課后答案(作業(yè))

1、第四章4.2 某平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·K)， T 的單位為。若已知通過平壁的熱通量為q W/m2，平壁內(nèi)表面的溫度為。試求平壁內(nèi)的溫度分布。解：由題意，根據(jù)傅立葉定律有q·dT/dy即q0（1T）dT/dy分離變量并積分整理得此即溫度分布方程4.3 某燃燒爐的爐壁由500mm厚的耐火磚、380mm厚的絕熱磚及250mm厚的普通磚砌成。其值依次為1.40 W/(m·K)，0.10 W/(m·K)及0.92 W/(m·K)。傳熱面積A為1m2。已知耐火磚內(nèi)壁溫度為1000，普通磚外壁溫度為50。（1）單位面積熱通量及層與層之間溫度；（2）若

2、耐火磚與絕熱磚之間有一2cm的空氣層，其熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.0459 W/(m·)。內(nèi)外壁溫度仍不變，問此時單位面積熱損失為多少？解：設(shè)耐火磚、絕熱磚、普通磚的熱阻分別為r1、r2、r3。（1）由題易得r10.357 m2·K/Wr23.8 m2·K/Wr30.272·m2 K /W所以有q214.5W/m2由題T11000T2T1QR1 923.4T3T1Q（R1R2） 108.3T450（2）由題，增加的熱阻為r0.436 m2·K/WqT/（r1r2r3r） 195.3W/m24.4某一60 mm×3mm的鋁復(fù)合管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45

3、 W/(m·K)，外包一層厚30mm的石棉后，又包一層厚為30mm的軟木。石棉和軟木的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.15W/(m·K)和0.04 W/(m·K)。試求（1）如已知管內(nèi)壁溫度為-105，軟木外側(cè)溫度為5，則每米管長的冷損失量為多少？（2）若將兩層保溫材料互換，互換后假設(shè)石棉外側(cè)溫度仍為5，則此時每米管長的冷損失量為多少？解：設(shè)鋁復(fù)合管、石棉、軟木的對數(shù)平均半徑分別為rm1、rm2、rm3。由題有rm1mm28.47mmrm2mm43.28mmrm3mm73.99mm（1）R/L3.73×104K·m/W0.735K·m/W1.613

4、K·m/W2.348K·m/WQ/L46.84W/m（2）R/L 3.73×104K·m /W2.758K·m /W0.430K·m /W 3.189K·m /WQ/L34.50W/m4.5某加熱爐為一厚度為10mm的鋼制圓筒，內(nèi)襯厚度為250mm的耐火磚，外包一層厚度為250mm的保溫材料，耐火磚、鋼板和保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.38 W/（m·K）、45 W/（m·K）和0.10 W/（m·K）。鋼板的允許工作溫度為400。已知外界大氣溫度為35，大氣一側(cè)的對流傳熱系數(shù)為10 W/（m2&

5、#183;K）；爐內(nèi)熱氣體溫度為600，內(nèi)側(cè)對流傳熱系數(shù)為100 W/（m2·K）。試通過計算確定爐體設(shè)計是否合理；若不合理，提出改進(jìn)措施并說明理由。（補(bǔ)充條件：有效管徑2.0m）解：設(shè)由耐火磚內(nèi)側(cè)表面和保溫材料外測表面的面積分別為A1和A4，耐火磚、鋼筒和保溫材料的對數(shù)平均面積分別為Am1 、Am2 、Am3。鋼板內(nèi)側(cè)溫度為T。穩(wěn)態(tài)條件下，由題意得：（因為鋼板內(nèi)側(cè)溫度較高，所以應(yīng)該以內(nèi)側(cè)溫度不超過400為合理）有效管徑R=2.0 m帶入已知條件，解得T463.5>400計算結(jié)果表明該設(shè)計不合理改進(jìn)措施：1、提高鋼板的工作溫度，選用耐熱鋼板；2、增加耐火磚厚度，或改用導(dǎo)熱系數(shù)更

6、小的耐火磚。4.9在換熱器中用冷水冷卻煤油。水在直徑為19×2mm的鋼管內(nèi)流動，水的對流傳熱系數(shù)為3490 W/（m2·K），煤油的對流傳熱系數(shù)為458 W/（m2·K）。換熱器使用一段時間后，管壁兩側(cè)均產(chǎn)生污垢，煤油側(cè)和水側(cè)的污垢熱阻分別為0.000176 m2·K/W和0.00026m2·K/W，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/（m·K）。試求（1）基于管外表面積的總傳熱系數(shù)；（2）產(chǎn)生污垢后熱阻增加的百分?jǐn)?shù)。解：（1）將鋼管視為薄管壁則有K338.9W/（m2·K）（2）產(chǎn)生污垢后增加的熱阻百分比為注：如不視為薄管壁，將有5

