化工原理第五章答案

第五章蒸馏一、名词解释：1、蒸馏：利用混合物中各组分间挥发性不同的性质，人为的制造气液两相，并使两相接触进行质量传递，实现混合物的分离。

2、拉乌尔定律：当气液平衡时溶液上方组分的蒸汽压与溶液中该组分摩尔分数成正比。

3、挥发度：组分的分压与平衡的液相组成（摩尔分数）之比。

4、相对挥发度：混合液中两组分挥发度之比。

5、精馏：是利用组分挥发度的差异，同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。

6、理论板：气液两相在该板上进行接触的结果，将使离开该板的两相温度相等，组成互成平衡。

7、采出率：产品流量与原料液流量之比。

8、操作关系：在一定的操作条件下，第n层板下降液相的组成与相邻的下一层（n+1）板上升蒸汽的组成之间的函数关系。

9、回流比：精流段下降液体摩尔流量与馏出液摩尔流量之比。

10、最小回流比：两条操作线交点落在平衡曲线上，此时需要无限多理论板数的回流比。

11、全塔效率：在一定分离程度下，所需的理论板数和实际板数之比。

12、单板效率：是气相或液相通过一层实际板后组成变化与其通过一层理论板后组成变化之比值。

二、填空题：1、在精馏塔的任意一块理论板上，其离开塔板的液相泡点温度与离开塔板的气相露点温度的大小相比是_________。

相等2、当塔板上____________________________________________________时，称该塔板为理论塔板。

离开的汽相与液相之间达到平衡时3、直接水蒸汽加热的精馏塔适用于__________________________________________________的场合。

难挥发组分为水，且要求釜液中易挥发组分浓度很低4、简单蒸馏过程中，釜内易挥发组分浓度逐渐________，其沸点则逐渐_________。

降低，升高5、间歇精馏操作中，若欲保持馏出液组成不变，必须不断______________，若保持回流比不变，则馏出液组成________________。

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0.03m 2，厚度为0.01m 。

测量数据如下：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λ0和a 值为多少？001825.0)/(4786.0]2/)50200(1[5878.0]2/)100300(1[6533.0)/(6206.02/)()/(5878.01153.201.0/03.0)50200()/(6533.01408.201.0/03.0)200300(/)(1][000002102201121=⋅=++=++=∴⋅=+=⋅=⨯=⨯-⋅=⨯=⨯-∴=-=a C m w a a C m w C m w C m w VIL S t t Q m λλλλλλλλλλλ得）解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。

12112)100200()200400(21200400400500(/)(/)(/)(][3213221343232121：：：：：：：：））：（：解==--==--=-=-=-=R R R R R R R R T T R T T R T T Q3）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 。

已知炉内壁温为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。

221/81.247)]92.0/25.0()16.0/5.0()112/5.0/[)551000()//(/][m w b t t S Q i i =++-=-=∑（（）解λ4）在外径100mm 的蒸汽管道外包绝热层。

第五章 传热一、填空题5.1圆管内强制湍流，流量为V q ，管径为d 时，对流传热系数为1α；若管径不变而流量减少为2V q ，此时对流传热系数为2α，则2α=_0.5743_1α；若流量不变而管径减少为2d ，此时对流传热系数为3α，则3α=_3.482_1α；。

5.2单壳体无相变换热器，管程（水）与壳程（油）的质量流量均一定（流动均处于高度湍流）加热管尺寸不变，若：（1）将总管数变为原来的3/4，则管程对流传热系数i α为原来的_1.259__倍；（2）将单管程改为双管程，其余不变，则管程对流传热系数i α为原来的__1.741_倍；管程阻力损失为原来的_8_倍；5.3用饱和水蒸气在套管式换热器中加热冷空气，此时壁温接近于 _蒸汽_ 的温度。

5.4设计时212121,t t T T q q m m ，，，，均恒定，若将单管程单壳程逆流操作改为双管程单壳程，列管总数维持不变，则K__变大_，Δ tm __变小__（变大、变小、不变）。

