化工原理杨祖荣1-7章习题答案(完美排版).doc

目 录

第一章 流体流动与输送机械·····················································（2）
第二章 非均相物系分离·························································（32）
第三章 传热···································································（42）
第四章 蒸发···································································（69）
第五章 气体吸收·······························································（73）
第六章 蒸馏···································································（95）
第七章 固体干燥·······························································（119）

第三章 传热
1、某加热器外面包了一层厚为300mm的绝缘材料，该材料的导热系数为0.16W/（m×℃），已测得该绝缘层外缘温度为30℃，距加热器外壁250mm处为75℃，试求加热器外壁面温度为多少？
解：

2、某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成；
耐火砖 b1=230mm， l1=1.05 W/(m·℃)
绝热砖 b2=230mm， l2=0.151W/(m·℃)
建筑砖 b3=240mm， l3=0.93W/(m·℃)
已知耐火砖内侧温度为1000℃，耐火砖与绝热砖界面处的温度为940℃，要求绝热砖与建筑砖界面处的温度不得超过138℃，试求：
（1） 绝热层需几块绝热砖；
（2） 普通砖外侧温度为多少？
解：（1）b2=?

230mm<b2=442mm<230×2mm
则：绝热层需两块绝热砖。
校核t2=?

（2）t4=?

习题3-3 附图
3、Φ50×5㎜的不锈钢管，导热系数λ1＝16Ｗ／（ｍ·Ｋ），外面包裹厚度为30mm导热系数λ２＝0.2W/（ｍ·Ｋ）的石棉保温层。若钢管的内表面温度为623Ｋ，保温层外表面温度为373Ｋ，试求每米管长的热损失及钢管外表面的温度。
解：已知钢管的内半径
　　　　钢管的外半径
　　　　保温层的外半径
根据式（3-12a），每米管长的热损失

由于是定态热传导，故各层传导的热量应该相等，可得到钢管外表面的温度t2。

4、Φ60×3㎜的铝合金管（导热系数近似按钢管选取），外面依次包有一层30mm的石棉和30mm的软木。石棉和软木的导热系数分别为0.16Ｗ／（ｍ·Ｋ）和0.04Ｗ／（ｍ·Ｋ）（管外涂防水胶，以免水汽渗入后发生冷凝及冻结）。
（1）已知管内壁温度为-110℃，软木外侧温度为10℃，求每米管长上损失的冷量；
（2）计算出钢、石棉及软木层各层热阻在总热阻中所占的百分数；
（3）若将两层保温材料互换（各层厚度仍为30mm），钢管内壁面温度仍为 -110℃，作为近似计算，假设最外层的石棉层表面温度仍为10℃。求此时每米管长损失的冷量。
提示：保温层互换后，保温层外壁面与空气间的对流传热膜系数与互换前相同。
解：(1)

每米管长损失的冷量：

(2)

各层热阻在总热阻中所占的分数：

由以上计算可知钢管热阻很小，且。
(3) 若将互换，厚度不变，且认为不变。

以上计算可以看出，将保温性能好的材料放在里层，保温或保冷效果好。但此计算不严格，因为保冷好，则t4应增大，即。
习题5附图
5、欲测某绝缘材料的导热系数，将此材料装入附图所示的同心套管间隙内。已知管长l=1.0m. r1=10mm, r2=13mm, r3=23mm, r4=27mm。在管内用热电偶加热，当电热功率为1.0kW时，测得内管的内壁温度为900℃，外管的外壁温度为100℃，金属管壁的导热系数为50W/（ｍ·Ｋ），试求绝缘材料的导热系数。若忽略壁阻，会引起多大的误差？
解：按题意求得：

内管壁的热阻为：
外管壁的热阻为：
通过多层管壁的热流量为：

则：l2=0.114 W/（ｍ·Ｋ）。
若忽略两侧金属壁的热阻，则

则：l¢2=0.114 W/（ｍ·Ｋ）。
由于金属壁的热阻远小于绝缘材料的热阻，在实验精度范围内，金属壁的热阻可以忽略。

6、冷却水在Φ25×2.5㎜，长为2m的钢管中以1m/s的流速通过。冷却水的进、出口温度为20℃和50℃，求管壁对水的对流传热系数？
解：定性温度
查得水在35℃时的物性参数：

管内径为：d=25-2´2.5=20mm=0.02m
湍流

水被加热，k=0.4，得：

7、一列管式换热器，由38根Φ25×2.5㎜的无缝钢管组成，苯在管内以8.32kg/s的流速通过，从80℃冷却至20℃。求苯对管壁的对流传热系数；若流速增加一倍，其他条件不变，对流传热系数又有何变化？
解：定性温度
查得苯在50℃时的物性参数：

