化工原理杨祖荣17章习题答案完美排版

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1、可编辑版目录第一章流体流动与输送机械2第二章 非均相物系分离32第三章 传热42第四章蒸发69第五章气体吸收73第六章 蒸馏95第七章固体干燥119第三章 传热1、某加热器外面包了一层厚为300mm的绝缘材料,该材料的导热系数为0.16W/m,已测得该绝缘层外缘温度为30,距加热器外壁250mm处为75,试求加热器外壁面温度为多少？解：2、某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成；耐火砖 b1=230mm, l1=1.05 W/绝热砖 b2=230mm, l2=0.151W/建筑砖 b3=240mm, l3=0.93W/ 已知耐火砖内侧温度为1000,耐火砖与绝热砖界面处的温度为940,要求绝热砖与

2、建筑砖界面处的温度不得超过138,试求：（1） 绝热层需几块绝热砖； （2） 普通砖外侧温度为多少？解：1b2=?230mmb2=442mm2302mm则：绝热层需两块绝热砖。校核t2=?2t4=?习题3-3 附图3、505的不锈钢管,导热系数116,外面包裹厚度为30mm导热系数0.2W/的石棉保温层。若钢管的内表面温度为623,保温层外表面温度为373,试求每米管长的热损失及钢管外表面的温度。解：已知钢管的内半径钢管的外半径保温层的外半径根据式3-12a,每米管长的热损失由于是定态热传导,故各层传导的热量应该相等,可得到钢管外表面的温度t2。4、603的铝合金管导热系数近似按钢管选取,外面

3、依次包有一层30mm的石棉和30mm的软木。石棉和软木的导热系数分别为0.16和0.04管外涂防水胶,以免水汽渗入后发生冷凝及冻结。1已知管内壁温度为-110,软木外侧温度为10,求每米管长上损失的冷量；2计算出钢、石棉及软木层各层热阻在总热阻中所占的百分数；3若将两层保温材料互换各层厚度仍为30mm,钢管内壁面温度仍为-110,作为近似计算,假设最外层的石棉层表面温度仍为10。求此时每米管长损失的冷量。 提示：保温层互换后,保温层外壁面与空气间的对流传热膜系数与互换前相同。解： 每米管长损失的冷量： 各层热阻在总热阻中所占的分数：由以上计算可知钢管热阻很小,且。 若将互换,厚度不变,且认为不

4、变。以上计算可以看出,将保温性能好的材料放在里层,保温或保冷效果好。但此计算不严格,因为保冷好,则t4应增大,即。习题5附图5、欲测某绝缘材料的导热系数,将此材料装入附图所示的同心套管间隙内。已知管长l=1.0m. r1=10mm, r2=13mm, r3=23mm, r4=27mm。在管内用热电偶加热,当电热功率为1.0kW时,测得内管的内壁温度为900,外管的外壁温度为100,金属管壁的导热系数为50W/,试求绝缘材料的导热系数。若忽略壁阻,会引起多大的误差？解：按题意求得：内管壁的热阻为：外管壁的热阻为：通过多层管壁的热流量为：则：l2=0.114 W/。若忽略两侧金属壁的热阻,则则：l

5、2=0.114 W/。由于金属壁的热阻远小于绝缘材料的热阻,在实验精度范围内,金属壁的热阻可以忽略。6、冷却水在252.5,长为2m的钢管中以1m/s的流速通过。冷却水的进、出口温度为20和50,求管壁对水的对流传热系数？ 解：定性温度 查得水在35时的物性参数：管内径为：d=25-22.5=20mm=0.02m 湍流水被加热,k=0.4,得：7、一列管式换热器,由38根252.5的无缝钢管组成,苯在管内以8.32kg/s的流速通过,从80冷却至20。求苯对管壁的对流传热系数；若流速增加一倍,其他条件不变,对流传热系数又有何变化？解：定性温度 查得苯在50时的物性参数：管内径为：d=25-22

6、.5=20mm=0.2m 湍流苯被冷却,k=0.3,则：2流速增加一倍,u=2u,其他条件不变由于 所以 8、质量分数为98%,密度r=1800kg/m3的硫酸,以1m/s的流速在套管换热器的内管中被冷却,进、出口温度分别为90和50,内管直径为252.5。管内壁平均温度为60。试求硫酸对管壁的对流传热系数。已知70硫酸的物性参数如下：壁温60时的硫酸黏度1267 W/m2解：定性温度 查得硫酸在70时的物性参数：壁温60时的硫酸黏度因为黏度较大,故用式3-16计算 过渡流过渡流校正9、原油在896的管式炉对流段的管内以0.5m/s的流速流过而被加热,管长6m。已知管内壁温度为150,原油的平

7、均温度为40。试求原油在管内的对流传热系数。已知原油的物性参数为：原油150时的黏度解：原油在管内流动的Re 层流 0.6Pr6700所以原油在管内的对流传热系数用式3-19计算由于所以对流传热系数需校正10、铜氨溶液在由四根453.5 钢管并联的蛇管中由38冷却至8,蛇管的平均曲率半径为0.285 m。已知铜氨溶液的流量为2.7m3/h,黏度为2.210-3Pas,密度为1200km/m3,其余物性常数可按水的0.9倍选用,试求铜氨溶液的对流传热系数。解定性温度 查得水在23时的物性参数,并折算为铜氨液的物性： 四组蛇管并联的横截面积： 过渡区铜氨液被冷却,k=0.3,则：过渡流需校正弯管校

