第六章 传热设备
一、换热器的分类及特点
按用途分类： 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器
按传热特征分类： 直接接触式、蓄热式、间壁式
二、夹套式换热器 夹套式换热器是在容器外壁安装夹套制成；主要用于反应过程的加热或冷却。
特点：结构简单，但其传热面积不大，不耐压，且传热系数也不高。
三、蛇管式换热器
（一）沉浸式
蛇管浸没在容器中的液体中形成
优点 ：结构简单、价格低廉，能承受高压，便于防腐。
缺点 ：传热面积有限，容器内液体湍动程度低，管外给热系数小。
（二） 喷淋式
蛇管成行地固定在钢架上形成，多用作冷却器。
优点：结构简单，造价便宜，耐腐蚀；管内
耐高压；管外α 比沉浸式大。
缺点：冷却水喷淋不易均匀，只能安装在室
外，占地面积大，要定期清洗。
四、套管式换热器
由大小不同的直管制成的同心套管，并由U 型弯头连接而成；每一段称为一程。
优点：构造较简单，耐高压，传热面积可调，应用方便，两流体均可达到较高的流速 ，且可完全逆流。 缺点：管间接头多，易泄露，占地较大，单位传热面消耗的金属量大。
五、列管换热器
优点 ：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、坚固、传热效果好。能用多种材料制造，故适用性较
强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中多采用列管式换热器。
（一）列管换热器的构造和形式
主要部件： 壳体、管束、管（花）板、顶盖（封头）
管束装在壳体内，固定于管板上
1.固定管板式（G ）
两端管板和壳体制成一体，结构简单，成本低；
壳程清洗和检修困难；
不进行热补偿或采用补偿圈进行热补偿；
不宜用于两流体温差过大（大于70℃）和壳程流体压强过高的场合。
2.浮头式换热器(F)
一端管板不与外壳连为一体， 形成可沿轴向自由浮动的浮头进行热补偿；
整个管束可以从壳体中抽出，管、壳程均便于清洗和检修；
允许两程温差较大；
结构比较复杂，造价较高。
3. U 型管式换热器
每根管子都弯成U 型，进出口分别安装在同一管板的两侧，每根管子可以自由伸缩进行热补偿； 封头用隔板分成两室，形成双管程；
管程不易清洗。
????????????夹套式浸没式蛇管式间壁式喷淋式套管式
列管式
（二）列管换热器的选用和设计
1.流程的选择
不清洁的物料走易于清洗的一侧；α小的流体走管内；腐蚀性物料走管内；高压流体走管内；高温或要保温（冷）的流体走管内；蒸汽一般走壳程；粘度大的流体走壳程(装有挡板时)。
2. 流速的选择
液体流速的选择主要依据粘度大小而定。
一般液体的流速选择范围为：管程0.5～3m/s；壳程0.2～1.5m/s
气体的流速选择范围为：管程5～30 m/s；壳程3～15m/s
3.换热管规格及其在管板上排列方法
管子的规格：Φ19×2mm和Φ25×2.5mm
管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m
排列方式：正三角形排列正方形直列正方形错列
正三角形排列紧凑，传热效果好，但管外清洗困难；
正方形排列传热效果要差些，管外清洗容易；
正方形错列使传热效果有所改善。
固定管板式换热器：Φ25×2.5mm正三角形排列；
浮头式换热器：Φ19×2mm正三角形排列；Φ25×2.5mm正方形排列
一般L/D=4~6
4．阻力损失的计算
（1）管程阻力损失
（2）壳程阻力损失
5.列管换热器的选用和设计计算步骤
（1）根据工艺任务，计算热流量Q和平均温差?t m，按估计的K，估算传热面积A。
（2）试选适当型号的换热器。
由u和V估算单管程的管子根数，由管子根数和估算的A估算管子长度，再由系列标准选适当型号。（3）计算管程、壳程阻力损失。
（4）核算传热系数K和传热面积A。
分别计算管程和壳程的α，确定垢阻，求出K，并与估算的K进行比较。如果相差较多，应重新估算。根据计算的K和?t m，计算A，选定的换热器面积应比计算值大10%～25%。
六、换热器的强化途径
1、增大单位体积内的传热面积A/V
直接接触传热，可增大A 和湍动程度，使Q↑；
采用高效新型换热器改进传热面结构来增大A和湍动程度，使Q↑
2、增大平均传热温差?tm
两侧变温情况下，尽量采用逆流或接近逆流流动。
3、增大传热系数K
尽可能减小控制性热阻；
提高较小的α；
延缓垢层形成速度及定期清洁垢层。
提高α的方法(无相变)：
增大流速；
管内添加扰流元件；
改变传热面形状。
第四章 传 热 热传导 【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为(m·℃)、厚度为300mm 的绝热材料。已测得绝热层外表面温度为30℃，另测得距加热器平壁外表面250mm 处的温度为75℃，如习题4-1附图所示。试求加热器平壁外表面温度。 解 2375℃, 30℃t t == 计算加热器平壁外表面温度1t ，./()W m λ=?016℃ (1757530025005016016) t --= ..145 025********t =?+=℃ 【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm 厚的软木做成的。软木的热导率λ= W/(m·℃)。若外表面温度为28℃，内表面温度为 3℃，试计算单位表面积的冷量损失。 解 已 知 .(),.123℃, 28℃, =0043／℃ 003t t W m b m λ==?=， 则单位表面积的冷量损失为 【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为0.02m 2 ，材料的厚度为0.02m 。现测得电流表的读数为2.8A ，伏特计的读数为140V ，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。 解 根据已知做图 热传导的热量 .28140392Q I V W =?=?= .().() 12392002 002280100Qb A t t λ?