《化工原理》课后习题解答.doc 35页

'绪论P6：1，2第一章：P72~76：4、6、7、9、20、21、22、23、23、24、25第二章：P123：2、4、5、7、8第三章：P183~184：1、2、3、5、7、8、9第五章：P271~272：1、2、3、4、5、7、8、9、10、11、12、13、20、21、22 绪论绪论P6：1，21.从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI单位。（1）水的黏度μ=0.00856g/(cm·s)（2）密度ρ=138.6kgf·s2/m4（3）某物质的比热容CP=0.24BTU/(lb·℉)（4）传质系数KG=34.2kmol/(m2·h·atm)（5）表面张力σ=74dyn/cm（6）导热系数λ=1kcal/(m·h·℃)解：本题为物理量的单位换算。（1）水的黏度基本物理量的换算关系为1kg=1000g，1m=100cm则（2）密度基本物理量的换算关系为1kgf=9.81N，1N=1kg·m/s2则（3）从附录二查出有关基本物理量的换算关系为1BTU=1.055kJ，lb=0.4536kg则（4）传质系数基本物理量的换算关系为1h=3600s，1atm=101.33kPa则（5）表面张力基本物理量的换算关系为1dyn=1×10–5N1m=100cm则 （6）导热系数基本物理量的换算关系为1kcal=4.1868×103J，1h=3600s则2．乱堆25cm拉西环的填料塔用于精馏操作时，等板高度可用下面经验公式计算，即式中HE—等板高度，ft；G—气相质量速度，lb/(ft2·h)；D—塔径，ft；Z0—每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft；α—相对挥发度，量纲为一；μL—液相黏度，cP；ρL—液相密度，lb/ft3A、B、C为常数，对25mm的拉西环，其数值分别为0.57、-0.1及1.24。试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为SI单位。解：上面经验公式是混合单位制度，液体黏度为物理单位制，而其余诸物理量均为英制。经验公式单位换算的基本要点是：找出式中每个物理量新旧单位之间的换算关系，导出物理量“数字”的表达式，然后代入经验公式并整理，以便使式中各符号都变为所希望的单位。具体换算过程如下：（1）从附录查出或计算出经验公式有关物理量新旧单位之间的关系为（见1）α量纲为一，不必换算1=1=16.01kg/m2(2)将原符号加上“′”以代表新单位的符号，导出原符号的“数字”表达式。下面以HE为例：则同理 (3)将以上关系式代原经验公式，得整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即第一章流体流动第一章：P72~76：4、6、7、9、20、21、22、23、23、24、254．某储油罐中盛有密度为960kg/m3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5m，油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为760mm的孔，其中心距罐底1000mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5×106Pa，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3×103Pa）？解：由流体静力学方程，距罐底1000mm处的流体压力为作用在孔盖上的总力为每个螺钉所受力为因此习题4附图 6．如本题附图所示，水在管道内流动。为测量流体压力，在管道某截面处连接U管压差计，指示液为水银，读数R=100mm，h=800mm。为防止水银扩散至空气中，在水银面上方充入少量水，其高度可以忽略不计。已知当地大气压力为101.3kPa，试求管路中心处流体的压力。习题6附图解：设管路中心处流体的压力为p根据流体静力学基本方程式，则7．某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过13.3kPa（表压），在炉外装一安全液封管（又称水封）装置，如本题附图所示。液封的作用是，当炉内压力超过规定值时，气体便从液封管排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。习题7附图解：9．在实验室中，用内径为1.5cm的玻璃管路输送20℃的70%醋酸。已知质量流量为10kg/min。试分别用用SI和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。解：（1）用SI单位计算查附录70%醋酸在20℃时， 故为湍流。（2）用物理单位计算，11．