8、正11、有一列管式换热器,外壳内径为190mm,内含37根192 的钢管。温度为12,压力为101.3kPa的空气,以10m/s的流速在列管式换热器管间沿管长方向流动,空气出口温度为30。试求空气对管壁的对流传热系数。解：定性温度 查得空气在21时的物性参数： 湍流空气被加热,k=0.4,则：12、在接触氧化法生产硫酸的过程中,用反应后高温的SO3混合气预热反应前气体。常压SO3混合气在一由383 钢管组成、壳程装有圆缺型挡板的列管换热器壳程流过。已知管子成三角形排列,中心距为51mm,挡板间距为1.45m,换热器壳径为2800；又SO3混合气的流量为4104m3/h,其平均温度为145.若混

9、合气的物性可近似按同温度下的空气查取,试求混合气的对流传热系数考虑部分流体在挡板与壳体之间短路,取系数为0.8解：本题为列管式换热器管外强制对流传热,对流传热系数按式3-25计算管子正三角形排列时,管外流体流过的最大截面积Smax计算： 管外流体的流速定性温度 下查得空气的物性参数：因气体黏度变化较小,故,由因部分流体在单板与壳体之间隙短路,取实际对流传热系数为计算值的0.8倍13、在油罐中装有水平放置的水蒸气管,以加热罐中的重油。重油的平均温度为20,水蒸气管外壁的平均温度为120,管外径为60mm。已知70时的重油物性数据如下：=900kg/m3=0.175W/cp=1.88kJ/ =21

10、0-3m2/s=310-4 -1试求水蒸气管对重油每小时每平方米的传热量kJ/m2h? 解：则 查表3-4, 得C=0.54, n=1/4,于是所以水蒸气管对重油每小时每平方米的传热量14、压强为4.76105Pa的饱和水蒸气,在外径为100mm,长度为0.75m的单根直立圆管外冷凝。管外壁温度为110。试求1圆管垂直放置时的对流传热系数；2管子水平放置时的对流传热系数；3若管长增加一倍,其他条件均不变,圆管垂直放置时的平均对流传热系数。解：压强为4.76105Pa的饱和蒸汽温度为150,此时水蒸气的汽化潜热r=2119kJ/kg冷凝液定性温度膜温,查130时水的物性参数 管垂直放置时假设液膜

11、中的液体作层流流动,由式3-31计算平均对流传热系数验证Re：所以假设层流是正确的。3管水平放置由式3-29和式3-31可得单管水平放置和垂直放置时的对流传热系数a和a的比值为所以单根管水平放置时的对流传热系数为：3管长为0.75m时,液膜流动的Re=1608,故管长增加一倍后,液膜成湍流状态。此时的对流传热系数为：所以因此当液膜从层流转变为湍流时,冷凝对流传热系数急剧增加。15、载热体流量为1500kg/h,试计算以下各过程中载热体放出或得到的热量。 1100的饱和水蒸气冷凝成100的水； 2110的苯胺降温至10； 3比热为3.77kJ/的NaOH溶液从370K冷却到290K； 4常压下1

12、50的空气冷却至20； 5压力为147.1kPa的饱和水蒸气冷凝后并降温至50。解：1 查饱和水蒸气 汽化潜热r=2258kJ/kg2 定性温度,查60时苯胺的物性参数34定性温度,查85时空气的物性参数5压力为147.1kPa的水的饱和温度为 汽化潜热r=2230.1kJ/kg定性温度,查80.4时水的物性参数16、每小时8000m3标准状况的空气在蒸汽加热器中从12被加热到42,压强为400kPa的饱和水蒸气在管外冷凝。若设备的热损失估计为热负荷的5%,试求该换热器的热负荷和蒸气用量。解：热量衡算：查得标准状况下的空气物性参数蒸汽用量：17、在一套管式换热器中,用冷却水将1.25kg/s的

13、苯由350K冷却至300K,冷却水进出口温度分别为290K和320K。试求冷却水消耗量。解：由苯的定性温度,查苯的物性参数由苯计算热负荷由冷却水的定性温度,查水的物性参数18、在一列管式换热器中,将某溶液自15加热至40,载热体从120降至60。试计算换热器逆流和并流时的冷、热流体平均温度差。解：1逆流1206040158045时平均温度差为12060154010520并流：19、在一单壳程、四管程的列管式换热器中,用水冷却油。冷却水在壳程流动,进出口温度分别为15和32。油的进、出口温度分别为100和40。试求两流体间的温度差。解： 先按逆流时计算,逆流时平均温度差为100403215682

