环工原理作业+答案-(1)

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1、2.1 某室内空气中O3的浓度是0.0810-6（体积分数），求：（1）在1.013105Pa、25下，用g/m3表示该浓度；（2）在大气压力为0.83105Pa和15下，O3的物质的量浓度为多少？解：理想气体的体积分数与摩尔分数值相等由题，在所给条件下，1mol空气混合物的体积为V1V0P0T1/ P1T022.4L298K/273K24.45L所以O3浓度可以表示为0.08106mol48g/mol（24.45L）1157.05g/m3（2）由题，在所给条件下，1mol空气的体积为V1V0P0T1/ P1T0=22.4L1.013105Pa288K/(0.83105Pa273K）28.82

2、L所以O3的物质的量浓度为0.08106mol/28.82L2.78109mol/L2.3 试将下列物理量换算为SI制单位：质量：1.5kgfs2/m= kg密度：13.6g/cm3= kg/ m3压力：35kgf/cm2= Pa 4.7atm= Pa 670mmHg= Pa功率：10马力 kW比热容：2Btu/(lb)= J/（kgK） 3kcal/（kg）= J/（kgK）流量：2.5L/s= m3/h表面张力：70dyn/cm= N/m 5 kgf/m= N/m解：质量：1.5kgfs2/m=14.709975kg密度：13.6g/cm3=13.6103kg/ m3压力：35kg/cm2

3、=3.43245106Pa 4.7atm=4.762275105Pa 670mmHg=8.93244104Pa功率：10马力7.4569kW比热容：2Btu/(lb)= 8.3736103J/（kgK） 3kcal/（kg）=1.25604104J/（kgK）流量：2.5L/s=9m3/h表面张力：70dyn/cm=0.07N/m 5 kgf/m=49.03325N/m2.7某一湖泊的容积为10106m3，上游有一未被污染的河流流入该湖泊，流量为50m3/s。一工厂以5 m3/s的流量向湖泊排放污水，其中含有可降解污染物，浓度为100mg/L。污染物降解反应速率常数为0.25d1。假设污染物在

4、湖中充分混合。求稳态时湖中污染物的浓度。解：设稳态时湖中污染物浓度为，则输出的浓度也为则由质量衡算，得即5100mg/L（550）m3/s 101060.25m3/s0解之得5.96mg/L2.11有一装满水的储槽，直径1m、高3m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直径为4cm，测得水流过小孔时的流速u0与槽内水面高度z的关系u00.62（2gz）0.5试求放出1m3水所需的时间。解：设储槽横截面积为A1，小孔的面积为A2由题得A2u0dV/dt，即u0dz/dtA1/A2所以有dz/dt（100/4）20.62（2gz）0.5即有226.55z-0.5dzdtz03mz1z01m3（0.25

5、m2）-11.73m积分计算得t189.8s2.13 有一个43m2的太阳能取暖器，太阳光的强度为3000kJ/（m2h），有50的太阳能被吸收用来加热流过取暖器的水流。水的流量为0.8L/min。求流过取暖器的水升高的温度。解：以取暖器为衡算系统，衡算基准取为1h。输入取暖器的热量为30001250 kJ/h18000 kJ/h设取暖器的水升高的温度为（T），水流热量变化率为根据热量衡算方程，有18000 kJ/h 0.86014.183TkJ/h.K解之得T89.65K3.4 如图所示，有一水平通风管道，某处直径由400mm减缩至200mm。为了粗略估计管道中的空气流量，在锥形接头两端各装

6、一个U管压差计，现测得粗管端的表压为100mm水柱，细管端的表压为40mm水柱，空气流过锥形管的能量损失可以忽略，管道中空气的密度为1.2kg/m3，试求管道中的空气流量。图3-2 习题3.4图示解：在截面1-1和2-2之间列伯努利方程：u12/2p1/u22/2p2/由题有u24u1所以有u12/2p1/16u12/2p2/即15 u122(p1- p2)/=2(0-)g(R1-R2)/ =2（1000-1.2）kg/m39.81m/s2（0.1m0.04m）/（1.2kg/m3）解之得u18.09m/s所以有u232.35m/sqvu1A8.09m/s（200mm）21.02m3/s3.7