7、左右的數(shù)值誤差。4.11列管式換熱器由19根19×2mm、長為1.2m的鋼管組成，擬用冷水將質(zhì)量流量為350kg/h的飽和水蒸氣冷凝為飽和液體，要求冷水的進(jìn)、出口溫度分別為15和35。已知基于管外表面的總傳熱系數(shù)為700 W/（m2·K），試計算該換熱器能否滿足要求。解：設(shè)換熱器恰好能滿足要求，則冷凝得到的液體溫度為100。飽和水蒸氣的潛熱L2258.4kJ/kgT285K，T165K由熱量守恒可得KATmqmL即列管式換熱器的換熱面積為A總19×19mm××1.2m1.36m24.21m2故不滿足要求。4.13若將一外徑70mm、長3m、外表

8、溫度為227的鋼管放置于：（1）很大的紅磚屋內(nèi)，磚墻壁溫度為27；（2）截面為0.3×0.3m2的磚槽內(nèi)，磚壁溫度為27。試求此管的輻射熱損失。（假設(shè)管子兩端的輻射損失可忽略不計）補(bǔ)充條件：鋼管和磚槽的黑度分別為0.8和0.93解：（1）Q12C1212A（T14T24）/1004由題有121，C121C0，10.8Q121C0 A（T14T24）/10040.8×5.67W/（m2·K4）×3m×0.07m××（5004K43004K4）/10041.63×103W（2）Q12C1212A（T14T24）/100

9、4由題有121C12C0/1/1A1/A2（1/21）Q12C0/1/1A1/A2（1/21） A（T14T24）/10045.67W/（m2·K4）1/0.8（3×0.07×/0.3×0.3×3）（1/0.931）×3m×0.07m××（5004K43004K4）/10041.42×103W4.14一個水加熱器的表面溫度為80，表面積為2m2，房間內(nèi)表面溫度為20。將其看成一個黑體，試求因輻射而引起的能量損失。解：由題，應(yīng)滿足以下等式且有121；AA1；C12C0×1又有A12m2；

10、11所以有第五章5.9 在穩(wěn)態(tài)下氣體A和B混合物進(jìn)行穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，總壓力為1.013×105Pa、溫度為278K。氣相主體與擴(kuò)散界面S之間的垂直距離為0.1m，兩平面上的分壓分別為PA1=1.34×104Pa和PA2=0.67×104Pa。混合物的擴(kuò)散系數(shù)為1.85×10-5m2/s，試計算以下條件下組分A和B的傳質(zhì)通量，并對所得的結(jié)果加以分析。（1）組分B不能穿過平面S；（2）組分A和B都能穿過平面S。解：（1）由題，當(dāng)組分B不能穿過平面S時，可視為A的單向擴(kuò)散。pB,1ppA,187.9kPapB,2ppA,294.6kPaDAB1.85×10

11、-5m2/s（2）由題，當(dāng)組分A和B都能穿過平面S，可視為等分子反向擴(kuò)散可見在相同條件下，單向擴(kuò)散的通量要大于等分子反向擴(kuò)散。5.5 一填料塔在大氣壓和295K下，用清水吸收氨空氣混合物中的氨。傳質(zhì)阻力可以認(rèn)為集中在1mm厚的靜止氣膜中。在塔內(nèi)某一點(diǎn)上，氨的分壓為6.6×103N/m2。水面上氨的平衡分壓可以忽略不計。已知氨在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為0.236×10-4m2/s。試求該點(diǎn)上氨的傳質(zhì)速率。解：設(shè)pB,1,pB,2分別為氨在相界面和氣相主體的分壓，pB,m為相界面和氣相主體間的對數(shù)平均分壓由題意得：第六章6.2 密度為2650kg/m3的球形顆粒在20的空氣中自由沉降

12、，計算符合斯托克斯公式的最大顆粒直徑和服從牛頓公式的最小顆粒直徑（已知空氣的密度為1.205kg/m3，黏度為1.81×10-5Pa·s）。解：如果顆粒沉降位于斯托克斯區(qū)，則顆粒直徑最大時，所以，同時所以，代入數(shù)值，解得m同理，如果顆粒沉降位于牛頓區(qū)，則顆粒直徑最小時，所以，同時所以，代入數(shù)值，解得m6.7 降塵室是從氣體中除去固體顆粒的重力沉降設(shè)備，氣體通過降塵室具有一定的停留時間，若在這個時間內(nèi)顆粒沉到室底，就可以從氣體中去除，如下圖所示?，F(xiàn)用降塵室分離氣體中的粉塵（密度為4500kg/m3），操作條件是：氣體體積流量為6m3/s，密度為0.6kg/m3，黏度為3.0&

13、#215;10-5Pa·s，降塵室高2m，寬2m，長5m。求能被完全去除的最小塵粒的直徑。含塵氣體凈化氣體uiut降塵室圖6-1 習(xí)題6.7圖示解：設(shè)降塵室長為l，寬為b，高為h，則顆粒的停留時間為，沉降時間為，當(dāng)時，顆?？梢詮臍怏w中完全去除，對應(yīng)的是能夠去除的最小顆粒，即因為，所以m/s假設(shè)沉降在層流區(qū)，應(yīng)用斯托克斯公式，得mm檢驗雷諾數(shù)，在層流區(qū)。所以可以去除的最小顆粒直徑為85.7m6.8 采用平流式沉砂池去除污水中粒徑較大的顆粒。如果顆粒的平均密度為2240kg/m3，沉淀池有效水深為1.2m，水力停留時間為1min，求能夠去除的顆粒最小粒徑（假設(shè)顆粒在水中自由沉降，污水的物

