化工原理課后習(xí)題答案5

第一章流體流動

1.某設(shè)備上真空表的讀數(shù)為13.3X10：'Pa,試計算設(shè)備內(nèi)的絕對壓強與表壓強。已知該地區(qū)

大氣壓強為98.7X10,Pa。

解：由絕對壓強=大氣壓強-真空度得到：

設(shè)備內(nèi)的絕對壓強P給=98.7X103Pa-13.3X103Pa

=8.54X10,Pa

設(shè)備內(nèi)的表壓強P?=-真空度=-13.3X10：'Pa

2.在本題附圖所示的儲油罐中盛有密度為960kg/m'的油品，油面高于罐底6.9m,油血

上方為常壓。在罐側(cè)壁的下部有一直徑為760mm的圓孔，其中心距罐底800mm,孔蓋用

14mm的鋼制螺釘緊固。若螺釘材料的工作應(yīng)力取為39.23X10"Pa,

間至少需要幾個螺釘？

分析：罐底產(chǎn)生的壓力不能超過螺釘?shù)墓ぷ鲬?yīng)力即

P油Wo?

解：P?=PghXA=960X9.81X(9.6-0.8)X3.14X0.762

150.307X103N

。蟠=39.03X103X3.14X0.0142Xn

得n6.23

取nmi,F7

至少需要7個螺釘

4.本題附圖為遠距離測量控制裝置，用以測

定分相槽內(nèi)煤油和水的兩相界面位置。已知兩

吹氣管出口的距離H=Im,U管壓差計的指示

液為水銀，煤油的密度為820Kg/試求當(dāng)

壓差計讀數(shù)R=68mm時，相界面與油層的吹氣

管出口距離h。

分析：解此題應(yīng)選取的合適的截面如圖所示:忽略空氣產(chǎn)生的壓強，本題中1—1'和4—4'

為等壓面，2—2'和3—3'為等壓面，月.1-1'和2-2'的壓強相等。根據(jù)靜力學(xué)基本方程列

出一個方程組求解

解：設(shè)插入油層氣管的管口距油面高Ah

在1-1'與2-2'截面之間

Pl=Pz+PgR

VP,=Pi,P2=Pa

且P：，=P?iigAh,Pi=P水g(H-h)+pfflMg(Ah+h)

聯(lián)立這幾個方程得到

P?gR=P*g(H-h)+P01g(Ah+h)-PwtiftgAhB|J

P，ka(gR=P/KgH+P(Min,gh-P*gh帶入數(shù)據(jù)

1.03X103X1-13.6X103XO.068=h(1.0X103-0.82X103)

h=0.418m

6.根據(jù)本題附圖所示的微差壓差計的讀數(shù)，計算管路中氣體的表壓強P。壓差計中以油和

水為指示液,其密度分別為920姐/998kg/m*U管中油、水交接而高度差R=300m

m,兩擴大室的內(nèi)徑D均為60mm,U管內(nèi)徑d為6mm。

當(dāng)管路內(nèi)氣體壓強等于大氣壓時，兩擴大室液面平齊。

分析：此題的關(guān)鍵是找準(zhǔn)等壓面，根據(jù)擴大室一端與大氣相

通，另一端與管路相通，可以列出兩個方程，聯(lián)立求解

解：山靜力學(xué)基本原則，選取1—1,為等壓面，

對于U管左邊p表+Ping(hi+R)=P1

對于U管右邊Pz=P*gR+Pi11gh2

P?=P*gR+P?gh2-Pitiig(hi+R)

=P*gR-PsingR+Psing(h2-hi)

當(dāng)P桁0時，擴大室液面平齊即n(D/2)2(ha-h.)=n(d/2)2R

h2-hi=3mm

ps=2.57X10'Pa

8.高位槽內(nèi)的水面高于地面8m,水從<t>108X4mm的管

道中流出，管路出口高于地面2m。在本題特定條件下，

水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失可按￡hr=6.5/計算，其中u

為水在管道的流速。試計算：

⑴A—A'截面處水的流速;

⑵水的流量，以淀/h計。

分析：此題涉及的是流體動力學(xué)，有關(guān)流體動力學(xué)主要是能量恒算問題，一般運用的是柏努

力方程式。運用柏努力方程式解題的關(guān)鍵是找準(zhǔn)截面和基準(zhǔn)面，對于本題來說，合適的截面

是高位槽1—1和出管口2—2?，如圖所示，選取地面為基準(zhǔn)面。

解：設(shè)水在水管中的流速為u,在如圖所示的1—1,2—2?處列柏努力方程

Zig+0+P|/P=Z2g+u■/2+P2/P+Ehf

22

(Zi-Z2)g=U/2+6.5u代入數(shù)據(jù)