14、5折流时的对数平均温度差为 其中由图3-27a查得,故20、在一内管为f18010mm的套管式换热器中,管程中热水流量为3000kg/h,进、出口温度分别为为90和60。壳程中冷却水的进、出口温度分别为20和50,总传热系数为2000W/。试求：1冷却水用量；2逆流流动时的平均温度差及管子的长度；3并流流动时的平均温度差及管子的长度；解：1水的比热2逆流时平均温度差为906050204040 3并流时平均温度差为90602050701021、在一内管为f252.5mm的套管式换热器中,CO2气体在管程流动,对流传热系数为40 W/。壳程中冷却水的对流传热系数为3000W/。试求：1总传热系数；

15、2若管内CO2气体的对流传热系数增大一倍,总传热系数增加多少；3若管外水的对流传热系数增大一倍,总传热系数增加多少；以外表面积计解：查得碳钢的导热系数取管内CO2侧污垢热阻Rs2=0.5310-3 管外水侧热阻 Rs1=0.2110-3 总传热系数以外表面积计2管内CO2气体的对流传热系数增大一倍,即a2=80W/总传热系数增加92.8%3若管外水的对流传热系数增大一倍,a1=6000W/总传热系数增加0.7%22、在一内管为f252.5mm的套管式换热器中,用水冷却苯,冷却水在管程流动,入口温度为290K,对流传热系数为850W/。壳程中流量为1.25kg/s的苯与冷却水逆流换热,苯的进、出

16、口温度为350K、300K,苯的对流传热系数为1700W/。已知管壁的导热系数为45W/,苯的比热为cp=1.9kJ/,密度为=880kg/m3。忽略污垢热阻。试求：在水温不超过320K的最少冷却水用量下,所需总管长为多少？以外表面积计解：冷却水的平均温度,查得305K时水的比热容为热负荷 冷却水用量：平均温度差为3503003202903010基于外表面积的总传热系数K123、一套管式换热器,用饱和水蒸气加热管内湍流的空气,此时的总传热系数近似等于空气的对流传热系数。若要求空气量增加一倍,而空气的进出口温度仍然不变,问该换热器的长度应增加多少？解：总传热量：空气量增加一倍后：此时总传热系数空

17、气的进出口温度不变,则管长要增加15%。24、有一单管程列管式换热器,该换热器管径为f252.5mm,管子数37根,管长3米。今拟采用此换热器冷凝并冷却CS2饱和蒸汽,自饱和温度46冷却到10。CS2在壳程冷凝,其流量为300kg/h,冷凝潜热为351.6kJ/kg。冷却水在管程流动,进口温度为5,出口温度为32,逆流流动。已知CS2在冷凝和冷却时的传热系数分别为及。问此换热器是否适用？传热面积A及传热系数均以外表面积计 解：已知列管尺寸；题中所给的两个K值均以外表面积为基准。现有传热面积：总传热量已知查得时 CS2的比热其中；为求A1、A2就应求出两段交界处冷却水温度At/Q1,A1Q2,A

18、2K1K2t4632105对于冷凝段则4646327.451438.5546107.45538.555此换热器可满足生产要求。传热面积富裕25、由f252.5mm的锅炉钢管组成的废热锅炉,壳程为压力2570kPa表压的沸腾水。管内为合成转化气,温度由575下降到472。已知转化气侧a2=300 W/,水侧a1=104 W/。忽略污垢热阻,试求平均壁温TW和tW。解：以外表面积为基准的总传热系数平均温度差：压力2570kPa表压下水的饱和温度为：226.4575472226.4226.4348.6245.6传热量 管内壁壁温T取热流体进出口平均温度管外壁壁温26、有一单壳程、双管程列管式换热器。

19、壳程为120饱和水蒸气冷凝,常压空气以12m/s的流速在管程内流过。列管为钢管,总管数为200根。已知空气进口温度为26,要求被加热到86。又已知蒸汽侧对流传热系数为,壁阻及垢阻可忽略不计。试求： 换热器列管每根管长为多少米？ 由于此换热器损坏,重新设计了一台新换热器,其列管尺寸改为,总管数减少20%,但每根管长维持原值。用此新换热器加热上述空气,求空气的出口温度。解： 由热量衡算式和传热速率方程计算完成任务所需的传热面积,然后在计算出管长。查时, 空气的物性, 12012026869434解得：解法2可见这种近似是允许的。 改为列管,令空气出口温度为热量衡算： 速率方程： 120120269

20、4式中 将以上各值代入后再与式联立解得：27、试计算一外径为50mm,长为10m的氧化钢管,其外壁温度为250时的辐射热损失。若将此管附设在：与管径相比很大的车间内,车间内为石灰粉刷的壁面,壁面温度为27,壁面黑度为0.91；截面为200mm200mm的红砖砌的通道,通道壁温为20。解：由表3-8查的氧化钢管黑度为e1=0.8,石灰粉刷壁面的黑度e2=0.151由于炉门被极大的四壁包围,由表3-9知j=1,A=A1=3.140.0510=1.57m2,C1-2=e1C0=0. 85.669=4.535W/m2K4所以 2查红砖e2=0.93,=1,此为表3-9中的第五种情况, 所以28、在一大