7、 水在20下层流流过内径为13mm、长为3m的管道。若流经该管段的压降为21N/m2。求距管中心5mm处的流速为多少？又当管中心速度为0.1m/s时，压降为多少？解：设水的黏度=1.010-3Pa.s，管道中水流平均流速为um根据平均流速的定义得：所以代入数值得21N/m281.010-3Pasum3m/（13mm/2）2解之得um3.7102m/s又有umax2 um所以u2um1（r/r0）2（1）当r5mm，且r06.5mm，代入上式得u0.03m/s（2）umax2 umpf umax/ umaxpf0.1/0.07421N/m28.38N/m3.8 温度为20的水，以2kg/h的质量

8、流量流过内径为10mm的水平圆管，试求算流动充分发展以后：（1）流体在管截面中心处的流速和剪应力；（2）流体在壁面距中心一半距离处的流速和剪应力（3）壁面处的剪应力解：（1）由题有umqm/A2/3600kg/s/（1103kg/m30.012m2/4）7.07103m/s282.82000管内流动为层流，故管截面中心处的流速umax2 um1.415102m/s管截面中心处的剪应力为0（2）流体在壁面距中心一半距离处的流速：uumax（1r2/r02）u1/21.415102m/s3/41.06102m/s由剪应力的定义得流体在壁面距中心一半距离处的剪应力：1/22um/r02.83103N

9、/m2（3）壁面处的剪应力：021/25.66103N/m24.3 某燃烧炉的炉壁由500mm厚的耐火砖、380mm厚的绝热砖及250mm厚的普通砖砌成。其值依次为1.40 W/(mK)，0.10 W/(mK)及0.92 W/(mK)。传热面积A为1m2。已知耐火砖内壁温度为1000，普通砖外壁温度为50。（1）单位面积热通量及层与层之间温度；（2）若耐火砖与绝热砖之间有一2cm的空气层，其热传导系数为0.0459 W/(m)。内外壁温度仍不变，问此时单位面积热损失为多少？解：设耐火砖、绝热砖、普通砖的热阻分别为r1、r2、r3。（1）由题易得r10.357 m2K/Wr23.8 m2K/Wr

10、30.272m2 K/W所以有q214.5W/m2由题T11000T2T1QR1923.4T3T1Q（R1R2）108.3T450（2）由题，增加的热阻为r0.436 m2K/WqT/（r1r2r3r）195.3W/m24.4某一60 mm3mm的铝复合管，其导热系数为45 W/(mK)，外包一层厚30mm的石棉后，又包一层厚为30mm的软木。石棉和软木的导热系数分别为0.15W/(mK)和0.04 W/(mK)。试求（1）如已知管内壁温度为-105，软木外侧温度为5，则每米管长的冷损失量为多少？（2）若将两层保温材料互换，互换后假设石棉外侧温度仍为5，则此时每米管长的冷损失量为多少？解：设铝

11、复合管、石棉、软木的对数平均半径分别为rm1、rm2、rm3。由题有rm1mm28.47mmrm2mm43.28mmrm3mm73.99mm（1）R/L3.73104Km/W0.735Km/W1.613Km/W2.348Km/WQ/L46.84W/m（2）R/L3.73104Km /W2.758Km /W0.430Km /W3.189Km /WQ/L34.50W/m4.7用内径为27mm的管子，将空气从10加热到100，空气流量为250kg/h，管外侧用120的饱和水蒸气加热(未液化)。求所需要的管长。解：以平均温度55查空气的物性常数，得0.0287W/（mK），1.99105Pas，cp1

12、.005kJ/（kgK），1.077kg/m3由题意，得uQ/（A）112.62m/sRedu/0.027112.621.077/（1.99105）1.65105所以流动为湍流。Prcp/（1.99105）1.005/0.02870.6970.023/dRe0.8Pr0.4315.88W/（m2K）T2110K，T120KTm（T2T1）/ln（T2/T1）（110K20K）/ln（110/20）52.79K由热量守恒可得dLTmqmhcphThLqmcphTh/（dTm）250kg/h1.005kJ/（kgK）90K/315.88W/（m2K）0.027m52.79K4.44m4.8某流体通