(8-2)X9.81=7u',u=2.9m/s

換算成體積流量

Vs=uA=2.9Xn/4X0.I2X3600

=82m3/h

10.用離心泵把20℃的水從貯槽送至水洗塔頂部，槽內(nèi)水位維持恒定，各部分相對位置如本

題附圖所示。管路的直徑均為①76X2.5mm,在操作條件下，泵入口處真空表的讀數(shù)為24.66

X103pa,水流經(jīng)吸入管與排處管(不包括噴

頭)的能量損失可分別按￡h(m=21,E

hm=10/計算，由于管徑不變，故式中u為

吸入或排出管的流速m/s。排水管與噴頭連

接處的壓強為98.07義103pa(表壓)。試求

泵的有效功率。

分析：此題考察的是運用柏努力方程求算管路系統(tǒng)

所要求的有效功率把整個系統(tǒng)分成兩部分來處理，

從槽面到真空表段的吸入管和從真空表到排出口段的排出管，在兩段分別列柏努力方程。

解：總能量損失Zhf=￡hf+-￡hf,2

22

UI=U2=U=2U'+10U=12U

2

在截面與真空表處取截面作方程：z0g+u//2+P。/p=zlg+u/2+Pl/P+Ehf.i

(Po-Pi)/P=z(g+u2/2+Ehf,?u=2m/s

ws=uAP=7.9kg/s

在真空表與排水管-噴頭連接處取截面z,g+u72+P1/P+We=z2g+u72+P2/P+Ehf.2

產(chǎn)z2g+u72+P2/P+Ehf.2—(zig+u/2+Pi/p)

=12.5X9.81+(98.07+24.66)/998.2X103+10X22

=285.97J/kg

N產(chǎn)WeWs=285.97X7.9=2.26kw

13.用壓縮空氣將密度為llOOkg/nf的腐蝕性液體自低位

槽送到高位槽，兩槽的液位恒定。管路直徑均為S60X

3.5mm,其他尺寸見本題附圖。各管段的能量損失為Eh聯(lián)

2

AB=Shr,CD=U,￡hf,BC=1.18u）兩壓差計中的指示液均

為水銀。試求當(dāng)Ri=45mm,h=200mm時：（1）壓縮空氣的

壓強R為若干？（2）U管差壓計讀數(shù)也為多少？

解：對上下兩槽取截面列柏努力方程

0+0+Pi/p=Zg+0+Pz/p+Ehf

/.Pi=ZgP+0+P2+PEhf

=10X9.81X1100+1100(2U2+1.18U2)