如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7m，水从φ108mm×4mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5m。已知水流经系统的能量损失可按∑hf=5.5u2计算，其中u为水在管内的平均流速（m/s）。设流动为稳态，试计算（1）A-A"截面处水的平均流速；（2）水的流量（m3/h）。解：（1）A-A"截面处水的平均流速在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得（1）式中z1=7m，ub1～0，p1=0（表压）z2=1.5m，p2=0（表压），ub2=5.5u2代入式（1）得（2）水的流量（以m3/h计）习题11附图习题12附图12．20℃的水以2.5m/s的平均流速流经φ38mm×2.5mm的水平管，此管以锥形管与另一φ53mm×3mm的水平管相连。如本题附图所示，在锥形管两侧A、B处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压力。若水流经A、B两截面间的能量损失为1.5J/kg，求两玻璃管的水面差（以mm计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。解：在A、B两截面之间列机械能衡算方程 式中z1=z2=0，∑hf=1.5J/kg故13．如本题附图所示，用泵2将储罐1中的有机混合液送至精馏塔3的中部进行分离。已知储罐内液面维持恒定，其上方压力为1.0133105Pa。流体密度为800kg/m3。精馏塔进口处的塔内压力为1.21105Pa，进料口高于储罐内的液面8m，输送管道直径为φ68mm4mm，进料量为20m3/h。料液流经全部管道的能量损失为70J/kg，求泵的有效功率。习题13附图解：在截面和截面之间列柏努利方程式，得 20．如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15m处安有以水银为指示液的U管压差计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为20m。（1）当闸阀关闭时，测得R=600mm、h=1500mm；当闸阀部分开启时，测得R=400mm、h=1400mm。摩擦系数可取为0.025，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。问每小时从管中流出多少水（m3）？（2）当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少Pa（表压）。（闸阀全开时Le/d≈15，摩擦系数仍可取0.025。）解：（1）闸阀部分开启时水的流量在贮槽水面1-1，与测压点处截面2-2，间列机械能衡算方程，并通过截面2-2，的中心作基准水平面，得（a）式中p1=0(表)ub2=0，z2=0z1可通过闸阀全关时的数据求取。当闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方程知（b）式中h=1.5m,R=0.6m将已知数据代入式（b）得将以上各值代入式（a），即9.81×6.66=++2.13ub2解得水的流量为（88.45m3/h）88.45m3/h（2）闸阀全开时测压点处的压力在截面1-1，与管路出口内侧截面3-3，间列机械能衡算方程，并通过管中心线作基准平面，得（c） 式中z1=6.66m，z3=0，ub1=0，p1=p3=将以上数据代入式（c），即9.81×6.66=+4.81ub2解得再在截面1-1，与2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得（d）式中z1=6.66m，z2=0，ub10，ub2=3.51m/s，p1=0（表压力）将以上数值代入上式，则解得p2=3.30×104Pa（表压）3.30×104Pa（表压）21．10℃的水以500l/min的流量流经一长为300m的水平管，管壁的绝对粗糙度为0.05mm。有6m的压头可供克服流动的摩擦阻力，试求管径的最小尺寸。解：由于是直径均一的水平圆管，故机械能衡算方程简化为上式两端同除以加速度g，得=/g=6m（题给）即==6×9.81J/kg=58.56J/kg（a）将ub代入式（a），并简化得（b）λ与Re及e/d有关，采用试差法，设λ=0.021代入式（b），求出d=0.0904m。下面验算所设的λ值是否正确：10℃水物性由附录查得 ρ=1000kg/m3，μ=130.77×10-5Pa由e/d及Re，查得λ=0.021故90.4mm习题22附图22．如本题附图所示，自水塔将水送至车间，输送管路用mm的钢管，管路总长为190m（包括管件与阀门的当量长度，但不包括进、出口损失）。