水污染控制工程(王郁)01477习题解第一二章

计算题答案第一章1.解：对于下列各化合物假设为1mg，可根据化学反应式求出理论化学需氧量。（1）苯酚C6H5OH，分子量为94，C6H5OH＋7O2=6CO2+3H2OCOD苯酚=7*32/(94*1)=2.38mgO2/mg苯酚注意：必须将化学反应式配平。其余化合物也可同理求取。（2）苯甲酸C6H5COOH，分子量为122，C6H5COOH＋7.5O2=7CO2+3H2OCOD苯甲酸=7.5*32/(122*1)=1.97mgO2/mg苯甲酸（3）乙醇C2H5OH，分子量为42，C2H5OH＋3O2=2CO2+3H2OCOD乙醇=3*32/(42*1)=2.29mgO2/mg乙醇（4）丙三醇CH2OHCHOHCH2OH，分子量为92，CH2OHCHOHCH2OH＋3.5O2=3CO2+4H2OCOD丙三醇=3.5*32/(92*1)=1.22mgO2/mg丙三醇2.解：采用综合数学模式（均方根型），即式（1－5）进行评价，22avgmax1()()2iiijijCCPILL根据提供数据可分别求出各河流的PI值，以判别其污染的程度。河流序号(Ci/Lij)(Ci/Lij)2max(Ci/Lij)2avgPI挥发酚氰镉铬(六价)砷A5.01.01.01.01.025.05.82.77B2.50.20.50.20.26.251.321.38C0.750.10.11.00.11.00.320.57上述计算结果表明：A河流衡量指数PI为2.77远大于0.7，河流污染严重。主要挥发酚污染严重，其余指标处于临界状态；B河流衡量指数PI为1.38大于0.7，河流已受到污染，主要是挥发酚的污染；C河流衡量指数PI为0.57小于0.7，河流未受到污染，但六价铬指标已处于临界状态，必须引起重视。第二章1.解：化学反应式为A→2R，表明该反应每消耗1mole的反应物A将生成2mole的产物R。则有：试验进水流量/cm3·s-1温度/℃出水中R浓度/molL-1出水中A浓度/molL-1123215151313841.81.51.80.10.250.1且该反应过程是在完全混合流反应器中进行，并假设为稳态流，若该反应遵循反应动力学模式为：r=-dC/dt=kCn，则稳态条件下的物料衡算给出下式：QC0－QC+V(-kCn)=0变换后可得：kCn=Q(C0－C)/V已知A的初始浓度为1mol/L，将温度为13℃时，试验1&2的数据代入得：k130.1n=0.002(1-0.1)/5k130.25n=0.015(1-0.25)/5解联立方程得：n=2,k13=0.036L/(mol·s)因此13℃时反应速率表达式为：r=-dC/dt=0.036C2该反应为二级反应。以84℃时试验3数据代入后，可得到该温度下得反应速率常数k84，k840.12=0.015(1-0.1)/5则k84=0.27L/(mol·s)因此84℃时反应速率表达式为：r=-dC/dt=0.27C2。2.解：该题欲求解A和B两种物质之间得二级反应速率常数，题中已分别给出两个温度下的反应速率常数，因此可应用Arrhenius方程的积分形式，即式2－50：221121lnkTTEkRTT若将T1=342.5K(69.4℃)，k1=0.135L/(mol·s)；T2=354.3K(81.2℃)，k2=3.70L/(mol·s)代入上式，可得：E/R=34047K再将上述任一组数据与55℃的条件联用，可求得55℃时反应速率常数为k(55℃)=1.72*10-3L/(mol·s).3.解：米－门方程也可表示为：maxmvSvkSdSdt对上式经取倒数、移项等变换后为：dSSvSkdtmmax对上式在[0，t]和[S1，S2]之间积分可得：21maxmax21ln)(SSvKvSStm将vmax=40mg/(L·min)，Km＝100mg/L，S1=1000mg/L，S2=100mg/L代入上式t=(1000-100)/40+(100/40)ln(1000/100)t=28.26min.4.解：该反应器容积V=1m3，水流流量Q=0.2m3/min，在零时刻瞬间加入2g惰性示踪剂。（1）根据表中提供数据，可画出C－t的曲线，采用一定的时间间隔进行积分，可获得在30.4min内的示踪剂的流出总量，以确定示踪剂是否全部流出。也可用下式估算示踪剂的流出量，M=Q[∆t1(C0+C1)/2+∆t2(C1+C2)/2+……+∆tn-i(Cn-1+Cn)/2]将表中数据代入上式有：M=0.2(0.1*1.98+0.1*1.945+0.8*1.786+1.0*1.493+3.0*1.04+5.0*0.502+10.0*0.151+10.4*0.019)=2.13g计算结果表明在30.4min内已有2g左右示踪剂流出，其误差可能由所取的时间间隔有关，再考虑到在30.4min时，示踪剂流出浓度只有0.004g/m3，因此表明30min后离开该系统的示踪剂的量可以忽略不计。