= = -- 【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=(m·℃)，厚度230b mm =；绝热砖层，热导率λ=(m·℃)；普通砖层，热导率λ=(m ·℃)。 耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。 (1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热砖厚度为230mm ，试确定绝热砖层的厚度。 (2) 若普通砖层厚度为240mm ，试计算普通砖层外表面温度。 解 (1)确定绝热层的厚度2b 温度分布如习题4-4附图所示。通过耐火砖层的热传导计算热流密度q 。 绝热砖层厚度2b 的计算 每块绝热砖的厚度为023m ．，取两块绝热砖的厚度为 习题4-1附图 习题4-3附图 习题4-4附图
第六章习题 1）苯酚（C 6 H 5 OH）（A）和对甲酚（C 6 H 4 （CH 3 ）OH）（B）的饱和蒸汽压数据为： 温度 ℃ 苯酚蒸汽压 kPa 对甲酚蒸汽压 kPa 温度 ℃ 苯酚蒸汽压 kPa 对甲酚蒸汽 压 kPa 113.7 10.0 7.70 117.8 11.99 9.06 114.6 10.4 7.94 118.6 12.43 9.39 115.4 10.8 8.2 119.4 12.85 9.70 116.3 11.19 8.5 120.0 13.26 10.0 117.0 11.58 8.76 试按总压P=75mmHg（绝压）计算该物系的“t—x—y”数据。此物系为理想物系。 t0C p A 0kPa p B 0kPa x A x B 113.7 10.0 7.70 1.0 1.0 114.6 10.4 7.94 0.837 0.871 115.4 10.8 8.2 0.692 0.748 116.3 11.19 8.5 0.558 0.624 117.0 11.58 8.76 0.440 0.509 117.8 11.99 9.06 0.321 0.385 118.6 12.43 9.39 0.201 0.249 119.4 12.85 9.70 0.0952 0.122 120.0 13.26 10.0 0.000 0.000 2）承第1题，利用各组数据，计算 ①在x=0至x=1围各点的相对挥发度α i ，取各α i 的算术平均值α，算出α对 α i 的最大相对误差。 ②以平均α作为常数代入平衡方程式算出各点的“y—x i ”关系，算出由此法得 出各组y i 值的最大相对误差。 t0C 113.7 114.6 115.4 116.3 117.0 117.8 118.6 119.4 120.0
六吸收 浓度换算 甲醇15%(质量)的水溶液, 其密度为970Kg/m3, 试计算该溶液中甲醇的: (1)摩尔分率; (2)摩尔比; (3)质量比; (4)质量浓度; (5)摩尔浓度。 分子扩散 估算1atm及293K下氯化氢气体(HCl)在(1)空气,(2)水(极稀盐酸)中的扩散系数。 一小管充以丙酮,液面距管口1.1cm,20℃空气以一定速度吹过管口,经5 小时后液面下降到离管口2.05cm,大气压为750[mmHg],丙酮的蒸汽压为180[mmHg] , 丙酮液密度为 7900[kg/m3],计算丙酮蒸汽在空气中的扩散系数。 浅盘内盛水。水深5mm,在1atm又298K下靠分子扩散逐渐蒸发到大气中。假定传质阻力相当于3mm厚的静止气层,气层外的水蒸压可忽略,求蒸发完所需的时间。 一填料塔在常压和295K下操作，用水除去含氨混合气体中的氨。在塔内某处，氨在气相中的组成y a=5%(摩尔百分率)。液相氨的平衡分压P=660Pa,物质通量N A = 10 - 4[kmol/m2·S],气相扩散系数D G=[cm2/s],求气膜的当量厚度。 相平衡与亨利定律 温度为10℃的常压空气与水接触，氧在空气中的体积百分率为21%，求达到平衡时氧在水中的最大浓度, （以[g/m3]、摩尔分率表示）及溶解度系数。以[g/m3·atm]及 [kmol/m3·Pa]表示。 当系统服从亨利定律时，对同一温度和液相浓度，如果总压增大一倍则与之平衡的气相浓度(或分压) (A)Y增大一倍; (B)P增大一倍;(C)Y减小一倍; (D)P减小一倍。 25℃及1atm下,含CO220%,空气80%(体积%)的气体1m3，与1m3的清水在容积2m3的密闭容器中接触进行传质,试问气液达到平衡后, (1)CO2在水中的最终浓度及剩余气体的总压为多少? (2)刚开始接触时的总传质推动力ΔP,Δx各为多少？气液达到平衡时的总传质推动力又为多少？
6-1 已知在101.3 kPa(绝对压力下)，100 g 水中含氨1 g 的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa 。试求： (1) 溶解度系数H (kmol ·m -3·Pa -1)； (2) 亨利系数E(Pa)； (3) 相平衡常数m ； (4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H ，E ，m 值。 （假设：在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律，氨水密度均为1000 3/m kg ） 解：（1）根据已知条件 Pa p NH 987*3= 3/5824.01000 /10117 /13m kmol c NH == 定义 333*NH NH NH H c p = () Pa m kmol p c H NH NH NH ??==-34/109.5333 （2）根据已知条件可知 0105.018 /10017/117 /13=+= NH x 根据定义式 333*NH NH NH x E p = 可得 Pa E NH 41042.93?= （3）根据已知条件可知