=107.91X103+3498/

在壓強管的B,C處去取截面，由流體靜力學(xué)方程得

Pn+pg（x+Ri）=Pc+Pg（hBc+x）+P水鍍Rig

3

PB+1100X9.81X(0.045+x)=PC+1100X9.81X(5+x)+13.6X10X9.81X0.045

PB-PC=5.95X10'Pa

在B,C處取截面列柏努力方程

22

0+UB/2+PB/P=Zg+ut/2+Pc/P+Ehf.BC

???管徑不變，；.Ub=Ue

2

PB-PC=P(Zg+Ehr.BC)=1100X(1.18u+5X9.81)=5.95X10'Pa

u=4.27m/s

壓縮槽內(nèi)表壓B=1.23X10Ta

(2)在B,D處取截面作柏努力方程

0+U2/2+PB/P=Zg+O+O+Ehr.BC+Ehf.CD

PB=(7X9.81+1.18U2+U-0.5U2)X1100=8.35X104Pa

PB-Pgh=P水線R2g

3

8.35X10-1100X9.81X0.2=13.6X10X9.81XR2

R2=609.7mm

20.每小時將2X103kg的溶液用泵從反應(yīng)器輸送到高位槽。

反應(yīng)器液面上方保持26.7X103Pa的真空讀，高位槽液面上方

為大氣壓強。管道為的鋼管，總長為50m,管線上有兩個全開

的閘閥，一個孔板流量計(局部阻力系數(shù)為4),5個標(biāo)準(zhǔn)彎頭。

反應(yīng)器內(nèi)液面與管路出口的距離為15mo若泵效率為0.7,求

習(xí)《S2O酎圖

泵的軸功率。

解：流體的質(zhì)量流速3s=2X1073600=5.56kg/s

流速u=?s/(Ap)=1.43m/s

雷偌準(zhǔn)數(shù)Re=duP/口=165199>4000

查本書附圖129得5個標(biāo)準(zhǔn)彎頭的當(dāng)量長度：5X2.1=10.5m

2個全開閥的當(dāng)量長度：2X0.45=0.9m

二局部阻力當(dāng)量長度Eie=10.5+0.9=11.4m

假定1/入"2=2lg(d/e)+1.14=2lg(68/0.3)+1.14

X=0.029

檢驗d/(eXReXXl/2)=0.008>0.005

符合假定即入=0.029

.?.全流程阻力損失Eh=XX(i+Ite)/dXU72+GXU72

=[0.029X(50+11.4)/(68X10;t)+4]X1.4372

=30.863J/Kg

在反應(yīng)槽和高位槽液面列伯努利方程得

Pi/P+We=Zg+P2/P+￡h

We=Zg+(P(-P2)/P+Eh

=15X9.81+26.7X1071073+30.863

=202.9J/Kg

有效功率Ne=WeX3s=202.9X5.56=1.128X103

軸功率N=Ne/n=L128X107。7=I.61X103W

=1.61KW

23.10℃的水以500L/min的流量流過一根長為300m的水平管，管壁的絕對粗糙度為0.05。

有6m的壓頭可供克服流動阻力，試求管徑的最小尺寸。

解：查表得10℃時的水的密度P=999.7Kg/m3U=130.77X10$Pa?s

u=Vs/A=10.85X10"

,/Ehr=6X9.81=58.86J/Kg

Ehk(8?i/d)U72=X?150u2/d

假設(shè)為滯流入=64/Re=64u/dup

VHrg>Ehf

，dWl.5X103

檢驗得Re=7051.22>2000

，不符合假設(shè)，為湍流

假設(shè)Re=9.7X10'即dup/u=9.7X101

Ad=8.34X102m

則t/d=0.0006查表得入=0.021

要使ZhWHrg成立則

X-150i?/dW58.86

d>l.82X102m

第二章流體輸送機械

3.常壓貯槽內(nèi)盛有石油產(chǎn)品，其密度為760kg/m3,粘度小于20cSt,在貯槽條件下飽和蒸

汽壓為80kPa,現(xiàn)擬用65Y-60B型油泵將此油品以15m3流量送往表壓強為177kPa的設(shè)備內(nèi)。

貯槽液面恒定，設(shè)備的油品入口比貯槽液面高5m,吸入管路和排出管路的全部壓頭損失為

1m和4m。試核算該泵是否合用。若油泵位于貯槽液面以下1.2m處，問此泵能否正常操作？

當(dāng)?shù)卮髿鈮喊?01.33kPa計.

解：查附錄二十三65Y-60B型泵的特性參數(shù)如下

流量Q=19.8m7s,氣蝕余量△hn2.6m

揚程H=38m

允許吸上高度上=(P?-Pv)/Pg-Ah-Hf.o.,

=-0.74m>-1.2

揚升高度Z=H-Hr,o-2~38-4=34m

如圖在1-1,2-2截面之間列方程

22

ui/2g+Pi/Pg+H=u2/2g+P2/pg+Hfj-2+AZ

z

其中u//2g=u2/2g=0

管路所需要的壓頭：H=(P，-P,)/pg+AZ+He

=33.74m<Z=34m

游品流量&=15m3/s<Q=19.8m3/s

離心泵的流量,揚升高度均大雨管路要求,且安裝高度有也低于最大允許吸上高度

因此,能正常工作

5.水對某離心泵做實驗，得到下列各實驗數(shù)據(jù)：

Q,L/min0100200300400500

H,m37.2383734.531.828.5

送液體的管路系統(tǒng)：管徑為4)76X4mm,長為355m(包括局部阻力的當(dāng)量長度)，吸入和排

出空間為密閉容器，其內(nèi)壓強為129.5kPa(表壓)，再求此時泵的流量。被輸送液體的性質(zhì)

與水相近。

解：⑴根據(jù)管路所需要壓頭H。與液體流量Q.的關(guān)系：Hu=K+BQ?