21、车间内有一圆柱形焙烧炉,炉高6m,外径6m,炉壁内层为300mm的耐火砖,外层包有20mm的钢板,已测得炉内壁温度为320,车间内温度为23,假设由炉内传出的热量全部从炉外壁以辐射的方式散失。试求此炉每小时由炉壁散失的热量为若干？已知耐火砖,炉壁黑度e=0.8,钢板热阻可以不计。提示：可用试差法求解,炉外壁温度在110-120之间。解：辐射面积： 1耐火砖圆柱热传导：耐火砖顶部热传导： 联立与式试差解得：或 29、平均温度为150的机器油在f1086mm的钢管中流动,大气温度为10。设油对管壁的对流传热系数为350 W/,管壁热阻和污垢热阻忽略不计。试求此时每米管长的热损失。又若管外包一层厚2

22、0mm,导热系数为0.058 W/的玻璃布层,热损失将减少多少？对流辐射联合传热系数W/。解：在定态条件下,各串联热阻相等1不保温时的热损失因管壁热阻忽略不计,可认为管内、外壁温度均为tW。令tw-10=q于是 求解得：按管外壁散热得：2若加了20mm厚的保温层后,管壁温度为tW1,保温层外壁温度为tW2。则：解得：按管外壁散热得：热损失减少30、某化工厂在生产过程中,需将纯苯液体从80冷却到55,其流量为20000kg/h。冷却介质采用35的循环水。试选用合适型号的换热器。定性温度下流体物性列于本题附表中。习题3-30附表密度,kg/m3比热容,kJ/黏度,Pas导热系数,kJ/苯828.6

23、1.8413.5210-40.129循环水992.34.1740.6710-30.633解 试算和初选换热器的型号 计算热负荷和冷却水消耗量 热负荷： 冷却水流量： kg/s 计算两流体的平均温度差暂按单壳程、双管程考虑,先求逆流时平均温度差805543353720而 由图3-27a查得 ,因为,选用单壳程可行。所以初选换热器规格根据两流体的情况,假设K估450W,传热面积A估应为本题为两流体均不发生相变的传热过程。为使苯通过壳壁面向空气中散热,提高冷却效果,令苯走壳程,水走管程。两流体平均温度差,可选用固定管板式换热器。由换热器系列标准,初选换热器型号为G400-1.6-22, 有关参数如下

24、。壳径/mm公称压强/MPa管程数壳程数管子尺寸/mm实际传热面积/mm24001.621252.523.2管长/m管子总数管子排列方法管中心距/mm折流档板间距/mm折流板型式3102正三角形32150圆缺型校核总传热系数K管程对流传热系数a2管程流通面积管程冷却水流速 ms 壳程对流传热系数a1,按式3-25计算流体通过管间最大截面积为苯的流速为 ms管子正三角形排列的当量直径壳程中苯被冷却,取所以 污垢热阻 管内、外侧污垢热阻分别取为,总传热系数K管壁热阻可忽略,总传热系数K为 K=526.2 传热面积A m2安全系数为故所选择的换热器是合适的。选用固定管板式换热器,型号为G400-1.

25、6-22第四章 蒸发1、用一单效蒸发器将2500kg/h的NaOH水溶液由10%浓缩到25%均为质量百分数,已知加热蒸气压力为450kPa,蒸发室内压力为101.3kPa,溶液的沸点为115,比热容为3.9kJ/,热损失为20kW。试计算以下两种情况下所需加热蒸汽消耗量和单位蒸汽消耗量。进料温度为25；2沸点进料。解：（1） 求水蒸发量W应用式4-12求加热蒸汽消耗量应用式4-4由书附录查得450kPa和115下饱和蒸汽的汽化潜热为2747.8和2701.3kJ/kg则进料温度为25时的蒸汽消耗量为：单位蒸汽消耗量由式4-5a计算,则原料液温度为115时单位蒸汽消耗量 由以上计算结果可知,原料

26、液的温度愈高,蒸发1 kg水所消耗的加热蒸汽量愈少。2、试计算30%质量百分数的NaOH水溶液在60 kPa绝压力下的沸点。解：T查 蒸汽在600kPa下的饱和温度为85.6,汽化潜热为2652kJ/kg由式4-9 可求其中 f由式4-10求得,即 查附录 为160 则 =160-100=60即 3、在一常压单效蒸发器中浓缩CaCl2水溶液,已知完成液浓度为35.7质分数,密度为1300kg/m3,若液面平均深度为1.8m,加热室用0.2MPa表压饱和蒸汽加热,求传热的有效温差。解：确定溶液的沸点t1 计算查附录 p=101.3kPa, T=100,r=2677.2 kJ/kg查附录 常压下3

27、5%的CaCl2水溶液的沸点近似为计算查附录 当pav=1.128103kPa时,对应的饱和蒸汽温度 Tpav=102.7取溶液的沸点则传热的有效温度差为：0.4MkPa表压饱和蒸汽的饱和蒸汽温度 T=133.4、用一双效并流蒸发器将10%质量,下同的NaOH水溶液浓缩到45%,已知原料液量为5000kg/h,沸点进料,原料液的比热容为3.76kJ/kg。加热蒸汽用蒸气压力为500 kPa绝,冷凝器压力为51.3kPa,各效传热面积相等,已知一、二效传热系数分别为K1=2000 W/,K=1200 W/,若不考虑各种温度差损失和热量损失,且无额外蒸汽引出,试求每效的传热面积。解：1总蒸发量由式