管内径为：d=25-2´2.5=20mm=0.2m

湍流

苯被冷却，k=0.3，则：

（2）流速增加一倍，u¢=2u，其他条件不变
由于
所以
8、质量分数为98%，密度r=1800kg/m3的硫酸，以1m/s的流速在套管换热器的内管中被冷却，进、出口温度分别为90℃和50℃，内管直径为Φ25×2.5㎜。管内壁平均温度为60℃。试求硫酸对管壁的对流传热系数。
已知70℃硫酸的物性参数如下：

壁温60℃时的硫酸黏度
（1267 W/（m2·℃））
解：定性温度
查得硫酸在70℃时的物性参数：

壁温60℃时的硫酸黏度
因为黏度较大，故用式（3-16）计算

过渡流

过渡流校正

9、原油在Φ89×6㎜的管式炉对流段的管内以0.5m/s的流速流过而被加热，管长6m。已知管内壁温度为150℃，原油的平均温度为40℃。试求原油在管内的对流传热系数。
已知原油的物性参数为：
原油150℃时的黏度
解：原油在管内流动的Re
（层流）
（0.6<Pr<6700）

所以原油在管内的对流传热系数用式（3-19）计算

由于

所以对流传热系数需校正

10、铜氨溶液在由四根Φ45×3.5 ㎜钢管并联的蛇管中由38℃冷却至8℃，蛇管的平均曲率半径为0.285 m。已知铜氨溶液的流量为2.7m3/h，黏度为2.2×10-3Pa×s，密度为1200km/m3，其余物性常数可按水的0.9倍选用，试求铜氨溶液的对流传热系数。
解∶定性温度
查得水在23℃时的物性参数，并折算为铜氨液的物性：

四组蛇管并联的横截面积：

过渡区

铜氨液被冷却，k=0.3，则：

过渡流需校正

弯管校正

11、有一列管式换热器，外壳内径为190mm，内含37根Φ19×2 ㎜的钢管。温度为12℃，压力为101.3kPa的空气，以10m/s的流速在列管式换热器管间沿管长方向流动，空气出口温度为30℃。试求空气对管壁的对流传热系数。
解：定性温度
查得空气在21℃时的物性参数：

湍流

空气被加热，k=0.4，则：

12、在接触氧化法生产硫酸的过程中，用反应后高温的SO3混合气预热反应前气体。常压SO3混合气在一由Φ38×3 ㎜钢管组成、壳程装有圆缺型挡板的列管换热器壳程流过。已知管子成三角形排列，中心距为51mm，挡板间距为1.45m，换热器壳径为Φ2800；又SO3混合气的流量为4×104m3/h，其平均温度为145℃.若混合气的物性可近似按同温度下的空气查取，试求混合气的对流传热系数（考虑部分流体在挡板与壳体之间短路，取系数为0.8）
解：本题为列管式换热器管外强制对流传热，对流传热系数按式3-25计算

管子正三角形排列时，
管外流体流过的最大截面积Smax计算：

管外流体的流速
定性温度 下查得空气的物性参数：

因气体黏度变化较小，故，由因部分流体在单板与壳体之间隙短路，取实际对流传热系数为计算值的0.8倍

13、在油罐中装有水平放置的水蒸气管，以加热罐中的重油。重油的平均温度为20℃，水蒸气管外壁的平均温度为120℃，管外径为60mm。已知70℃时的重油物性数据如下：
ρ=900kg/m3 λ=0.175W/(m×℃)
cp=1.88kJ/(kg×℃) ν=2×10-3m2/s
β=3×10-4 ℃-1
试求水蒸气管对重油每小时每平方米的传热量kJ/（m2·h）?
解：
则

查表3-4， 得C=0.54， n=1/4，于是

所以水蒸气管对重油每小时每平方米的传热量

14、压强为4.76´105Pa的饱和水蒸气，在外径为100mm，长度为0.75m的单根直立圆管外冷凝。管外壁温度为110℃。
试求（1）圆管垂直放置时的对流传热系数；（2）管子水平放置时的对流传热系数；
（3）若管长增加一倍，其他条件均不变，圆管垂直放置时的平均对流传热系数。
解：压强为4.76´105Pa的饱和蒸汽温度为150℃，
此时水蒸气的汽化潜热r=2119kJ/kg
冷凝液定性温度膜温，查130℃时水的物性参数