13、过内径为50mm的圆管时，雷诺数Re为1105，对流传热系数为100 W /（m2K）。若改用周长与圆管相同、高与宽之比等于1：3的矩形扁管，流体的流速保持不变。问对流传热系数变为多少？解：由题，该流动为湍流。因为为同种流体，且流速不变，所以有由可得矩形管的高为19.635mm，宽为58.905mm，计算当量直径，得d229.452mm4.10在套管换热器中用冷水将100的热水冷却到50，热水的质量流量为3500kg/h。冷却水在直径为18010mm的管内流动，温度从20升至30。已知基于管外表面的总传热系数为2320 W/（m2K）。若忽略热损失，且近似认为冷水和热水的比热相等，均为4.18

14、 kJ/（kgK）.试求（1）冷却水的用量；（2）两流体分别为并流和逆流流动时所需要的管长，并加以比较。解：（1）由热量守恒可得qmccpcTcqmhcphThqmc3500kg/h50/1017500kg/h（2）并流时有T280K，T120K由热量守恒可得KATmqmhcphTh即KdLTmqmhcphTh逆流时有T270K，T130K同上得比较得逆流所需的管路短，故逆流得传热效率较高。4.12火星向外辐射能量的最大单色辐射波长为13.2m。若将火星看作一个黑体，试求火星的温度为多少？解：由mT2.9103得5.5 一填料塔在大气压和295K下，用清水吸收氨空气混合物中的氨。传质阻力可以认

15、为集中在1mm厚的静止气膜中。在塔内某一点上，氨的分压为6.6103N/m2。水面上氨的平衡分压可以忽略不计。已知氨在空气中的扩散系数为0.23610-4m2/s。试求该点上氨的传质速率。解：设pB,1,pB,2分别为氨在相界面和气相主体的分压，pB,m为相界面和气相主体间的对数平均分压由题意得：5.6 一直径为2m的贮槽中装有质量分数为0.1的氨水，因疏忽没有加盖，则氨以分子扩散形式挥发。假定扩散通过一层厚度为5mm的静止空气层。在1.01105Pa、293K下，氨的分子扩散系数为1.810-5m2/s，计算12h中氨的挥发损失量。计算中不考虑氨水浓度的变化，氨在20时的相平衡关系为P=2.

16、69105x(Pa)，x为摩尔分数。解：由题，设溶液质量为a g氨的物质的量为0.1a/17mol总物质的量为(0.9a/180.1a/17)mol所以有氨的摩尔分数为故有氨的平衡分压为p0.10532.69105Pa0.2832105Pa即有pA,i0.2832105Pa，PA00所以6.6 落球黏度计是由一个钢球和一个玻璃筒组成，将被测液体装入玻璃筒，然后记录下钢球落下一定距离所需要的时间，即可以计算出液体黏度。现在已知钢球直径为10mm，密度为7900 kg/m3，待测某液体的密度为1300 kg/m3，钢球在液体中下落200mm，所用的时间为9.02s，试求该液体的黏度。解：钢球在液体

17、中的沉降速度为m/s假设钢球的沉降符合斯托克斯公式，则Pas检验：，假设正确。6.7 降尘室是从气体中除去固体颗粒的重力沉降设备，气体通过降尘室具有一定的停留时间，若在这个时间内颗粒沉到室底，就可以从气体中去除，如下图所示。现用降尘室分离气体中的粉尘（密度为4500kg/m3），操作条件是：气体体积流量为6m3/s，密度为0.6kg/m3，黏度为3.010-5Pas，降尘室高2m，宽2m，长5m。求能被完全去除的最小尘粒的直径。含尘气体净化气体uiut降尘室图6-1 习题6.7图示解：设降尘室长为l，宽为b，高为h，则颗粒的停留时间为，沉降时间为，当时，颗粒可以从气体中完全去除，对应的是能够去

18、除的最小颗粒，即因为，所以m/s假设沉降在层流区，应用斯托克斯公式，得mm检验雷诺数，在层流区。所以可以去除的最小颗粒直径为85.7m7.1 用板框压滤机恒压过滤某种悬浮液，过滤方程为式中：t的单位为s（1）如果30min内获得5m3滤液，需要面积为0.4m2的滤框多少个？（2）求过滤常数K，qe，te。解：（1）板框压滤机总的过滤方程为在内，则根据过滤方程求得，需要的过滤总面积为所以需要的板框数（2）恒压过滤的基本方程为与板框压滤机的过滤方程比较，可得，为过滤常数，与相对应，可以称为过滤介质的比当量过滤时间，7.2 如例中的悬浮液，颗粒直径为0.1mm，颗粒的体积分数为0.1，在9.8110

