課后答案作業(yè)

1、第四章某平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)。(1 aT) W/(mK), T的單位為C。假設(shè)通過平壁的熱通量為q W/m,平壁內(nèi)外表的溫度為Ti。試求平壁內(nèi)的溫度分布解：由題意，根據(jù)傅立葉定律有q=入 dT/dy即q=入 o (1 +a T) dT/dy別離變量并積分整理得此即溫度分布方程某燃燒爐的爐壁由500mn厚的耐火磚、380mr厚的絕熱磚及250mn厚的普通磚砌成。其入值依次為 W/(m- K), W/(m- K)及 W/(m- K)。傳熱面積A為in2。耐火磚內(nèi)壁 溫度為1000C，普通磚外壁溫度為50C。(1) 單位面積熱通量及層與層之間溫度；(2) 假設(shè)耐火磚與絕熱磚之間有一 2cm的空氣層，其

2、熱傳導(dǎo)系數(shù)為 W/(mC )。內(nèi)外 壁溫度仍不變，問此時(shí)單位面積熱損失為多少解：設(shè)耐火磚、絕熱磚、普通磚的熱阻分別為r 1、r2、r 3。(1)由題易得b0.5m廠 r 2 |- n a jr1 =：7 = 0.357 m K/W1.4Wm K22= 3.8 m K/W2r3=m K /W所以有T2q= mr1Dr3由題T1 = 1000C丁2= Ti QR=923.4 C(2)由題，增加的熱阻為T3= Ti Q( R + R)=108.3 CT4= 50 Cr '二 0.436 m2 K/Wq=A T/ (r 1 +2+ 九 + r')2=m某一60 mm<3mm的鋁復(fù)

3、合管，其導(dǎo)熱系數(shù)為 45 W/(mK)，外包一層厚30mm的石 棉后，又包一層厚為30mm的軟木。石棉和軟木的導(dǎo)熱系數(shù)分別為(mK)和 W/(mK)。 試求(1)如管內(nèi)壁溫度為-105 C,軟木外側(cè)溫度為5C，那么每米管長的冷損失量為多少(2)假設(shè)將兩層保溫材料互換，互換后假設(shè)石棉外側(cè)溫度仍為5C,那么此時(shí)每米管長的冷損失量為多少解：設(shè)鋁復(fù)合管、石棉、軟木的對(duì)數(shù)平均半徑分別為r m1、r m2 r m3o由題有r m1 =r m2=r m3=3mn= 28.47mm30 In -2730 mn= 43.28mm60 ln -3030 mn= 73.99mm .90 ln -60(1) R/L

4、=21rm1b222rm2b323rm3=245 28.47 K m/W303020.15 43.28K m/W 20.04 73.99K m/W=x 104K - mM+ mM+ m/W= m/WQ/L= = mR/L(2) R/L =3W245 28.473030m/KW m/KW m/K20.04 43.2820.15 73.99=X 10* m W-m /W m /Wbi2irmib222rm2b323rm3= m /WQ/L= = mR/ L某加熱爐為一厚度為10mm勺鋼制圓筒，內(nèi)襯厚度為250mm勺耐火磚，外包一層厚度 為250mm勺保溫材料，耐火磚、鋼板和保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為

5、 W/m- K、45 W/m- K 和W/ / m- K鋼板的允許工作溫度為 400C。外界大氣溫度為 35C，大氣一側(cè)的 對(duì)流傳熱系數(shù)為10 W/ /mb K;爐內(nèi)熱氣體溫度為600E，內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)為100 W/ /m - K。試通過計(jì)算確定爐體設(shè)計(jì)是否合理；假設(shè)不合理，提出改良措施并說明理由。補(bǔ) 充條件：有效管徑2.0m解：設(shè)由耐火磚內(nèi)側(cè)外表和保溫材料外測(cè)外表的面積分別為 A和耐火磚、鋼筒 和保溫材料的對(duì)數(shù)平均面積分別為 Ami、入2、Am。鋼板內(nèi)側(cè)溫度為T。穩(wěn)態(tài)條件下，由 題意得：因?yàn)殇摪鍍?nèi)側(cè)溫度較高，所以應(yīng)該以內(nèi)側(cè)溫度不超過400°C為合理有效管徑R=2.0 m帶入條件，

6、解得 T = 463.5C >400C計(jì)算結(jié)果說明該設(shè)計(jì)不合理改良措施：1、提高鋼板的工作溫度，選用耐熱鋼板；2、增加耐火磚厚度，或改用導(dǎo)熱系數(shù)更小的耐火磚。在換熱器中用冷水冷卻煤油。水在直徑為© 19X 2mm的鋼管內(nèi)流動(dòng)，水的對(duì)流傳熱系數(shù)為3490 W/ /吊 K，煤油的對(duì)流傳熱系數(shù)為458 W/ / m K。換熱器使用一段時(shí)間 后，管壁兩側(cè)均產(chǎn)生污垢，煤油側(cè)和水側(cè)的污垢熱阻分別為0.000176 m2 K/W和0.00026m2 K/W 管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/ /m- K。試求/1基于管外外表積的總傳熱系數(shù)；/2產(chǎn)生污垢后熱阻增加的百分?jǐn)?shù)。解：/1將鋼管視為薄管壁那么

