远。 1.23固体废弃物工程学 固体废弃物工程学主要研究城市垃圾、工业废渣、危险固体废弃物的处理、处置与资源化的技 术途径和措施。与水环境工程学和大气环境工程学相比,固体废弃物工程学作为一门学科的历史更 短,但是固体废弃物与人类生活之间的关系却是源远流长。从原始时代起,人类的生活活动就伴随 着固体废弃物的产生,食品残渣等生活垃圾、简单加工过程产生的废渣等,都需要从生活或生产场 所排除。从这个意义上,固体废弃物处理( Solid waste management)从人类诞生起就已经开始了。 只不过在漫长的人类发展过程中,对固体废弃物的处理仅仅限于堆积和填埋而已,完全是靠自然的 作用对其进行消解。实际上,堆积和填埋至今也仍然是固体废弃物处理的方法之 固体废弃物处理真正作为工程措施来考虑是在工业化之后。大规模生产所产生的大量废弃物必 须集中处置,城市产生的大量生活垃圾必须排到远离生活区的地点,这是固体废弃物工程学发展的 动因。进入20世纪以后,随着人口进一步向城市集中,工业生产的迅速发展,城市垃圾和工业废弃 物数量剧增,对其进行管理、处置和回收利用技术也不断取得成就,逐步形成环境工程学的一个重 要组成部分 思考题和习题 1.什么是环境工程学?它与我们以前所学的其它专业基础和专业课程有何关系? 2.环境工程学的研究内容主要有哪些? 3.说明环境污染与人类生活和生产活动之间的关系。 4.举例说明一个水污染、大气污染、或固体废弃物污染所带来的环境问题,并分析其原因
-5- 在。但是，在包括我国在内的许多发展中国家，甚至包括一些发达国家，煤炭仍然是主要燃料之一， 大气污染治理的任务还相当繁重。 此外，大气中含硫物质引起的酸沉降（Acid deposition）和酸雨（Acid rain）问题，氟利昂（CFCs） 等制冷介质的使用所引起的大气臭氧层破坏（Stratospheric ozone depletion）问题，数以百计的有害 气态污染物所造成的大气污染问题等，也随着工业的发展越来越凸现出来。以大气质量保障为中心 的大气环境工程学的研究仍然任重道远。 1.2.3 固体废弃物工程学 固体废弃物工程学主要研究城市垃圾、工业废渣、危险固体废弃物的处理、处置与资源化的技 术途径和措施。与水环境工程学和大气环境工程学相比，固体废弃物工程学作为一门学科的历史更 短，但是固体废弃物与人类生活之间的关系却是源远流长。从原始时代起，人类的生活活动就伴随 着固体废弃物的产生，食品残渣等生活垃圾、简单加工过程产生的废渣等，都需要从生活或生产场 所排除。从这个意义上，固体废弃物处理（Solid waste management）从人类诞生起就已经开始了。 只不过在漫长的人类发展过程中，对固体废弃物的处理仅仅限于堆积和填埋而已，完全是靠自然的 作用对其进行消解。实际上，堆积和填埋至今也仍然是固体废弃物处理的方法之一。 固体废弃物处理真正作为工程措施来考虑是在工业化之后。大规模生产所产生的大量废弃物必 须集中处置，城市产生的大量生活垃圾必须排到远离生活区的地点，这是固体废弃物工程学发展的 动因。进入 20 世纪以后，随着人口进一步向城市集中，工业生产的迅速发展，城市垃圾和工业废弃 物数量剧增，对其进行管理、处置和回收利用技术也不断取得成就，逐步形成环境工程学的一个重 要组成部分。 思考题和习题 1. 什么是环境工程学？它与我们以前所学的其它专业基础和专业课程有何关系？ 2. 环境工程学的研究内容主要有哪些？ 3. 说明环境污染与人类生活和生产活动之间的关系。 4. 举例说明一个水污染、大气污染、或固体废弃物污染所带来的环境问题，并分析其原因