而K=△%+AP/pg且吸入排出空間為常壓設(shè)備，4P=0

AK=AZ=4.8

B=X?(i+XiJ/d?1/2g(60X10%)2

=(0.03X355/0.068)/2X9.81(0.0682XnX60X103/4)2

=1.683X10'

...管道特性方程為:H,=4.8+1.683X10V

由下列數(shù)據(jù)繪出管道特性曲線He-Q0

Qe,L/min0100200300400500

He,m4.86.4811.5319.9531.7346.88

繪出離心泵的特性曲線H-Q于同一坐標(biāo)系中，如圖所示：兩曲線的交點即為該泵在運

轉(zhuǎn)時的流量

泵的流量為400L/min

⑵若排出空間為密閉容器，

則K=AZ+AP/Pg

=4.8+129.5X107998.2X9.81

=1.802

???而B的值保持不變

二管路的特性方程為HL18.02+1.683X10V

幣:新繪出管路的特性曲線和泵的特性曲線

Qe,L/min0100200300400500

He,m18.0219.7024.7533.1744.9560.10

可以得到泵的流量為310L/min

6.用離心泵從敞口貯槽向密閉高位槽輸送清水，輸水量40m'/ho兩槽液面恒定。兩槽液面間

的垂直距離為12m,管徑為。102X4〃M,管長（包括所有局部阻力的當(dāng)量長度）為100m,

密閉高位槽內(nèi)表壓強為9.81X10'Pa,流動在阻力平方區(qū)，管路的摩橡系數(shù)2為0.015。B

知水的密度夕=1000依/〃/,試求：1、管路特性方程；2、泵的壓頭；3、若所用泵的效

率口=0.7,則泵的軸功率為多少千瓦。

解：1、管路特性曲線方程

He=K+BQ：

“一9.81X1O4”

由題意:K=AZ+——=12+-----------=22m

pg9.81x1000

=1.689x1（）4$2/疝

即：H,=22+1.689X1042；（Qe的單位為m3/s）

或：//（,=22+0.00132；（Qe的單位為m3/h）（6分）

2、泵的壓頭可由管路特性曲線方程求得：

H=22+1.689=24.1m（2分）

，（3600）

3、泵的軸功率

4（）

泵的有效功率：N?=QHpg=——x24.1x1000x9.81=2.627人卬

泵的軸功率N="=空衛(wèi)=3.754W（4分）

70.7

7.某型號的離心泵，其壓頭與流量的關(guān)系可表示為H=18-0.6X10V（H單位為m,Q單

位為n?/s）若用該泵從常壓貯水池將水抽到渠道中，已知貯水池截面積為100n）2,池中水

深7m。輸水之初池內(nèi)水面低于渠道水平面2m,假設(shè)輸水渠道水面保持不變，且與大氣相通。

管路系統(tǒng)的壓頭損失為【1尸0.4X10Q?（Hr單位為m,Q單位為m3/s）。試求將貯水池內(nèi)水全

部抽出所需時間。

解：列出管路特性方程H,=K+H,

K=AZ+AP/pg

?.?貯水池和渠道均保持常壓.,.AP/Pg=0

.，.K=AZ

H,=AZ+0.4X106Q2

在輸水之初=2m

二H0=2+0.4X106Q2

聯(lián)立H=18-0.6X10n,解出此時的流量Q=4X107s

將貯水槽的水全部抽出NL=9m

/.H=9+0.4X106Q'2

再次聯(lián)立H=18-0.6X106Q2,解出此時的流量Q=3X10V/S

V流量Q隨著水的不斷抽出而不斷變小

二取Q的平均值Q平均=（Q+Q）/2=3.5X10V/S

把水抽完所需時間

T=V/Q平均=55.6h

8.用兩臺離心泵從水池向高位槽送水，單臺泵的特性曲線方程為H=25-lX10V管路

特性曲線方程可近似表示為H=1O+1X1O6Q2兩式中Q的單位為/s,H的單位為m。試

問兩泵如何組合才能使輸液量最大？（輸水過程為定態(tài)流動）

分析：兩臺泵有串聯(lián)和并聯(lián)兩種組合方法串聯(lián)時單臺泵的送水量即為管路中的總量，泵

的壓頭為單臺泵的兩倍；并聯(lián)時泵的壓頭即為單臺泵的壓頭，單臺送水量為管路總送水量的

—

解：①串聯(lián)乩=2H

10+1X10U2=2X(25-1XW)