7、有1 1b 1rs1rs2K 1212m2 K/WO.。02 m2 K/W1m2 K/W 0.00026m2 K/W 0.000176m2 K/W K=349045458322.95 10 3m2 K/W(m K)(2)產(chǎn)生污垢后增加的熱阻百分比為注：如不視為薄管壁，將有5%左右的數(shù)值誤差。列管式換熱器由19根© 19X 2mm長為1.2m的鋼管組成，擬用冷水將質(zhì)量流量為350kg/h的飽和水蒸氣冷凝為飽和液體，要求冷水的進(jìn)、出口溫度分別為15C和35C?；诠芡馔獗淼目倐鳠嵯禂?shù)為700 w/( m K ,試計(jì)算該換熱器能否滿足要求。解:設(shè)換熱器恰好能滿足要求，那么冷凝得到的液體溫度

8、為100C。飽和水蒸氣的潛熱L= kg T2= 85K,AT1= 65K由熱量守恒可得KAAT m= q丄即列管式換熱器的換熱面積為 A總=19X 19mrXnX 1.2m=1.36m2 v 4.21m2故不滿足要求。假設(shè)將一外徑70mm長3m外表溫度為227E的鋼管放置于：(1) 很大的紅磚屋內(nèi)，磚墻壁溫度為 27C；(2) 截面為X0.3m2的磚槽內(nèi)，磚壁溫度為27C。試求此管的輻射熱損失。(假設(shè)管子兩端的輻射損失可忽略不計(jì))補(bǔ)充條件：鋼管和磚槽的黑度分別為和解：(1) Q-2= G-2 © 12A (T/ T2°) /1004由題有 © 2 = 1， C仁2

9、 = uC。，0 =Q12= dC0 A (T14 T24) /1004=X ( m2 K4) X 3mx 0.07mX (X004K4 3004K4) /1004=X103W(2) Q2 Ci2© i2A (Ti T2) /100 由題有©-2 1Ci-2 Co/1/ d + A1/A2 (1/g 1)Qi2 Co/1/ d + A1/A2 (1/2 1) A (T14 T24) /1004(m2 K4) 1/ +(3XXn / X *13 1) X 3m 0.07mX (5004K4 3004K4) /100403W一個(gè)水加熱器的外表溫度為 80C，外表積為2吊，房間內(nèi)

10、外表溫度為20r。將其看 成一個(gè)黑體，試求因輻射而引起的能量損失。解：由題，應(yīng)滿足以下等式且有 © 1 2 1 ； A A1； C 2 C0 Xc 1 又有 A 2ni；£ 1 1所以有第五章在穩(wěn)態(tài)下氣體A和B混合物進(jìn)行穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，總壓力為X 105Pa溫度為278&氣相 主體與擴(kuò)散界面S之間的垂直距離為0.1m,兩平面上的分壓分別為Pa1=x 104Pa和Pa2=x 104Pao混合物的擴(kuò)散系數(shù)為X 10-5m/s，試計(jì)算以下條件下組分 A和B的傳質(zhì)通量， 并對(duì)所得的結(jié)果加以分析。( 1 )組分 B 不能穿過平面 S；(2)組分A和B都能穿過平面S。解：(1)由題，

11、當(dāng)組分B不能穿過平面S時(shí)，可視為A的單向擴(kuò)散。pB,1 p pA,1 pB,2 p pA,2 dabx 10-5m/s(2)由題，當(dāng)組分A和B都能穿過平面S,可視為等分子反向擴(kuò)散 可見在相同條件下，單向擴(kuò)散的通量要大于等分子反向擴(kuò)散。一填料塔在大氣壓和295K下，用清水吸收氨-空氣混合物中的氨。傳質(zhì)阻力可以 認(rèn)為集中在1mm厚的靜止氣膜中。在塔內(nèi)某一點(diǎn)上，氨的分壓為X103N/mf。水面上氨的平衡分壓可以忽略不計(jì)。氨在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為X10-4m/s。試求該點(diǎn)上氨的傳質(zhì)速率。解：設(shè)Pb,1，Pb,2分別為氨在相界面和氣相主體的分壓，PB,m為相界面和氣相主體間的對(duì) 數(shù)平均分壓 由題意得：弟八

12、早密度為2650kg/m3的球形顆粒在20C的空氣中自由沉降，計(jì)算符合斯托克斯公式的最大顆粒直徑和服從牛頓公式的最小顆粒直徑空氣的密度為1.205kg/m3,黏度為x 10-5 Pa - s。解：如果顆粒沉降位于斯托克斯區(qū)，那么顆粒直徑最大時(shí)，Rep dpU 2所以Ut2 ，同時(shí)UtdPpgdp218所以dp 32 18 2，代入數(shù)值，解得dp 7.22 10 5mp g同理，如果顆粒沉降位于牛頓區(qū)，貝U顆粒直徑最小時(shí)，Rep 業(yè)1000所以“ 100丁，同時(shí)“1.74p gdp所以dp 32.3，代入數(shù)值，解得dp 1.51 10 3m降塵室是從氣體中除去固體顆粒的重力沉降設(shè)備， 氣體通過降

13、塵室具有一定的停留時(shí)間，假設(shè)在這個(gè)時(shí)間內(nèi)顆粒沉到室底，就可以從氣體中去除，如以下圖所示。現(xiàn)用降塵室 別離氣體中的粉塵密度為4500kg/m3，操作條件是：氣體體積流量為6ni/s，密度為0.6kg/m3，黏度為x 10-5Pa- s,降塵室高2m寬2m長5m求能被完全去除的最小塵粒 的直徑。含塵氣凈化氣' 圖6-1 習(xí)題圖示解：設(shè)降塵室長為I，寬為b，高為h，那么顆粒的停留時(shí)間為t停 l /Ui，沉降時(shí)間為t沉h/Ut，當(dāng)t停 t沉?xí)r，顆粒可以從氣體中完全去除，t停 t沉對(duì)應(yīng)的是能夠去除的最小 顆粒，即l/Ui h/Ut降塵hqvqv因?yàn)閁i hb，所以u(píng)t竽驚qv走°.6m