14、性參數(shù)為密度1000kg/m3，黏度為1.2 ×10-3Pa·s）。解：能夠去除的顆粒的最小沉降速度為m/s假設(shè)沉降符合斯克托斯公式，則所以m檢驗，假設(shè)錯誤。假設(shè)沉降符合艾倫公式，則所以m檢驗，在艾倫區(qū)，假設(shè)正確。所以能夠去除的顆粒最小粒徑為2.12×10-4m。6.9 質(zhì)量流量為1.1kg/s、溫度為20的常壓含塵氣體，塵粒密度為1800kg/m3，需要除塵并預(yù)熱至400，現(xiàn)在用底面積為65m2的降塵室除塵，試問（1）先除塵后預(yù)熱，可以除去的最小顆粒直徑為多少？（2）先預(yù)熱后除塵，可以除去的最小顆粒直徑是多少？如果達(dá)到與（1）相同的去除顆粒最小直徑，空氣的質(zhì)量流

15、量為多少？（3）欲取得更好的除塵效果，應(yīng)如何對降塵室進(jìn)行改造？（假設(shè)空氣壓力不變，20空氣的密度為1.2kg/m3，黏度為1.81×10-5Pa·s，400黏度為3.31×10-5Pa·s。）解：（1）預(yù)熱前空氣體積流量為，降塵室的底面積為65m2所以，可以全部去除的最小顆粒的沉降速度為假設(shè)顆粒沉降屬于層流區(qū)，由斯托克斯公式，全部去除最小顆粒的直徑為檢驗雷諾數(shù) 假設(shè)正確（2）預(yù)熱后空氣的密度和流量變化為，體積流量為可以全部去除的最小顆粒的沉降速度為同樣假設(shè)顆粒沉降屬于層流區(qū)，由斯托克斯公式，全部去除最小顆粒的直徑為檢驗雷諾數(shù)假設(shè)正確的顆粒在400空氣中的

16、沉降速度為要將顆粒全部除去，氣體流量為質(zhì)量流量為（3）參考答案：將降塵室分層，增加降塵室的底面積，可以取得更好的除塵效果。6.11 用與例題相同的標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器收集煙氣粉塵，已知含粉塵空氣的溫度為200，體積流量為3800 m3/h，粉塵密度為2290 kg/m3，求旋風(fēng)分離器能分離粉塵的臨界直徑（旋風(fēng)分離器的直徑為650mm，200空氣的密度為0.746 kg/m3，黏度為2.60×10-5 Pa·s）。解：標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器進(jìn)口寬度m，進(jìn)口高度m，進(jìn)口氣速m/s所以分離粉塵的臨界直徑為6.12體積流量為1m3/s的20常壓含塵空氣，固體顆粒的密度為1800 kg/m3（空

17、氣的密度為1.205kg/m3，黏度為1.81×10-5Pa·s）。則（1）用底面積為60m2的降塵室除塵，能夠完全去除的最小顆粒直徑是多少？（2）用直徑為600mm的標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵，離心分離因數(shù)、臨界直徑和分割直徑是多少？解：（1）能完全去除的顆粒沉降速度為m/s假設(shè)沉降符合斯托克斯公式，能夠完全去除的最小顆粒直徑為檢驗：，假設(shè)正確。（2）標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器進(jìn)口寬度m，進(jìn)口高度m，進(jìn)口氣速m/s分離因數(shù)臨界粒徑分割直徑6.13 原來用一個旋風(fēng)分離器分離氣體粉塵，現(xiàn)在改用三個相同的、并聯(lián)的小旋風(fēng)分離器代替，分離器的形式和各部分的比例不變，并且氣體的進(jìn)口速度也不變，求每個小旋

18、風(fēng)分離器的直徑是原來的幾倍，分離的臨界直徑是原來的幾倍。解：（1）設(shè)原來的入口體積流量為qV，現(xiàn)在每個旋風(fēng)分離器的入口流量為qV/3，入口氣速不變，所以入口的面積為原來的1/3，又因為形式和尺寸比例不變，分離器入口面積與直徑的平方成比例，所以小旋風(fēng)分離器直徑的平方為原來的1/3，則直徑為原來的所以小旋風(fēng)分離器直徑為原來的0.58倍。（2）由式（6.3.9）由題意可知：、都保持不變，所以此時由前述可知，小旋風(fēng)分離器入口面積為原來的1/3，則為原來的倍所以倍所以分離的臨界直徑為原來的0.76倍。第七章7.3 用過濾機(jī)處理某懸浮液，先等速過濾20min，得到濾液2m3，隨即保持當(dāng)時的壓差等壓過濾40