00974.0101325/987/* *33===p p y NH NH 于是得到 928.0333*==NH NH NH x y m （4）由于H 和E 仅是温度的函数，故3NH H 和3NH E 不变；而 p E px Ex px p x y m ====** ，与T 和p 相关，故309.0928.03 1' 3 =?=NH m 。 分析（1）注意一些近似处理并分析其误差。 （2）注意E ，H 和m 的影响因素，这是本题练习的主要内容之一。 6-2 在25℃下，CO 2分压为50 kPa 的混合气分别与下述溶液接触： (1) 含CO 2为0.01 mol/L 的水溶液； (2) 含CO 2为0.05 mol/L 的水溶液。 试求这两种情况下CO 2的传质方向与推动力。 解： 由亨利定律得到 * 2 250CO CO Ex kPa p == 根据《 化工原理》 教材中表 8-1 查出 ()kPa E CO 51066.1252?=℃ 所以可以得到 4 *1001.32 -?=CO x 又因为 ()()345 25/10347.318 1066.11000 22 2m kPa kmol EM H O H O H CO ??=??= ≈ -ρ℃ 所以得
第四章 传热 填空题 （1） 对流传热的热阻主要集中在 ，因此， 是强化对 流传热的重要途径。 答案：滞流内层；减薄湍流内层的厚度 （2）黑体的表面温度从300℃升至600℃，其辐射能力增大到原来的 倍. 答案: 5.39 分析：斯蒂芬-波尔兹曼定律表明黑体的辐射能力与绝对温度的4次方成正比, 而非摄氏温度，即4 273300273600?? ? ??++=5.39。 （3）处理量为440kg/h 的有机溶液在某换热器中预热。运转一周期后，该溶液 在管内生成积垢，使换热器总热阻增加了10%。若维持冷、热介质出口温度不变， 则该溶剂的处理量变为 。 答案：400kg/h 分析：设Q=m t KA ? m t A K Q ?='' ∴ ==''K K Q Q K K 11 '=1.1 故 Q '=1 .14401.1=Q =400kg/h 选择题 （1）对下述几组换热介质，通常在列管式换热器中K 值从大到小正确的排列顺 序应是（ ）。 A ．②>④>③>①； B ．③>④>②>①； C ．③>②>①>④； D ．②>③>④>①； 冷流体 热流体 ① 水 气 体 ②水沸腾 水蒸气冷凝 ③ 水 水 ④ 水 轻油 答案：D （2）揭示了物体辐射能力与吸收率之间关系的定律是（ ）。 A. 斯蒂芬-波尔兹曼定律； C. 折射
B. 克希霍夫 D. 普郎克 答案：B （3）关于下面两种说法的正确结论应是（ ）。 1）固体的辐射和吸收只能在表面上进行，因此只和表面积的大小和表面特性有关； 2）气体的辐射和吸收是在整个体积上进行的，必然和气体积的大小和形状有关。 A. 这两种说法都对； C. 第一种说法对，第二种说法错； B. 这两种说法都错； D.第二种说法对，第一种说法错 答案：A （4）传热速率公式q=KAΔt m 中，Δt m 的物理意义是（ ）。 A.器壁内外壁面的温度差; B.器壁两侧流体对数平均温度差; C.流体进出口的温度差; D.器壁与流体的温度差。 B （5）用饱和水蒸汽加热空气时，传热管的壁温接近（ ） A. 蒸汽的温度； B. 空气的出口温度； C. 空气进、出口平均温度 A （6）（ ）是指当间壁两侧泠、热流体之间的温度为1K 时，在单位时间内通过单位传热面积，由热流体传给泠流体的热能。 A. 导热系数； B. 对流传热系数； C. 总传热系数 C （7）在间壁式换热器内用饱和水蒸汽加热空气，此过程的总传热系数K 值接近于（ ）。 A. α蒸汽 B. α空气 C. α蒸汽与α空气的平均值 B （8）翅片管换热器的翅片应安装在( )。 A. α小的一侧 B. α大的一侧 C. 管内 D. 管外 A 计算题 （1）某厂库存有一台列管式换热器，其主要尺寸为：列管规格?38,3?管长4m ，管数127根，欲利用这台换热器，用水蒸气加热空气。蒸汽走壳程，空气走管程，空气流量为6000标准3m / 小时，要求自20℃加热至100℃以上。 已知：空气侧对流传热系数为?2/58m W ℃； 蒸汽侧对流传热系数为11000 w/2m ℃ 污垢热阻和管壁热阻可以忽略不计； 标准状况下，空气密度为1.29kg/3m ，操作条件下空气比热取1.01kJ/kg.℃ 蒸汽的有关参数见附表。
第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和2的混合气体中，2的体积分数为20%，求其摩尔分数y 和摩尔比Y 各为多少？ 解 因摩尔分数=体积分数，.02y =摩尔分数 摩尔比 ..020251102 y Y y = ==--． 【5-2】 20℃的l00g 水中溶解3, 3在溶液中的组成用摩尔分数x 、浓度c 及摩尔比X 表示时，各为多少？ 解 摩尔分数//117 =0．010*******／18 x = + 浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982s kg m ρ=代替。 溶液中3的量为 /3 11017n kmol -=? 溶液的体积 /.3 3101109982 V m -=? 溶液中 3的浓度//.333 11017==0．581／101109982 n c kmol m V --?=? 或 . 39982 00105058218 s s c x kmol m M ρ= = ?=．．／ 3 与水的摩尔比的计算 //117 0010610018 X = =． 或 ..00105001061100105 x X x = ==--． 【5-3】进入吸收器的混合气体中，3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时3的组成，以摩尔比Y 和摩尔分数y 表示。 吸收率的定义为
