化工原理杨祖荣1-7章习题答案(完美排)

状况）的空气在蒸汽加热器中从12℃被加热到42℃，压强为400kPa的饱和水蒸气在管外冷凝。若设备的热损失估计为热负荷的5%，试求该换热器的热负荷和蒸气用量。解：热量衡算：查得标准状况下的空气物性参数蒸汽用量：17、在一套管式换热器中，用冷却水将s的苯由350K冷却至300K，冷却水进出口温度分别为290K和320K。试求冷却水消耗量。解：由苯的定性温度，查苯的物性参数由苯计算热负荷由冷却水的定性温度，查水的物性参数18、在一列管式换热器中，将某溶液自15℃加热至40℃，载热体从120℃降至60℃。试计算换热器逆流和并流时的冷、热流体平均温度差。解：（1）逆流1206040158045时平均温度差为12060154010520并流：19、在一单壳程、四管程的列管式换热器中，用水冷却油。冷却水在壳程流动，进出口温度分别为15℃和32℃。油的进、出口温度分别为100℃和40℃。试求两流体间的温度差。解：先按逆流时计算，逆流时平均温度差为1004032156825折流时的对数平均温度差为其中由图3-27（a）查得，故20、在一内管为18010mm的套管式换热器中，管程中热水流量为3000kg/h，进、出口温度分别为为90℃和60℃。壳程中冷却水的进、出口温度分别为20℃和50℃，总传热系数为2000W/(m2℃)。试求：（1）冷却水用量；（2）逆流流动时的平均温度差及管子的长度；（3）并流流动时的平均温度差及管子的长度；解：（1）水的比热（2）逆流时平均温度差为906050204040℃（3）并流时平均温度差为90602050701021、在一内管为25的套管式换热器中，CO2气体在管程流动，对流传热系数为40W/(m2℃)。壳程中冷却水的对流传热系数为3000W/(m2℃)。试求：（1）总传热系数；（2）若管内CO2气体的对流传热系数增大一倍，总传热系数增加多少；（3）若管外水的对流传热系数增大一倍，总传热系数增加多少；（以外表面积计）解：查得碳钢的导热系数取管内CO2侧污垢热阻Rs2=10-3(m2K/W)管外水侧热阻Rs1=10-3(m2K/W)(1)总传热系数（以外表面积计）（2）管内CO2气体的对流传热系数增大一倍，即2=80W/(m2K)总传热系数增加%（3）若管外水的对流传热系数增大一倍，1=6000W/(m2K)总传热系数增加%22、在一内管为25的套管式换热器中，用水冷却苯，冷却水在管程流动，入口温度为290K，对流传热系数为850W/(m2℃)。壳程中流量为s的苯与冷却水逆流换热，苯的进、出口温度为350K、300K，苯的对流传热系数为1700W/(m2℃)。已知管壁的导热系数为45W/(m℃)，苯的比热为cp=(kg℃)，密度为ρ=880kg/m3。忽略污垢热阻。试求：在水温不超过320K的最少冷却水用量下，所需总管长为多少（以外表面积计）解：冷却水的平均温度，查得305K时水的比热容为热负荷冷却水用量：平均温度差为3503003202903010基于外表面积的总传热系数K123、一套管式换热器，用饱和水蒸气加热管内湍流的空气，此时的总传热系数近似等于空气的对流传热系数。若要求空气量增加一倍，而空气的进出口温度仍然不变，问该换热器的长度应增加多少？解：总传热量：空气量增加一倍后：此时总传热系数∴空气的进出口温度不变，∵则管长要增加15%。24、有一单管程列管式换热器，该换热器管径为25×，管子数37根，管长3米。今拟采用此换热器冷凝并冷却CS2饱和蒸汽，自饱和温度46℃冷却到10℃。