14、/s假設(shè)沉降在層流區(qū)，應(yīng)用斯托克斯公式，得dpmin18 ut18 3 10 5 * 0.68.579.814500 0.610 5 m 85.7 叩檢驗(yàn)雷諾數(shù)58.57 100.6 0.6, c1.032，3 10 5在層流區(qū)。所以可以去除的最小顆粒直徑為 ym采用平流式沉砂池去除污水中粒徑較大的顆粒。 如果顆粒的平均密度為2240kg/m3，沉淀池有效水深為1.2m，水力停留時(shí)間為1mi n,求能夠去除的顆粒最小粒徑 在水中自由沉降，污水的物性參數(shù)為密度 1000kg/m3,黏度為x 10-3Pas)(假設(shè)顆粒解：能夠去除的顆粒的最小沉降速度為Ut h/t沉1.2/60 0.02 m/s假

15、設(shè)沉降符合斯克托斯公式，那么pgdp2Ut1818 ut所以dp檢驗(yàn)Rep 蟲巴1.88 10 ° 0.02 10003.132，假設(shè)錯(cuò)誤。31.2 10假設(shè)沉降符合艾倫公式，那么ut0.270.6p gdyRep所以5譏.271.40.60.4Ut2p g1.61.43 °.60.40.021.2 10 310000.2722240 10009.812.12 10 4 m檢驗(yàn)Rep勺二 2.12 10 吧 10003.5，在艾倫區(qū)，假設(shè)正確。p 1.2 10 所以能夠去除的顆粒最小粒徑為x10-4m。質(zhì)量流量為1.1kg/s、溫度為20E的常壓含塵氣體，塵粒密度為1800

16、kg/m3，需要 除塵并預(yù)熱至400C，現(xiàn)在用底面積為65m的降塵室除塵，試問(1)先除塵后預(yù)熱，可以除去的最小顆粒直徑為多少2先預(yù)熱后除塵，可以除去的最小顆粒直徑是多少如果到達(dá)與1相同的去除顆粒最小直徑，空氣的質(zhì)量流量為多少3欲取得更好的除塵效果，應(yīng)如何對(duì)降塵室進(jìn)行改造假設(shè)空氣壓力不變，20C空氣的密度為1.2kg/m3,黏度為x 10-5Pas, 400C黏度為 x 10-5Pa - s。解：1預(yù)熱前空氣體積流量為qV0.917m3/s，降塵室的底面積為65m1.2所以，可以全部去除的最小顆粒的沉降速度為ut蟲 込 0.0141m/sA 65假設(shè)顆粒沉降屬于層流區(qū)，由斯托克斯公式，全部去除

17、最小顆粒的直徑為檢驗(yàn)雷諾數(shù)Repdpq51.2 1.61 100.01411.81 100.0152假設(shè)正確2預(yù)熱后空氣的密度和流量變化為1.22930.522kg/m3，體積流量為 qv112.11m3/s273 4000.522可以全部去除的最小顆粒的沉降速度為ut屯竺0.0325m/sA 65同樣假設(shè)顆粒沉降屬于層流區(qū)，由斯托克斯公式，全部去除最小顆粒的直徑為 檢驗(yàn)雷諾數(shù)RepdpUt50.522 3.31 100.03253.31 100.0172假設(shè)正確dp 16.1 m的顆粒在400C空氣中的沉降速度為要將顆粒全部除去，氣體流量為 qV Aut 65 0.007680.5m 3/s

18、質(zhì)量流量為 0.5 0.5220.261kg/s3參考答案：將降塵室分層，增加降塵室的底面積，可以取得更好的除塵效果用與例題相同的標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)別離器收集煙氣粉塵， 含粉塵空氣的溫度為200C, 體積流量為3800 nVh，粉塵密度為2290 kg/m3,求旋風(fēng)別離器能別離粉塵的臨界直徑 旋 風(fēng)別離器的直徑為650mm 200E空氣的密度為0.746 kg/m 3,黏度為x 10-5 Pa - s解：標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)別離器進(jìn)口寬度 B D/4 0.65/4 0.1625m,進(jìn)口高度 hi D/2 0.65/2 0.325m,進(jìn)口氣速 ui %/Bh 3800/3600 / 0.1625 0.32519.9

19、9m/s所以別離粉塵的臨界直徑為體積流量為1nVs的20E常壓含塵空氣，固體顆粒的密度為1800 kg/m3 (空氣的密度為 1.205kg/m3，黏度為 x 10-5Pa- s)。那么(1) 用底面積為60m的降塵室除塵，能夠完全去除的最小顆粒直徑是多少(2) 用直徑為600mm勺標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)別離器除塵，離心別離因數(shù)、臨界直徑和分割直徑 是多少解:(1)能完全去除的顆粒沉降速度為Ut丄 0.0167 m/sA 60假設(shè)沉降符合斯托克斯公式，能夠完全去除的最小顆粒直徑為0.0642，假設(shè)正確。hi D/20.6/20.3 m，進(jìn)口氣速檢驗(yàn)：Rep 玉 1.205 1.76 10 ： 0.0167p

20、 1.81 10 5(2)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)別離器進(jìn)口寬度B D/4 0.6/4 0.15 m，進(jìn)口高度UiCV/Bh 1/ 0.15 0.322.22 m/s別離因數(shù)Ke2Uigr2 2Ui22.22D B 9.81 0.6 0.375224臨界粒徑de981 105。156.24 10 6m=6.24 口9 BUi pN 3.14 22.22 1800 5分割直徑原來用一個(gè)旋風(fēng)別離器別離氣體粉塵，現(xiàn)在改用三個(gè)相同的、并聯(lián)的小旋風(fēng)別離器 代替，別離器的形式和各局部的比例不變，并且氣體的進(jìn)口速度也不變，求每個(gè)小旋風(fēng) 別離器的直徑是原來的幾倍，別離的臨界直徑是原來的幾倍。解：(1)設(shè)原來的入口體積流量為