(1)管垂直放置时
假设液膜中的液体作层流流动，由式3-31计算平均对流传热系数

验证Re：

所以假设层流是正确的。
（3）管水平放置
由式（3-29）和式（3-31）可得单管水平放置和垂直放置时的对流传热系数a¢和a的比值为

所以单根管水平放置时的对流传热系数为：

（3）管长为0.75m时，液膜流动的Re=1608，故管长增加一倍后，液膜成湍流状态。此时的对流传热系数为：

所以

因此当液膜从层流转变为湍流时，冷凝对流传热系数急剧增加。

15、载热体流量为1500kg/h，试计算以下各过程中载热体放出或得到的热量。
（1）100℃的饱和水蒸气冷凝成100℃的水；
（2）110℃的苯胺降温至10℃；
（3）比热为3.77kJ/(kg·K)的NaOH溶液从370K冷却到290K；
（4）常压下150℃的空气冷却至20℃；
（5）压力为147.1kPa的饱和水蒸气冷凝后并降温至50℃。
解：（1） 查饱和水蒸气 汽化潜热r=2258kJ/kg

（2） 定性温度，查60℃时苯胺的物性参数

（3）
（4）定性温度，查85℃时空气的物性参数

（5）压力为147.1kPa的水的饱和温度为 汽化潜热r=2230.1kJ/kg
定性温度，查80.4℃时水的物性参数

16、每小时8000m3（标准状况）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1.25kg/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120
60
40
15
80
45
时平均温度差为

120
60
15
40
105
20
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
100
40
32
15
68
25

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f180´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
90
60
50
20
40
40
℃

（3）并流时平均温度差为
90
60
20
50
70
10

21、在一内管为f25´2.5mm的套管式换热器中，CO2气体在管程流动，对流传热系数为40 W/(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=0.53´10-3 (m2×K/W)
管外水侧热阻 Rs1=0.21´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a¢2=80W/(m2×K)

总传热系数增加92.8%
（3）若管外水的对流传热系数增大一倍，a¢1=6000W/(m2×K)

总传热系数增加0.7%

22、在一内管为f25´2.5mm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1.25kg/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=1.9kJ/(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
350
300
320
290
30
10

基于外表面积的总传热系数K1

23、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f 25×2.5mm，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351.6kJ/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

A
t/℃
Q1,A1
Q2,A2
K1
K2
t
46
32
10
5

对于冷凝段

则
46
46
32
7.45
14
38.55

46
10
7.45
5
38.55
5

此换热器可满足生产要求。
传热面积富裕

25、由f25´2.5mm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a2=300 W/(m2×℃)，水侧a1=104 W/(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：226.4℃
575
472
226.4
226.4
348.6
245.6

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，重新设计了一台新换热器，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
，

，

(湍流)

120
120
26
86
94
34
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)
120
120
26

94

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0.91；
（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e 1=0.8，石灰粉刷壁面的黑度e 2=0.15
（1）由于炉门被极大的四壁包围，由表3-9知
j=1，A=A1=3.14´0.05´10=1.57m2，
C1-2=e 1C0=0. 8´5.669=4.535W/（m2×K4）
所以

（2）查红砖e2=0.93，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e=0.8，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f108´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350 W/(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0.058 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=q

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
828.6
1.841
3.52×10-4
0.129
循环水
992.3
4.174
0.67×10-3
0.633
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/s
② 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
80
55
43
35
37
20
℃
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-1.6-22, 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/mm2
400
1.6
2
1
φ25×2.5
23.2
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
3
102
正三角形
32
150
圆缺型

(2)校核总传热系数K
①管程对流传热系数a2
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a1，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　，　　㎡·℃／Ｗ
④总传热系数K
管壁热阻可忽略，总传热系数K为

K=526.2Ｗ／(㎡×℃)
⑤ 传热面积A
m2
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-1.6-22

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101.3kPa,溶液的沸点为115℃，比热容为3.9kJ/(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：
（1） 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2747.8和2701.3kJ/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1 kg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60 kPa（绝）压力下的沸点。

解：

T‘查 蒸汽在600kPa下的饱和温度为85.6℃，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35.7％（质分数），密度为1300kg/m3，若液面平均深度为1.8m，加热室用0.2MPa（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=101.3kPa, T‘=100℃,r’=2677.2 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=1.128´103kPa时,对应的饱和蒸汽温度 Tpav=102.7℃
℃
(3)取℃
(4)溶液的沸点
℃
则传热的有效温度差为：
0.4MkPa（表压）饱和蒸汽的饱和蒸汽温度 T=133.4℃
℃