12 2 11 1Y Y Y Y Y η-= ==-被吸收的溶质量原料气中溶质量 解 原料气中3的摩尔分数0.1y = 摩尔比 (11) 101 01111101 y Y y = ==-- 吸收器出口混合气中3的摩尔比为 () (2) 1 1109011100111Y Y η=-=-?=（） 摩尔分数 (22) 200111 =0010981100111 Y y Y = =++ 气液相平衡 【5-4】 l00g 水中溶解lg 3 NH ，查得20℃时溶液上方3 NH 的平衡 分压为798。此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为kPa )、溶解度系数H[单位为/()3 kmol m kPa ?]和相平衡常数m 。 总压为100kPa 。 解 液相中3 NH 的摩尔分数/.//117 0010511710018 x = =+ 气相中3NH 的平衡分压 *.0798 P kPa ＝ 亨利系数 *./.0798*******E p x ===／ 液相中3NH 的浓度 /./.333 11017 0581 101109982 n c kmol m V --?===?／ 溶解度系数 /*./../()3 058107980728H c p kmol m kPa ===? 液相中3NH 的摩尔分数 //117 0010511710018 x = =+．／ 气相的平衡摩尔分数 **.0798100y p p ==／／ 相平衡常数 * (0798) 07610000105 y m x == =? 或 //.76100076m E p === 【5-5】空气中氧的体积分数为21%，试求总压为.101325kPa ，温度为10℃时，3 1m 水中最大可能溶解多少克氧？已知10℃时氧在水中的
第六章习题 1）苯酚（C6H5OH）（A）和对甲酚（C6H4（CH3）OH）（B）的饱和蒸汽压数据为： 温度 ℃苯酚蒸汽压 kPa 对甲酚蒸汽压 kPa 温度 ℃ 苯酚蒸汽压 kPa 对甲酚蒸汽 压 kPa 试按总压P=75mmHg（绝压）计算该物系的“t—x—y”数据。此物系为理想物系。 t0C p A0kPa p B0kPa x A x B 2）承第1题，利用各组数据，计算 ①在x=0至x=1范围内各点的相对挥发度αi，取各αi的算术平均值α，算出α对αi的最大相对误差。 ②以平均α作为常数代入平衡方程式算出各点的“y—x i”关系，算出由此法得出各组y i值的最大相对误差。 t0C
t0C x i0 y i0最大误差= 3）已知乙苯（A）与苯乙烯（B）的饱和蒸汽压与温度的关系可按下式算得： 式中p0的单位是mmHg，T的单位是K。 问：总压为60mmHg（绝压）时，A与B的沸点各为多少℃在上述总压和65℃时，该物系可视为理想物系。此物系的平衡汽、液相浓度各为多少摩尔分率
4）苯（A）和甲苯（B）混合液可作为理想溶液，其各纯组分的蒸汽压计算式为 式中p0的单位是mmHg，t的单位是℃。 试计算总压为850mmHg（绝压）下含苯25%（摩尔百分率）的该物系混合液的泡点。 5）试计算总压为760mmHg（绝压）下，含苯、甲苯（摩尔分率）的混合蒸汽的露点。若令该二元物系降温至露点以下3℃，求平衡的汽、液相摩尔之比。
6）有一苯（A）、甲苯（B）、空气（C）的混合气体，其中空气占2%，苯与甲苯浓度相等（均指摩尔百分数），气体压强为760mmHg（绝压）。若维持压强不变，令此三元物系降温至95℃，求所得平衡汽相的组成。A、B组分均服 从拉乌尔定律。已知95℃时，。 设X A 算得的X‘A 7）常压下将含苯（A）60%，甲苯（B）40%（均指摩尔百分数）的混合液闪蒸（即平衡蒸馏），得平衡汽、液相，汽相摩尔数占总摩尔数的分率——汽化率（1-q）为。物系相对挥发度α=，试求：闪蒸所得平衡汽、液相的浓度。
6-1 已知在 kPa(绝对压力下)，100 g 水中含氨1 g 的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa 。试求： (1) 溶解度系数H (kmol ·m -3·Pa -1)； (2) 亨利系数E(Pa)； (3) 相平衡常数m ； (4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H ，E ，m 值。 （假设：在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律，氨水密度均为 10003/m kg ） 解：（1）根据已知条件 Pa p NH 987*3= 3/5824.01000 /10117 /13m kmol c NH == 定义 333*NH NH NH H c p = () Pa m kmol p c H NH NH NH ??==-34/109.5333 （2）根据已知条件可知 0105.018 /10017/117 /13=+= NH x 根据定义式 333*NH NH NH x E p = 可得 Pa E NH 41042.93?= （3）根据已知条件可知 00974.0101325/987/* *33===p p y NH NH 于是得到 928.0333*==NH NH NH x y m （4）由于H 和E 仅是温度的函数，故3NH H 和3NH E 不变；而 p E px Ex px p x y m ====** ，与T 和p 相关，故309.0928.03 1' 3 =?=NH m 。 分析（1）注意一些近似处理并分析其误差。 （2）注意E ，H 和m 的影响因素，这是本题练习的主要内容之一。
6-2 在25℃下，CO 2分压为50 kPa 的混合气分别与下述溶液接触： (1) 含CO 2为 mol/L 的水溶液； (2) 含CO 2为 mol/L 的水溶液。 试求这两种情况下CO 2的传质方向与推动力。 解： 由亨利定律得到 * 2 250CO CO Ex kPa p == 根据《 化工原理》 教材中表 8-1 查出 ()kPa E CO 51066.1252?=℃ 所以可以得到 4 *1001.32 -?=CO x 又因为 ()()3 45 25/10347.318 1066.1100022 2m kPa kmol EM H O H O H CO ??=??= ≈ -ρ℃ 所以得 3 4*/0167.05010347.32 22m kmol p H c CO CO CO =??==- 于是：（1）为吸收过程，3/0067.0m kmol c =?。 （2）为解吸过程，3/0333.0m kmol c =?。 分析 （1）推动力的表示方法可以有很多种，比如，用压力差表示时： ① kPa H c p CO CO CO 9.2910347.301 .04 * 2 22 =?= = - 推动力 kPa p 1.20=?（吸收）