28、4-24求得2设各效蒸发量的初值,当两效并流操作时又 再由式4-25求得3假定各效压力,求各效溶液沸点。按各效等压降原则,即各效的压差为：kPa故 p1=500-224.4=275.6 kPap3=51.3kPa查第一效p1=275.6 kPa下饱和水蒸气的饱和蒸汽温度 T1=130.2,其r1=2724.2 kJ/kg查第二效p2=51.3 kPa下饱和水蒸气的饱和蒸汽温度 T2=81.8,其r2=2645.3 kJ/kg查加热蒸汽p=500kPa下, 饱和温度T=151.7,r=2752.8 kJ/kg4求各效的传热面积,由式4-33得 因不考虑各种温度差损失和热损失,且无额外蒸汽引出,故

29、加热蒸汽消耗 m2 m2 校核第1次计算结果,由于A1A2 ,重新计算。1A1=A2=A调整后的各效推动力为：将上式与式434比较可得=69.5且 经处理可得： m2则 ,2重新调整压降,则 其对应的饱和压力=244.3kPa时,其第五章 气体吸收气液平衡1在常压、室温条件下,含溶质的混合气的中,溶质的体积分率为10,求混合气体中溶质的摩尔分率和摩尔比各为多少？解：当压力不太高,温度不太低时,体积分率等于分摩尔分率,即y=0.10根据 ,所以2向盛有一定量水的鼓泡吸收器中通入纯的CO2气体,经充分接触后,测得水中的CO2平衡浓度为2.875102kmol/m3,鼓泡器内总压为101.3kPa,

30、水温30,溶液密度为1000 kg/m3。试求亨利系数E、溶解度系数H及相平衡常数m。解：查得30,水的稀溶液：3在压力为101.3kPa,温度30下,含CO220体积分率空气CO2混合气与水充分接触,试求液相中CO2的摩尔浓度、摩尔分率及摩尔比。解：查得30下CO2在水中的亨利系数E为1.88105kPaCO2为难溶于水的气体,故溶液为稀溶液4在压力为505kPa,温度25下,含CO220体积分率空气CO2混合气,通入盛有1m3水的2 m3密闭贮槽,当混合气通入量为1 m3时停止进气。经长时间后,将全部水溶液移至膨胀床中,并减压至20kPa,设CO2 大部分放出,求能最多获得CO2多少kg？

31、。解：设操作温度为25,CO2 在水中的平衡关系服从亨利定律,亨利系数E为1.66105kPa。解： 1气相失去的CO2摩尔数液相获得的CO2摩尔数 21与2解得：减压后： 稀溶液： 5用清水逆流吸收混合气中的氨,进入常压吸收塔的气体含氨6体积,氨的吸收率为93.3,溶液出口浓度为0.012摩尔比,操作条件下相平衡关系为。试用气相摩尔比表示塔顶和塔底处吸收的推动力。解：塔顶： 塔底： 6在总压101.3kPa,温度30的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触,试问：（1） 从液相分析SO2的传质方向；（2） 从气相分析,其他条件不变,温度降到0时SO

32、2的传质方向；（3） 其他条件不变,从气相分析,总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向,并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。解：查得在总压101.3kPa,温度30条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa 所以47.88从液相分析 x=0.01故SO2必然从液相转移到气相,进行解吸过程。2查得在总压101.3kPa,温度0的条件下,SO2在水中的亨利系数E=1670kPa =16.49从气相分析y*=mx=16.490.01=0.16y=0.3故SO2必然从气相转移到液相,进行吸收过程。3在总压202.6kPa,温度30条件下,SO2在水中的亨利系数E=4850k

33、Pa =23.94从气相分析y*=mx=23.940.01=0.24y=0.3故SO2必然从气相转移到液相,进行吸收过程。以液相摩尔分数表示的吸收推动力为:x=x*x=0.01250.01=0.0025以气相摩尔分数表示的吸收推动力为:y= y y*=0.30.24=0.06扩散与单相传质7在温度为20、总压为101.3kPa的条件下,SO2与空气混合气缓慢地沿着某碱溶液的液面流过,空气不溶于该溶液。SO2透过1mm厚的静止空气层扩散到溶液中,混合气体中SO2的摩尔分率为0.2,SO2到达溶液液面上立即被吸收,故相界面上SO2的浓度可忽略不计。已知温度20时,SO2在空气中的扩散系数为0.18

34、cm2/s。试求SO2的传质速率为多少？解: SO2通过静止空气层扩散到溶液液面属单向扩散,已知：SO2在空气中的扩散系数D=0.18cm2/s=1.810-5m2/s 扩散距离z=1mm=0.001m,气相总压p=101.3kPa气相主体中溶质SO2的分压pA1=pyA1=101.30.2=20.26kPa气液界面上SO2的分压pA2=0所以,气相主体中空气惰性组分的分压pB1=ppA1=101.320.26=81.04kPa气液界面上的空气惰性组分的分压pB2=ppA2=101.30=101.3kPa空气在气相主体和界面上分压的对数平均值为：=1.6710-4kmol/ 8在总压为100k