/.Q°=0.436X1021117s

②并聯(lián)Q=Q./2

25-lX106XQ/=10+1X1O5(Qe/2)2

，Qo=0.383X102m7s

總送水量Q；=2Qe=0.765XI0-2m2/s

???并聯(lián)組合輸送量大

第四章傳熱

1.平壁爐的爐壁由三種材料組成，其厚度導(dǎo)熱系數(shù)列于本題附表中：若耐火磚層內(nèi)表面

的溫度ti為1150C,鋼板外表面溫度I,為30C,又測得通過爐臂的熱損失為300W/m2,試

計算導(dǎo)熱的熱通量。若計算結(jié)果與實測的熱損失不符，試分析原因和計算附加熱阻。

序號材料厚度，mm導(dǎo)熱系數(shù),w/(m?℃)

1(內(nèi)層)耐火磚2001.07

2絕緣磚1000.14

3鋼645

解：提取表中所給出的數(shù)據(jù)

耐火磚：bi=0.2m,XF1.07w/(m,℃)

絕緣層：b2=0.1m,X2=0.14w/(m?℃)

鋼：bs=0.006m,A.3=45w/(m*℃)

根據(jù)多層平壁熱傳導(dǎo)速率公式

Q=(ti-t?)/X(bi/SXj)q=Q/S

得q=(t「tn)/》(bi/入J=1242w/m3

這與實際冊得的熱損失4=300w/m有一定的差距，因此有可能存在?部分附加

熱阻，設(shè)此附加熱阻為R

q.=(t「t.)/[￡(bi/S入J+R]=300

R,=2.83m?QC/W

4.蒸汽管外包扎有兩層導(dǎo)熱系數(shù)不同而厚度相同的絕熱層，設(shè)外層的平均直徑為內(nèi)層的兩

倍。其導(dǎo)熱系數(shù)也為內(nèi)層的兩倍，若將兩層材料互換位置，假定其他條件不變，試問每米管

長的熱損失將改變多少？說明在本題情況下，哪一?種材料包扎在內(nèi)層較為合適？

解：根據(jù)題意，若令內(nèi)層導(dǎo)熱系數(shù)為入，則外層導(dǎo)熱系數(shù)為2A

???絕熱層厚度相同，均為b,假設(shè)蒸汽管道半徑為r,

則兩絕熱層外半徑分別為n=r+b,m=r+2b

第一層保溫層對數(shù)平均半徑5=(r,-r)/ln(r,/r)

第一層保溫層對數(shù)平均半徑d=(n-rO/lnWn)

=2I'M

/.b/r=1.618,I'M=1.0396

兩絕熱層的對數(shù)平均面積(按1m管長計)

S.i=2nrmlL=2X3.14X1.039bX1=6.525b

S企=2nrwL=2X3.14X2X1.039bxi=13.05b

Q=(t-t?)/2：(bi/SX,)

=(tl-ts)/{[b/(A,Sml)+b/(A2Sm2)

—5.22入i(ti—ta)

將兩絕緣層互換后，

Q'=(t1-t?)/S(bi/SmiXJ

=(tl-t3)/{[b/(A.2Sml)+b/(AiSm2)

=4.35入i(ti-ts)

；.Q/Q*=L2

.??導(dǎo)熱系數(shù)大的應(yīng)該包扎在內(nèi)層。

6.在列管式換熱器中用冷水冷卻油。水在直徑為也192mm的列管內(nèi)流動。已知管內(nèi)水側(cè)對流

傳熱系數(shù)為3490W/(m2*℃),管外油側(cè)對流傳熱系數(shù)為258W/換熱器用一段時

間后，管壁兩側(cè)均有污垢形成，水側(cè)污垢熱阻為0.00026nl、℃/W,油側(cè)污垢熱阻0.OOOUGn?

?℃/Wo管壁導(dǎo)熱系數(shù)入為45W/(m「C),試求：(1)基于管外表面的總傳熱系數(shù)；(2)產(chǎn)