水塔内水面维持恒定，并高于出水口15m。设水温为12℃，试求管路的输水量（m3/h）。解：在截面和截面之间列柏努利方程式，得（1）采用试差法，代入式（1）得，故假设正确，管路的输水量 81.61m3/h习题23附图23．本题附图所示为一输水系统，高位槽的水面维持恒定，水分别从BC与BD两支管排出，高位槽液面与两支管出口间的距离均为11。AB管段内径为38m、长为58m；BC支管的内径为32mm、长为12.5m；BD支管的内径为26mm、长为14m，各段管长均包括管件及阀门全开时的当量长度。AB与BC管段的摩擦系数均可取为0.03。试计算（1）当BD支管的阀门关闭时，BC支管的最大排水量为多少（m3/h）；（2）当所有阀门全开时，两支管的排水量各为多少（m3/h）？（BD支管的管壁绝对粗糙度，可取为0.15mm，水的密度为1000kg/m3，黏度为。）解：（1）当BD支管的阀门关闭时，BC支管的最大排水量在高位槽水面1-1，与BC支管出口内侧截面C-C,间列机械能衡算方程，并以截面C-C,为基准平面得式中z1=11m，zc=0，ub1≈0，p1=pc故=9.81×11=107.9J/kg（a）（b）（c）（d）（e）将式（e）代入式（b）得（f）将式（f）、（d）代入式（b）,得ubC=ub,BC，并以∑hf值代入式（a），解得ub,BC=2.45m/s故VBC=3600××0.0322×2.45m3/h=7.10m3/h 7.10m3/h（2）当所有阀门全开时，两支管的排水量根据分支管路流动规律，有（a）两支管出口均在同一水平面上，下游截面列于两支管出口外侧，于是上式可简化为将值代入式（a）中，得（b）分支管路的主管与支管的流量关系为VAB=VBC+VBD上式经整理后得（c）在截面1-1，与C-C’间列机械能衡算方程，并以C-C’为基准水平面，得（d）上式中z1=11m，zC=0，ub1≈0，ub,C≈0上式可简化为前已算出因此在式（b）、（c）、（d）中，ub,AB、ub,BC、ub,BD即λ均为未知数，且λ又为ub,BD的函数，可采用试差法求解。设ub,BD=1.45m/s，则查摩擦系数图得λ=0.034。将λ与ub,BD代入式（b）得 解得将ub,BC、ub,BD值代入式（c），解得将ub,AB、ub,BC值代入式（d）左侧，即计算结果与式（d）右侧数值基本相符（108.4≈107.9），故ub,BD可以接受，于是两支管的排水量分别为5.18m3/h，2.77m3/h24．在内径为300mm的管道中，用测速管测量管内空气的流量。测量点处的温度为20℃，真空度为500Pa，大气压力为98.66×103Pa。测速管插入管道的中心线处。测压装置为微差压差计，指示液是油和水，其密度分别为835kg/m3和998kg/m3，测得的读数为100mm。试求空气的质量流量（kg/h）。解：查附录得，20℃，101.3kPa时空气的密度为1.203kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa，则管中空气的密度为查图1-28，得1.159kg/h25．在mm的管路上装有标准孔板流量计，孔板的孔径为16.4mm，管中流动的是20℃的甲苯，采用角接取压法用U管压差计测量孔板两侧的压力差，以水银为指示液，测压连接管中充满甲苯。现测得U管压差计的读数为600mm ，试计算管中甲苯的流量为多少（kg/h）？解：已知孔板直径do=16.4mm，管径d1=33mm，则设Re>Reo，由教材查图1-30得Co=0.626，查附录得20℃甲苯的密度为866kg/m3，黏度为0.6×10-3Pa·s。甲苯在孔板处的流速为甲苯的流量为5427kg/h检验Re值，管内流速为原假定正确。9.72×104，原假定正确！第二章流体输送机械第二章：P123：2、4、5、7、82．用离心泵（转速为2900r/min）进行性能参数测定实验。在某流量下泵入口真空表和出口压力表的读数分别为60kPa和220kPa，两测压口之间垂直距离为0.5m，泵的轴功率为6.7kW。泵吸入管和排出管内径均为80mm，吸入管中流动阻力可表达为（u1为吸入管内水的流速，m/s）。离心泵的安装高度为2.5m，实验是在20℃，98.1kPa的条件下进行。试计算泵的流量、压头和效率。解：（1）泵的流量由水池液面和泵入口真空表所在截面之间列柏努利方程式（池中水面为基准面），得到将有关数据代入上式并整理，得m/s 则m3/h=57.61m3/h(2)泵的扬程(3)泵的效率=68%在指定转速下，泵的性能参数为：q=57.61m3/hH=29.04mP=6.7kWη=68%57.61m3/h，29.04m，η=68%4．用离心泵（转速为2900r/min）将20℃的清水以60m3/h的流量送至敞口容器。此流量下吸入管路的压头损失和动压头分别为2.4m和0.61m。规定泵入口的真空度不能大于64kPa。泵的必需气蚀余量为3.5m。