35、Pa、温度为30时,用清水吸收混合气体中的氨,气相传质系数=3.8410-6 kmol/m2skPa,液相传质系数=1.8310-4 m/s,假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律,测得液相溶质摩尔分率为0.05,其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05,x=0.01时（1） 以、表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；（2） 分析该过程的控制因素。解：1根据亨利定律相平衡常数溶解度常数以气相分压差表示总推动力时：=1000.05-1340.01=3.66kPa= kmol/m2skPa=3.6610-63.66=1.3410-5 kmol/m2s以表

36、示的传质总推动力时： kmol/m3=0.41461000.050.56=1.513 kmol/m3=8.810-61.513=1.331410-5 kmol/m2s2与表示的传质总推动力相应的传质阻力为273597m2skPa/ kmol；其中气相阻力为m2skPa/ kmol；液相阻力m2skPa/ kmol；气相阻力占总阻力的百分数为。故该传质过程为气膜控制过程。 9若吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线,界面上气液两相平衡,推导出KL与kL、kG的关系。解：因吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线界面上气液两相平衡 的关系式由 得 1由得 2由得 32式3式,并与1式

37、比较得吸收过程设计型计算10用20的清水逆流吸收氨空气混合气中的氨,已知混合气体总压为101.3 kPa,其中氨的分压为1.0133 kPa,要求混合气体处理量为773m3/h,水吸收混合气中氨的吸收率为99。在操作条件下物系的平衡关系为,若吸收剂用量为最小用的2倍,试求1塔内每小时所需清水的量为多少kg？1塔底液相浓度用摩尔分率表示。解：1 实际吸收剂用量L=2Lmin=223.8=47.6kmol/h 856.8 kg/h2 X1 = X2+VY1-Y2/L=0+11在一填料吸收塔内,用清水逆流吸收混合气体中的有害组分A,已知进塔混合气体中组分A的浓度为0.04摩尔分率,下同,出塔尾气中A

38、的浓度为0.005,出塔水溶液中组分A的浓度为0.012,操作条件下气液平衡关系为。试求操作液气比是最小液气比的倍数？解：12用SO2含量为1.110-3的水溶液吸收含SO2为0.09摩尔分率的混合气中的SO2。已知进塔吸收剂流量为37800kg/h,混合气流量为100kmol/h,要求SO2的吸收率为80%。在吸收操作条件下,系统的平衡关系为,求气相总传质单元数。解： 吸收剂流量惰性气体流量12空气中含丙酮2%体积百分数的混合气以0.024kmol/m2s的流速进入一填料塔,今用流速为0.065kmol/m2s的清水逆流吸收混合气中的丙酮,要求丙酮的回收率为98.8%。已知操作压力为100

39、kPa,操作温度下的亨利系数为177 kPa,气相总体积吸收系数为0.0231 kmol/m3s,试用解吸因数法求填料层高度。解已知 因此时为低浓度吸收,故 kmol/m2s= =11.0也可由和=83.3,查图5-25得到=9.78=所以 =9.781.04=10.17m14在逆流吸收的填料吸收塔中,用清水吸收空气氨混合气中的氨,气相流率为0.65kg/。操作液气比为最小液气比的1.6倍,平衡关系为,气相总传质系数为0.043kmol/。试求：吸收率由95提高到99,填料层高度的变化。2吸收率由95提高到99,吸收剂用量之比为多少？解：1吸收率为95时：V0.65290.0224 kmol/

40、L0.02241.3980.0313 kmol/吸收率为99时：L0.02241.4570.0326 kmol/ L0.02241.3980.0313 kmol/L0.02241.4570.0326 kmol/15. 用纯溶剂在填料塔内逆流吸收混合气体中的某溶质组分,已知吸收操作液气比为最小液气比的倍数为,溶质A的吸收率为,气液相平衡常数m。试推导出：1吸收操作液气比与、及m之间的关系；2当传质单元高度HOG及吸收因数A一定时,填料层高度Z与吸收率之间的关系?解：1 2 吸收过程的操作型计算16在一填料塔中用清水吸收氨空气中的低浓氨气,若清水量适量加大,其余操作条件不变,则、如何变化？已知体积

41、传质系数随气量变化关系为解： 用水吸收混合气中的氨为气膜控制过程,故 因气体流量V不变,所以、近似不变,HOG不变。 因塔高不变,故根据Z=可知不变。 当清水量加大时,因,故S降低,由图5-25可以看出会增大,故将下降。 根据物料衡算可近似推出将下降。17某填料吸收塔在101.3 kPa,293K下用清水逆流吸收丙酮空气混合气中的丙酮,操作液气比为2.0,丙酮的回收率为95%。已知该吸收为低浓度吸收,操作条件下气液平衡关系为,吸收过程为气膜控制,气相总体积吸收系数与气体流率的0.8次方成正比。塔截面积为1m21若气体流量增加15%,而液体流量及气、液进口组成不变,试求丙酮的回收率有何变化？2若