5.5当采用复杂流型时，温差修正系数ψ不应小于0.8，其原因是_传热推动力损失大；操作不稳定___。

不考虑工艺方面的因素，试仅从传热角度考虑判断哪一种较好。

5. 6在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K 接近于_空气_侧的对流传热系数，而壁温接近于__水蒸气__侧流体的温度值。

5.7热传导的基本定律是___傅立叶定律____。

5.8间壁换热器总传热系数K 接近于热阻__大__（大，小）一侧的对流传热系数α值，间壁换热器壁温t w 接近于α值__大__（大，小）一侧流体的温度值。

5.9由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料导热系数越大，则该壁面的热阻越_小__，其两侧的温差越_小__。

5.10在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在_滞流层内_，减小热阻最有效的措施是_提高流体的湍动程度，以减薄滞流层的厚度__。

5.11厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知b 1>b 2>b 3，导热系数λ1<λ2<λ3，在稳定传热过程中，各层的热阻__ R 1>R 2>R 3__，各层的传热速率__ Q 1=Q 2=Q 3_。

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 ..020251102y 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*******／18x =+浓度c 的计算20℃，溶液的密度用水的密度./39982skg m ρ=代替。

溶液中3的量为 /311017n kmol -=⨯溶液的体积 /.33101109982 V m -=⨯溶液中3的浓度//.33311017==0．581／101109982n c kmol m V --⨯=⨯ 或 . 3998200105058218s sc x kmol m M ρ==⨯=．．／ 3与水的摩尔比的计算//1170010610018X ==． 或 ..00105001061100105x 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122111Y 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)10101111101y Yy ===-- 吸收器出口混合气中3的摩尔比为 () (2)11109011100111Y Y η=-=-⨯=（）摩尔分数 (22)200111=0010981100111Y yY ==++ 气液相平衡【5-4】 l00g 水中溶解lg 3NH ，查得20℃时溶液上方3NH 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/()3kmol m kPa ⋅]和相平衡常数m 。

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 ..020251102y 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*******／18x =+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//.33311017==0．581／101109982n c kmol m V --⨯=⨯ 或 . 3998200105058218s sc x kmol m M ρ==⨯=．．／ NH 3与水的摩尔比的计算 //1170010610018X ==．或 ..00105001061100105x 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122111Y 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)01111101y 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)=0010981100111Y 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 。

第五章习题解答1）总压100，温度25℃的空气与水长时间接触，水中的的浓度为多少？分别用摩尔浓度和摩尔分率表示。

空气中的体积百分率为0.79。

解：将空气看作理想气体：y=0.79p*=yp=79kPa查表得E=8.76×kPaH=C=p*.H=79×6.342×10-5=5.01×10-4kmol/m32）已知常压、25℃下某体系的平衡关系符合亨利定律，亨利系数E为大气压，溶质A的分压为0.54大气压的混合气体分别与三种溶液接触：①溶质A浓度为的水溶液；②溶质A浓度为的水溶液；③溶质A浓度为的水溶液。

试求上述三种情况下溶质A在二相间的转移方向。

解： E=0.15×104atm，p=0.054atm，P=1atm，y=p/P=0.054①∴∴∴平衡②∴∴∴气相转移至液相③∴∴∴液相转移至气相④ P=3atm y=0.054 E=0.15×104atm∴m=E/P=0.05×104x4=x3=5.4×10-5∴∴∴气相转移至液相3）某气、液逆流的吸收塔，以清水吸收空气～硫化氢混合气中的硫化氢。