生污垢后熱阻增加的百分比。

解:(1)1/Ko=do/ajdi+1/ao+Rsjdo/di+Rso+bdo/入d>

-19/(3490X15)+0.00026X19/15+0.000176+(0.002X19)/(45X16.9)+1/258

AKo=208m'—C/W

(2)產(chǎn)生污垢后增加的總熱阻：

do/aidi+Rs°=19/(3490X15)+0.000176=0.00050533

產(chǎn)生污垢前的總熱阻：

do/ad+l/a0+bdo/Xd,?=19/(3490X15)+(0.002X19)/(45X16.9)+1/258

=0.0043

二增加的百分比為:0.00050533/0.00429=11.8%

8.重油和原由在單程套換熱器中呈并流流動，糧站油的初溫分別為243℃和128℃；終溫分

別為167℃和157若維持兩種油的流量和初溫不變，而將兩流體改為逆流，試求此時流

體的平均溫度差及他們的終溫。假設(shè)在兩種流動情況下，流體的無性和總傳熱系數(shù)均不變，

換熱器的熱損失可以忽略。

解：由題意得：

并流時：熱流體(重油)：T產(chǎn)243℃—T2=167℃

冷流體(原油)：3=128'C-t2=157℃

Q=WhCph(T,-T2)=76WhCPh

=—=

WcCpc(tzti)29WcCpc

=KoSoAtm

Atm=(Ati-At2)/In(Ati/At2)=43

改為逆流后：熱流體(重油)：T.=243℃一T/=?

冷流體(原油)：tj=?-t,=128C

同理：

1

Q=WhCPh(T.-T2,)=(243-K)WhCph

=WeCpe(t2'-t>)=(t2,-128)WcCpe

—KoSoAtm

A29/(V-128)=76/(243-T2-)：.72=578.45-2.62t2,---------(1)

Atm'=[(243-V)-(V-128)]/ln[(243-t2')/(L1-128)]--------(2)

又Q/Q*=Atm/Atm-=29/(V-128)----------(3)

由(1)(2)(3)解得=161.41℃T；=155.443°CAtm-=49.5℃

10.在逆流換熱器中，用初溫為20℃的水將1.25kg/s的液體(比熱容為1.9kJ/kg?℃,密度

為850kg/m),由80℃冷卻到30℃。換熱器的列管直徑為也252.5mm,水走管方。水側(cè)和液

體側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為0.85W/和1.70W/污垢熱阻忽略。若水的

出口溫度不能高于50℃,試求換熱器的傳熱面積。

解：熱流體：3=80℃f。=30℃

冷流體：tz=50℃-ti=20℃

At,=30℃At2=10℃

At?,=(Ati-At2)/In(Atj/At2)=18.205℃

3

Q=WhCph(T,-T2)=1.9X10XI.25X50=118.75W

又(}=&$045,其中1/Ko=do/aidi+l/ao解得K°=0.486X10,m'—C/W

.,.0.486X103X18.205So=118.75X103

.,.So=13.4m3

11.在一管殼式換熱器中，用冷水將常壓下純苯蒸氣冷凝成飽和液體。苯蒸氣的

體積流量為1650m3/h,常壓下苯的沸點為80.1℃,汽化熱為394kJ/kg。冷卻水

的進口溫度為20C,流量為36000kg/h,水的平均比熱容為4.18kJ/(kg「C)。若

總傳熱系數(shù)Ko為450W/(m2/C),試求換熱器傳熱面積S。。假設(shè)換熱器的熱損失

可忽略。

解：換熱器的傳熱面積邑=%

。==Vxpr

其中:

PM101330x78

P~=z2.69kg/ni

RT8.315X103X(278+80.1)

Q=^2394xl0i86x瓶

冷水出口溫度可由熱量衡算求得。即:

Q=叱《2-G=弓="86x10*3600+20=31.6X

epc21236000x4.18xl03

,(80.1-20)-(80.1-31.6)-I5

心一,80.1-20--------=54-1C

80.1-31.6

S=4.86x105=2。*

450x54.1

12.在一傳熱面積為50m2的單程列管式換熱器中，用水冷卻某種溶液。兩流體呈逆流流動。

冷水的流量為33000kg/h,溫度由20℃升至38℃。溶液的溫度由110℃降至60℃。若換熱

器清洗后，在兩流體的流量和進出口溫度不變的情況下，冷水出口溫度增至45℃。試估算

換熱器清洗前后傳熱面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)(1)兩種情況下，流體物性可視為不變，

水的比熱容可取4.187kJ/(kg?'C)；(2)可按平壁處理，兩種工況下a,和a。分別相同；(3)

忽略管壁熱阻和熱損失。

解：換洗前：熱流體：T尸110℃-T2=60℃

冷流體：tz=38℃-ti=20℃

At!=72℃At2=40℃

Atn,=(Ati-Ata)/In(Ati/Ato)=54.4℃

Q=WhCph(T,-T2)=50W,.Cph

=WcCpc(t2-ti)=18WCc

=KQSOAtm=54.4KoSo

代入數(shù)據(jù)計算得K°=254W/(m2-℃)