第二章相关概念和基础理论 21环境污染控制 2.1.1环境污染及污染物 所谓环境污染( Environmental pollution)是指,由于某种或多种化学物质进λ环境,影响环境 系统的正常功能,造成对环境和人体健康的不良影响。这种影响往往取决于这些化学物质本身的性 质及其进入环境的量。而这些化学物质通常是来源于人类生活和生产过程,其影响可波及环境系统 的物理、化学、生物、生态过程。可能对环境系统造成影响的化学物质则称之为污染物( Pollutants)a 个环境系统( Environmental system)并非不能容纳任何污染物,如同我们人体系统一样,很 难避免从外界摄入某些我们人体并不需要的,甚至对人体可能产生危害的物质,但这并不意味着立 即就会产生病变。因为人体具有一定的免疫力,以及对某些有害物质进行分解、同化、排除的能力, 只要这些物质的量没有超过某一界限。环境系统也是这样,不论是水体、大气、还是土壤,都具备 这种称之为“自净”( Self purification)的能力。如第一章所述,环境工程学是伴随着工业化和城市 化进程而发展起来的,其动因是日益严重的环境污染问题。人类有记载的历史已有数千年,而环境 工程学作为一门学科的历史充其量是一个多世纪。在此之前,人的生活和生产活动虽然比现在要简 单的多,但也并非没有任何污染物产生。环境问题在过去不突出的原因就在于污染物产生的量小, 且分散,很少达到严重超过环境自净能力的程度。 因此,研究环境污染问题不仅仅是研究污染物的问题,还有一个研究环境系统纳污能力的问题。 20世纪90年代以来,在环境领域派生出一个新的研究方向,即生态系统健康( cosystem health) 其要点是将环境系统作为一个生态系统来研究,强调生态系统本身的健康机能,包括其活力( Vigor) 组织( Organization)和恢复力( Resilience)等三方面的要素。 2.1.2污染物浓度及其度量 环境工程学对环境污染和污染物的研究首先要涉及到污染物的量。进入环境的污染物总是存在 于一定的介质之中,例如流体介质(液体或气体)和分散固体介质(土壤等)。对于某一环境系统, 重要的不是其接纳某种污染物的绝对量,而是与其系统规模有关的相对量,通常是用浓度 ( Concentration)来表示。从定义上来说,所谓浓度,就是某一物质在另一物质(介质)中的相对 量 (1)液体的污染物浓度及其度量 环境工程学中遇到最多的环境介质是液体,以液体介质的容积或质量为基准,其污染物浓度的 表示方法有以下几种: ①质量浓度( Mass concentration):液体介质的量以容积为基准,通常以升( Liter,简写为L) 来表示,而污染物的量以其质量,即克(g)、毫克(mg)、微克(μg)等来表示,对应的浓度单位 为gL、mg/L和μ/L等 对于某些高浓度的体系,如高浊度悬浊液,也有用kg/m3作为质量浓度单位的情况 ②质量比( Mass fraction):液体介质和污染物的量均己同一单位的质量来度量,则其浓度为 无量纲的比值,常用的有: 一百分比(%),以百分之一为单位,即102 千分比(‰),以千分之一为单位,即
-6- 第二章 相关概念和基础理论 2.1 环境污染控制 2.1.1 环境污染及污染物 所谓环境污染（Environmental pollution）是指，由于某种或多种化学物质进入环境，影响环境 系统的正常功能，造成对环境和人体健康的不良影响。这种影响往往取决于这些化学物质本身的性 质及其进入环境的量。而这些化学物质通常是来源于人类生活和生产过程，其影响可波及环境系统 的物理、化学、生物、生态过程。可能对环境系统造成影响的化学物质则称之为污染物（Pollutants）。 一个环境系统（Environmental system）并非不能容纳任何污染物，如同我们人体系统一样，很 难避免从外界摄入某些我们人体并不需要的，甚至对人体可能产生危害的物质，但这并不意味着立 即就会产生病变。因为人体具有一定的免疫力，以及对某些有害物质进行分解、同化、排除的能力， 只要这些物质的量没有超过某一界限。环境系统也是这样，不论是水体、大气、还是土壤，都具备 这种称之为“自净”（Self purification）的能力。如第一章所述，环境工程学是伴随着工业化和城市 化进程而发展起来的，其动因是日益严重的环境污染问题。人类有记载的历史已有数千年，而环境 工程学作为一门学科的历史充其量是一个多世纪。在此之前，人的生活和生产活动虽然比现在要简 单的多，但也并非没有任何污染物产生。环境问题在过去不突出的原因就在于污染物产生的量小， 且分散，很少达到严重超过环境自净能力的程度。 因此，研究环境污染问题不仅仅是研究污染物的问题，还有一个研究环境系统纳污能力的问题。 20 世纪 90 年代以来，在环境领域派生出一个新的研究方向，即生态系统健康（Ecosystem health）。 