第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和CO 2的混合气体中，CO 2的体积分数为20%，求其摩尔分数y 和摩尔比Y 各为多少？ 解 因摩尔分数=体积分数，.02y =摩尔分数 摩尔比 ..02 0251102 y Y y = ==--． 【5-2】 20℃的l00g 水中溶解lgNH 3, NH 3在溶液中的组成用摩尔分数x 、浓度c 及摩尔比X 表示时，各为多少？ 解 摩尔分数//117 =0．010*******／18 x = + 浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982s kg m ρ=代替。 溶液中NH 3的量为 /3 11017n k m o l -=? 溶液的体积 /.33101109982 V m -=? 溶液中NH 3的浓度//.333 11017==0．581／101109982 n c kmol m V --?=? 或 . 39982 00105058218 s s c x kmol m M ρ= = ?=．．／ NH 3与水的摩尔比的计算 或 ..00105001061100105 x X x = ==--． 【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH 3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时NH 3的组成，以摩尔比Y 和摩尔分数y 表示。 吸收率的定义为 解 原料气中NH 3的摩尔分数0.1y = 摩尔比 (11101) 01111101 y Y y = ==-- 吸收器出口混合气中NH 3的摩尔比为 摩尔分数 (22200111) =0010981100111 Y y Y = =++ 气液相平衡 【5-4】 l00g 水中溶解lg 3 NH ，查得20℃时溶液上方3NH 的平衡分压为798Pa 。此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为kPa )、溶解度系数H[单位为/()3kmol m kPa ?]和相平衡常数m 。总压为100kPa 。 解 液相中3NH 的摩尔分数/.//117 0010511710018 x = =+ 气相中3NH 的平衡分压 *.0798 P k P a ＝
化工原理课后习题答案第4章传热习题解答
习 题 1. 如附图所示。某工业炉的炉壁由耐火砖λ1=1.3W/（m·K ）、绝热层λ2=0.18W/（m·K ）及普通砖λ3=0.93W/（m·K ）三层组成。炉膛壁内壁温度1100o C ，普通砖层厚12cm ，其外表面温度为50 o C 。通过炉壁的热损失为1200W/m 2，绝热材料的耐热温度为900 o C 。求耐火砖层的最小厚度及此时绝热层厚度。 设各层间接触良好，接触热阻可以忽略。 已知：λ1=1.3W/m·K ，λ2=0.18W/m·K ， λ3=0.93W/m·K ，T 1＝1100 o C ，T 2＝900 o C ，T 4＝50o C ，3 δ＝12cm ，q ＝ 1200W/m 2，Rc ＝0 求： 1 δ＝？2 δ＝？ 解： ∵δλT q ?= ∴1 δ＝m q T T 22.01200 900 11003.12 1 1 =-? =- λ 又∵3 3 224 23 4 33 2 3 22 λδλδδλδλ+-= -=-=T T T T T T q ∴W K m q T T /579.093 .012 .0120050900233422 2?=--=--= λδλ δ 得：∴m 10.018.0579.0579.022 =?==λδ
习 题1附图 习题2附图 2. 如附图所示。为测量炉壁内壁的温度，在炉外壁及距外壁1/3厚度处设置热电偶，测得t 2=300 o C ，t 3=50 o C 。求内壁温度t 1。设炉壁由单层均质材料组成。 已知：T 2=300o C ，T 3=50o C 求： T 1=？ 解： ∵δ λ δλ3 13 2 3 T T T T q -=-= ∴T 1－T 3＝3（T 2－T 3） T 1＝2(T 2－T 3)+T 3=3×(300-50)+50＝800 o C
第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和 CO 2 的混合气体中， CO 2的体积分数为 20%，求其摩尔分数 y 和摩尔比 Y 各为多少？ 解 因摩尔分数 =体积分数， y 0.2 摩尔分数 y 0 2 摩尔比 Y . 025． 1 y 1 0 2 . 【5-2】 20℃的 l00g 水中溶解 lgNH 3, NH 3 在溶液中的组成用摩尔分数 x 、浓度 c 及摩尔 比 X 表示时，各为多少？ 解 摩尔分数 x 1 / 17 =0．0105 1 / 17 100／18 浓度 c 的计算 20℃，溶液的密度用水的密度 s 998 .2kg / m 3 代替。 3 n 1 10 3 / 17kmol 溶液中 NH 的量为 溶液的体积 V 101 10 3 / 998.2 m 3 溶液中 NH 3 的浓度 n 1 10 3 /17 3 c = =0．581 ／ m V 101 10 3 998 2 kmol /. s 998 2 3 或 c x . 0 0105 0 582 M s 18 ． ． kmol ／m NH 3 与水的摩尔比的计算 1 /17 X 0．0106 100 / 18 x 0 0105 或 X . 0．0106 1 x 1 0 0105 . 【 5-3 】进入吸收器的混合气体中， NH 3 的体积分数为 10%，吸收率为 90%，求离开吸收器 时 NH 3 的组成，以摩尔比 Y 和摩尔分数 y 表示。 吸收率的定义为 被吸收的溶质量 Y 1 Y 2 1 Y 2 原料气中溶质量 1 1 Y Y 解 原料气中 NH 3 的摩尔分数 y 0.1 1 0 1 摩尔比 1 y . 0 111 1 1 0 1 Y 1 y . 吸收器出口混合气中 NH 3 的摩尔比为 Y 1 Y （1 09）0111 0 0111 2 ( ) 1 .. . 摩尔分数 Y 2 = 0 0111 0 01098 y 2 1 1 . Y 2 0 0111 . . 气液相平衡 【 5-4 】 l00g 水中溶解 lg NH 3 ，查得 20℃时溶液上方 NH 3 的平衡分压为 798Pa 。此稀