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3.76kJ/kg。加热蒸汽用蒸气压力为500 kPa（绝），冷凝器压力为51.3kPa，各效传热面积相等，已知一、二效传热系数分别为K1=2000 W/(m2·K)，K２=1200 W/(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=500-224.4=275.6 kPa
p3=51.3kPa
查第一效p1=275.6 kPa下饱和水蒸气的饱和蒸汽温度 T1=130.2℃，其r1=2724.2 kJ/kg
查第二效p2=51.3 kPa下饱和水蒸气的饱和蒸汽温度 T2=81.8℃，其r2=2645.3 kJ/kg
查加热蒸汽p=500kPa下, 饱和温度T=151.7℃,r=2752.8 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

m2
m2
(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
=69.5
且
经处理可得：
m2
则 ℃，℃
2）重新调整压降
，则 ℃
其对应的饱和压力=244.3kPa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=0.10
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2.875×10－2kmol/m3，鼓泡器内总压为101.3kPa，水温30℃，溶液密度为1000 kg/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101.3kPa，温度30℃下，含CO2 20％（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1.88×105kPa
CO2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2 m3密闭贮槽，当混合气通入量为1 m3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1.66×105kPa。
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93.3％，溶液出口浓度为0.012（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101.3kPa，温度30℃的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：
（1） 从液相分析SO2的传质方向；
（2） 从气相分析，其他条件不变，温度降到0℃时SO2的传质方向；
（3） 其他条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa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101.3kPa，温度30℃条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa
所以 47.88
从液相分析
< x=0.01
故SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。
（2）查得在总压101.3kPa，温度0℃的条件下，SO2在水中的亨利系数E=1670kPa
=16.49
从气相分析
y*=mx=16.49×0.01=0.16<y=0.3
故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。
（3）在总压202.6kPa，温度30℃条件下，SO2在水中的亨利系数E=4850kPa
=23.94
从气相分析
y*=mx=23.94×0.01=0.24<y=0.3
故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。

以液相摩尔分数表示的吸收推动力为:
∆x=x*－x=0.0125－0.01=0.0025
以气相摩尔分数表示的吸收推动力为:
∆y= y － y*=0.3－0.24=0.06
扩散与单相传质
7．在温度为20℃、总压为101.3kPa的条件下，SO2与空气混合气缓慢地沿着某碱溶液的液面流过，空气不溶于该溶液。SO2透过1mm厚的静止空气层扩散到溶液中，混合气体中SO2的摩尔分率为0.2，SO2到达溶液液面上立即被吸收，故相界面上SO2的浓度可忽略不计。已知温度20℃时，SO2在空气中的扩散系数为0.18cm2/s。试求SO2的传质速率为多少？
解 : SO2通过静止空气层扩散到溶液液面属单向扩散，已知：SO2在空气中的扩散系数D=0.18cm2/s=1.8×10-5m2/s
扩散距离z=1mm=0.001m，气相总压p=101.3kPa
气相主体中溶质SO2的分压pA1=p·yA1=101.3×0.2=20.26kPa
气液界面上SO2的分压pA2=0
所以，气相主体中空气（惰性组分）的分压pB1=p－pA1=101.3－20.26=81.04kPa
气液界面上的空气（惰性组分）的分压pB2=p－pA2=101.3－0=101.3kPa
空气在气相主体和界面上分压的对数平均值为：
=

=
=1.67×10-4kmol/(m2·s)
8．在总压为100kPa、温度为30℃时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数=3.84×10-6 kmol/（m2·s·kPa），液相传质系数=1.83×10-4 m/s，假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05，x=0.01时
（1） 以（）、（）表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；
（2） 分析该过程的控制因素。
解：（1）根据亨利定律
相平衡常数
溶解度常数
以气相分压差（）表示总推动力时：
=100×0.05-134×0.01=3.66kPa
=
kmol/（m2·s·kPa）
=3.66×10-6×3.66=1.34×10-5 kmol/（m2·s）
以（）表示的传质总推动力时：
kmol/m3
=0.4146×100×0.05－0.56=1.513 kmol/m3

=8.8×10-6×1.513=1.3314×10-5 kmol/（m2·s）
（2）与（）表示的传质总推动力相应的传质阻力为273597（m2·s·kPa）/ kmol；
其中气相阻力为m2·s·kPa/ kmol；
液相阻力m2·s·kPa/ kmol；
气相阻力占总阻力的百分数为。
故该传质过程为气膜控制过程。
9．若吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线，界面上气液两相平衡，推导出KL与kL、kG的关系。
解：因吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线

界面上气液两相平衡 的关系式
由 得
（1）
由得

（2）
由得
（3）
（2）式＋（3）式，并与（1）式比较得

吸收过程设计型计算
10．用20℃的清水逆流吸收氨－空气混合气中的氨，已知混合气体总压为101.3 kPa，其中氨的分压为1.0133 kPa，要求混合气体处理量为773m3/h，水吸收混合气中氨的吸收率为99％。在操作条件