CS2在壳程冷凝，其流量为300kg/h，冷凝潜热为kg。冷却水在管程流动，进口温度为5℃，出口温度为32℃，逆流流动。已知CS2在冷凝和冷却时的传热系数分别为及。问此换热器是否适用（传热面积A及传热系数均以外表面积计）解：已知列管尺寸；；题中所给的两个K值均以外表面积为基准。现有传热面积：总传热量(式中Q1为冷凝段热负荷，Q2为冷却段热负荷)已知查得时CS2的比热其中；为求A1、A2就应求出两段交界处冷却水温度At/℃Q1,A1Q2,A2K1K2t4632105对于冷凝段则46463214461055此换热器可满足生产要求。传热面积富裕25、由25的锅炉钢管组成的废热锅炉，壳程为压力2570kPa（表压）的沸腾水。管内为合成转化气，温度由575℃下降到472℃。已知转化气侧2=300W/(m2℃)，水侧1=104W/(m2℃)。忽略污垢热阻，试求平均壁温TW和tW。解：以外表面积为基准的总传热系数平均温度差：压力2570kPa（表压）下水的饱和温度为：℃575472传热量管内壁壁温（T取热流体进出口平均温度）管外壁壁温26、有一单壳程、双管程列管式换热器。壳程为120℃饱和水蒸气冷凝，常压空气以12m/s的流速在管程内流过。列管为钢管，总管数为200根。已知空气进口温度为26℃，要求被加热到86℃。又已知蒸汽侧对流传热系数为，壁阻及垢阻可忽略不计。试求：(1)换热器列管每根管长为多少米？(2)由于此换热器损坏，重新了一台新换热器，其列管尺寸改为，总管数减少20%，但每根管长维持原值。用此新换热器加热上述空气，求空气的出口温度。解：(1)由热量衡算式和传热速率方程计算完成任务所需的传热面积，然后在计算出管长。查时，空气的物性，EMBED，(湍流)12012026869434解得：解法2可见这种近似是允许的。(2)改为列管，令空气出口温度为热量衡算：(1)速率方程：(2)1201202694式中将以上各值代入(2)后再与(1)式联立解得：27、试计算一外径为50mm，长为10m的氧化钢管，其外壁温度为250℃时的辐射热损失。若将此管附设在：（１）与管径相比很大的车间内，车间内为石灰粉刷的壁面，壁面温度为27℃，壁面黑度为；（２）截面为200mm200mm的红砖砌的通道，通道壁温为20℃。解：由表3-8查的氧化钢管黑度为1=，石灰粉刷壁面的黑度2=（1）由于炉门被极大的四壁包围，由表3-9知=1，A=A1=10=，C1-2=1C0=0.8=（m2K4）所以（2）查红砖2=，Φ=1，，此为表3-9中的第五种情况，所以28、在一大车间内有一圆柱形焙烧炉，炉高6m，外径6m，炉壁内层为300mm的耐火砖，外层包有20mm的钢板，已测得炉内壁温度为320℃，车间内温度为23℃，假设由炉内传出的热量全部从炉外壁以辐射的方式散失。试求此炉每小时由炉壁散失的热量为若干？已知耐火砖，炉壁黑度=，钢板热阻可以不计。提示：可用试差法求解，炉外壁温度在110-120℃之间。解：辐射面积：（1)耐火砖圆柱热传导：耐火砖顶部热传导：(2)联立(1)与(2)式试差解得：或29、平均温度为150℃的机器油在1086mm的钢管中流动，大气温度为10℃。设油对管壁的对流传热系数为350W/(m2℃)，管壁热阻和污垢热阻忽略不计。试求此时每米管长的热损失。又若管外包一层厚20mm，导热系数为W/(m2℃)的玻璃布层，热损失将减少多少？对流辐射联合传热系数W/(m℃)。解：在定态条件下，各串联热阻相等（1）不保温时的热损失因管壁热阻忽略不计，可认为管内、外壁温度均为tW。