化工原理(下册)第六章吸收习题答案解析
6-1 已知在101.3 kPa(绝对压力下)，100 g 水中含氨1 g 的溶液上方的平衡氨气分压为987 Pa 。试求： (1) 溶解度系数H (kmol ·m -3·Pa -1)； (2) 亨利系数E(Pa)； (3) 相平衡常数m ； (4) 总压提高到200 kPa(表压)时的H ，E ，m 值。 （假设：在上述范围内气液平衡关系服从亨利定律，氨水密度均为10003/m kg ） 解：（1）根据已知条件 Pa p NH 987*3= 3/5824.01000 /10117 /13m kmol c NH == 定义 333*NH NH NH H c p = () Pa m kmol p c H NH NH NH ??==-34/109.5333 （2）根据已知条件可知 0105.018 /10017/117 /13=+= NH x 根据定义式 333*NH NH NH x E p = 可得 Pa E NH 41042.93?= （3）根据已知条件可知 00974.0101325/987/* *33===p p y NH NH 于是得到 928.0333*==NH NH NH x y m （4）由于H 和E 仅是温度的函数，故3NH H 和3NH E 不变；而 p E px Ex px p x y m ====** ，与T 和p 相关，故309.0928.03 1' 3 =?=NH m 。 分析（1）注意一些近似处理并分析其误差。 （2）注意E ，H 和m 的影响因素，这是本题练习的主要内容之一。
6-2 在25℃下，CO 2分压为50 kPa 的混合气分别与下述溶液接触： (1) 含CO 2为0.01 mol/L 的水溶液； (2) 含CO 2为0.05 mol/L 的水溶液。 试求这两种情况下CO 2的传质方向与推动力。 解： 由亨利定律得到 * 2 250CO CO Ex kPa p == 根据《 化工原理》 教材中表 8-1 查出 ()kPa E CO 51066.1252?=℃ 所以可以得到 4 *1001.32 -?=CO x 又因为 ()()3 45 25/10347.318 1066.1100022 2m kPa kmol EM H O H O H CO ??=??= ≈ -ρ℃ 所以得 3 4*/0167.05010347.32 22m kmol p H c CO CO CO =??==- 于是：（1）为吸收过程，3/0067.0m kmol c =?。 （2）为解吸过程，3/0333.0m kmol c =?。 分析 （1）推动力的表示方法可以有很多种，比如，用压力差表示时： ① kPa H c p CO CO CO 9.2910347.301 .04 * 2 22 =?= = - 推动力 kPa p 1.20=?（吸收）
第6章蒸馏 6-1.苯（A ）和甲苯（B ）的饱和蒸气压数据为 苯的饱和蒸气压 p A /kPa 甲苯的饱和蒸 气压p B / kPa 80.2 101.33 39.99 84.1 113.59 44.4 88.0 127.59 50.6 92.0 143.72 57.6 96.0 160.52 65.66 100 179.19 74.53 104 199.32 83.33 108 221.19 93.93 110.4 233.05 101.33 根据上表数据作101.33kPa 下苯和甲苯溶液的t - y - x 图及y 一 x 图。此溶液服从 拉乌尔定律。 解: 80.2 1.0 1.0 84.1 0.823 0.925 88.0 0.659 0.83 9 2.0 0.508 0.72 96.0 0.376 0.596 100 0.256 0.453 104 0.155 0.304 108 0.058 0.123 110.4 0 0 P - P B P A X A 0 0 ； y A X A P A F B 6-2 .利用习题6-1的数据 （1 ）计算相对挥发度：?。（2）写出平衡方程式。 3）算出y-x 的一系列平衡数据与习题1作比较 （答：（1） :一2.44, （ 2） y = 2.44X ） 1 + 1.44x 解: ⑴：■ 80.2 2.53 1.0 1 84.1 2.56 0.823 0.919 88.0 2.52 0.659 0.825 92.0 2.50 0.508 0.716 96.0 2.44 0.376 0.595 100 2.40 0.256 0.456 104 2.39 0.155 0.309 108 2.36 0.058 0.131 110.4 2.30 0 0 P A