19、min，則共得到多少濾液（忽略介質(zhì)阻力）？解：恒速過濾的方程式為式（7.2.18a）所以過濾常數(shù)為此過濾常數(shù)為恒速過濾結(jié)束時的過濾常數(shù)，也是恒壓過濾開始時的過濾常數(shù)，在恒壓過濾過程中保持不變，所以由恒壓過濾方程式（7.2.15），所以所以總的濾液量為m37.5 用壓濾機(jī)過濾某種懸浮液，以壓差150kPa恒壓過濾1.6h之后得到濾液25 m3，忽略介質(zhì)壓力，則：（1）如果過濾壓差提高一倍，濾餅壓縮系數(shù)為0.3，則過濾1.6h后可以得到多少濾液；（2）如果將操作時間縮短一半，其他條件不變，可以得到多少濾液？解：（1）由恒壓過濾方程當(dāng)過濾壓差提高一倍時，過濾時間不變時所以m3（2）當(dāng)其他條件不變時，

20、過濾常數(shù)不變，所以由恒壓過濾方程，可以推得，所以所以m37.10 用板框過濾機(jī)恒壓過濾料液，過濾時間為1800s時，得到的總濾液量為8m3，當(dāng)過濾時間為3600s時，過濾結(jié)束，得到的總濾液量為11m3，然后用3m3的清水進(jìn)行洗滌，試計算洗滌時間（介質(zhì)阻力忽略不計）。解：由（7.2.11）得依題意，過濾結(jié)束時所以過濾結(jié)束時m3/s洗滌速度與過濾結(jié)束時過濾速度相同所以洗滌時間為s7.13溫度為38的空氣流過直徑為12.7mm的球形顆粒組成的固定床，已知床層的空隙率為0.38，床層直徑0.61m，高2.44m，空氣進(jìn)入床層時的絕對壓力為111.4kPa，質(zhì)量流量為0.358kg/s，求空氣通過床層的

21、阻力。解：顆粒比表面積查38下空氣密度為1.135 kg/m3，黏度為1.9×10-5Pa·s。空床流速為空氣通過床層的阻力為7.15 某固定床反應(yīng)器，內(nèi)徑為3m，填料層高度為4m，填料為直徑5mm的球形顆粒，密度為2000kg/m3，反應(yīng)器內(nèi)填料的總質(zhì)量為3.2×104kg。已知通過固定床的氣體流量為0.03m3/s，平均密度為38kg/m3，粘度為0.017×10-3 Pa·s，求氣體通過固定床的壓力降。解：顆粒床層的體積為填料的體積為所以床層的空隙率為顆粒的比表面積為氣體通過顆粒床層的流速為由公式（7.3.11），得 所以氣體通過床層的壓

22、力降為8.4Pa7.16. 一個濾池由直徑為4mm的砂粒組成，砂礫球形度為0.8，濾層高度為0.8m，空隙率為0.4，每平方米濾池通過的水流量為12 m3/h，求水流通過濾池的壓力降（黏度為1×10-3 Pa·s）。解：顆粒的比表面積為空床流速所以水流通過濾池的壓力降為第八章8.2吸收塔內(nèi)某截面處氣相組成為，液相組成為，兩相的平衡關(guān)系為，如果兩相的傳質(zhì)系數(shù)分別為kmol/(m2·s)，kmol/(m2·s)，試求該截面上傳質(zhì)總推動力、總阻力、氣液兩相的阻力和傳質(zhì)速率。解：與氣相組成平衡的液相摩爾分?jǐn)?shù)為所以，以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的總傳質(zhì)推動力為同理，與液相

23、組成平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為所以，以液相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的總傳質(zhì)推動力為以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)為 kmol/(m2·s)以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)為 kmol/(m2·s)傳質(zhì)速率 kmol/(m2·s)或者 kmol/(m2·s)以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)分析傳質(zhì)阻力總傳質(zhì)阻力 (m2·s)/kmol其中液相傳質(zhì)阻力為(m2·s)/kmol占總阻力的66.7%氣膜傳質(zhì)阻力為(m2·s)/kmol占總阻力的33.3%8.3用吸收塔吸收廢氣中的SO2，條件為常壓，30，相平衡常數(shù)為，在塔內(nèi)某一截面

24、上，氣相中SO2分壓為4.1kPa，液相中SO2濃度為0.05kmol/m3，氣相傳質(zhì)系數(shù)為kmol/(m2·h·kPa)，液相傳質(zhì)系數(shù)為m/h，吸收液密度近似水的密度。試求：（1）截面上氣液相界面上的濃度和分壓；（2）總傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)推動力和傳質(zhì)速率。解：（1）設(shè)氣液相界面上的壓力為，濃度為忽略SO2的溶解，吸收液的摩爾濃度為kmol/m3溶解度系數(shù) kmol/(kPa·m3)在相界面上，氣液兩相平衡，所以又因為穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)過程，氣液兩相傳質(zhì)速率相等，所以所以由以上兩個方程，可以求得kPa，kmol/m3（2）總氣相傳質(zhì)系數(shù) kmol/(m2·h·