总压为1大气压。

已知塔底气相中含 1.5%（摩尔分率），水中含的浓度为（摩尔分率）。

试求塔底温度分别为5℃及30℃时的吸收过程推动力。

解：查表得（50C）E1=3.19×104kpa m1=E1/P=315p*1=Ex=0.3194）总压为100，温度为15℃时的亨利系数E为。

试计算：①H、m的值（对稀水溶液密度为）；②若空气中的分压为50，试求与其相平衡的水溶液浓度，分别以摩尔分率和摩尔浓度表示。

5）在总压为100、水温为30℃鼓泡吸收器中，通入纯，经充分接触后测得水中的平衡溶解度为溶液，溶液的密度可近似取为，试求亨利系数。

解： p*=100KPa(mol/L)/kPakPa6）组分A通过另一停滞组分B进行扩散，若总压为，扩散两端组分A 的分压分别为23.2和 6.5。

第五章 传热一、填空题5.1圆管内强制湍流，流量为V q ，管径为d 时，对流传热系数为1α；若管径不变而流量减少为2V q ，此时对流传热系数为2α，则2α=_0.5743_1α；若流量不变而管径减少为2d ，此时对流传热系数为3α，则3α=_3.482_1α；。

5.2单壳体无相变换热器，管程（水）与壳程（油）的质量流量均一定（流动均处于高度湍流）加热管尺寸不变，若：（1）将总管数变为原来的3/4，则管程对流传热系数i α为原来的_1.259__倍；（2）将单管程改为双管程，其余不变，则管程对流传热系数i α为原来的__1.741_倍；管程阻力损失为原来的_8_倍；5.3用饱和水蒸气在套管式换热器中加热冷空气，此时壁温接近于 _蒸汽_ 的温度。

5.4设计时212121,t t T T q q m m ，，，，均恒定，若将单管程单壳程逆流操作改为双管程单壳程，列管总数维持不变，则K__变大_，Δ tm __变小__（变大、变小、不变）。

5.5当采用复杂流型时，温差修正系数ψ不应小于0.8，其原因是_传热推动力损失大；操作不稳定___。

不考虑工艺方面的因素，试仅从传热角度考虑判断哪一种较好。

5. 6在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K 接近于_空气_侧的对流传热系数，而壁温接近于__水蒸气__侧流体的温度值。

5.7热传导的基本定律是___傅立叶定律____。

5.8间壁换热器总传热系数K 接近于热阻__大__（大，小）一侧的对流传热系数α值，间壁换热器壁温t w 接近于α值__大__（大，小）一侧流体的温度值。

5.9由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料导热系数越大，则该壁面的热阻越_小__，其两侧的温差越_小__。

5.10在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在_滞流层内_，减小热阻最有效的措施是_提高流体的湍动程度，以减薄滞流层的厚度__。

5.11厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知b 1>b 2>b 3，导热系数λ1<λ2<λ3，在稳定传热过程中，各层的热阻__ R 1>R 2>R 3__，各层的传热速率__ Q 1=Q 2=Q 3_。

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 ..020251102y 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*******／18x =+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 k m ol -=⨯ 溶液的体积 /.33101109982 V m -=⨯溶液中NH 3的浓度//.33311017==0．581／101109982n c kmol m V --⨯=⨯ 或 . 3998200105058218s sc x kmol m M ρ==⨯=．．／ NH 3与水的摩尔比的计算 或 ..00105001061100105x 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)01111101y Y y ===-- 吸收器出口混合气中NH 3的摩尔比为 摩尔分数 (22200111)=0010981100111Y 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/.//1170010511710018x ==+气相中3NH 的平衡分压 *.0798 P k P a ＝ 亨利系数 *./.0798*******E p x ===／ 液相中3NH 的浓度 /./.333110170581 101109982n c kmol m V --⨯===⨯／ 溶解度系数 /*./../(3058107980728H c p k m o l m kP a ===⋅液相中3NH 的摩尔分数 //1170010511710018x ==+．／气相的平衡摩尔分数 **.0798100y p p ==／／ 相平衡常数 * (079807610000105)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，31m 水中最大可能溶解多少克氧？已知10℃时氧在水中的溶解度表达式为*.6331310p x =⨯，式中*p 为氧在气相中的平衡分压，单位为kPa x ；为溶液中氧的摩尔分数。