试求（1）泵的安装高度（当地大气压为100kPa）；（2）若改送55℃的清水，泵的安装高度是否合适。解：(1)泵的安装高度在水池液面和泵入口截面之间列柏努利方程式（水池液面为基准面），得即m泵的安装高度应为3.51m（2）输送55℃清水的允许安装高度55℃清水的密度为985.7kg/m3，饱和蒸汽压为15.733kPa则=m=2.31m原安装高度（3.51m）需下降1.5m（即：2.31m）才能不发生气蚀现象。3.51m，不合适，应下调1.2m（即：2.31m）5．用离心泵将真空精馏塔的釜残液送至常压储罐。塔底液面上的绝对压力为32.5kPa（即输送温度下溶液的饱和蒸气压）。已知：吸入管路压头损失为1.46m，泵的必须汽蚀余量为2.3m，该泵安装在塔内液面下3.0m处。试核算该泵能否正常操作。假设该泵能够正常操作，则此时的安装高度应为：因为是真空精馏塔，所以入口处的压力即为饱和蒸气压：Pa=PvHg=-（2.3+0.5）-1.46=-4.26m7．用离心泵将水库中的清水送至灌溉渠，两液面维持恒差8.8m ，管内流动在阻力平方区，管路特性方程为（qe的单位为m3/s）单台泵的特性方程为（q的单位为m3/s）试求泵的流量、压头和有效功率。解：联立管路和泵的特性方程便可求泵的工作点对应的q、H，进而计算Pe。管路特性方程泵的特性方程联立两方程，得到q=4.52×10–3m3/sH=19.42m则W=861Wq=4.52×10–3m3/s，861W8.对于习题7的管路系统，若用两台规格相同的离心泵（单台泵的特性方程与习题7相同）组合操作，试求可能的最大输水量。（1）如果两台泵并联：8.8+5.2×105q2=28-4.2×105(q/2)2解得：q=5.54×10-3m3/s从而：H=24.77m（2）如果两台泵串联：8.8+5.2×105q2=2×[28-4.2×105q2]解得：q=5.89×10-3m3/s从而：H=26.85m所以两台串联时可以获得较大的输出功率，即：5.89×10-3m3/s5.89×10-3m3/s第三章非均相混合物分离及固体流态化第三章：P183~184：1、2、3、5、7、8、91．颗粒在流体中做自由沉降，试计算（1）密度为2650kg/m3，直径为0.04mm的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降，沉降速度是多少？（2）密度为2650kg/m3，球形度的非球形颗粒在20℃清水中的沉降速度为0.1m/s，颗粒的等体积当量直径是多少？（3）密度为7900kg/m3，直径为6.35mm的钢球在密度为1600kg/m3的液体中沉降150mm所需的时间为7.32s，液体的黏度是多少？解：（1）假设为滞流沉降，则： 查附录20℃空气，，所以，核算流型：所以，原假设正确，沉降速度为0.1276m/s。0.1276m/s（2）采用摩擦数群法依，，查出：，所以：1.81mm（3）假设为滞流沉降，得：其中将已知数据代入上式得：核算流型0.03081 2．用降尘室除去气体中的固体杂质，降尘室长5m，宽5m，高4.2m，固体杂质为球形颗粒，密度为3000kg/m3。气体的处理量为3000（标准）m3/h。试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。（1）若操作在20℃下进行，操作条件下的气体密度为1.06kg/m3，黏度为1.8×10-5Pa•s。（2）若操作在420℃下进行，操作条件下的气体密度为0.5kg/m3，黏度为3.3×10-5Pa•s。解：（1）在降尘室内能够完全沉降下来的最小颗粒的沉降速度为：设沉降在斯托克斯区，则：核算流型：原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为1.985×10-5m。（2）计算过程与（1）相同。完全能够沉降下来的最小颗粒的沉降速度为：设沉降在斯托克斯区，则：核算流型：原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为4.132×10-5m。3．对2题中的降尘室与含尘气体，在427℃下操作，若需除去的最小颗粒粒径为10μm，试确定降尘室内隔板的间距及层数。解：取隔板间距为h，令则（1） 10μm尘粒的沉降速度由（1）式计算h∴层数取18层核算颗粒沉降雷诺数：核算流体流型：18层，0.233m5．用标准型旋风分离器处理含尘气体，气体流量为0.4m3/s、黏度为3.6×10-5Pa•s、密度为0.674kg/m3，气体中尘粒的密度为2300kg/m3。若分离器圆筒直径为0.4m，(1)试估算其临界粒径、分割粒径及压力降。（2）现在工艺要求处理量加倍，若维持压力降不变，旋风分离器尺寸需增大为多少？此时临界粒径是多少？（3）若要维持原来的分离效果（临界粒径），应采取什么措施？