浓度换算 2.1 甲醇15%(质量)的水溶液, 其密度为970Kg/m 3, 试计算该溶液中甲醇的 (1) 摩尔分率; (2)摩尔比; (3)质量比; (4)质量浓度; (5)摩尔浓度。 分子扩散 2.2估算1atm及293K下氯化氢气体(HCI)在⑴空气,(2)水(极稀盐酸)中的扩散系数。 2.3 一小管充以丙酮，液面距管口1.1cm,20 C空气以一定速度吹过管口，经5小时后液面下降到离管口 2.05cm,大气压为750[mmHg],丙酮的蒸汽压为180[mmHg],丙酮液密度为7900[kg/m 3], 计算丙酮蒸汽在空气中的扩散系数。 2.4浅盘内盛水。水深5mm,在1atm又298K下靠分子扩散逐渐蒸发到大气中。假定传质阻力相当于3mm 厚的静止气层,气层外的水蒸压可忽略,求蒸发完所需的时间。 2.5 一填料塔在常压和295K 下操作，用水除去含氨混合气体中的氨。在塔内某处，氨在气相中的组成y a=5%(摩尔百分率)。液相氨的平衡分压P=660Pa,物质通量N A = 10 - 4[kmol/m 2 S],气相扩散系数D G=0.24[cm2/s],求气膜的当量厚度。 相平衡与亨利定律 2.6温度为10C的常压空气与水接触，氧在空气中的体积百分率为21%,求达到平衡时氧在 水中的最大浓度，(以[g/m3]、摩尔分率表示)及溶解度系数。以[g/m3atm]及[kmol/m 3 Pa]表示。 2.7 当系统服从亨利定律时，对同一温度和液相浓度，如果总压增大一倍则与之平衡的气相浓度(或分压) (A)Y 增大一倍; (B)P 增大一倍;(C)Y 减小一倍; (D)P 减小一倍。 2.8 25 C及1atm下,含CO220%,空气80%(体积%)的气体1m3,与1m3的清水在容积2m3的密闭容器中接触进行传质,试问气液达到平衡后, (1) CO2在水中的最终浓度及剩余气体的总压为多少？ ⑵刚开始接触时的总传质推动力△ P, △各为多
第四章习题 1）用平板法测定材料的导热系数，其主要部件为被测材料构成的平板，其一侧用电热器加热，另一侧用冷水将热量移走，同时板的两侧用热电偶测量其表面温度。设平板的导热面积为0.03m2，厚度为0.01m。测量数据如下： 电热器材料的表面温度℃ 安培数 A 伏特数V 高温面低温面 2.8 2.3 140 115 300 200 100 50 试求：①该材料的平均导热系数。②如该材料导热系数与温度的关系为线性： ，则λ 和a值为多 少？ 2）通过三层平壁热传导中，若测得各面的温度t 1、t 2 、t 3 和t 4 分别为500℃、 400℃、200℃和100℃，试求合平壁层热阻之比，假定各层壁面间接触良好。 3）某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和普通砖三种砌成，它们的导热系数分别为1.2W/(m·℃)，0.16 W/(m·℃)和0。92 W/(m·℃)，耐火砖和绝热转厚度都是0.5m，普通砖厚度为0.25m。已知炉壁温为1000℃，外壁温度为55℃，设各层砖间接触良好，求每平方米炉壁散热速率。
4）在外径100mm的蒸汽管道外包绝热层。绝热层的导热系数为0.08 W/(m·℃)，已知蒸汽管外壁150℃，要求绝热层外壁温度在50℃以下，且每米管长的热损失不应超过150W/m，试求绝热层厚度。 5）Φ38×2.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失，在管外保温。 50第一层是mm厚的氧化锌粉，其平均导热系数为0.07 W/(m·℃)；第二层是10mm 厚的石棉层，其平均导热系数为0.15 W/(m·℃)。若管壁温度为180℃，石棉层外表面温度为35℃，试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度？ 解：①r0 = 16.5mm = 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 m r2= r1＋ 1 = 0.019＋0.05 = 0.069 m r3= r2＋2= 0.069＋0.01 = 0.079 m 0= 45 W/(m·℃) W/m ②即 ∴t2= 41.8 ℃ 6）通过空心球壁导热的热流量Q的计算式为：，其中 ，A 1、A 2 分别为球壁的、外表面积，试推导此式。
一、单选题 1．用纯溶剂吸收混合气中的溶质。逆流操作，平衡关系满足亨利定律。当入塔气体浓度y 1 上升，而其它入 塔条件不变，则气体出塔浓度y 2 和吸收率?的变化为：（）。C （A）y 2上升，?下降（B）y 2 下降，?上升 （C）y 2上升，?不变（D）y 2 上升，?变化不确定 2．在填料塔中，低浓度难溶气体逆流吸收时，若其它条件不变，但入口气量增加，则气相总传质单元数（）。 B A 增加 B减少 C不变 D不定 3．在填料塔中，低浓度难溶气体逆流吸收时，若其它条件不变，但入口气量增加，则出口气体组成将（）。A A 增加 B减少 C不变 D不定 4．在填料塔中，低浓度难溶气体逆流吸收时，若其它条件不变，但入口气量增加，则出口液体组成（）。A A 增加 B减少 C不变 D不定 5．低浓度的气膜控制系统，在逆流吸收操作中，若其它条件不变，但入口液体组成增高时，则气相总传质单元数将（）。 C A 增加 B减少 C不变 D不定 6．低浓度的气膜控制系统，在逆流吸收操作中，若其它条件不变，但入口液体组成增高时，则气相总传质单元高度将（）。 C A 增加 B减少 C不变 D不定
7．低浓度的气膜控制系统，在逆流吸收操作中，若其它条件不变，但入口液体组成增高时，则气相出口组成将（）。 A A 增加 B减少 C不变 D不定 8．低浓度的气膜控制系统，在逆流吸收操作中，若其它条件不变，但入口液体组成增高时，则液相出口组成将（）。 A A 增加 B减少 C不变 D不定 9．正常操作下的逆流吸收塔，若因某种原因使液体量减少以至液气比小于原定的最小液气比时，下列哪些情况将发生？ C （A）出塔液体浓度增加，回收率增加 （B）出塔气体浓度增加，但出塔液体浓度不变 （C）出塔气体浓度与出塔液体浓度均增加 （D）在塔下部将发生解吸现象 10．最大吸收率与（）无关。 D A 液气比 B液体入塔浓度 C相平衡常数 D吸收塔型式 11．逆流填料吸收塔，当吸收因数A<1且填料为无穷高时，气液两相将在（）达到平衡。 B A 塔顶 B塔底 C塔中部 D塔外部 12．某吸收过程，已知k y = 4?10-1 kmol/m2.s，k x = 8?10-4 kmol/m2.s，由此可知该过程为（）。 A A 液膜控制 B气膜控制 C判断依据不足 D液膜阻力和气膜阻力相差不大 二、填空题