其要点是将环境系统作为一个生态系统来研究，强调生态系统本身的健康机能，包括其活力（Vigor）、 组织（Organization）和恢复力（Resilience）等三方面的要素。 2.1.2 污染物浓度及其度量 环境工程学对环境污染和污染物的研究首先要涉及到污染物的量。进入环境的污染物总是存在 于一定的介质之中，例如流体介质（液体或气体）和分散固体介质（土壤等）。对于某一环境系统， 重要的不是其接纳某种污染物的绝对量，而是与其系统规模有关的相对量，通常是用浓度 （Concentration）来表示。从定义上来说，所谓浓度，就是某一物质在另一物质（介质）中的相对 量。 （1）液体的污染物浓度及其度量 环境工程学中遇到最多的环境介质是液体，以液体介质的容积或质量为基准，其污染物浓度的 表示方法有以下几种： ① 质量浓度（Mass concentration）：液体介质的量以容积为基准，通常以升（Liter，简写为 L） 来表示，而污染物的量以其质量，即克（g）、毫克（mg）、微克（μg）等来表示，对应的浓度单位 为 g/L、mg/L 和 μg/L 等。 对于某些高浓度的体系，如高浊度悬浊液，也有用 kg/m3 作为质量浓度单位的情况。 ② 质量比（Mass fraction）：液体介质和污染物的量均已同一单位的质量来度量，则其浓度为 一无量纲的比值，常用的有： －百分比（%），以百分之一为单位，即 10-2 －千分比（‰），以千分之一为单位，即 10-3
百万分比(ppm),以百万分之一为单位,即106 十亿分比(ppb),以十亿分之一为单位,即109 万亿分比(pt),以万亿分之一为单位,即1012 由于常见的液体通常是水,若考虑1L纯水的质量为1千克(kg),则上述质量比单位中,ppm 等价于质量浓度mg/L,ppb等价于μg/L,依此类推。 ③摩尔浓度( Molar concentration):化学中所用的摩尔浓度等单位也有用于表示液体的污染 物浓度的情况,但在工程中用的不多。 (2)气体的污染物浓度及其度量 在环境介质为气体的情况下,通常以常温常压下气体的体积作为基准,污染物的量仍以质量来 度量,则污染物浓度通常表示为gm3、mg/m3等。 (3)固体介质中的污染物浓度及其度量 当环境介质为分散固体时,固体介质和污染物量一般均以质量来表示,前者通常用kg,后者通 常用g、mg或μ,因此污染物浓度通常表示为g/kg、mgkg或ug/kg 213环境质量标准 对于一个国家或地区,环境质量标准( Environmental quality standards)的制定和实施是环境保 护的前提,保证环境质量达标则是环境质量控制和环境污染治理的目标 环境质量标准的制定是依据国家法律,由政府实施的决策行为,但它离不开科学与技术的支撑。 其制定过程一是要充分考虑环境污染对人体健康的影响,二是要考虑污染带来的环境后果,三是要 考虑污染治理的技术和经济可行性。环境风险评价( Environmental risk assessment)和成本效益分析 (Cost- benefit analysis)通常是环境质量标准制定的重要前期工作。我国近年来在环境立法和环境质 量标准制定方面进展很快,其基本法律基础是《中华人民共和国环境保护法》,相关法律还包括《中 华人民共和国水污染防治法》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《中华人民共和国固体废物污染 环境防治法》等。在这些法律的框架下,在水环境、大气环境、固体废弃物环境等方面制定的主要 环境质量标准有: (1)水环境质量标准(现行标准) 地表水环境质量标准(GB3838-2002),2002年颁布 地下水质量标准(GBT14848-93),1994年颁布 海水水质标准(GB3097-1997),1998年颁布 (2)大气环境质量标准(现行标准) 环境空气质量标准(GB3095-1996),1996年颁布 室内空气质量标准(GB/T18883-2002),2003年颁布 保护农作物的大气污染物最高允许浓度(GB9137-88),1988年颁布 (3)固体废弃物环境标准(现行标准 