化学工程习题答案

化学工程习题答案内容摘要：

动，进口温度为 15℃，出口温度为 33℃，热流体的进口温度为 130℃，出口温度为 40℃，试求两流体间的平均温度差。 解：此题为求折流时的平均温度差，先按逆流计算 150433130ln )15( 4 033)( 1 30ln1212   ΔtΔt ΔtΔtΔ t 39。 m℃ 因 4013 0R  1533p  查图得温度校正系数  所以  mm Δ t 39。 φAΔt ℃ 某单程列管式换热器，由直径 φ 25mm 的钢管束组成，苯在列管内流动，流量为 s1，由 80℃ 冷却到 30℃ ，冷却水在管间和苯逆向流动，水的进、出口温度分别为 20℃ 和 40℃ ，测得水侧和苯侧的对流传热膜系数分别为 和 m2K 1，污垢热阻分别为 和 KkW1，若换热器的热损失可忽略，试求换热器的传热面积。 （苯的平均比定压热容为 kg1K 1，钢的导热系数为 45Wm1K 1）。 解： 1 1 8 .7 5 k W3 0 ) k W( 8 01 .91 .2 5)( 21  TTCqq p , hm , h 20304080ln 0)2( 3 0)40( 8 0ln1212   ΔtΔt ΔtΔtΔt m℃ 15℃ 33℃40℃ 130℃80℃ 30℃40℃ 20℃化学工程习题答案 14 oomOiiiOo αRλdδdRdαdK 11  1212kmkW1  22 1 3 .7 4 mm2 1 .60 .41 1 5 moo ΔtKφA 热空气在冷却管外流动， αo=90WM2K 1，冷却水在管内流动， αi=1000WM2K 1，管外径 d 为 16mm，管壁厚 δ=，管材导热系数 λ=40 WM1K 1，试求： （ 1）传热系数 K（不计污垢热阻的热损失） （ 2）管外给热系数 αo 增加一倍，传热系数有何变化。 （ 3）管内给热系数 αi 增加一倍，传热系数有何变化。 解：（ 1） 12120Km8 3 .1 WKmW901400 .0 0 1510001 111 1  αλδαKi （ 2） 1212 Km1 8 0 WKm90W22   oo αα39。 则 1212 18011000 11  K39。 （ 3） 1212 KmW2020KmW100022   ii αα39。 则 1212 901200 011K   讨论： 第一种情况，传热系数 K 的增加率为： %% K KK39。 第二种情况，传热系数 K 的增加率为： %%10 KK  可见，提高 K 值应从提高 α 小的一侧着手，才会奏效。 1在并流换热器中，用水冷却油。 水的进、出口温度 分别为 15℃和 40℃，油的进、出口温度分别为 150℃和 100℃。 现要求油的出口温度降至 80℃，假设油和水的流量、进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为 1m，试求此换热器的管长增至多少米才能满足要求。 （设换热器的热损失可忽略不计。 ） 化学工程习题答案 15 解：1212ln ΔtΔtΔtΔtΔtm 401 00 151 50ln4 0)( 1 001 5)( 1 50   由热量衡算得： 1 0 01 5 0 154021 12  tt t39。 t39。 Cq Cq p ,cm ,c p ,hm ,h 当油的出口降至 80℃时，由热量衡算： C)15(C80)( 1 5 0 2   t 39。 39。 CqCqq p ,cm ,cp ,hm ,h 解得 5039。 2t ℃ C70C5080 151 50ln0)5( 8 01 5)( 1 5039。  mΔt 原来的传热速率方程 : )100150(,   dLnKtKACq mhphm  后来的传热速率方程 : C7039。 39。 39。 C)80150(,   dLnKtKACq mhphm  解得 5mm7092 .55070 L39。 1 90℃ 的丁醇在逆流换热器中被冷却到 50℃，换热器传热面积为 6m2，总传热系数为230Wm2K 1，若丁醇的流量为 1930kgh1，冷却水的进口温度为 18℃，试求： （ 1）冷却水的出口温度； （ 2）冷却水的消耗量。 解：（ 1）丁醇的定性温度为 C70C2 5090  mt，此时丁醇的比热为 Cp=kg1K 1 W106 .3 95 0 ) W( 9 0102 .9 836001930)( 4321  ttCqq p , hm , h C4 6 . 3C6230 106 . 3 9 4   KAqΔt m 若用算术平均温度计算 C18)( 5 0)tC( 9 02 )()( 39。 239。 21221   39。 39。 m ttttΔt 解得 39。 2t ℃ 验算： 1850 ΔtΔt 15℃ 40℃150℃ 100℃t239。 39。 =50℃80℃15℃150℃化学工程习题答案 16 所以用算术平均温度差计算是允许的。 （ 2）若忽略热损失，则 )()( 2112 ttCqt39。 t39。 Cq p ,hm ,hp ,cm ,c  111221 h4 8 2 0 k ghkg18)( 2 9 . 44 . 1 8 7 50)( 9 02 . 9 81930)( )(     t39。 t39。 C ttCqqp , cp , hm , hm , c 1一定流量的空气在换热器的管内呈湍流流动，从 20℃升至 80℃，压强为 180kPa 的饱和蒸汽在管外冷凝。 