课后答案(作业)

第四章 4.2 某平壁材料的导热系数 W/(m·K)， T 的单位为℃。若已知通过平壁的热通量为q W/m2，平壁内表面的温度为。试求平壁内的温度分布。 解：由题意，根据傅立叶定律有 q＝－λ·dT/dR 即 q＝－λ0（1＋αT）dT/dR 分离变量并积分 整理得 此即温度分布方程 4.3 某燃烧炉的炉壁由500mm厚的耐火砖、380mm厚的绝热砖及250mm厚的普通砖砌成。其λ值依次为1.40 W/(m·K)，0.10 W/(m·K)及0.92 W/(m·K)。传热面积A为1m2。已知耐火砖内壁温度为1000℃，普通砖外壁温度为50℃。 （1）单位面积热通量及层与层之间温度； （2）若耐火砖与绝热砖之间有一2cm的空气层，其热传导系数为0.0459 W/(m·℃)。内外壁温度仍不变，问此时单位面积热损失为多少？ 解：设耐火砖、绝热砖、普通砖的热阻分别为r1、r2、r3。 （1）由题易得 r1＝＝＝0.357 m2·K/W r2＝3.8 m2·K/W r3＝0.272·m2 K /W 所以有 q＝＝214.5W/m2 由题 T1＝1000℃ T2＝T1－QR1 ＝923.4℃ T3＝T1－Q（R1＋R2） ＝108.3℃ T4＝50℃ （2）由题，增加的热阻为 r’＝0.436 m2·K/W q＝ΔT/（r1＋r2＋r3＋r’） ＝195.3W/m2 4.4某一φ60 mm×3mm的铝复合管，其导热系数为45 W/(m·K)，外包一层厚30mm的石棉后，又包一层厚为30mm的软木。石棉和软木的导热系数分别为0.15W/(m·K)和0.04 W/(m·K)。试求 （1）如已知管内壁温度为-105℃，软木外侧温度为5℃，则每米管长的冷损失量为多少？ （2）若将两层保温材料互换，互换后假设石棉外侧温度仍为5℃，则此时每米管长的冷损失量为多少？ 解：设铝复合管、石棉、软木的对数平均半径分别为rm1、rm2、rm3。 由题有 rm1＝mm＝28.47mm rm2＝mm＝43.28mm rm3＝mm＝73.99mm （1）R/L＝ ＝ ＝3.73×10－4K·m/W＋0.735K·m/W＋1.613K·m/W ＝2.348K·m/W Q/L＝＝46.84W/m （2）R/L＝ ＝ ＝3.73×10－4K·m /W＋2.758K·m /W＋0.430K·m /W ＝3.189K·m /W Q/L＝＝34.50W/m 4.5某加热炉为一厚度为10mm的钢制圆筒，内衬厚度为250mm的耐火砖，外包一层厚度为250mm的保温材料，耐火砖、钢板和保温材料的导热系数分别为0.38 W/（m·K）、45 W/（m·K）和0.10 W/（m·K）。钢板的允许工作温度为400℃。已知外界大气温度为35℃，大气一侧的对流传热系数为10 W/（m2·K）；炉内热气体温度为600℃，内侧对流传热系数为100 W/（m2·K）。试通过计算确定炉体设计是否合理；若不合理，提出改进措施并说明理由。（补充条件：有效管径2.0m） 解：设由耐火砖内侧表面和保温材料外测表面的面积分别为A1和A4，耐火砖、钢筒和保温材料的对数平均面积分别为Am1 、Am2 、Am3。钢板内侧温度为T。稳态条件下，由题意得： （因为钢板内侧温度较高，所以应该以内侧温度不超过400℃为合理） 有效管径R=2.0 m 带入已知条件，解得T＝463.5℃>400℃ 计算结果表明该设计不合理 改进措施： 1、提高钢板的工作温度，选用耐热钢板； 2、增加耐火砖厚度，或改用导热系数更小的耐火砖。 4.9在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为φ19×2mm的钢管内流动，水的对流传热系数为3490 W/（m2·K），煤油的对流传热系数为458 W/（m2·K）。