生活垃圾填埋污染控制标准(GB16889-1997),1997年颁布 生活垃圾焚烧污染控制标准(GB18485-2001),2002年颁布 般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准(GB18599-2001),2002年颁布 危险废物填埋污染控制标准(GB18598-2001),2002年颁布 一危险废物贮存污染控制标准(GB18597-2001),2002年颁布 危险废物焚烧污染控制标准(GB18484-2001),2002年颁布 除上述环境质量标准外,国家还颁布了一系列污染排放标准和相关监测规范和方法标准,形成 了一整套标准和技术体系。 环境质量标准所规定的主要是环境中各种污染物的最高限值,这些限值一是从保障人体健康的
-7- －百万分比（ppm），以百万分之一为单位，即 10-6 －十亿分比（ppb），以十亿分之一为单位，即 10-9 －万亿分比（ppt），以万亿分之一为单位，即 10-12 由于常见的液体通常是水，若考虑 1 L 纯水的质量为 1 千克（kg），则上述质量比单位中，ppm 等价于质量浓度 mg/L，ppb 等价于 μg/L，依此类推。 ③ 摩尔浓度（Molar concentration）：化学中所用的摩尔浓度等单位也有用于表示液体的污染 物浓度的情况，但在工程中用的不多。 （2）气体的污染物浓度及其度量 在环境介质为气体的情况下，通常以常温常压下气体的体积作为基准，污染物的量仍以质量来 度量，则污染物浓度通常表示为 g/m3、mg/m3 等。 （3）固体介质中的污染物浓度及其度量 当环境介质为分散固体时，固体介质和污染物量一般均以质量来表示，前者通常用 kg，后者通 常用 g、mg 或 μg，因此污染物浓度通常表示为 g/kg、mg/kg 或 μg/kg。 2.1.3 环境质量标准 对于一个国家或地区，环境质量标准（Environmental quality standards）的制定和实施是环境保 护的前提，保证环境质量达标则是环境质量控制和环境污染治理的目标。 环境质量标准的制定是依据国家法律，由政府实施的决策行为，但它离不开科学与技术的支撑。 其制定过程一是要充分考虑环境污染对人体健康的影响，二是要考虑污染带来的环境后果，三是要 考虑污染治理的技术和经济可行性。环境风险评价（Environmental risk assessment）和成本效益分析 （Cost-benefit analysis）通常是环境质量标准制定的重要前期工作。我国近年来在环境立法和环境质 量标准制定方面进展很快，其基本法律基础是《中华人民共和国环境保护法》，相关法律还包括《中 华人民共和国水污染防治法》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《中华人民共和国固体废物污染 环境防治法》等。在这些法律的框架下，在水环境、大气环境、固体废弃物环境等方面制定的主要 环境质量标准有： （1）水环境质量标准（现行标准） －地表水环境质量标准（GB 3838-2002），2002 年颁布 －地下水质量标准 （GB/T 14848-93），1994 年颁布 －海水水质标准（GB 3097-1997），1998 年颁布 （2）大气环境质量标准（现行标准） －环境空气质量标准（GB 3095-1996），1996 年颁布 －室内空气质量标准（GB/T 18883-2002），2003 年颁布 －保护农作物的大气污染物最高允许浓度（GB 9137-88），1988 年颁布 （3）固体废弃物环境标准（现行标准） －生活垃圾填埋污染控制标准（GB 16889-1997），1997 年颁布 －生活垃圾焚烧污染控制标准（GB 18485-2001），2002 年颁布 －一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准（GB 18599-2001），2002 年颁布 －危险废物填埋污染控制标准（GB 18598-2001），2002 年颁布 －危险废物贮存污染控制标准（GB 18597-2001），2002 年颁布 －危险废物焚烧污染控制标准（GB 18484-2001），2002 年颁布 除上述环境质量标准外，国家还颁布了一系列污染排放标准和相关监测规范和方法标准，形成 了一整套标准和技术体系。 环境质量标准所规定的主要是环境中各种污染物的最高限值，这些限值一是从保障人体健康的