21、qv,現(xiàn)在每個(gè)旋風(fēng)別離器的入口流量為 qv/3，入 口氣速不變，所以入口的面積為原來的 1/3，又因?yàn)樾问胶统叽绫壤蛔?，別離器入口面積與直徑的平方成比例，所以小旋風(fēng)別離器直徑的平方為原來的1/3，那么直徑為原來的1/3 0.58所以小旋風(fēng)別離器直徑為原來的倍。2由式639 由題意可知：、u p、N都保持不變，所以此時(shí)de , B由前述可知，小旋風(fēng)別離器入口面積為原來的1/3，那么B為原來的,1/3 0.58倍所以生.0180.76倍d所以別離的臨界直徑為原來的倍。第七章用過濾機(jī)處理某懸浮液，先等速過濾20min,得到濾液2ni,隨即保持當(dāng)時(shí)的壓差等 壓過濾40min，那么共得到多少濾液忽略介

22、質(zhì)阻力解：恒速過濾的方程式為式VjKA2t,所以過濾常數(shù)為K 2纟At1此過濾常數(shù)為恒速過濾結(jié)束時(shí)的過濾常數(shù)，也是恒壓過濾開始時(shí)的過濾常數(shù)，在恒 壓過濾過程中保持不變，所以由恒壓過濾方程式，2 2所以V2晉t2弋涪40 22 20所以總的濾液量為V 4.47ml用壓濾機(jī)過濾某種懸浮液，以壓差 150kPa恒壓過濾之后得到濾液25 m,忽略介質(zhì)壓力，那么:1如果過濾壓差提高一倍，濾餅壓縮系數(shù)為，那么過濾后可以得到多少濾液;2如果將操作時(shí)間縮短一半，其他條件不變，可以得到多少濾液1 S 2,解：1由恒壓過濾方程 V2 KA2t 一P當(dāng)過濾壓差提高一倍時(shí)，過濾時(shí)間不變時(shí)1 sP1P21 sP221

23、0.322V122252 1012.5P1V231.8 m百V22 t22當(dāng)其他條件不變時(shí)，過濾常數(shù)不變，所以由恒壓過濾方程，可以推得21 22252 312.52所以 V217.7 m用板框過濾機(jī)恒壓過濾料液，過濾時(shí)間為1800s時(shí)，得到的總濾液量為8斥，當(dāng)過濾時(shí)間為3600s時(shí)，過濾結(jié)束，得到的總濾液量為11用，然后用3吊的清水進(jìn)行洗滌，試計(jì)算洗滌時(shí)間介質(zhì)阻力忽略不計(jì)。解：由得dV KA2dt2V依題意，過濾結(jié)束時(shí)聳 K 3600A2所以過濾結(jié)束時(shí)dVdt竺丄g 1.53 10 3m/s2V 2 11洗滌速度與過濾結(jié)束時(shí)過濾速度相同所以洗滌時(shí)間為3t31960 s1.53 10 3.溫度為

24、38C的空氣流過直徑為12.7mm的球形顆粒組成的固定床，床層的空隙率為，床層直徑0.61m,高2.44m,空氣進(jìn)入床層時(shí)的絕對(duì)壓力為，質(zhì)量流量為0.358kg/s， 求空氣通過床層的阻力。解：顆粒比外表積查38C下空氣密度為1.135 kg/m 3,黏度為x 10-5Pa- s?？沾擦魉贋榭諝馔ㄟ^床層的阻力為某固定床反響器，內(nèi)徑為3m填料層高度為4m填料為直徑5mm的球形顆粒，密 度為2000kg/m3，反響器內(nèi)填料的總質(zhì)量為x 10 4kg。通過固定床的氣體流量為 0.03m3/s，平均密度為38kg/m3，粘度為x 10-3 Pa - s,求氣體通過固定床的壓力降。2解：顆粒床層的體積為

25、V床3.1434 28.26m32所以床層的空隙率為28工L1628.26顆粒的比外表積為a社5 10 30.431.232 t 310 m /m氣體通過顆粒床層的流速為u00320.0042m/s3.141.5由公式，得2 3 2F.2 10°.0042 °.017 10 3 4 8.4Pa所以氣體通過床層的壓力降為7.16. 一個(gè)濾池由直徑為4mm勺砂粒組成，砂礫球形度為，濾層高度為 0.8m，空隙率為，每平方米濾池通過的水流量為12 m/h，求水流通過濾池的壓力降黏度為1x 10-3Pa - s)。解：顆粒的比外表積為空床流速所以水流通過濾池的壓力降為第八章吸收塔內(nèi)某

26、截面處氣相組成為y °.°5，液相組成為x 0.01，兩相的平衡關(guān)系為y 2x，55如果兩相的傳質(zhì)系數(shù)分別為ky 1.25 10 kmol/(m2 s)， kx 1.25 10 kmol/(m2 s)，試求該截面上傳質(zhì)總推動(dòng)力、總阻力、氣液兩相的阻力和傳質(zhì)速率。解：與氣相組成平衡的液相摩爾分?jǐn)?shù)為 y 2x2 0.010.02所以，以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為y 0.05 0.020.03同理，與液相組成平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為x0.05/ 20.025所以，以液相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為x 0.025 0.010.015以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為20