化工原理第五章习题及答案第五章蒸馏一、名词解释：1、蒸馏：利用混合物中各组分间挥发性不同的性质，人为的制造气液两相，并使两相接触进行质量传递，实现混合物的分离。

2、拉乌尔定律：当气液平衡时溶液上方组分的蒸汽压与溶液中该组分摩尔分数成正比。

3、挥发度：组分的分压与平衡的液相组成（摩尔分数）之比。

4、相对挥发度：混合液中两组分挥发度之比。

5、精馏：是利用组分挥发度的差异，同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。

6、理论板：气液两相在该板上进行接触的结果，将使离开该板的两相温度相等，组成互成平衡。

7、采出率：产品流量与原料液流量之比。

8、操作关系：在一定的操作条件下，第n层板下降液相的组成与相邻的下一层（n+1）板上升蒸汽的组成之间的函数关系。

9、回流比：精流段下降液体摩尔流量与馏出液摩尔流量之比。

10、最小回流比：两条操作线交点落在平衡曲线上，此时需要无限多理论板数的回流比。

11、全塔效率：在一定分离程度下，所需的理论板数和实际板数之比。

12、单板效率：是气相或液相通过一层实际板后组成变化与其通过一层理论板后组成变化之比值。

二、填空题：1、在精馏塔的任意一块理论板上，其离开塔板的液相泡点温度与离开塔板的气相露点温度的大小相比是_________。

相等2、当塔板上____________________________________________________时，称该塔板为理论塔板。

离开的汽相与液相之间达到平衡时3、直接水蒸汽加热的精馏塔适用于__________________________________________________的场合。

难挥发组分为水，且要求釜液中易挥发组分浓度很低4、简单蒸馏过程中，釜内易挥发组分浓度逐渐________，其沸点则逐渐_________。

降低，升高5、间歇精馏操作中，若欲保持馏出液组成不变，必须不断______________，若保持回流比不变，则馏出液组成________________。

第5章 蒸发5-1、在葡萄糖水溶液浓缩过程中，每小时的加料量为kg 3000，浓度由15%（质量）浓缩到70%（质量）。

试求每小时蒸发水量和完成液量。

（答：1h kg 2357-⋅，1h 43kg 6-⋅）解：⑴蒸发水量10h kg 2357)70.015.01(3000)1(-⋅=-=-=x x F W ； ⑵完成液量1h kg 64323573000-⋅=-=-W F 。

5-2、固体NaOH 的比热容为11K kg kJ 31.1--⋅⋅，试分别估算NaOH 水溶液浓度为10%和25%时的比热。

（答：11K kg kJ 77.3--⋅⋅，11K kg .47kJ 3--⋅⋅）解：⑴%10浓度的NaOH 溶液：11K kg kJ 77.3)1.01(183.4)1(--⋅⋅=-=-=x c c w ；⑵%25浓度的NaOH 溶液：11K kg kJ 47.325.031.1)25.01(183.4)1(--⋅⋅=⨯+-=+-='x c x c c w 质。

5-3、已知单效常压蒸发器每小时处理kg 2000 NaOH 水溶液，溶液浓度由15%（质量）浓缩到25%（质量）。

加热蒸汽压力为92kPa 3（绝压），冷凝温度下排出。

分别按20℃加料和沸点加料（溶液的沸点为113℃）。

求此两种情况下的加热蒸汽消耗量和单位蒸汽消耗量。

假设蒸发器的热损失可以忽略不计。

（答：1h kg 1160-⋅、45.1，1h50.9kg 8-⋅、06.1）解：蒸发水量110h kg 800)25.015.01(2000)1(-⋅=-=-=x x F W ， 92k P a3时蒸气的潜热1kg kJ 2132-⋅=r ，NaOH 溶液的比热11K kg kJ 56.3)15.01(183.4)1(--⋅⋅=-=-=x c c w ，⑴原料于C 20︒加入 二次蒸气的焓1kg kJ 2670-⋅1h kg 116021322056.32000267080011356.3)8002000(-⋅=⨯⨯-⨯+⨯⨯-=D45.18001160==W D ； ⑵沸点加料1h kg 9.850213211356.32000267080011356.3)8002000(-⋅=⨯⨯-⨯+⨯⨯-=D 06.18009.850==W D 。