基本要求,二是从环境的功能出发设定的。以《地表水环境质量标准》为例,根据水体的功能,标 准中将水质分为I类到V类的5个类别,其中I类是源头水和国家自然保护区的水质限值,Ⅱ类是 集中式生活饮用水地表水源地一级保护区和珍稀水生生物栖息地的水质限值,Ⅲ类是集中式生活饮 用水地表水源地二级保护区、水产养殖区及游泳区的水质限值IV类和V类则分别是工业用水和农 业用水的水质限值。对于一条河流,根据其上、中、下游或不同河段提供用水的要求,可以将其分 为不同的水环境功能区域,从而水污染控制的目标水质也各不相同 关于各种环境质量标准的具体要求,可参照本教材相关章节及附录,也可参照各标准的原文。 22环境工程学的反应工程基础 2.21物料平衡和物质传递 22.1.1物料平衡 物料衡算的依据是物质守恒定律和化学计量方程式。物质守恒定律认为物质既不能被创造也不 能被消灭。这历来是一条被人们所确认的,不可违背的自然法则。虽然20世纪30年代爱因斯坦提 出的质能关系式中指出,物质的质量和能量之间是可以相互转化的。但就化学反应而言,除热核反 应以外,一般化学反应由于能量变化而引起的物质质量的变化极其微小,无法用常规的方法测定 因此,可以认为,物质守恒定律对于一般的化学反应仍然是适用的 (1)物料衡算的基本方程式 在进行物料衡算以前,首先要确定研究的对象。这一人为确定的研究对象的全部或部分就称作 体系或系统:而系统以外的所有物质都称作环境。如果系统和环境之间没有质量交换,则这一系统 称作闭合系统。间歇操作的系统可能认为是闭合系统。凡系统和环境之间有质量交换的则称作开放 系统或称作流动系统 在流动和变化条件下体系中物质的守恒可用下列物料衡算的普遍式表述: 输入系统的物料+系统中生成的物料=离开系统的物料 +系统中消耗的物料+系统中积累的物料 物料衡算的普遍式的对象可以是系统的总体,也可以是系统中的某一个部分。在任何系统中物 料的总量既不能被创造也不能被消灭。但对系统中的某种化合的而言,由于化学变化,这种化合物 既可能产生也可能消耗,因此,其物料衡算普遍式也可以写成 输入=输出+反应+积累 (2-2) 对于间歇操作的系统,上式的单位常用质量单位;而对于流动系统,则可用单位时间输入或输 出的物料量,常用的有kgs,kgh等质量流量。应当注意,由于物料衡算的基础是质量守恒定律, 因此上述关系式中物质的量只能是质量单位(如克、千克、吨等)而不是以摩尔为单位。系统中如 发生化学反应,反应前后物质的摩尔数是不守恒的。当然,如果系统中不发生化学反应(如纯物理 过程),用摩尔数代入的料衡算式进行计算也是可以的,如精馏过程中操作线方程式的推导就是一例 上述的物料衡算方程式在一些特殊的操作条件下也可以简化。当系统中没有化学变化时,式 (2-2)可简化为: 输入=输出+积累 (2-3) 而当系统中进行的是一个连续的稳态过程,则积累项为零,式(2-2)可写成 输入=输出+反应 (2-4) 对于不包括化学反应的稳态的过程其物料衡算式就更简单,式(2-2)可写成: 输入=输出 (2-5)
-8- 基本要求，二是从环境的功能出发设定的。以《地表水环境质量标准》为例，根据水体的功能，标 准中将水质分为 I 类到 V 类的 5 个类别，其中 I 类是源头水和国家自然保护区的水质限值，II 类是 集中式生活饮用水地表水源地一级保护区和珍稀水生生物栖息地的水质限值，III 类是集中式生活饮 用水地表水源地二级保护区、水产养殖区及游泳区的水质限值 IV 类和 V 类则分别是工业用水和农 业用水的水质限值。对于一条河流，根据其上、中、下游或不同河段提供用水的要求，可以将其分 为不同的水环境功能区域，从而水污染控制的目标水质也各不相同。 关于各种环境质量标准的具体要求，可参照本教材相关章节及附录，也可参照各标准的原文。 2.2 环境工程学的反应工程基础 2.2.1 物料平衡和物质传递 2.2.1.1 物料平衡 物料衡算的依据是物质守恒定律和化学计量方程式。