25、;kPa)總液相傳質(zhì)系數(shù)m/h與水溶液平衡的氣相平衡分壓為kPa所以用分壓差表示的總傳質(zhì)推動力為kPa與氣相組成平衡的溶液平衡濃度為kmol/m3用濃度差表示的總傳質(zhì)推動力為kmol/m3傳質(zhì)速率 kmol/(m2·h)或者kmol/(m2·h)8.5 利用吸收分離兩組分氣體混合物，操作總壓為310kPa，氣、液相分傳質(zhì)系數(shù)分別為kmol/(m2·s)、kmol/(m2·s)，氣、液兩相平衡符合亨利定律，關(guān)系式為（p*的單位為kPa），計算：（1）總傳質(zhì)系數(shù)；（2）傳質(zhì)過程的阻力分析；（3）根據(jù)傳質(zhì)阻力分析，判斷是否適合采取化學(xué)吸收，如果發(fā)生瞬時不可逆化

26、學(xué)反應(yīng)，傳質(zhì)速率會提高多少倍？解：（1）相平衡系數(shù)所以，以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)為kmol/(m2·s)以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)為kmol/(m2·s)（2）以液相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動力的總傳質(zhì)阻力為其中液膜傳質(zhì)阻力為，占總傳質(zhì)阻力的99.7%氣膜傳質(zhì)阻力為，占傳質(zhì)阻力的0.3%所以整個傳質(zhì)過程為液膜控制的傳質(zhì)過程。（3）因為傳質(zhì)過程為液膜控制，所以適合采用化學(xué)吸收。如題設(shè)條件，在化學(xué)吸收過程中，假如發(fā)生的是快速不可逆化學(xué)反應(yīng)，并且假設(shè)擴(kuò)散速率足夠快，在相界面上即可完全反應(yīng)，在這種情況下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收過程，此時kmol/(m2·

27、;s)與原來相比增大了426倍8.9 在吸收塔中，用清水自上而下并流吸收混合廢氣中的氨氣。已知?dú)怏w流量為1000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），氨氣的摩爾分?jǐn)?shù)為0.01，塔內(nèi)為常溫常壓，此條件下氨的相平衡關(guān)系為，求：（1）用5 m3/h的清水吸收，氨氣的最高吸收率；（2）用10 m3/h的清水吸收，氨氣的最高吸收率；（3）用5 m3/h的含氨0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的水吸收，氨氣的最高吸收率。解：（1）氣體的流量為mol/s液體的流量為mol/s假設(shè)吸收在塔底達(dá)到平衡則，所以所以最大吸收率為（2）氣體的流量為mol/s液體的流量為mol/s假設(shè)吸收在塔底達(dá)到平衡則，所以所以最大吸收率為（3）吸收劑中氨的摩爾

28、分?jǐn)?shù)為假設(shè)吸收在塔底達(dá)到平衡則，所以所以最大吸收率為8.10 用一個吸收塔吸收混合氣體中的氣態(tài)污染物A，已知A在氣液兩相中的平衡關(guān)系為，氣體入口濃度為，液體入口濃度為，（1）如果要求吸收率達(dá)到80%，求最小氣液比；（2）溶質(zhì)的最大吸收率可以達(dá)到多少，此時液體出口的最大濃度為多少？解：（1）氣相入口摩爾比，液相入口摩爾比吸收率，所以，所以，最小液氣比（2）假設(shè)吸收塔高度為無窮大，求A的最大吸收率當(dāng)液氣比，操作線與平衡線重合，氣液兩相在塔頂和塔底都處于平衡狀態(tài)。吸收率此時液相出口濃度當(dāng)液氣比，操作線與平衡線在塔頂點(diǎn)相交，即液相進(jìn)口濃度與氣相出口濃度平衡。吸收率此時液相出口濃度與相比，吸收率達(dá)到同樣

29、大小，但是液相出口濃度要低。當(dāng)液氣比，操作線與平衡線在塔底點(diǎn)相交，即液相出口濃度與氣相進(jìn)口濃度平衡。此時液相出口濃度吸收率與相比，液相出口濃度達(dá)到同樣大小，但是吸收率要低。8.11 在逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合廢氣中的組分A，入塔氣體溶質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為0.01，已知操作條件下的相平衡關(guān)系為，吸收劑用量為最小用量的1.5倍，氣相總傳質(zhì)單元高度為1.2m，要求吸收率為80%，求填料層的高度。解：已知傳質(zhì)單元高度，求得傳質(zhì)單元數(shù)，即可得到填料層高度。塔底：塔頂：，操作過程的液氣比為吸收因子所以，傳質(zhì)單元數(shù)為 所以填料層高度為m第九章9.1 25，101.3kPa下，甲醛氣體被活性炭吸附的平衡數(shù)據(jù)

30、如下：q/ g(氣體)g(活性炭)-100.10.20.30.35氣體的平衡分壓 /Pa02671600560012266試判斷吸附類型，并求吸附常數(shù)。如果25，101.3kPa下，在1L的容器中含有空氣和甲醛的混合物，甲醛的分壓為12kPa，向容器中放入2g活性炭，密閉。忽略空氣的吸附，求達(dá)到吸附平衡時容器內(nèi)的壓力。解：由數(shù)據(jù)可得吸附的平衡曲線如下圖9-1 習(xí)題9.1圖中吸附平衡線由上述的平衡曲線，可以判斷吸附可能是Langmuir或Freundlich型。由，整理數(shù)據(jù)如下1/q1053.32.861/p0.003740.000620.000180.00008作1/q和1/p的直線圖9-2