令tw-10=于是求解得：按管外壁散热得：（2）若加了20mm厚的保温层后，管壁温度为tW1，保温层外壁温度为tW2。则：解得：按管外壁散热得：热损失减少30、某化工厂在生产过程中，需将纯苯液体从80℃冷却到55℃，其流量为20000kg/h。冷却介质采用35℃的循环水。试选用合适型号的换热器。定性温度下流体物性列于本题附表中。习题3-30附表密度,kg/m3比热容,kJ/(kg·℃)黏度,Pa·s导热系数,kJ/(m·℃)苯×10-4循环水×10-3解(1)试算和初选换热器的型号①计算热负荷和冷却水消耗量热负荷：冷却水流量：kg/s②计算两流体的平均温度差暂按单壳程、双管程考虑，先求逆流时平均温度差805543353720℃而由图3-27（a）查得，因为，选用单壳程可行。所以℃③初选换热器规格根据两流体的情况，假设K估＝450W／(㎡·℃)，传热面积A估应为㎡本题为两流体均不发生相变的传热过程。为使苯通过壳壁面向空气中散热，提高冷却效果，令苯走壳程，水走管程。两流体平均温度差，可选用固定管板式换热器。由换热器系列标准，初选换热器型号为G400Ⅱ,有关参数如下。壳径/mm公称压强/MPa管程数壳程数管子尺寸/mm实际传热面积/mm240021φ25×管长/m管子总数管子排列方法管中心距/mm折流档板间距/mm折流板型式3102正三角形32150圆缺型(2)校核总传热系数K①管程对流传热系数2管程流通面积㎡管程冷却水流速m／s(湍流)Ｗ／(㎡℃)②壳程对流传热系数1，按式（3-25）计算流体通过管间最大截面积为㎡苯的流速为m／s管子正三角形排列的当量直径壳程中苯被冷却，取所以Ｗ／（㎡·℃）③污垢热阻管内、外侧污垢热阻分别取为㎡·℃／Ｗ　，　　㎡·℃／Ｗ④总传热系数K管壁热阻可忽略，总传热系数K为K=Ｗ／(㎡℃)⑤传热面积Am2安全系数为故所选择的换热器是合适的。选用固定管板式换热器，型号为G400Ⅱ第四章蒸发1、用一单效蒸发器将2500kg/h的NaOH水溶液由10%浓缩到25%（均为质量百分数），已知加热蒸气压力为450kPa，蒸发室内压力为,溶液的沸点为115℃，比热容为(kg·℃)，热损失为20kW。试计算以下两种情况下所需加热蒸汽消耗量和单位蒸汽消耗量。（１）进料温度为25℃；（2）沸点进料。解：求水蒸发量W应用式（4-1）（2）求加热蒸汽消耗量应用式（4-4）由书附录查得450kPa和115℃下饱和蒸汽的汽化潜热为和kg则进料温度为25℃时的蒸汽消耗量为：单位蒸汽消耗量由式（4-5a）计算，则原料液温度为115℃时单位蒸汽消耗量由以上计算结果可知，原料液的温度愈高，蒸发1kg水所消耗的加热蒸汽量愈少。2、试计算30%（质量百分数）的NaOH水溶液在60kPa（绝）压力下的沸点。解：T‘查蒸汽在600kPa下的饱和温度为℃，汽化潜热为2652kJ/kg由式（4-9）可求其中f由式（4-10）求得，即查附录为160℃则=160-100=60℃℃即℃3、在一常压单效蒸发器中浓缩CaCl2水溶液，已知完成液浓度为％（质分数），密度为1300kg/m3，若液面平均深度为，加热室用（表压）饱和蒸汽加热，求传热的有效温差。解：确定溶液的沸点t1(1)计算查附录p=,T‘=100℃,r’=kJ/kg查附录常压下35%的CaCl2水溶液的沸点近似为℃℃(2)计算查附录当pav=103kPa时,对应的饱和蒸汽温度Tpav=℃℃(3)取℃(4)溶液的沸点℃则传热的有效温度差为：（表压）饱和蒸汽的饱和蒸汽温度T=℃℃４、用一双效并流蒸发器将10%（质量％，下同）的NaOH水溶液浓缩到45%，已知原料液量为5000kg/h，沸点进料，原料液的比热容为kg。