27、.83 10 5 kmol/(m s)KX1一51/kx 1/ mky 1/ 1.25 10 51/ 2 1.25 10 5以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為c52Ky Kx/m 0.83 10 /2 0.42 10 kmol/(m s)傳質(zhì)速率NA Kx x 0.83 10 5 0.0151.25 10 7 kmol/(m 2 s)或者 NA Ky y 0.42 10 5 0.03 1.26 10 7 kmol/(m 2 s)以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)分析傳質(zhì)阻力總傳質(zhì)阻力1/ Kx 1/ 0.8355210 51.20 105 (m s)/kmol其中液相傳質(zhì)阻力為1/kx1

28、/1.25 10 520.8 10 (m s)/kmol占總阻力的%氣膜傳質(zhì)阻力為1/mky 1/2 1.25 10 520.4 10 (m s)/kmol占總阻力的%用吸收塔吸收廢氣中的SQ,條件為常壓,30C，相平衡常數(shù)為m 26.7，在塔內(nèi)某一截面上，氣相中 sq分壓為，液相中so濃度為m，氣相傳質(zhì)系數(shù)為kG 1.5 10 2kmol/(m2 h kPa)，液相傳質(zhì)系數(shù)為kL 0.39 m/h，吸收液密度近似水的密度。試求:(1) 截面上氣液相界面上的濃度和分壓;(2)總傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)推動(dòng)力和傳質(zhì)速率。解：(1)設(shè)氣液相界面上的壓力為Pi，濃度為q忽略SQ的溶解，吸收液的摩爾濃度為3c0

29、1000/1855.6 kmol/m溶解度系數(shù)H26V疵mpo30.0206 kmol/(kPa m)在相界面上，氣液兩相平衡，所以ci0.0206 pi又因?yàn)榉€(wěn)態(tài)傳質(zhì)過程，氣液兩相傳質(zhì)速率相等，所以kG PPikL Ci所以 1.5 10 24.1 pi 0.39ci0.05由以上兩個(gè)方程，可以求得 Pi 3.52 kPa， ci0.0724 kmol/m3(2) 總氣相傳質(zhì)系數(shù)KG 1/kG 11/HkL1 20.00523 kmol/(m h kPa) 1/0.015 1/ 0.0206 0.39總液相傳質(zhì)系數(shù)klKg /H 0.00523/0.02060.254 m/h與水溶液平衡的氣

30、相平衡分壓為 p* c/H 0.05/0.0206 2.43 kPa所以用分壓差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為ppp* 4.1 2.43 1.67 kPa3與氣相組成平衡的溶液平衡濃度為 c Hp 0.0206 4.10.084 kmol/m用濃度差表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力為c c* c 0.084 0.05 0.034 kmol/m3傳質(zhì)速率 Na Kg p 0.00523 1.670.0087 kmol/(m 2 h)或者 Na Kl c 0.254 0.034 0.00862kmol/(m h)利用吸收別離兩組分氣體混合物，操作總壓為310kPa,氣、液相分傳質(zhì)系數(shù)分別為 3.77 10 kmol/(m

31、2 s)、kx 3.06 10 kmol/(m2 s)，氣、液兩相平衡符合亨利定律，4關(guān)系式為P 1.067 10 x (p*的單位為kPa),計(jì)算：(1) 總傳質(zhì)系數(shù)；(2) 傳質(zhì)過程的阻力分析；(3) 根據(jù)傳質(zhì)阻力分析，判斷是否適合采取化學(xué)吸收，如果發(fā)生瞬時(shí)不可逆化學(xué)反應(yīng)，傳質(zhì)速率會(huì)提高多少倍4解：(1)相平衡系數(shù)m E 1.067 1034.4p 310所以，以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為11/kx 1 /mky3.05 10 4kmol/(m2 s)1431/3.06 101/ 34.4 3.77 10以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)為Ky Kx/m 3.05 10 4/3

32、4.40.89 10 5kmol/(m2 s)(2)以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)阻力為其中液膜傳質(zhì)阻力為1/kx 1/ 3.06 10 43.27 103，占總傳質(zhì)阻力的%氣膜傳質(zhì)阻力為1/mky 1/34.4 3.77 10 37.71，占傳質(zhì)阻力的%所以整個(gè)傳質(zhì)過程為液膜控制的傳質(zhì)過程。(3) 因?yàn)閭髻|(zhì)過程為液膜控制，所以適合采用化學(xué)吸收。如題設(shè)條件，在化學(xué)吸收 過程中，假設(shè)發(fā)生的是快速不可逆化學(xué)反響，并且假設(shè)擴(kuò)散速率足夠快，在相界面上即 可完全反響，在這種情況下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收過程，此時(shí)32Kx mky 34.4 3.77 100.13kmol/(m s)與原來相比增

33、大了 426倍在吸收塔中，用清水自上而下并流吸收混合廢氣中的氨氣。氣體流量為 1000nVh (標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，氨氣的摩爾分?jǐn)?shù)為，塔內(nèi)為常溫常壓，此條件下氨的相平衡關(guān)系 為 Y*0.93X，求:(1) 用5 m3/h的清水吸收，氨氣的最高吸收率；(2) 用10 m3/h的清水吸收，氨氣的最高吸收率；(3) 用5 m3/h的含氨(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水吸收，氨氣的最高吸收率。1000 103/22.4解：(1)氣體的流量為12.4mol/s3600液體的流量為5 103 103 /18360077.2 mol/s假設(shè)吸收在塔底到達(dá)平衡那么 77.2 Y*/0.9312.40.01-Y*，所以 Y*0.001