19、3Pa的恒定压差下过滤，过滤时形成不可压缩的滤饼，空隙率为0.6，过滤介质的阻力可以忽略，滤液黏度为110-3 Pas。试求：（1）每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间；（2）若将此过滤时间延长一倍，可再得多少滤液？解：（1）颗粒的比表面积为m2/m3滤饼层比阻为m-2过滤得到1m3滤液产生的滤饼体积过滤常数m2/s所以过滤方程为当q=1.5时，s（2）时间延长一倍，获得滤液量为m3所以可再得0.6m3的滤液。7.4 有两种悬浮液，过滤形成的滤饼比阻都是r0=6.751013m-2Pa-1，其中一种滤饼不可压缩，另一种滤饼的压缩系数为0.5，假设相对于滤液量滤饼层的体积分数都是0

20、.07，滤液的黏度都是110-3 Pas，过滤介质的比当量滤液量为qe为0.005m3/m2。如果悬浮液都以110-4 m3/（m2s）的速率等速过滤，求过滤压差随时间的变化规律。解：由题意可知，两种滤饼由过滤方程，得恒速过滤对不可压缩滤饼，由s=0，r0=6.751013m-2Pa-1，=110-3 Pas，f =0.07，qe=0.005m3/m2，u=110-4 m3/m2s对可压缩滤饼，由s=0.5，r0=6.751013m-2Pa-1，=110-3 Pas，f =0.07，qe=0.005m3/m2，u=110-4 m3/m2s7.10 用板框过滤机恒压过滤料液，过滤时间为1800s

21、时，得到的总滤液量为8m3，当过滤时间为3600s时，过滤结束，得到的总滤液量为11m3，然后用3m3的清水进行洗涤，试计算洗涤时间（介质阻力忽略不计）。解：由（7.2.11）得依题意，过滤结束时所以过滤结束时m3/s洗涤速度与过滤结束时过滤速度相同所以洗涤时间为s7.13温度为38的空气流过直径为12.7mm的球形颗粒组成的固定床，已知床层的空隙率为0.38，床层直径0.61m，高2.44m，空气进入床层时的绝对压力为111.4kPa，质量流量为0.358kg/s，求空气通过床层的阻力。解：颗粒比表面积查38下空气密度为1.135 kg/m3，黏度为1.910-5Pas。空床流速为空气通过床

22、层的阻力为8.2吸收塔内某截面处气相组成为，液相组成为，两相的平衡关系为，如果两相的传质系数分别为kmol/(m2s)，kmol/(m2s)，试求该截面上传质总推动力、总阻力、气液两相的阻力和传质速率。解：与气相组成平衡的液相摩尔分数为所以，以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为同理，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为所以，以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 kmol/(m2s)以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 kmol/(m2s)传质速率 kmol/(m2s)或者 kmol/(m2s)以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数分析传质阻力总传质阻力 (m2

23、s)/kmol其中液相传质阻力为(m2s)/kmol占总阻力的66.7%气膜传质阻力为(m2s)/kmol占总阻力的33.3%8.3用吸收塔吸收废气中的SO2，条件为常压，30，相平衡常数为，在塔内某一截面上，气相中SO2分压为4.1kPa，液相中SO2浓度为0.05kmol/m3，气相传质系数为kmol/(m2hkPa)，液相传质系数为m/h，吸收液密度近似水的密度。试求：（1）截面上气液相界面上的浓度和分压；（2）总传质系数、传质推动力和传质速率。解：（1）设气液相界面上的压力为，浓度为忽略SO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为kmol/m3溶解度系数 kmol/(kPam3)在相界面上，气液两

24、相平衡，所以又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等，所以所以由以上两个方程，可以求得kPa，kmol/m3（2）总气相传质系数 kmol/(m2hkPa)总液相传质系数m/h与水溶液平衡的气相平衡分压为kPa所以用分压差表示的总传质推动力为kPa与气相组成平衡的溶液平衡浓度为kmol/m3用浓度差表示的总传质推动力为kmol/m3传质速率 kmol/(m2h)或者kmol/(m2h)8.5 利用吸收分离两组分气体混合物，操作总压为310kPa，气、液相分传质系数分别为kmol/(m2s)、kmol/(m2s)，气、液两相平衡符合亨利定律，关系式为（p*的单位为kPa），计算：（1）总传质系数