现因生产需要，空气流量增加 20%，而其进、出口温度不变。 试问，应采取何种措施，才能完成任务。 （作定量计算、假设管壁和污垢热阻可忽略）。 解：依题意 iαK 804080 PrRe02 30 .i..i uα,.α  故增加流量后 39。 161)21( 80  由附录查得 p=180kPa 时水蒸气的饱和温度为 ℃ 现空气流量增加 20%，则需提高加热蒸汽温度（即压强） ，否则需更换一传热面积更大的换热器。 因 ΔtCqq p,cm,c 故 qΔtCqq p ,cm ,c 1 .21 .239。  而 mtKAq  原流量时 )()(ln1212  ΔtΔt ΔtΔtΔt m 即  Aαq i 流量增大后： mim tAtAKqq 39。 )(39。 39。 39。   即 mii Δ t 39。 Aα..Aα.  161C86121  故  mΔ t39。 即 C963.C80C20lnC)80(C)20(  T39。 T39。 T39。 T39。 化简得： 94 39。 20T39。 ln  化学工程习题答案 17 解得 T39。 ℃ 从附录查得，将饱和蒸汽压强提高到约 200kPa 即可。 1某单壳程、单管程列管换热器，壳程为水蒸气冷凝， t=140℃，管程走空气， t1=20℃，现将此换热器由单管程换为双管程，两管程的管数相等，且为原总管数的一半，若空气流量不变，均为湍流流动，且假定 αin≈ K，求改为双管程后空气的出口温度。 （略去管壁及污垢的热阻，空气的物性不变。 ） 解：热量衡算式： )( 1222 ttCqq p,m,  传 热速率式：21212ln)()(tttt ttttAtKAq m   由上二式得：21222 ln1ttttAαCq p,m,  改双管程前：90140 20140ln1q222 AαC p,m,  （ a） 改双管程后：39。 2222t14020140ln 139。 AαCq p,m,  （ b） 将式 a、 b 联立解得： 50120lnt140120lnαα 222  （ c） 因 802 .uα  808022 2)( ..uu39。 αα39。  50120ln140120ln2 28039。 . t  解得 39。 t2 =℃ 因 u↑、 α↑ 故使空气出口温度上升，但应注意，△ p 亦会增加（△ p 会增至原来的几倍呢。 ） 第四章 传质过程 化学工程习题答案 18 105Pa、温度为 25℃的系统中， N2和 O2 的混合气发生定常态扩散过程。 已知相距 103m的两截面上，氧气的分压分别为 104Pa、 103Pa； 0℃时氧气在氮气中的扩散系数为 105m2s1。 求等物质的量反向扩散时： （ 1） 氧气的扩散通量； （ 2） 氮气的扩散通量； （ 3） 与分压为 104Pa 的截面相距 103m处氧气的分压。 解：（ 1）首先将 273K 时的扩散系数换算为 298K 时的值： 000 )(TTppDD  555 )273 25273(   等物质的量反向扩散时氧的扩散通量为： )(2,1, AAA ppR T lDN  123123435smm o smm o l)(   （ 2）由于该扩散过程为等物质的量反向扩散过程，所以－ NA＝ NB，即氮气的扩散通量也为 103molm2s1。 （ 3）因为系统中的 扩散为定常态，所以为定值，则： )39。 (39。 2,1, AAA ppR T lDN  则 DR T lNpp AAA 39。 39。 1,2,  45 334     ， NH3 和 H2 的混合气发生扩散过程。 系统总压为 105Pa、温度为 298K，扩散系数为 105m2s1。 已知相距 的两截面上， NH3的分压分别为 104Pa 和 103Pa。 试求： (1) NH3 和 H2 作等物质的量反向扩散时的传质通量； (2) H2 为停滞组分时， NH3 的传质通量。 并比较等物质的量反向扩散与单向扩散的传质通量大小。 化学工程习题答案 19 解：（ 1）当 NH3 和 H2 作等物质的量反向扩散时： )(2,1, AAA ppR T lDN  12212345smm o smm o l)(   （ 2）当 H2 为停滞组分时， NH3 的扩散为单相扩散， pB,1＝ p－ pA,1= 105Pa－ 104Pa= 104Pa pB,2＝ p－ pA,2= 105Pa－ 103Pa= 104Pa 101 . 0 1 3ln . 0 1 3ln445451,2,1,2, BBBBmBppppp ∴ )(2,1, AAmBA ppp pR T lDN  1221234455smm o smm o l)(   计算结果表明，单向扩散时的传质通量比等物质的量反向扩散时的传质通量大，前者是后者的 p/pB,m 倍（ p/pB,m1）。 ,水的高度为 5 103m 维持槽中水温 30℃，因分子扩散使水逐渐向大气蒸发。 假设扩散开始时通过一厚度为 5 103m、温度为 30℃的静止空气层，该空气层以外水蒸气分压可视为零。 扩散系数为 105m2s1，大气压 105Pa。 求浅 槽内的水完全蒸发所需的时间。 解：本题属于单向扩散过程，但水面上方的静止层厚度发生了变化。 查 30℃时水的饱和蒸汽压为 103Pa， ρ＝ m3 如图， pB,1＝ 105Pa－。