34、3所以最大吸收率為0.01 0.0013 0.870.011000 103/22.4(2)氣體的流量為12.4mol/s3600亠 10 103 103 /18液體的流量為154.4mol/s3600假設(shè)吸收在塔底到達(dá)平衡,_ t r*那么 154.4 Y /0.9312.40.01-Y ，所以 Y 0.00070.01 0.0007所以最大吸收率為0.010.93(3)吸收劑中氨的摩爾分?jǐn)?shù)為假設(shè)吸收在塔底到達(dá)平衡貝 U 77.2 Y*/0.93 0.005312.40.01-Y*，所以 Y* 0.0056所以最大吸收率為0.01 0.0056 0.440.01用一個(gè)吸收塔吸收混合氣體中的氣態(tài)

35、污染物A,A在氣液兩相中的平衡關(guān)系為y* x，氣體入口濃度為yi 0.1，液體入口濃度為x2 0.01,(1) 如果要求吸收率到達(dá)80%求最小氣液比；(2) 溶質(zhì)的最大吸收率可以到達(dá)多少，此時(shí)液體出口的最大濃度為多少解：(1)氣相入口摩爾比第丄0.11，1yL0.9液相入口摩爾比X2x2-1 x2丄吐0.011 0.01吸收率丫1 丫2Yi0.11 y20.110.8，所以,Y20.022所以，最小液氣比qnLqnG min丫 丫2丫 /m X23座 0.870.1/1 0.01(2)假設(shè)吸收塔高度為無窮大，求 A的最大吸收率當(dāng)液氣比(qnL/qnG)m，操作線與平衡線重合，氣液兩相在塔頂和塔

36、底都處于平衡狀態(tài)。吸收率max*Y 丫2Yi0.11 1 °.010.910.11此時(shí)液相出口濃度XiYlm空 0.111當(dāng)液氣比(qnL / qnG)操作線與平衡線在塔頂點(diǎn)相交，即液相進(jìn)口濃度與氣相出口濃度平衡。吸收率max0.110.111 0.010.91此時(shí)液相出口濃度XiqnLX20.11與相比，吸收率到達(dá)同樣大小，但是液相出口濃度要低當(dāng)液氣比qnL/qnGm，操作線與平衡線在塔底點(diǎn)相交，即液相出口濃度與氣相 進(jìn)口濃度平衡此時(shí)液相出口濃度X1 Yl 0110.11m 1吸收率maxY Y2Y011X001 0.910.11與相比，液相出口濃度到達(dá)同樣大小，但是吸收率要低。在

37、逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合廢氣中的組分 A,入塔氣體溶質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為，操作條件下的相平衡關(guān)系為y* x，吸收劑用量為最小用量的倍，氣相總傳質(zhì)單元高度為1.2m,要求吸收率為80%求填料層的高度。解：傳質(zhì)單元高度，求得傳質(zhì)單元數(shù)，即可得到填料層高度。塔底：0.01塔頂：y20.011 0.80.002，x20操作過程的液氣比為吸收因子S1.2mqnG所以，傳質(zhì)單元數(shù)為1y mx10 01Ng In 1 1/S 1- 1/S- In 1 0.83 0.833.05 所1 1 /Sy2 mx21 0.830.002以填料層高度為h H°g N°g 1.2 3.053.66m

38、第九章25C,下，甲醛氣體被活性炭吸附的平衡數(shù)據(jù)如下:q/ g氣體g活性炭-10氣體的平衡分壓/Pa02671600560012266試判斷吸附類型，并求吸附常數(shù)如果25C,下，在1L的容器中含有空氣和甲醛的混合物，甲醛的分壓為12kPa,向容器中放入2g活性炭，密閉。忽略空氣的吸附，求到達(dá)吸附平衡時(shí)容器內(nèi)的壓力解：由數(shù)據(jù)可得吸附的平衡曲線如下圖9-1習(xí)題圖中吸附平衡線由上述的平衡曲線，可以判斷吸附可能是Langmuir或Freundlich型。1 111由 ，整理數(shù)據(jù)如下q qmk1 p qm1/q1051/p作1/q和1/p的直線圖9-2 習(xí)題圖中1/q 1/p的關(guān)系曲線由ln q 1/

39、nln p ln k，整理數(shù)據(jù)如下：ln pln q作ln q和In p的直線圖9-3 習(xí)題圖ln q和In p的關(guān)系曲線由以上計(jì)算可知，用Freu ndlich等溫方程擬合更好一些。同時(shí)計(jì)算參數(shù)如下:1/n=，n=3，lnk=，k=，所以等溫線方程為 q 0.016p1/3題設(shè)條件下，甲醛的物質(zhì)的量為n 型 12000 0.0010.0048 molRT 8.314 298質(zhì)量為 m 0.0048 30 0.144g假設(shè)到達(dá)吸附平衡時(shí)吸附量為 q,那么此時(shí)的壓力為p0.144 2q 8.314 298/ 300.001將q 0.016 p1/3代入，可以求得p 89 Pa所以此時(shí)甲醛的平衡分

40、壓已經(jīng)很低，如果忽略的話，可以認(rèn)為此時(shí)容器內(nèi)的壓力為101.3 12 89.3kPa現(xiàn)采用活性炭吸附對(duì)某有機(jī)廢水進(jìn)行處理，對(duì)兩種活性炭的吸附試驗(yàn)平衡數(shù)據(jù)如下:平衡濃度 COD /(mgL1)10050010001502000 250030000A吸附量/ mgg(活性炭-1B吸附量/mgg活性炭1試判斷吸附類型，計(jì)算吸附常數(shù)，并比擬兩種活性炭的優(yōu)劣 解：由數(shù)據(jù)可得吸附的平衡曲線如下：Langmuir吸附等溫線方程為據(jù)如下：qkQm / 1 &，變形后可得一q1，整理數(shù)qmk1qm10050010001500200025003000/q(A)/q(B)作/q和的直線圖9-4習(xí)題圖吸附等溫