42、丙酮回收率由95%提高到98%,而气体流量,气、液进口组成,吸收塔的操作温度和压力皆不变,试求吸收剂用量提高到原来的多少倍。解：1 设操作条件变化前为原工况=X2=0,=设气量增加15%时为新工况 因 ,所以 故新工况下因塔高未变, 故 =5.157 , 新工况下：解得丙酮吸收率变为92.95% 当气体流量不变时,对于气膜控制的吸收过程,不变,故吸收塔塔高不变时,也不变化,即将丙酮回收率由95%提高到98%,提高吸收剂用量时,新工况下=5.301 ,用试差法解得=0.338所以吸收剂用量应提高到原来的1.746倍。18在一逆流操作的吸收塔中,如果脱吸因数为0.75,气液相平衡关系为,吸收剂进塔

43、浓度为0.001摩尔比,下同,入塔混合气体中溶质的浓度为0.05时,溶质的吸收率为90%。试求入塔气体中溶质浓度为0.04时,其吸收率为多少？若吸收剂进口浓度为零,其他条件不变,则其吸收率又如何？此结果说明了什么？解： 时：原工况 新工况 解得时：原工况 新工况 解得 从计算结果看,塔高一定,当用纯溶剂吸收混合气体中的溶质时,入塔气体组成变化,其他条件不变,其吸收率不变。19.在一逆流操作的填料塔中,用纯溶剂吸收混合气体中溶质组分,当液气比为1.5时,溶质的吸收率为90,在操作条件下气液平衡关系为。如果改换新的填料时,在相同的条件下,溶质的吸收率提高到98,求新填料的气相总体积吸收系数为原填料

44、的多少倍？解：原工况： 新工况： 20. 在一填料吸收塔内用洗油逆流吸收煤气中含苯蒸汽。进塔煤气中苯的初始浓度为0.02摩尔比,下同,操作条件下气液平衡关系为,操作液气比为0.18,进塔洗油中苯的浓度为0.003,出塔煤气中苯浓度降至0.002。因脱吸不良造成进塔洗油中苯的浓度为0.006,试求此情况下1出塔气体中苯的浓度； 2吸收推动力降低的百分数？解：原工况：新工况： 解得21在一塔径为880m的常压填料吸收塔内用清水吸收混合气体中的丙酮,已知填料层高度为6m,在操作温度为25时,混合气体处理量为2000m3/h,其中含丙酮5。若出塔混合物气体中丙酮含量达到0.263,每1kg出塔吸收液中

45、含61.2kg丙酮。操作条件下气液平衡关系为,试求：1气相总体积传质系数及每小时回收丙酮的kg数；2若将填料层加高3m,可多回收多少kg丙酮？解： 解得22用纯溶剂在一填料吸收塔内,逆流吸收某混合气体中的可溶组分。混合气体处理量为1.25Nm3/s,要求溶质的回收率为99.2%。操作液气比为1.71,吸收过程为气膜控制。已知10下,相平衡关系,气相总传质单元高度为0.8m。试求：1吸收温度升为30时,溶质的吸收率降低到多少？ 30时,相平衡关系2若维持原吸收率,应采取什么措施定量计算其中的2个措施。解：1原工况：新工况： 解得2温度升高,平衡线上移,推动力减小,保持吸收率不变,可采取措施：1L

46、/V增加,即增加溶剂量；2增加填料层高度 L/V不变,温度升高,推动力减小靠增加塔高弥补。温度改变,对气膜控制吸收过程,传质单元高度不变,23在一塔高为4m填料塔内,用清水逆流吸收混合气中的氨,入塔气体中含氨0.03摩尔比,混合气体流率为0.028kmol/, 清水流率为0.0573kmol/要求吸收率为98,气相总体积吸收系数与混合气体流率的0.7次方成正比。已知操作条件下物系的平衡关系为,试求：1当混合气体量增加20时,吸收率不变,所需塔高？2压力增加1倍时,吸收率不变,所需塔高？设压力变化气相总体积吸收系数不变解： 原工况： 1气体流量增加20 因水吸收氨为气膜控制,所以V增加,传质单元

47、高度变化2压力加1倍 24在一填料吸收塔内,用含溶质为0.0099摩尔比的吸收剂逆流吸收混合气中溶质的85%,进塔气体中溶质浓度为0.091摩尔比,操作液气比为0.9,已知操作条件下系统的平衡关系为,假设体积传质系数与流动方式无关。试求1逆流操作改为并流操作后所得吸收液的浓度；2逆流操作与并流操作平均吸收推动力的比。解： 逆流吸收时,已知,所以 X1 = X2+VY1Y2/L=0.0099+改为并流吸收后,设出塔气、液相组成为,进塔气、液相组成为。物料衡算： 将物料衡算式代入中整理得：逆流改为并流后, 因不变,即传质单元高度HOG不变,故NOG不变。所以 由物料衡算式得：将此两式联立解得：由计