换热器使用一段时间后，管壁两侧均产生污垢，煤油侧和水侧的污垢热阻分别为0.000176 m2·K/W和0.00026m2·K/W，管壁的导热系数为45 W/（m·K）。试求 （1）基于管外表面积的总传热系数； （2）产生污垢后热阻增加的百分数。 解：（1）将钢管视为薄管壁 则有 K＝338.9W/（m2·K） （2）产生污垢后增加的热阻百分比为 注：如不视为薄管壁，将有5％左右的数值误差。 4.11列管式换热器由19根φ19×2mm、长为1.2m的钢管组成，拟用冷水将质量流量为350kg/h的饱和水蒸气冷凝为饱和液体，要求冷水的进、出口温度分别为15℃和35℃。已知基于管外表面的总传热系数为700 W/（m2·K），试计算该换热器能否满足要求。 解：设换热器恰好能满足要求，则冷凝得到的液体温度为100℃。饱和水蒸气的潜热L＝2258.4kJ/kg ΔT2＝85K，ΔT1＝65K 由热量守恒可得 KAΔTm＝qmL 即 列管式换热器的换热面积为A总＝19×19mm×π×1.2m ＝1.36m2＜4.21m2 故不满足要求。 4.13若将一外径70mm、长3m、外表温度为227℃的钢管放置于： （1）很大的红砖屋内，砖墙壁温度为27℃； （2）截面为0.3×0.3m2的砖槽内，砖壁温度为27℃。 试求此管的辐射热损失。（假设管子两端的辐射损失可忽略不计）补充条件：钢管和砖槽的黑度分别为0.8和0.93 解：（1）Q1－2＝C1－2φ1－2A（T14－T24）/1004 由题有φ1－2＝1，C1－2＝ε1C0，ε1＝0.8 Q1－2＝ε1C0 A（T14－T24）/1004 ＝0.8×5.67W/（m2·K4）×3m×0.07m×π×（5004K4－3004K4）/1004 ＝1.63×103W （2）Q1－2＝C1－2φ1－2A（T14－T24）/1004 由题有φ1－2＝1 C1－2＝C0/[1/ε1＋A1/A2（1/ε2－1）] Q1－2＝C0/[1/ε1＋A1/A2（1/ε2－1）] A（T14－T24）/1004 ＝5.67W/（m2·K4）[1/0.8＋（3×0.07×π/0.3×0.3×3）（1/0.93－1）]×3m×0.07m×π×（5004K4－3004K4）/1004 ＝1.42×103W 4.14一个水加热器的表面温度为80℃，表面积为2m2，房间内表面温度为20℃。将其看成一个黑体，试求因辐射而引起的能量损失。 解：由题，应满足以下等式 且有φ1－2＝1；A＝A1；C1－2＝C0×ε1 又有A1＝2m2；ε1＝1 所以有 第五章 5.9 在稳态下气体A和B混合物进行稳态扩散，总压力为1.013×105Pa、温度为278K。气相主体与扩散界面S之间的垂直距离为0.1m，两平面上的分压分别为PA1=1.34×104Pa和PA2=0.67×104Pa。混合物的扩散系数为1.85×10-5m2/s，试计算以下条件下组分A和B的传质通量，并对所得的结果加以分析。 （1）组分B不能穿过平面S； （2）组分A和B都能穿过平面S。 解：（1）由题，当组分B不能穿过平面S时，可视为A的单向扩散。 pB,1＝p－pA,1＝87.9kPa pB,2＝p－pA,2＝94.6kPa DAB＝1.85×10-5m2/s （2）由题，当组分A和B都能穿过平面S，可视为等分子反向扩散 可见在相同条件下，单向扩散的通量要大于等分子反向扩散。 5.5 一填料塔在大气压和295K下，用清水吸收氨－空气混合物中的氨。传质阻力可以认为集中在1mm厚的静止气膜中。在塔内某一点上，氨的分压为6.6×103N/m2。水面上氨的平衡分压可以忽略不计。