41、線s76543210n inm in知 nnjnrn圖9-5 習(xí)題圖/q和的關(guān)系曲線由直線可知，用Langmuir吸附等溫線方程可以很好地?cái)M合吸附曲線 分別求得方程的常數(shù)為活性炭A：1/qn=，qm=526，1氷2廬，匕=活性炭B：1/q n=， qn=667，1/k 1qn=，k=比擬兩種活性炭的吸附平衡常數(shù)， 可以看到B的飽和吸附量要大于A,比外表積較大，吸 附容量比擬大；而A的吸附系數(shù)比擬大，吸附的性能較好。有一初始濃度比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為丫。的流體，要求用吸附劑將其濃度降低到 Y2 對(duì)應(yīng) 的固體相的吸附質(zhì)比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 。試證明：兩級(jí)錯(cuò)流吸附比單級(jí)吸附節(jié)約吸收劑。證明：對(duì)單級(jí)吸附，由物料衡算有

42、G Y0 Y> L X2 X0所以吸附劑的用量為L G Y0 Y2 / X2 Xo對(duì)于二級(jí)錯(cuò)流吸附，第一級(jí)吸附劑用量為附劑用量為L2，一級(jí)流出流體的濃度為丫2Li，一級(jí)流出流體的濃度為Y，第一級(jí)吸假設(shè)兩級(jí)所用吸附劑總量為Lt，Lt兩式相加，并且設(shè)L2 mL1L2，兩級(jí)的物料衡算方程分別為可得LtG Y。Y2m X1X0 X2 X01 m因?yàn)?XiXoX2 Xo所以m X1XoX2 Xom X2 Xo X2 Xo1 mm X1XoX2 XoX2Xo所以G Y。Y2m X1Xo X2XoG Y)Y2X2 Xo上式即為Lt L第十章用H型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂去除質(zhì)量濃度為 5%勺KCI溶液，交

43、換平衡時(shí)，從交換K柱中交換出來的H離子的摩爾分?jǐn)?shù)為，試計(jì)算 K離子的去除率。Kh二，溶液密度為31025 kg/m。解：溶液中X的摩爾濃度為K+=電 / 皺 O.688 moI/L74.51O25所以xK0.09K離子的去除率為1xK1 0.09 0.91用H型強(qiáng)酸性陽離子樹脂去除海水中的 N扌、X離子(假設(shè)海水中僅存在這兩種陽離 子)，樹脂中H離子的濃度為L,海水中N6、K離子的濃度分別為L和L,求交換平KNa衡時(shí)溶液中N扌、X離子的濃度。Kh ，Kh2.0。 y 1 X21 xM解：kH k 3.0，KHNa竺 2.0XK 1 yXNa 1 yNa同時(shí) 0®Na0.1 1 XNa

44、 ，°.3丫?0.02 1聯(lián)立以上幾式，求得Xk0.023，XNa 0.162所以平衡時(shí)溶液中的濃度Nsf為mol/L，口為mol/L某強(qiáng)堿性陰離子樹脂床，床層空隙率為，樹脂顆粒粒度為0.25mm孔隙率為，樹脂2交換容量為m，水相原始濃度m，液相與樹脂相離子擴(kuò)散系數(shù)分別為D1 3.410 m/h、3Dr 2.1 10 m2/h，溶液通過樹脂床的流速為4m/h。試判斷屬哪種擴(kuò)散控制。解：彼克來準(zhǔn)數(shù)Vermeulen 準(zhǔn)數(shù)所以屬于液膜擴(kuò)散控制。第十一章根據(jù)間歇操作、半間歇操作及連續(xù)操作的特點(diǎn)，畫出在以下反響器中或反響器出口 處反響物A的濃度隨時(shí)間(或位置)的變化曲線。圖11-1習(xí)題圖示(

45、a)間歇反響器(t =0, Ca=Cao) ； (b)半間歇反響器(t=0, Ca=Cao, Cb=O) ； (c)槽式連續(xù)反響 器；(d)管式連續(xù)反響器(給出Ca隨位置的變化)；(e)三級(jí)串聯(lián)槽式連續(xù)反響器(給出Ca1, CA2，CA3隨時(shí)間的變化)解：(a)(b)(c)(d)(e)圖11-2習(xí)題圖中各類反響器中A的濃度隨時(shí)間的變化曲線對(duì)于按反響式(1)和(2)進(jìn)行的平行串聯(lián)反響，設(shè)反響開始時(shí)系統(tǒng)中的總摩爾數(shù)為n。,A、B、Q P的摩爾數(shù)分別為：nA。、nB。、nQo>np。，A和B的摩爾分?jǐn)?shù)分別為Za。和Zb。試給 出t時(shí)刻時(shí)A和B的摩爾分?jǐn)?shù)Za和Zb以及A在反響 和 的轉(zhuǎn)化率Xai

46、和XA2之間的關(guān) 系。A+B=Q1A+2Q=P2解：對(duì)于反響式12有1 1 1 彳其中：A111所以，t時(shí)刻時(shí)A和B的摩爾分?jǐn)?shù)為氣態(tài)NH在常溫高壓條件下的催化分解反響 2NH=N+3H可用于處理含NH廢氣?，F(xiàn) 有一 NH和CH4含量分別為95%和5%的氣體，通過NH催化分解反響器后氣體中NH的 含量減少為3%,試計(jì)算NH的轉(zhuǎn)化率和反響器出口處 2、“和CH的摩爾分?jǐn)?shù)。CH為惰 性組分，不參與反響解：在氣相反響中，NH分解膨脹因子為將數(shù)據(jù)Znh3,o 0.95 ； Znh3 0.03代入式可得：根據(jù)題意：ZN2,0 0， ZH 2 ,0 0， ZCH 4,0 0.05，由表可得：在連續(xù)反響器內(nèi)進(jìn)