第六章 传热设备 一、换热器的分类及特点 按用途分类： 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器 按传热特征分类： 直接接触式、蓄热式、间壁式 二、夹套式换热器 夹套式换热器是在容器外壁安装夹套制成；主要用于反应过程的加热或冷却。 特点：结构简单，但其传热面积不大，不耐压，且传热系数也不高。 三、蛇管式换热器 （一）沉浸式 蛇管浸没在容器中的液体中形成 优点 ：结构简单、价格低廉，能承受高压，便于防腐。 缺点 ：传热面积有限，容器内液体湍动程度低，管外给热系数小。 （二） 喷淋式 蛇管成行地固定在钢架上形成，多用作冷却器。 优点：结构简单，造价便宜，耐腐蚀；管内 耐高压；管外α 比沉浸式大。 缺点：冷却水喷淋不易均匀，只能安装在室 外，占地面积大，要定期清洗。 四、套管式换热器 由大小不同的直管制成的同心套管，并由U 型弯头连接而成；每一段称为一程。 优点：构造较简单，耐高压，传热面积可调，应用方便，两流体均可达到较高的流速 ，且可完全逆流。 缺点：管间接头多，易泄露，占地较大，单位传热面消耗的金属量大。 五、列管换热器 优点 ：单位体积所具有的传热面积大，结构紧凑、坚固、传热效果好。能用多种材料制造，故适用性较 强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中多采用列管式换热器。 （一）列管换热器的构造和形式 主要部件： 壳体、管束、管（花）板、顶盖（封头） 管束装在壳体内，固定于管板上 1.固定管板式（G ） 两端管板和壳体制成一体，结构简单，成本低； 壳程清洗和检修困难； 不进行热补偿或采用补偿圈进行热补偿； 不宜用于两流体温差过大（大于70℃）和壳程流体压强过高的场合。 2.浮头式换热器(F) 一端管板不与外壳连为一体， 形成可沿轴向自由浮动的浮头进行热补偿； 整个管束可以从壳体中抽出，管、壳程均便于清洗和检修； 允许两程温差较大； 结构比较复杂，造价较高。 3. U 型管式换热器 每根管子都弯成U 型，进出口分别安装在同一管板的两侧，每根管子可以自由伸缩进行热补偿； 封头用隔板分成两室，形成双管程； 管程不易清洗。 ????????????夹套式浸没式蛇管式间壁式喷淋式套管式 列管式
第五章 吸收 相组成的换算 【5-1】 空气和CO 2的混合气体中，CO 2的体积分数为20%，求其摩尔分数y 和摩尔比Y 各为多少？ 解 因摩尔分数=体积分数，.02y =摩尔分数 摩尔比 ..020251102 y Y y = ==--． 【5-2】 20℃的l00g 水中溶解lgNH 3, NH 3在溶液中的组成用摩尔分数x 、浓度c 及摩尔比X 表示时，各为多少？ 解 摩尔分数//117 =0．010*******／18 x = + 浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982s kg m ρ=代替。 溶液中NH 3的量为 /311017n kmol -=? 溶液的体积 /.33101109982 V m -=? 溶液中NH 3的浓度//.333 11017 ==0．581／101109982 n c kmol m V --?=? 或 . 39982 00105058218 s s c x kmol m M ρ= = ?=．．／ NH 3与水的摩尔比的计算 //117 0010610018 X = =． 或 ..00105001061100105 x X x = ==--． 【5-3】进入吸收器的混合气体中，NH 3的体积分数为10%，吸收率为90%，求离开吸收器时NH 3的组成，以摩尔比Y 和摩尔分数y 表示。 吸收率的定义为 12 211 1Y Y Y Y Y η-= ==-被吸收的溶质量原料气中溶质量 解 原料气中NH 3的摩尔分数0.1y = 摩尔比 (11101) 01111101 y Y y = ==-- 吸收器出口混合气中NH 3的摩尔比为 ()...211109011100111Y Y η=-=-?=（） 摩尔分数 (22200111) =0010981100111 Y y Y = =++ 气液相平衡
第六章吸收 § 1 概述 一、化学工业或食品工业中的传质过程 1、气体—液体系统 1）吸收：物质由气相转移到液相。 2）脱吸（解吸）：物质由液相转移到气相。 3）气体增湿；湿分由液相转移到气相。 4）气体减湿；湿分由气相转移到液相。 水果储藏温度为4o C，相对湿度为85%。 2、蒸汽—液体系统 精馏 3、液体—液体系统 液—液萃取：物质由某一液相转移到互不相溶的另一液相。 4、液体—固体系统 1）结晶：物质由液相向固相转移。 2）液—固萃取（浸取）：物质由液相向固相转移。 3）液体吸附：物质由液相转移到固相表面。 5、气体—固体系统 1）干燥：液体物质由固相表面或内部转移到气相。 2）气体吸附：物质由气相转移到固相表面。 二、相组成的表示方法 1、质量分率a与摩尔分率x
1) 质量分率a ：某组分的质量占总质量的百分率。 2) 摩尔分率x ：某组分的摩尔量占总摩尔量的百分率。 3）质量分率a 与摩尔分率x 的换算 B B A A A A A M x M x M x a ?+??= B B A A A A A M a M a M a x += 2、质量比a 和摩尔比X Y 1）质量比a ： B A m m a = 2）摩尔比X ；Y ： B A n n X = 3、质量浓度与摩尔浓度 1）质量浓度：单位体积均相混合物中某组分的质量。 单位：kg / m 3 2) 摩尔浓度：单位体积均相混合物中某组分的摩尔量。 单位：kmol / m 3 三、吸收概念 吸收尾气 混合气体
吸收液A+S 吸收质或溶质A：混合气体中能够溶解的组分。 惰性组分或载体B：混合气体中不能被溶解的组分。 四、吸收操作的分类 1、单组分吸收与多组分吸收 2、物理吸收与化学吸收 3、等温吸收与非等温吸收 五、吸收剂的选择 1、溶解度 2、易脱吸 3、选择性 4、粘性 5、挥发性 6、其他 §2 扩散现象 一、概念 1、扩散：当系统内部存在浓度差时，物质总要由高浓度区向低浓 度区转移，这种现象称为扩散。 2、分子扩散和涡流扩散 分子扩散：只依靠微观的分子运动，而无宏观的混合作用。 涡流扩散：流体有宏观流动，依靠流体质点的不规则运动（湍动）