解：临界直径式中，Ne=5将有关数据代入，得分割粒径为 压强降为1078.74Pa（2）不变所以，处理量加倍后，若维持压力降不变，旋风分离器尺寸需增大，同时临界粒径也会增大，分离效率降低。7.96×10-6m（3）若要维持原来的分离效果（临界粒径），可采用两台圆筒直径为0.4m的旋风分离器并联使用。7．用10个框的板框过滤机恒压过滤某悬浮液，滤框尺寸为635mm×635mm×25mm。已知操作条件下过滤常数为，，滤饼与滤液体积之比为v=0.06。试求滤框充满滤饼所需时间及所得滤液体积。解：恒压过滤方程为，代入恒压过滤方程得39.52min，1.680m3 8．在0.04m2的过滤面积上以1×10-4m3/s的速率进行恒速过滤试验，测得过滤100s时，过滤压力差为3×104Pa；过滤600s时，过滤压力差为9×104Pa。滤饼不可压缩。今欲用框内尺寸为635mm×635mm×60mm的板框过滤机处理同一料浆，所用滤布与试验时的相同。过滤开始时，以与试验相同的滤液流速进行恒速过滤，在过滤压强差达到6×104Pa时改为恒压操作。每获得1m3滤液所生成的滤饼体积为0.02m3。试求框内充满滤饼所需的时间。解：第一阶段是恒速过滤，其过滤时间θ与过滤压差之间的关系可表示为：板框过滤机所处理的悬浮液特性及所用滤布均与试验时相同，且过滤速度也一样，因此，上式中a，b值可根据实验测得的两组数据求出：3×104=100a+b9×104=600a+b解得a=120，b=1.8×104即恒速阶段终了时的压力差，故恒速段过滤时间为恒速阶段过滤速度与实验时相同根据方程3-71，解得：，恒压操作阶段过滤压力差为6×104Pa，所以板框过滤机的过滤面积滤饼体积及单位过滤面积上的滤液体积为应用先恒速后恒压过滤方程将K、qe、qR、q的数值代入上式，得： 解得662.5s9.在实验室用一个每边长0.16m的小型滤框对碳酸钙颗粒在水中的悬浮液进行过滤试验。操作条件下在过滤压力差为275.8kPa，浆料温度为20℃。已知碳酸钙颗粒为球形，密度为2930kg/m3。悬浮液中固体质量分数为0.0723。滤饼不可压缩，每1m3滤饼烘干后的质量为1620kg。实验中测得得到1L滤液需要15.4s，得到2L滤液需要48.8s。试求过滤常数，滤饼的空隙滤ε，滤饼的比阻r及滤饼颗粒的比表面积a。解：根据过滤实验数据求过滤常数已知，；，及代入恒压过滤方程式联立以上两式，解得，滤饼的空隙滤悬浮液的密度以1m3悬浮液为基准求ν滤饼体积，滤液体积∴滤饼不可压缩时，所以，滤饼比阻为颗粒的比表面积2.648×1014m-2，3.955×106m2/m3 第五章传热过程基础第五章：P271~272：1、2、3、4、5、11、12、131．用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02m2，厚度为0.02m，实验测得电流表读数为0.5A，伏特表读数为100V，两侧表面温度分别为200℃和50℃，试求该材料的导热系数。解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即式中将上述数据代入，可得0.333W/（m·℃）2．某平壁燃烧炉由一层400mm厚的耐火砖和一层200mm厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500℃，外表面温度为100℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为，绝缘砖的导热系数为，。两式中的t可分别取为各层材料的平均温度。解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即（5-32）或（5-32a）式中代入λ1、λ2得 解之得则2017W/m2，977℃3．外径为159mm的钢管，其外依次包扎A、B两层保温材料，A层保温材料的厚度为50mm，导热系数为0.1W/(m·℃)，B层保温材料的厚度为100mm，导热系数为1.0W/(m·℃)，设A的内层温度和B的外层温度分别为170℃和40℃，试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？解：150W/mA、B两层互换位置后，热损失为131.5W/m4．直径为mm的钢管用40mm厚的软木包扎，其外又包扎100mm厚的保温灰作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为℃，绝热层外表面温度为10℃。软木和保温灰的导热系数分别为℃)和℃)，试求每米管长的冷损失量。解：此为两层圆筒壁的热传导问题，则-24.53W/m 5．在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管为Φ25mm×2.5mm的钢管，其导热系数为45W/(m·℃)。冷却水在管程流动，其对流传热系数为2600W/(m2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52W/(m2·℃)。