31、習(xí)題9.1圖中1/q1/p的關(guān)系曲線由，整理數(shù)據(jù)如下：lnp5.597.388.639.41lnq-2.30-1.61-1.20-1.05作lnq和lnp的直線圖9-3 習(xí)題9.1圖 lnq和lnp的關(guān)系曲線由以上計算可知，用Freundlich等溫方程擬合更好一些。同時計算參數(shù)如下：1/n=0.3336，n=3，lnk=-4.1266，k=0.016，所以等溫線方程為題設(shè)條件下，甲醛的物質(zhì)的量為mol質(zhì)量為g假設(shè)達(dá)到吸附平衡時吸附量為q，則此時的壓力為將代入，可以求得Pa所以此時甲醛的平衡分壓已經(jīng)很低，如果忽略的話，可以認(rèn)為此時容器內(nèi)的壓力為kPa9.2 現(xiàn)采用活性炭吸附對某有機(jī)廢水進(jìn)行處理

32、，對兩種活性炭的吸附試驗平衡數(shù)據(jù)如下：平衡濃度COD /(mgL-1)10050010001500200025003000A吸附量/ mgg(活性炭)-155.6192.3227.8326.1357.1378.8394.7B吸附量/mgg(活性炭)-147.6181.8294.1357.3398.4434.8476.2試判斷吸附類型，計算吸附常數(shù)，并比較兩種活性炭的優(yōu)劣。解：由數(shù)據(jù)可得吸附的平衡曲線如下：Langmuir吸附等溫線方程為，變形后可得，整理數(shù)據(jù)如下：r10050010001500200025003000r/q(A)1.802.604.394.605.606.607.60r/q(B

33、)2.102.753.404.205.025.756.30作r/q和r的直線圖9-4 習(xí)題9.2圖吸附等溫線r/q r圖9-5 習(xí)題9.2圖 r/q和r的關(guān)系曲線由直線可知，用Langmuir吸附等溫線方程可以很好地擬合吸附曲線。分別求得方程的常數(shù)為活性炭A： 1/qm=0.0019，qm=526，1/k1qm=1.8046，k1=0.00105活性炭B： 1/qm=0.0015，qm=667，1/k1qm=1.9829，k1=0.00076比較兩種活性炭的吸附平衡常數(shù)，可以看到B的飽和吸附量要大于A，比表面積較大，吸附容量比較大；而A的吸附系數(shù)比較大，吸附的性能較好。9.3 有一初始濃度（比

34、質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為Y0的流體，要求用吸附劑將其濃度降低到Y(jié)2（對應(yīng)的固體相的吸附質(zhì)比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為X2）。試證明：兩級錯流吸附比單級吸附節(jié)約吸收劑。證明：對單級吸附，由物料衡算有所以吸附劑的用量為對于二級錯流吸附，第一級吸附劑用量為，一級流出流體的濃度為，第一級吸附劑用量為，一級流出流體的濃度為假設(shè)兩級所用吸附劑總量為，兩級的物料衡算方程分別為兩式相加，并且設(shè)可得，因為所以即所以上式即為第十章10.1 用H型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂去除質(zhì)量濃度為5%的KCl溶液，交換平衡時，從交換柱中交換出來的H離子的摩爾分?jǐn)?shù)為0.2，試計算K離子的去除率。已知=2.5，溶液密度為1025 kg/m3。解：溶液中K+的摩爾

35、濃度為K+=mol/L所以K離子的去除率為10.2用H型強(qiáng)酸性陽離子樹脂去除海水中的Na+、K+離子（假設(shè)海水中僅存在這兩種陽離子），已知樹脂中H+離子的濃度為0.3mol/L，海水中Na+、K+離子的濃度分別為0.1mol/L和0.02mol/L，求交換平衡時溶液中Na+、K+離子的濃度。已知，。解：，同時，聯(lián)立以上幾式，求得，所以平衡時溶液中的濃度Na+為0.0162 mol/L，K+為0.00046 mol/L10.3 某強(qiáng)堿性陰離子樹脂床，床層空隙率為0.45，樹脂顆粒粒度為0.25mm，孔隙率為0.3，樹脂交換容量為2.5mol/m3，水相原始濃度1.2mol/m3，液相與樹脂相離子

36、擴(kuò)散系數(shù)分別為m2/h、 m2/h，溶液通過樹脂床的流速為4m/h。試判斷屬哪種擴(kuò)散控制。解：彼克來準(zhǔn)數(shù)Vermeulen準(zhǔn)數(shù)所以屬于液膜擴(kuò)散控制。第十一章11.1根據(jù)間歇操作、半間歇操作及連續(xù)操作的特點(diǎn)，畫出在下列反應(yīng)器中或反應(yīng)器出口處反應(yīng)物A的濃度隨時間（或位置）的變化曲線。圖11-1 習(xí)題11.1圖示(a)間歇反應(yīng)器(t=0,cA=cA0)；(b)半間歇反應(yīng)器(t=0,cA=cA0,cB=0)； (c)槽式連續(xù)反應(yīng)器；(d)管式連續(xù)反應(yīng)器（給出cA隨位置的變化）；(e)三級串聯(lián)槽式連續(xù)反應(yīng)器（給出 cA1，cA2，cA3隨時間的變化）解： (a) (b) (c)(d) (e)圖11-2