物质守恒定律认为物质既不能被创造也不 能被消灭。这历来是一条被人们所确认的，不可违背的自然法则。虽然 20 世纪 30 年代爱因斯坦提 出的质能关系式中指出，物质的质量和能量之间是可以相互转化的。但就化学反应而言，除热核反 应以外，一般化学反应由于能量变化而引起的物质质量的变化极其微小，无法用常规的方法测定。 因此，可以认为，物质守恒定律对于一般的化学反应仍然是适用的。 (1) 物料衡算的基本方程式 在进行物料衡算以前，首先要确定研究的对象。这一人为确定的研究对象的全部或部分就称作 体系或系统；而系统以外的所有物质都称作环境。如果系统和环境之间没有质量交换，则这一系统 称作闭合系统。间歇操作的系统可能认为是闭合系统。凡系统和环境之间有质量交换的则称作开放 系统或称作流动系统。 在流动和变化条件下体系中物质的守恒可用下列物料衡算的普遍式表述： 输入系统的物料 + 系统中生成的物料= 离开系统的物料 + 系统中消耗的物料 + 系统中积累的物料 （2-1） 物料衡算的普遍式的对象可以是系统的总体，也可以是系统中的某一个部分。在任何系统中物 料的总量既不能被创造也不能被消灭。但对系统中的某种化合的而言，由于化学变化，这种化合物 既可能产生也可能消耗，因此，其物料衡算普遍式也可以写成： 输入 = 输出 + 反应 + 积累 （2-2） 对于间歇操作的系统，上式的单位常用质量单位；而对于流动系统，则可用单位时间输入或输 出的物料量，常用的有 kg/s，kg/h 等质量流量。应当注意，由于物料衡算的基础是质量守恒定律， 因此上述关系式中物质的量只能是质量单位（如克、千克、吨等）而不是以摩尔为单位。系统中如 发生化学反应，反应前后物质的摩尔数是不守恒的。当然，如果系统中不发生化学反应（如纯物理 过程），用摩尔数代入的料衡算式进行计算也是可以的，如精馏过程中操作线方程式的推导就是一例。 上述的物料衡算方程式在一些特殊的操作条件下也可以简化。当系统中没有化学变化时，式 （2-2）可简化为： 输入 = 输出 + 积累 （2-3） 而当系统中进行的是一个连续的稳态过程，则积累项为零，式（2-2）可写成： 输入 = 输出 + 反应 （2-4） 对于不包括化学反应的稳态的过程其物料衡算式就更简单，式（2-2）可写成： 输入 = 输出 （2-5）
(2)物料衡算的步骤 物料衡算可以用于一个完整的连续的过程,也可以应用于整个过程中的某一部分。但无论哪 种情况,要进行衡算都必须了解两方面的信息:其一是进入和离开系统的各项物料的量,另一个是 进入和离开系统的物料的组成。如在系统内发生了化学反应,则必须了解化学反应的计量关系,有 时还要了解化学反应的速率 般说来,要解决一个物料衡算问题可以采用以下的步骤 1)认真思考所需解决的问题,需要哪些方面的资料?要解算哪几个参数?物料衡算只根据实际 的要求,对所处理的进出口物料进行衡算,它与系统内物料的具体经历无关,也与其他不需要衡算 的物料无关。 2)作出过程的流程图(常用框图表示),确定衡算所涉及的范围,并用虚线标与你所认定的系 统。这样就很容易确定每一股进入和离开系统的物料。其中凡是与虚线相交的物料流都是与系统有 物质交换的。在图上标出每一股物料的量及物料的组成。如果在系统中有化学反应,则应列出化学 反应的计量方程式、化学反应速率表达式及化学反应进行的程度 3)选择一种原料或产品的质量或质量流量或者选择物料中某一组分的质量或质量流量为衡算 基准(除了质量和质量流量外,在有些情况下,也可以选择其他的物理量作为计算的基准)。基准的 选择是任意的,但选择合适的基准,将使得衡算变得较为容易。当采用物质的量(单位:mol)或 摩尔流量为衡算单位时,必须结合化学反应的计量方程式来确定物料化学变化前后物质的量(单位: mol)之间的定量关系。通常,凡涉及液体和固体物料的衡算多用质量或质量流量为单位:而气体 物料的衡算则较多使用物质的量(单位:mol)和摩尔流量为单位 4)对于较为复杂的物料衡算问题可制表列出进入和离开系统的每一股物料的量及其组成。应用 这些表格,很容易核对过程的总体或局部的物料衡算的结果是否正确。在分析流程时,不能遗漏任 何与生产工艺有关的各进口和出口的物料 5)列式进行衡算 应用物料衡算可以计算化工过程的流程图中每一股物料的流量和组成。