试求基于管外表面积的总传热系数，以及各分热阻占总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。解：由查得钢的导热系数mmmm壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为管程对流传热热阻占总热阻的百分数为管壁热阻占总热阻的百分数为50.6W/（m·℃），97.3%，2.4%，0.3%7．在一传热面积为25m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶液。冷却水的流量为28000kg/h，其温度由25℃升至38℃，平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。有机溶液的温度由110℃降至65℃，平均比热容为1.72kJ/(kg·℃)。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量。解：kJ/(kg·℃)求有机物110→65水38←25————————————————7240 1.963×104kg/h8．在一单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶剂。冷却水的流量为10000kg/h，其初始温度为30℃，平均比热容为4.174kJ/（kg·℃）。有机溶剂的流量为14000kg/h，温度由180℃降至120℃，平均比热容为1.72kJ/（kg·℃）。设换热器的总传热系数为500W/(m2·℃)，试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积，设换热器的热损失和污垢热阻可以忽略。解：冷却水的出口温度为逆流时并流时8.452m29．在一单程管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。已知苯蒸汽的体积流量为1600m3/h，常压下苯的沸点为80.1℃，气化热为394kJ/kg。冷却水的入口温度为20℃，流量为35000kg/h，水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。总传热系数为450W/(m2·℃)。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。解：苯蒸气的密度为解出℃求苯80.1→80.1水31.620————————————————48.560.1 19.3m210．在一单壳程、双管程的管壳式换热器中，水在壳程内流动，进口温度为30℃，出口温度为65℃。油在管程流动，进口温度为120℃。出口温度为75℃，试求其传热平均温度差。解：先求逆流时平均温度差油120→75水65305545计算P及R查图5-11（a）得43.6℃11．某生产过程中需用冷却水将油从105℃冷却至70℃。已知油的流量为6000kg/h，水的初温为22℃，流量为2000kg/h。现有一传热面积为10m2的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求：（1）两流体呈逆流流动；（2）两流体呈并流流动。设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为300W/(m2·℃)；油的平均比热容为1.9kJ/(kg·℃)，水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。热损失可忽略。解：本题采用法计算（1）逆流时查图得 能满足要求67.2℃，能满足要求（2）并流时查图得不能满足要求73.1℃，不能满足要求12．在一单程管壳式换热器中，管外热水被管内冷水所冷却。已知换热器的传热面积为5m2，总传热系数为1400W/(m2·℃)；热水的初温为100℃，流量为5000kg/h；冷水的初温为20℃，流量为10000kg/h。试计算热水和冷水的出口温度及传热量。设水的平均比热容为4.18kJ/(kg·℃)，热损失可忽略不计。解：查图得传热量解出℃解出℃2.67×105W，54℃，43℃13．水以1.5m/s的流速在长为3m、直径为的管内由20℃加热至40℃，试求水与管壁之间的对流传热系数。解：水的定性温度为由附录六查得30时水的物性为 ρ＝995.7kg/m3，μ=80.07×10－5Pa·s，λ=0.6176，Pr=5.42则（湍流）Re、Pr及值均在式5-59a的应用范围内，故可采用式5-76a近似计算。水被加热，取n=0.4，于是得6435W/（m·℃）20．用压力为300kPa（绝对压力）的饱和水蒸气将20℃的水预热至80℃，水在mm水平放置的钢管内以0.6m/s的速度流过。