換洗后：：熱流體：TF110℃fT2=60℃

冷流體：t2=38℃-t1=20℃

Ati=72℃At2=40℃

/.At?=(AtrAt2)/In(Ati/Ats)=54.4℃

Q=WhCpi,(L-%)=(100-L)WhCpl,

=Wc.Cpc(t2-ti)=25WcCpc

=Ko'SoAtm'

A50/(100-L)=18/25-*T2=40.56℃

At；=(Atf-At2')/In(Atf/At2,)=35℃

Q==WcCpc(ta-ti)=Ko'So△tm'

代入數(shù)據(jù)計算得Ko'=548.3W/(mz'℃)

，總污垢熱阻為：1/Ko-1/Ko-=1/245-1/548.3

=2.1X10：'m2*℃/W

18.一定流量的空氣在蒸汽加熱器中從20℃加熱到80空氣在換熱器的管內(nèi)

呈湍流流動。絕壓為180kPa的飽和水蒸氣在管外冷凝。現(xiàn)因生產(chǎn)要求空氣流量

增加20%,而空氣的進、出口溫度不變。試問應(yīng)采取什么措施才能完成任務(wù)。作

出定量計算。假設(shè)管壁和污垢熱阻均可忽略。

解：由題義知：A-?OCM，)S

設(shè)提高流量后的情況用“”'表示，則很=(1.2)。%=1.16/

由附錄查得P=180H%時，水蒸氣的飽和溫度為1166C

空氣流量增加20%,若仍在原換熱器中進行操作，則必須提高蒸汽溫度(壓力)

才能完成任務(wù).

兩種情況下，換熱器的傳熱量分別為。=W,C「，和1.2。.

由傳熱速率方程：Q=Kstm

,_t.-r_(116.6-20)-(116.6-80)__

卬、…(.116.6-20=8L8C

原流星:時.ln^yln

t}1IIlAo.Ao-o2Un

0=81.8/5

流量增加后，Q=1.2Q=kStm=l.\6a-Stm.

則：1.2a1Sx81.8=1.16a|Stm

得：*=63.9。C

即.(r-20)-(T-80)=6-Q

解得：T=118.5℃.

由附錄查得，溫度為118.5°C的飽和蒸汽壓力為2Q0kPa.

第五章蒸饋

8.某連續(xù)精微操作中，已知精微段y=0.723x+0.263；提儲段y=1.25x-0.0187

若原料液于露點溫度下進入精儲塔中，試求原料液，儲出液和釜殘液的組成及回流比。

解：露點進料q=0

B|J精微段y=0.723x+0.263過(x°,xD)Axn=0.949

提儲段y=1.25x-0.0187過(x“,x,)=0.0748

精鐳段與y軸交于[0,XD/(R+l)]即xB/(R+l)=0.263

；.R=2.61

連立精微段與提譙段操作線得到交點坐標(biāo)為(0.5345,0.6490)

xi.=0.649

11.用一連續(xù)精微塔分離山組分A,B組成的理想混合液。原料液中含A0.44,儲出液中含A

0.957(以上均為摩爾分率)。已知溶液的平均相對揮發(fā)度為2.5,最回流比為1.63,試說明

原料液的熱狀況，并求出q值。

解：在最回流比下，操作線與q線交點坐標(biāo)(xq,yq)位于平衡線上；且q線過(x-,xQ

可以計算出q線斜率即q/(l-q),這樣就可以得到q的值

由式1-47Rmin=[(xB/x,)-a(l-xD)/(l-xq)]/(a-1)代入數(shù)據(jù)得

0.63=[(0.957/x,)-2.5X(1-0.957)/(l-x,)]/(2.5-1)

..Xq=0.366或Xq=1.07(舍去)

即X.=0.366根據(jù)平衡關(guān)系式y(tǒng)=2.5x/(1+1.5x)

得到y(tǒng).=0.591

4線y=qx/(q-1)-xF/(q-1)過(0.44,0.44),(0.366,0.591)

q/(q-1)=(0.591-0.44)/(0.366-0.44)得q=0.67

,/0<q<1/.原料液為氣液混合物

12.在連續(xù)精鐳塔中分離某種組成為0.5(易揮發(fā)組分的摩爾分率，下同)的兩組分理想溶

液。原料液于泡點下進入塔內(nèi)。塔頂采用分凝器和全凝器，分凝器向塔內(nèi)提供回流液，其組

成為0.88,全凝器提供組成為0.95的合格產(chǎn)品。塔頂微出液中易揮發(fā)組分的回收率96%。

若測得塔頂?shù)谝粚影宓囊合嘟M成為0.79,試求：(1)操作回流比和最小回流比；(2)若儲

出液量為100kmol/h,則原料液流量為多少？

解：(1)在塔頂滿足氣液平衡關(guān)系式y(tǒng)=ax/[l+(a-l)x]代入已知數(shù)據(jù)