（2）对于连续流系统而言，平均水力学停留时间为：t=V/Q则系统的平均水力学停留时间为：t=1/0.2=5min,而简单反应器类型有活塞流和完全混合流，从提供数据来看，示踪剂的流出延续了30min,显然不属于活塞流反应器。因为若是活塞流反应器的话，示踪剂应在5min时瞬间流出，而在此前、后不应有示踪剂流出。因此可假设为完全混合流反应器，由出口浓度计算平均停留时间可按下式进行：0tttCeCt/min0.10.21.02.05.010.020.030.4C/g·m-31.9601.9301.6421.3440.7360.2680.0340.004tAHRT/min4.945.615.075.035.004.984.914.89上表中计算所得平均停留时间均在5min左右波动。（3）根据（2）的分析，该反应器性能应近似于完全混合反应器模型。5.解：（1）该废水在完全混合流反应器内处理，并假设发生不可逆的一级反应，经物料衡算可得式2－83：011CVtQkC则1/0CCVkQ将已知条件V=20m3，k=0.15d-1，C=0.02C0(即处理效率为98％)代入，得：Q=20*0.15/(C0/0.02C0－1)Q=0.061m3/d（2）如处理效率要求为92%，即C=0.08C0，则反应器容积为：V=0.061*(C0/0.08C0－1)/0.15V=4.68m3（3）若改用活塞流反应器，则物料衡算给出式2－81：01lnVCtQkCV=(0.061/0.15)ln(C0/0.02C0)V=1.59m3.对照（1）和（3）反应器的容积，可见活塞流反应器的容积远小于完全混合流反应器，意味着前者的效率远高于后者，因为前者的反应推动力大于后者。6.解：任意级数化学反应的完全混合流反应器和活塞流反应器的容积之比可参见式2－122：(1)(1)(1)1(1)CaPVaV对于二级反应a=2，则(1)1(1)11CPVV已知进水浓度Cin＝1.0，出水浓度Cout＝0.1，则η＝(C0-C)/C0＝0.9，代入上式得：VC/VP=10若为一级反应，可参见式2－121：(1)ln(1)CPVV将η＝0.9代入上式得：VC/VP=3.9若为零级反应，a=0，则)111)(1(PCVV将η＝0.9代入上式得：VC/VP=1.0上述结果表明：当化学反应为二级和一级反应时，完全混合流反应器的容积远大于活塞流反应器，只有化学反应为零级反应时，两者容积相等。7.解：对于n级串联的完全混合流反应器，反应遵循一级反应动力学，存在下列关系式：01(1/)nnCCkVQ已知C0=100mg/L，Cn=2mg/L，k=0.8d-1，Q=4*106L/d（1）若为单级CMR，n=1，则有011(1/)CCkVQ代入已知条件得：2/100=1/(1+0.8*V/4*106)则V=245*106L=245000m3（2）若为串联的两个CMR，n=2，则有0221(1/)CCkVQ代入已知条件得：2/100=1/(1+0.8*V/4*106)2则V=30.36*106L=30360m3因两个CMR串联，总容积为：V2=2V=2*30360m3=60720m3（3）若为串联的四个CMR，n=4，则有0441(1/)CCkVQ代入已知条件得：2/100=1/(1+0.8*V/4*106)4则V=8.30*106L=8300m3因四个CMR串联，总容积为：V2=4V=4*8300m3=33200m3（4）若采用活塞流反应器PFR，则有01lnVCQkC代入已知条件得：V/4*106=(1/0.8)ln(100/2)则VP=19.56*106L=19560m3结论：在同等条件下，欲达到相同的处理效果，活塞流反应器的容积最小，远小于单个完全混合流反应器。而多个完全混合流反应器的串联时，个数越多，则完全混合流反应器的总容积越小，逐步趋于活塞流反应器的容积。当串联的个数为无穷大时，就变成了活塞流反应器。8.解：对于n级串联的完全混合流反应器，如果细菌衰减遵循一级反应动力学，存在下列关系式：01(1)nnCCkt已知C0=106个/mL，Cn=14.5个/mL，k=6.1h-1，t=30min=0.5h，将上述条件代入14.5/106=1/(1+6.1*0.5)n则有：n=7.97≈8个。即8个完全混合流氯消毒池的串联的运行才能满足要求。如采用活塞流氯消毒池，停留时间与上述情况相同，01lnCkCt代入已知条件得：0.5*8=－(1/6.1)ln(C/106)则C=2.53*10-5个/mL由此可见，经活塞流氯消毒池处理后，完全可以满足要求，而且还可以大大缩短停留时间，经计算大约只需1.83h即可满足要求，相当于4个完全混合流氯消毒池的串联的停留时间。