设水蒸气冷凝的对流传热系数为5000W/(m2·℃)，水侧的污垢热阻为6×10-4m2·℃/W，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计，试求（1）换热器的总传热系数；（2）设操作半年后，由于水垢积累，换热能力下降，出口水温只能升至70℃，试求此时的总传热系数及水侧的污垢热阻。解：查附录得，300kPa的饱和水蒸气温度为133.3℃水的定性温度为（1）在50℃下，水的物理性质如下：应用公式5-58a进行计算772.4W/(m2·℃)（2）（a）（b） （b）式÷（a）式，得1.20×10-3m2·℃/W21．在一套管换热器中，用冷却水将4500kg/h的苯由80℃冷却至35℃，；冷却水在mm的内管中流动，其进、出口温度分别为17℃和47℃。已知水和苯的对流传热系数分别为850W/(m2·℃)和1700W/(m2·℃)，试求所需的管长和冷却水的消耗量。解：苯的定性温度时苯的定压热容为1.824kJ/（kg·℃）水的定性温度时水的定压热容为4.176kJ/（kg·℃）冷却水的消耗量管长 108.73m2948kg/h22.选做，可以自由发挥，充分结合书本知识，并加以灵活应用！（化工设计）第八章气体吸收P81~83：1、2、3、4、51.在温度为40℃、压力为101.3kPa的条件下，测得溶液上方氨的平衡分压为15.0kPa时，氨在水中的溶解度为76.6g(NH3)/1000g(H2O)。试求在此温度和压力下的亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。解：水溶液中氨的摩尔分数为由亨利系数为kPa相平衡常数为 由于氨水的浓度较低，溶液的密度可按纯水的密度计算。40℃时水的密度为kg/m3溶解度系数为0.2762.在温度为25℃及总压为101.3kPa的条件下，使含二氧化碳为3.0%（体积分数）的混合空气与含二氧化碳为350g/m3的水溶液接触。试判断二氧化碳的传递方向，并计算以二氧化碳的分压表示的总传质推动力。已知操作条件下，亨利系数kPa，水溶液的密度为997.8kg/m3。解：水溶液中CO2的浓度为对于稀水溶液，总浓度为kmol/m3水溶液中CO2的摩尔分数为由kPa气相中CO2的分压为kPa<故CO2必由液相传递到气相，进行解吸。以CO2的分压表示的总传质推动力为kPa20.9153.在总压为110.5kPa的条件下，采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的氨气。测得在塔的某一截面上，氨的气、液相组成分别为、。气膜吸收系数kG=5.2×10-6kmol/(m2·s·kPa)，液膜吸收系数kL=1.55×10-4m/s。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，溶解度系数H＝0.725kmol/(m3·kPa)。（1）试计算以、表示的总推动力和相应的总吸收系数；（2）试分析该过程的控制因素。解：(1)以气相分压差表示的总推动力为kPa 其对应的总吸收系数为kmol/(m2·s·kPa)以液相组成差表示的总推动力为其对应的总吸收系数为（2）吸收过程的控制因素气膜阻力占总阻力的百分数为气膜阻力占总阻力的绝大部分，故该吸收过程为气膜控制。95.58%4.在某填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。操作压力为105.0kPa，操作温度为25℃。在操作条件下平衡关系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系数为2.126kmol/(m3·kPa)。测得塔内某截面处甲醇的气相分压为7.5kPa，液相组成为2.85kmol/m3，液膜吸收系数kL=2.12×10-5m/s，气相总吸收系数KG＝1.206×10-5kmol/(m2·s·kPa)。求该截面处（1）膜吸收系数kG、kx及ky；（2）总吸收系数KL、KX及KY；（3）吸收速率。解：(1)以纯水的密度代替稀甲醇水溶液的密度，25℃时水的密度为kg/m3溶液的总浓度为kmol/m3kG=1.647×10-5kx=1.174×10-3ky=1.729×10-3（2）由m/s 因溶质组成很低，故有（3）吸收速率为NA=1.310×10-55.在101.3kPa及25℃的条件下，用清水在填料塔中逆流吸收某混合气中的二氧化硫。已知混合气进塔和出塔的组成分别为y1=0.04、y2=0.002。假设操作条件下平衡关系服从亨利定律，亨利系数为4.13×103kPa，吸收剂用量为最小用量的1.45倍。（1）试计算吸收液的组成；（2）若操作压力提高到1013kPa而其他条件不变，再求吸收液的组成。解：（1）吸收剂为清水，所以所以操作时的液气比为吸收液的组成为（2） X1=7.054×10-4X1’=7.05×10-3'