48、算结果可以看出,在逆流与并流的气、液两相进口组成相等及操作条件相同的情况下,逆流操作可获得较高的吸收液浓度及较大的吸收推动力。25含烃摩尔比为0.0255的溶剂油用水蒸气在一塔截面积为1m2的填料塔内逆流解吸,已知溶剂油流量为10kmol/h,操作气液比为最小气液比的1.35倍,要求解吸后溶剂油中烃的含量减少至摩尔比为0.0005。已知该操作条件下,系统的平衡关系为,液相总体积传质系数=30kmol/。假设溶剂油不挥发,蒸汽在塔内不冷凝,塔内维持恒温。求：1解吸所需水蒸气量为多少kmol/h；2所需填料层高度。解:已知 , , =1.351 =1.35=1.350.0297=0.04蒸汽用量

49、V=1.35L=0.0410=0.4kmol/h2 = =10.62填料层高度 =10.620.33=3.50m第六章 蒸馏1.单位换算（1） 乙醇-水恒沸物中乙醇的摩尔分数为0.894,其质量分数为多少？（2） 苯-甲苯混合液中,苯的质量分数为0.21,其摩尔分数为多少？ 大气中O2含量为0.21, N2含量为0.79均为体积分率,试求在标准大气压下, O2和N2 的分压为多少？ O2和N2 的质量分数为多少？解：1质量分数 2摩尔分数苯分子量：78；甲苯分子量：9232正庚烷和正辛烷在110时的饱和蒸气压分别为140kPa和64.5kPa。试计算混合液由正庚烷0.4和正辛烷0.6均为摩尔分

50、数组成时,在110下各组分的平衡分压、系统总压及平衡蒸气组成。此溶液为理想溶液解：3试计算压力为101.3kPa时,苯-甲苯混合液在96时的气液平衡组成。已知96时, pAo=160.52kPa,pBo=65.66kPa。 解：液相苯的分率：气相苯的分率：4在101.3kPa时正庚烷和正辛烷的平衡数据如下：温度/液相中正庚烷的摩尔分数气相中正庚烷的摩尔分数98.41.01.01050.6560.811100.4870.6731150.3110.4911200.1570.280125.600试求：1在压力101.3kPa下,溶液中含正庚烷为0.35摩尔分数时的泡点及平衡蒸汽的瞬间组成？ 2在压力

51、101.3kPa下被加热到117时溶液处于什么状态？各相的组成为多少？ 3溶液被加热到什么温度时全部气化为饱和蒸汽？解：t-x-y图由t-x-y图可知1泡点为114,平衡蒸汽的组成为0.54摩尔分数；2溶液处于汽液混合状态,液相组成为0.24摩尔分数,气相组成为0.42摩尔分数；3溶液加热到119时全部汽化为饱和蒸汽。5根据某理想物系的平衡数据,试计算出相对挥发度并写出相平衡方程式。温度/pAo/kPapBo/kPa70123.331.280180.447.690252.670.1100349.8101.3解： 温度/7080901003.9523.7903.6033.453126在一连续操作

52、的精馏塔中,某混合液流量为5000kg/h,其中轻组分含量为0.3摩尔分数,下同,要求馏出液轻组分回收率为0.88,釜液中轻组分含量不高于0.05,试求塔顶馏出液的摩尔流量和摩尔分数。已知MA=114kg/kmol, MB=128kg/kmol。解：进料混合物的平均摩尔质量：进料混合液的摩尔流量：物料衡算： 则： 联立求解得： W= 29.1 kmol/h D=11.31 kmol/h塔顶馏出液摩尔分数：7在一连续精馏塔中分离苯氯仿混合液,要求馏出液中轻组分含量为0.96摩尔分数,下同的苯。进料量为75kmol/h,进料中苯含量为0.45,残液中苯含量为0.1,回流比为3.0,泡点进料。试求：

53、1从冷凝器回流至塔顶的回流液量和自塔釜上升的蒸气摩尔流量；2写出精馏段、提馏段操作线方程。解：物料衡算：则： 联立求解得：W=F-D=75-30.52=44.48 kmol/h1从冷凝器回流至塔顶的回流液量：自塔釜上生蒸汽的摩尔流量：2精馏段操作线方程：3提馏段操作线方程：提馏段下降液体组成：8某连续精馏塔,泡点进料,已知操作线方程如下： 精馏段：y=0.8x+0.172 提馏段：y=1.3x-0.018试求：原料液、馏出液、釜液组成及回流比。解：精馏段操作线的斜率为：由精馏段操作线的截距：塔顶馏出液组成提馏段操作线在对角线上的坐标为xw, xw,则由于泡点进料,q线为垂直线。精馏段与提馏段操作线交点的横坐标为xF：9采用常压精馏塔分离某理想混合液。进料中含轻组分0.815摩尔分数,下同,饱和液体进料,塔顶为全凝器,塔釜间接蒸气加热。要求塔顶产品含轻组分0.95,塔釜产品含轻组分0.05,此物系的相对挥发度为2.0,回流比为4.0。试用：1逐板计算法；2图解法分别求出所需的理论塔板数和加料板位置。解：物料衡算：则： 联立求解得：W=F-D=0.15Fkmol/h提馏段下降液体组成：自塔釜上生成蒸汽的摩尔流量