37、習(xí)題11.1圖中各類反應(yīng)器中A的濃度隨時間的變化曲線11.2 對于按反應(yīng)式(1)和(2)進(jìn)行的平行串聯(lián)反應(yīng)，設(shè)反應(yīng)開始時系統(tǒng)中的總摩爾數(shù)為n0，A、B、Q、P的摩爾數(shù)分別為：nA0、nB0、nQ0、nP0，A和B的摩爾分?jǐn)?shù)分別為zA0和zB0。試給出t時刻時A和B的摩爾分?jǐn)?shù)zA和zB以及A在反應(yīng)(1)和(2)的轉(zhuǎn)化率xA1和xA2之間的關(guān)系。A+B=Q (1)A+2Q=P (2)解：對于反應(yīng)式（1）（2）有其中： 所以，t時刻時A和B的摩爾分?jǐn)?shù)為11.3 氣態(tài)NH3在常溫高壓條件下的催化分解反應(yīng)2NH3=N2+3H2可用于處理含NH3廢氣。 現(xiàn)有一NH3和CH4含量分別為95 和5的氣體，通過

38、NH3催化分解反應(yīng)器后氣體中NH3的含量減少為3，試計算NH3的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器出口處N2、H2和CH4的摩爾分?jǐn)?shù)。（CH4為惰性組分，不參與反應(yīng)）解：在氣相反應(yīng)中，NH3分解膨脹因子為將已知數(shù)據(jù)；代入式11.2.28可得：根據(jù)題意：，由表11.2-1可得：11.5 在連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的恒容平行反應(yīng)(1)和(2)，當(dāng)原料中（反應(yīng)器進(jìn)口）的A、B濃度均為3000mol/m3時，出口反應(yīng)液中的A、R的濃度分別為250mol/m3和2000mol/m3。試計算反應(yīng)器出口處的A的轉(zhuǎn)化率以及B和S的濃度（原料中不含R和S）。A+B=R (1)2A=R+S (2)解：在反應(yīng)式（1）和（2）中，設(shè)A的轉(zhuǎn)化率分

39、別為xA1和xA2則有將題中數(shù)據(jù)cA03000 mol/m3；cA250 mol/m3；cR00 mol/m3；cR2000 mol/m3代入，求解方程可得xA10.417；xA20.5所以反應(yīng)器出口處A的轉(zhuǎn)化率為xAxA1xA20.4170.50.917B的濃度為 cBcB0cA0xA11749 mol/m3S的濃度為 cScS0+cS0xA2/2750 mol/m311.7 對于由反應(yīng)(1)和(2)構(gòu)成的復(fù)雜反應(yīng)，試給出反應(yīng)組分A、B、Q、P的反應(yīng)速率-rA、-rB、rQ、rP與反應(yīng)(1)和(2)的反應(yīng)速度r1和r2的關(guān)系。A+2B=Q (1)A+Q=P (2)解：根據(jù)反應(yīng)式（1）和（2）

40、的計量方城可得rA=r1+r2；rB=2r1；rQ=r1r2；rPr211.8 微生物反應(yīng)一般在常溫附近進(jìn)行時，其反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度的關(guān)系可以用下式表示：式中：k2020時的反應(yīng)速率常數(shù)；溫度變化系數(shù)；t溫度，。試給出與Arrhenius公式中活化能Ea的關(guān)系式。解：由可得（將溫度變?yōu)榻^對溫度）根據(jù)式11.3.31可知代入可得變形可得即第十二章13.1在等溫恒容間歇式反應(yīng)器中進(jìn)行以下反應(yīng)。反應(yīng)開始時A和B的濃度均為2kmol/m3，目標(biāo)產(chǎn)物為P，試計算反應(yīng)時間為3h時A的轉(zhuǎn)化率。, , 解：根據(jù)反應(yīng)式有代入恒容恒溫條件下的間歇反應(yīng)器的基本方程可得 積分得解得將已知數(shù)據(jù)代入上式，有所以A組分濃

41、度A組分轉(zhuǎn)化率xA99.88注：該題亦可以求P的收率，但是太麻煩。故未作為提問。具體解法如下：將除于則有所以解得所以P的收率為13.4在CSTR反應(yīng)器中，A被轉(zhuǎn)化成C，反應(yīng)速率方程為-rA (mol×L-1×s-1)= 0.15cA (1)假定流量為100L/s，A的初始濃度cA0為0.10mol/L，轉(zhuǎn)化率xA為90。試求所需反應(yīng)器的體積。(2)設(shè)計完成時，工程師發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)級數(shù)應(yīng)該是0級而不是1級。速率方程應(yīng)該為：-rA= 0.15 mol/(L×s)試問這對反應(yīng)的設(shè)計有何影響？解：（1）對于一級反應(yīng)，在CSTR反應(yīng)器中有反應(yīng)器體積（2）對于0級反應(yīng)，在CSTR