47、行的恒容平行反響1和2，當(dāng)原料中反響器進(jìn)口的 A B濃度均為3000mol/m3時(shí)，出口反響液中的 A、R的濃度分別為250mol/m3和2000mol/mt試計(jì)算反響器出口處的A的轉(zhuǎn)化率以及B和S的濃度原料中不含R和S。A+B=R12A=R+S2解：在反響式1和2中，設(shè)A的轉(zhuǎn)化率分別為XA1和XA2那么有將題中數(shù)據(jù) Cao= 3000mol/m3 ； Ca= 250mol/m3； Cro= Omol/m3； Cr= 2000 mol/m3 代入，求解方程可得XA1=； Xa2=所以反響器出口處A的轉(zhuǎn)化率為Xa= XA1+ XA2= + =3B 的濃度為 Cb= Cb0 Ca0Xa1= 174

48、9 mol/m3S 的濃度為 Cs= Cs0+CsXa2/2 = 750 mol/m對(duì)于由反響1和2構(gòu)成的復(fù)雜反響，試給出反響組分A、B Q P的反響速率-、-"、re、rP與反響1和 的反響速度m和Q的關(guān)系A(chǔ)+Q=P解：根據(jù)反響式1和2的計(jì)量方城可得“=計(jì)2； "=21； rQ=ri-2；q微生物反響一般在常溫附近進(jìn)行時(shí),其反響速率常數(shù)k與溫度的關(guān)系可以用下式表式中：k20 20 C時(shí)的反響速率常數(shù)； a溫度變化系數(shù)；t 溫度，c。示：k.t 20k20試給出a與Arrhenius公式中活化能曰的關(guān)系式k293 T 293 將溫度變?yōu)榻^對(duì)溫度根據(jù)式可知ln k ln k0

49、EaRT代入可得lnkln k293EaEaR 293 RT變形可得(T293) lnEaEaR 293 RT解：由k k20 t 20可得kEa即InR 293T第十二章在等溫恒容間歇式反響器中進(jìn)行以下反響。反響開始時(shí)A和B的濃度均為2kmol/m3,目標(biāo)產(chǎn)物為P,試計(jì)算反響時(shí)間為3h時(shí)A的轉(zhuǎn)化率31A B P,rP(kmol m h ) 2cA積分得解得將數(shù)據(jù)代入上式，有所以A組分濃度A組分轉(zhuǎn)化率注：tdtodCA2ca cAt-ln C)CA02CA (2CA0 )ca 2.482 10 3kmol/m3XA=%該題亦可以求P的收率，但是太麻煩。故未作為提問。具體解法如下:將 dCA 2

50、ca cA 0 除于C 2ca dtdt那么有些A1 1CadcP2所以；PdCPca dCA% 10a_21cao解得Cp2ln 21CA22ln2.482 101.3838 kmol/m3所以P的收率為 在CSTR反響器中，A被轉(zhuǎn)化成C,反響速率方程為-1 -1-rA (molL s )=(1)假定流量為100L/S , A的初始濃度CA0為L,轉(zhuǎn)化率XA為90%。試求所需反響器 的體積。(2)設(shè)計(jì)完成時(shí)，工程師發(fā)現(xiàn)該反響級(jí)數(shù)應(yīng)該是 0級(jí)而不是1級(jí)。速率方程應(yīng)該為:-rA= mol/(Ls)試問這對(duì)反響的設(shè)計(jì)有何影響解：(1)對(duì)于一級(jí)反響，在CSTR反響器中有反響器體積V qV 6000L

51、(2)對(duì)于0級(jí)反響，在CSTR反響器中有某反響器可將污染物A轉(zhuǎn)化成無害的物質(zhì)C,該反響可視為一級(jí)反響，速率常數(shù) k 為h-1，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化率xa為99%。由于該反響器相對(duì)較細(xì)長，設(shè)計(jì)人員假定其為平推流反 應(yīng)，來計(jì)算反響器參數(shù)。但是，反響器的攪拌裝置動(dòng)力較強(qiáng)，實(shí)際的混和已滿足完全混 和流反響器要求。物料流量為304.8m3/h，密度為1.00kg/L ;反響條件穩(wěn)定且所有的 反響均發(fā)生在反響器中。 按照PFR來設(shè)計(jì)，反響器體積為多少，得到的實(shí)際轉(zhuǎn)化率為多少(2)按照CSTR來設(shè)計(jì)，反響器體積又為多少解：(1)對(duì)于一級(jí)反響，在PFR反響器中有可得 1 t = In 100，即 t = h所以反響器體積為V= qV t = 1403m該反響器實(shí)際為CST皈應(yīng)器，那么有14-6= CT' 1，計(jì)算可得 CA' 所以實(shí)際轉(zhuǎn)化率Xa'=%(2)對(duì)于一級(jí)反響，在CST皈應(yīng)器中有k =CA0 1Ca計(jì)算可得所以反響器體積1 T = 100- 1t = 99 h3V= qVi = 30175m第十四章某一級(jí)不可逆氣固相催化反響，當(dāng) Ca= 10-2mol/L，及400°C時(shí)，其反響速率為 =kcA= 10-6mol/(scm3)，如果要求催化劑