0.95=0.88a/[I+0.88(a-l)]Aa=2.591

第一塊板的氣相組成y>=2.591X,/(1+1.591X,)

=2.591X0.79/(1+1.591X0.79)=0.907

在塔頂做物料衡算V=L+D

Vyi=Lxi.+Dxi)

0.907(L+D)=0.88L+0.95D/.L/D=1.593

即回流比為R=1.593

由式1-47Rmin=[(XD/XJ-Q(1-XD)/(1-Xq)]/(。-1)泡點進料Xq二XF

/.Rmin=1.031

(2)回收率DXD/FXF=96%得到

F=100X0.95/(0.5X0.96)=197.92kmol/h

第六章吸收

7.在101.33kPa,27℃下用水吸收混于空氣中的甲醇蒸汽。甲醇在氣，液兩相中的濃度都很

低，平衡關(guān)系服從亨利定律。已知溶解度系數(shù)H=L995kmol/(m3?kPa),氣膜吸收系數(shù)kc

223

=1.55X10°kmol/(m?s,kPa),液膜吸收系數(shù)kL=2.08X10°kmol/(m?s?kmol/m)o

試求總吸收系數(shù)K?,并計算出氣膜阻力在總阻力中所的百分?jǐn)?shù)。

解:由1/KG=l/kc+1/Hkt可得總吸收系數(shù)

55

1/KC=1/1.55X10+1/(1.995X2.08X10)

2

Kc=1.128X10'kmol/(m?s,kPa)

氣膜阻力所占百分?jǐn)?shù)為：(1/kc)/(l/kG+1/Hk,.)=Hk,,/(Hk.+kc)

=(1.995X2.08)/(1.995X2.08+1.55)

=0.928=92.8%

8.在吸收塔內(nèi)用水吸收混于空氣中的甲醇，操作溫度為27℃,壓強101.33kPa。穩(wěn)定操作狀

況下塔內(nèi)某截面上的氣相甲醉分壓為5kPa,液相中甲醇濃度位2.11kmol/m：'。試根據(jù)上題有

關(guān)的數(shù)據(jù)算出該截面上的吸收速率。

解：由已知可得kc=1.128X10°kmol/(m;,s,kPa)

根據(jù)亨利定律P=C/H得液相平衡分壓

P*=C/H=2.11/1.995=1.058kPa

ANA=Kc,(P-P>)=1.128X105(5-1.058)=4.447X10'5kmol/(m2?s)

=0.16kmol/(mJ,h)

9.在逆流操作的吸收塔中，于101.33kPa,25℃下用清水吸收混合氣中的CO?,將其濃度

從2%降至0.1%(體積)。該系統(tǒng)符合亨利定律。亨利系數(shù)E=5.52X10'kPa。若吸收劑為

最小理論用量的L2倍，試計算操作液氣比L/V及出口組成X。

解：(DYi=2/98=0.0204,Y2=0.1/99.9=0.001

m=E/P=5.52X107101.33=0.0545X10'

由(L/V)*=(Y-Y2)/Xi,=(Y-Y2)/(Yi/m)

=(0.0204-0.001)/(0.0204/545)

=518.28

L/V=1.2(L/V)?in=622

由操作線方程Y=(L/V)X+Y2-(L/V)X2得出口液相組成

5

X,=(Y,-Y2)/(L/V)=(0.0204-0.001)/622=3.12XIO'

⑵改變壓強后，亨利系數(shù)發(fā)生變化，及組分平衡發(fā)生變化，導(dǎo)致出口液相組成變化

5

m'=E/P.fi'=5.52X10710133=0.0545XIO

(L/V)'=1.2(L/V),?in'=62.2

1

X,'=(Y,-Y2)/(L/V)'=(0.0204-0.001)/62.2=3.12X10

15.(15分)有一填料層高度為3m的逆流操作的吸收塔，操作壓強為latm,溫

度為23℃,用清水吸收空氣中的氨氣，混合氣體流率為18kmol/m2.h,其中

含氨6%(體積％),吸收率為99%,清水的流率為43kmol/m2.h,平衡關(guān)系為

y=0.9x,氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)KGa與氣相質(zhì)量流率的0.8次方成正比，而受液體

質(zhì)量流率的影響甚小。