42、反應(yīng)器中有所需反應(yīng)器體積13.6 某反應(yīng)器可將污染物A轉(zhuǎn)化成無害的物質(zhì)C，該反應(yīng)可視為一級反應(yīng)，速率常數(shù)k為1.0 h-1，設(shè)計轉(zhuǎn)化率xA為99。由于該反應(yīng)器相對較細(xì)長，設(shè)計人員假定其為平推流反應(yīng)，來計算反應(yīng)器參數(shù)。但是，反應(yīng)器的攪拌裝置動力較強(qiáng)，實際的混和已滿足完全混和流反應(yīng)器要求。已知物料流量為304.8m3/h，密度為1.00kg/L；反應(yīng)條件穩(wěn)定且所有的反應(yīng)均發(fā)生在反應(yīng)器中。(1)按照PFR來設(shè)計，反應(yīng)器體積為多少，得到的實際轉(zhuǎn)化率為多少？(2)按照CSTR來設(shè)計，反應(yīng)器體積又為多少？解：（1）對于一級反應(yīng)，在PFR反應(yīng)器中有可得1·ln100，即4.6 h所以反應(yīng)器體積為V

43、qV1403m3該反應(yīng)器實際為CSTR反應(yīng)器，則有，計算可得cA0.179cA0所以實際轉(zhuǎn)化率xA82.1（2）對于一級反應(yīng)，在CSTR反應(yīng)器中有1·1001計算可得99 h所以反應(yīng)器體積VqV30175m3第十四章14.4 某一級不可逆氣固相催化反應(yīng)，當(dāng)cA10-2mol/L，0.1013MPa及400時，其反應(yīng)速率為-rAkcA10-6mol/(s×cm3)，如果要求催化劑內(nèi)擴(kuò)散對總速率基本上不發(fā)生影響，問催化劑粒徑如何確定(已知De10-3cm2/s)。解：對于一級氣固相催化反應(yīng)有rAkcA要求催化劑中內(nèi)擴(kuò)散對總速率基本上不發(fā)生影響則有，取0.3則有：所以，催化劑粒徑

44、14.8 氨與H2SO4的反應(yīng)為瞬時反應(yīng)，若氨的分壓為0.006MPa，硫酸濃度為0.4kmol/m3，試計算氨的吸收速率。已知：kG3.5kmol/(m3×MPa)，kL0.005m/h，氨在硫酸溶液中的溶解度系數(shù)HA為750kmol/(m3×MPa)，假定硫酸和氨的液相擴(kuò)散系數(shù)相等。氨與硫酸的反應(yīng)為: 解：根據(jù)題中數(shù)據(jù)有，硫酸的臨界濃度而cBl0.4kmol/m3<。因此，計算氣液反應(yīng)速率時，需同時考慮氣膜及液膜阻力。該反應(yīng)為瞬間反應(yīng)，所以氨的吸收速率與氨的擴(kuò)散速率相同第十五章12.3液相反應(yīng)A B在一間歇反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，于不同時間測得反應(yīng)器內(nèi)A的濃度如下表所示，試

45、求該反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)。t /min0204080120A/(mg·L-1)9072573632解：假設(shè)零級反應(yīng)rA=k，即dA/dt=k，A=kt+A0。根據(jù)表中數(shù)據(jù)做At的曲線如下，發(fā)現(xiàn)沒有線性關(guān)系，假設(shè)錯誤！圖12-2 習(xí)題12.3中At的關(guān)系曲線假設(shè)一級反應(yīng)rA=kA，即dA/dt=kA，lnA=kt+lnA0。根據(jù)表中數(shù)據(jù)做lnAt的曲線如下，發(fā)現(xiàn)有線性關(guān)系lnA=4.44-0.0087t，R= 0.9934。圖12-3 習(xí)題12.3中 lnAt的關(guān)系曲線假設(shè)二級反應(yīng)rA=kA2，即dA/dt=kA2，1/A=kt+1/A0。根據(jù)表中數(shù)據(jù)做1/At的曲線如下，發(fā)現(xiàn)

46、有線性關(guān)系1/A=0.0108-0.000176t，R為0.999。圖12-4 習(xí)題12.3中1/At的關(guān)系曲線經(jīng)比較可得，該反應(yīng)為二級反應(yīng)。12.4污染物A在一平推流反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生液相分解反應(yīng)，不同停留時間時反應(yīng)器出口處A的濃度如下表所示，試分別采用積分法和微分法求該反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)。/min05101520A /mg·L112538.523.316.112.5解：（1）積分法：假設(shè)該液相分解反應(yīng)為一級反應(yīng)rA=kA，則有klnA0-lnA。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，計算lnA值，并做lnA曲線/min05101520lnA4.83 3.65 3.15 2.78 2.53 圖12-5 習(xí)題12.4中l(wèi)nA的關(guān)系曲線假設(shè)該液相分解反應(yīng)為二級反應(yīng)，則有1/Ak-1/A0根據(jù)表中數(shù)據(jù)，計算1/A值，并做1/A曲線/min051015201/A / (L·mg1)0.008 0.026 0.043 0.062 0.080 圖12-6 習(xí)題12.4中1/A的關(guān)系曲線擬和得1/A0.00360.0078，R0.9