25、；（2）传质过程的阻力分析；（3）根据传质阻力分析，判断是否适合采取化学吸收，如果发生瞬时不可逆化学反应，传质速率会提高多少倍？解：（1）相平衡系数所以，以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为kmol/(m2s)以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为kmol/(m2s)（2）以液相摩尔分数差为推动力的总传质阻力为其中液膜传质阻力为，占总传质阻力的99.7%气膜传质阻力为，占传质阻力的0.3%所以整个传质过程为液膜控制的传质过程。（3）因为传质过程为液膜控制，所以适合采用化学吸收。如题设条件，在化学吸收过程中，假如发生的是快速不可逆化学反应，并且假设扩散速率足够快，在相界面上即可完全反应，在这种

26、情况下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收过程，此时kmol/(m2s)与原来相比增大了426倍8.7 在两个吸收塔a、b中用清水吸收某种气态污染物，气-液相平衡符合亨利定律。如下图所示，采用不同的流程，试定性地绘出各个流程相应的操作线和平衡线位置，并在图上标出流程图中各个浓度符号的位置。X2bY2bX1aX1bX2aY1aY2aY1babX2bY1bX1aX1bX2aY1aY2aY2babX2bY2bX1aX1bY1aY2aY1babX2a图8-1 习题8.7图示解：X2b X1b XX2a X1a XYY1aY2aYY1bY2b(a)X2b X1b XX2a X1a XYY1aY2aYY2bY

27、1b(b)X2b X1b XX2a X1a XYY1aY2aYY1bY2b(c)图8-2 习题8.7图中各流程的操作线和平衡线8.9 在吸收塔中，用清水自上而下并流吸收混合废气中的氨气。已知气体流量为1000m3/h（标准状态），氨气的摩尔分数为0.01，塔内为常温常压，此条件下氨的相平衡关系为，求：（1）用5 m3/h的清水吸收，氨气的最高吸收率；（2）用10 m3/h的清水吸收，氨气的最高吸收率；（3）用5 m3/h的含氨0.5%（质量分数）的水吸收，氨气的最高吸收率。解：（1）气体的流量为mol/s液体的流量为mol/s假设吸收在塔底达到平衡则，所以所以最大吸收率为（2）气体的流量为mo

28、l/s液体的流量为mol/s假设吸收在塔底达到平衡则，所以所以最大吸收率为（3）吸收剂中氨的摩尔分数为假设吸收在塔底达到平衡则，所以所以最大吸收率为8.10 用一个吸收塔吸收混合气体中的气态污染物A，已知A在气液两相中的平衡关系为，气体入口浓度为，液体入口浓度为，（1）如果要求吸收率达到80%，求最小气液比；（2）溶质的最大吸收率可以达到多少，此时液体出口的最大浓度为多少？解：（1）气相入口摩尔比，液相入口摩尔比吸收率，所以，所以，最小液气比（2）假设吸收塔高度为无穷大，求A的最大吸收率当液气比，操作线与平衡线重合，气液两相在塔顶和塔底都处于平衡状态。吸收率此时液相出口浓度当液气比，操作线与平

29、衡线在塔顶点相交，即液相进口浓度与气相出口浓度平衡。吸收率此时液相出口浓度与相比，吸收率达到同样大小，但是液相出口浓度要低。当液气比，操作线与平衡线在塔底点相交，即液相出口浓度与气相进口浓度平衡。此时液相出口浓度吸收率与相比，液相出口浓度达到同样大小，但是吸收率要低。8.11 在逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合废气中的组分A，入塔气体溶质体积分数为0.01，已知操作条件下的相平衡关系为，吸收剂用量为最小用量的1.5倍，气相总传质单元高度为1.2m，要求吸收率为80%，求填料层的高度。解：已知传质单元高度，求得传质单元数，即可得到填料层高度。塔底：塔顶：，操作过程的液气比为吸收因子所以，传质单元数为 所以填料层高度为m