由此可以计算流程中各 个设备的处理量并由此计算设备的尺寸。物料衡算还是能量衡算和其他工艺计算的基础 3)系统中不包含化学反应时的物料衡算 物料衡算的原理简单而直观,但其所涉及的范围却非常广。衡算时要针对不同的情况使用不同 的方法。不包含化学反应的系统是相对较为简单的系统。如在上述系统中仅包含一个未知数,则通 常可以采用直接法计算。对于较为复杂的系统,可以列出多个物料衡算式组成联立方程组,用代数 法求解。 22.12物质传递 装置中流体流动与混合的情况如何,温度与浓度的分布如何可都直接影响到反应的进程,而最 终离开装置的物料组成,就完全由组成这一物料的诸质点在装置中的停留时间和所经历的温度及浓 度变化所决定。而装置中的这种动量传递、热量传递和质量传递(简称“三传”)过程往往是极复杂 的 一般而言,反应物自主流体向外的扩散速率N4可表示为: Na=kam(CaG-Cas) 式中:am为单位颗粒的外表面积; kc为传质系数 CAG和CAs为物质浓度。 稳态过程中,传质速率等于物质A的转化速率-R4,即
-9- (2) 物料衡算的步骤 物料衡算可以用于一个完整的连续的过程，也可以应用于整个过程中的某一部分。但无论哪一 种情况，要进行衡算都必须了解两方面的信息：其一是进入和离开系统的各项物料的量，另一个是 进入和离开系统的物料的组成。如在系统内发生了化学反应，则必须了解化学反应的计量关系，有 时还要了解化学反应的速率。 一般说来，要解决一个物料衡算问题可以采用以下的步骤： 1) 认真思考所需解决的问题，需要哪些方面的资料？要解算哪几个参数？物料衡算只根据实际 的要求，对所处理的进出口物料进行衡算，它与系统内物料的具体经历无关，也与其他不需要衡算 的物料无关。 2) 作出过程的流程图（常用框图表示），确定衡算所涉及的范围，并用虚线标与你所认定的系 统。这样就很容易确定每一股进入和离开系统的物料。其中凡是与虚线相交的物料流都是与系统有 物质交换的。在图上标出每一股物料的量及物料的组成。如果在系统中有化学反应，则应列出化学 反应的计量方程式、化学反应速率表达式及化学反应进行的程度。 3) 选择一种原料或产品的质量或质量流量或者选择物料中某一组分的质量或质量流量为衡算 基准（除了质量和质量流量外，在有些情况下，也可以选择其他的物理量作为计算的基准）。基准的 选择是任意的，但选择合适的基准，将使得衡算变得较为容易。当采用物质的量（单位：mol）或 摩尔流量为衡算单位时，必须结合化学反应的计量方程式来确定物料化学变化前后物质的量（单位： mol）之间的定量关系。通常，凡涉及液体和固体物料的衡算多用质量或质量流量为单位；而气体 物料的衡算则较多使用物质的量（单位：mol）和摩尔流量为单位。 4) 对于较为复杂的物料衡算问题可制表列出进入和离开系统的每一股物料的量及其组成。应用 这些表格，很容易核对过程的总体或局部的物料衡算的结果是否正确。在分析流程时，不能遗漏任 何与生产工艺有关的各进口和出口的物料。 5) 列式进行衡算 应用物料衡算可以计算化工过程的流程图中每一股物料的流量和组成。由此可以计算流程中各 个设备的处理量并由此计算设备的尺寸。物料衡算还是能量衡算和其他工艺计算的基础。 (3) 系统中不包含化学反应时的物料衡算 物料衡算的原理简单而直观，但其所涉及的范围却非常广。衡算时要针对不同的情况使用不同 的方法。不包含化学反应的系统是相对较为简单的系统。如在上述系统中仅包含一个未知数，则通 常可以采用直接法计算。对于较为复杂的系统，可以列出多个物料衡算式组成联立方程组，用代数 法求解。 2.2.1.2 物质传递 装置中流体流动与混合的情况如何，温度与浓度的分布如何可都直接影响到反应的进程，而最 终离开装置的物料组成，就完全由组成这一物料的诸质点在装置中的停留时间和所经历的温度及浓 度变化所决定。而装置中的这种动量传递、热量传递和质量传递（简称“三传”）过程往往是极复杂 的。 一般而言，反应物自主流体向外的扩散速率 NA 可表示为： ( ) A m CAG CAS N = ka − (2-5) 式中：am 为单位颗粒的外表面积； kG 为传质系数； CAG 和 CAS 为物质浓度。 稳态过程中，传质速率等于物质 A 的转化速率-RA，即：