加热蒸汽用蒸气压力为500kPa（绝），冷凝器压力为，各效传热面积相等，已知一、二效传热系数分别为K1=2000W/(m2·K)，K２=1200W/(m2·K)，若不考虑各种温度差损失和热量损失，且无额外蒸汽引出，试求每效的传热面积。解：（1）总蒸发量由式（4-24）求得（2）设各效蒸发量的初值，当两效并流操作时又再由式（4-25）求得（3）假定各效压力，求各效溶液沸点。按各效等压降原则，即各效的压差为：kPa故p1==kPap3=查第一效p1=kPa下饱和水蒸气的饱和蒸汽温度T1=℃，其r1=kJ/kg查第二效p2=kPa下饱和水蒸气的饱和蒸汽温度T2=℃，其r2=kJ/kg查加热蒸汽p=500kPa下,饱和温度T=℃,r=kJ/kg（4）求各效的传热面积，由式（4-33）得因不考虑各种温度差损失和热损失，且无额外蒸汽引出，故加热蒸汽消耗m2m2(5)校核第1次计算结果，由于A1≠A2，重新计算。1）A1=A2=A调整后的各效推动力为：将上式与式（4—34）比较可得=且经处理可得：m2则℃，℃2）重新调整压降，则℃其对应的饱和压力=时,其第五章气体吸收气液平衡1．在常压、室温条件下，含溶质的混合气的中，溶质的体积分率为10％，求混合气体中溶质的摩尔分率和摩尔比各为多少？解：当压力不太高，温度不太低时，体积分率等于分摩尔分率，即y=根据，所以2．向盛有一定量水的鼓泡吸收器中通入纯的CO2气体，经充分接触后，测得水中的CO2平衡浓度为×10－2kmol/m3，鼓泡器内总压为，水温30℃，溶液密度为1000kg/m3。试求亨利系数E、溶解度系数H及相平衡常数m。解：查得30℃，水的稀溶液：3．在压力为，温度30℃下，含CO220％（体积分率）空气－CO2混合气与水充分接触，试求液相中CO2的摩尔浓度、摩尔分率及摩尔比。解：查得30℃下CO2在水中的亨利系数E为×105kPaCO2为难溶于水的气体，故溶液为稀溶液4．在压力为505kPa，温度25℃下，含CO220％（体积分率）空气－CO2混合气，通入盛有1m3水的2m3密闭贮槽，当混合气通入量为1m3时停止进气。经长时间后，将全部水溶液移至膨胀床中，并减压至20kPa，设CO2大部分放出，求能最多获得CO2多少kg。解：设操作温度为25℃，CO2在水中的平衡关系服从亨利定律，亨利系数E为×105kPa。解：（1）气相失去的CO2摩尔数＝液相获得的CO2摩尔数（2）（1）与（2）解得：减压后：稀溶液：5．用清水逆流吸收混合气中的氨，进入常压吸收塔的气体含氨6％（体积），氨的吸收率为％，溶液出口浓度为（摩尔比），操作条件下相平衡关系为。试用气相摩尔比表示塔顶和塔底处吸收的推动力。解：塔顶：塔底：6．在总压，温度30℃的条件下,SO2摩尔分率为的混合气体与SO2摩尔分率为的水溶液相接触，试问：从液相分析SO2的传质方向；从气相分析，其他条件不变，温度降到0℃时SO2的传质方向；其他条件不变，从气相分析，总压提高到时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。解：(1)查得在总压，温度30℃条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa所以从液相分析单元

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