已知氨在空气中的扩散系数为0.236×10-4m2/s。试求该点上氨的传质速率。 解：设pB,1,pB,2分别为氨在相界面和气相主体的分压，pB,m为相界面和气相主体间的对数平均分压 由题意得： 第六章 6.2 密度为2650kg/m3的球形颗粒在20℃的空气中自由沉降，计算符合斯托克斯公式的最大颗粒直径和服从牛顿公式的最小颗粒直径（已知空气的密度为1.205kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s）。 解：如果颗粒沉降位于斯托克斯区，则颗粒直径最大时， 所以，同时 所以，代入数值，解得m 同理，如果颗粒沉降位于牛顿区，则颗粒直径最小时， 所以，同时 所以，代入数值，解得m 6.7 降尘室是从气体中除去固体颗粒的重力沉降设备，气体通过降尘室具有一定的停留时间，若在这个时间内颗粒沉到室底，就可以从气体中去除，如下图所示。现用降尘室分离气体中的粉尘（密度为4500kg/m3），操作条件是：气体体积流量为6m3/s，密度为0.6kg/m3，黏度为3.0×10-5Pa·s，降尘室高2m，宽2m，长5m。求能被完全去除的最小尘粒的直径。 含尘气体 净化气体 u i u t 降尘室 图6-1 习题6.7图示 解：设降尘室长为l，宽为b，高为h，则颗粒的停留时间为，沉降时间为，当时，颗粒可以从气体中完全去除，对应的是能够去除的最小颗粒，即 因为，所以m/s 假设沉降在层流区，应用斯托克斯公式，得 mμm 检验雷诺数 ，在层流区。 所以可以去除的最小颗粒直径为85.7μm 6.8 采用平流式沉砂池去除污水中粒径较大的颗粒。如果颗粒的平均密度为2240kg/m3，沉淀池有效水深为1.2m，水力停留时间为1min，求能够去除的颗粒最小粒径（假设颗粒在水中自由沉降，污水的物性参数为密度1000kg/m3，黏度为1.2 ×10-3Pa·s）。 解：能够去除的颗粒的最小沉降速度为m/s 假设沉降符合斯克托斯公式，则 所以m 检验，假设错误。 假设沉降符合艾伦公式，则 所以m 检验，在艾伦区，假设正确。 所以能够去除的颗粒最小粒径为2.12×10-4m。 6.9 质量流量为1.1kg/s、温度为20℃的常压含尘气体，尘粒密度为1800kg/m3，需要除尘并预热至400℃，现在用底面积为65m2的降尘室除尘，试问 （1）先除尘后预热，可以除去的最小颗粒直径为多少？ （2）先预热后除尘，可以除去的最小颗粒直径是多少？如果达到与（1）相同的去除颗粒最小直径，空气的质量流量为多少？ （3）欲取得更好的除尘效果，应如何对降尘室进行改造？ （假设空气压力不变，20℃空气的密度为1.2kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s，400℃黏度为3.31×10-5Pa·s。） 解：（1）预热前空气体积流量为，降尘室的底面积为65m2 所以，可以全部去除的最小颗粒的沉降速度为 假设颗粒沉降属于层流区，由斯托克斯公式，全部去除最小颗粒的直径为 检验雷诺数 假设正确 （2）预热后空气的密度和流量变化为 ，体积流量为 可以全部去除的最小颗粒的沉降速度为 同样假设颗粒沉降属于层流区，由斯托克斯公式，全部去除最小颗粒的直径为 检验雷诺数 假设正确 的颗粒在400℃空气中的沉降速度为 要将颗粒全部除去，气体流量为 质量流量为 （3）参考答案：将降尘室分层，增加降尘室的底面积，可以取得更好的除尘效果。 6.11 用与例题相同的标准型旋风分离器收集烟气粉尘，已知含粉尘空气的温度为200℃，体积流量为3800 m3/h，粉尘密度为2290 kg/m3，求旋风分离器能分离粉尘的临界直径（旋风分离器的直径为650mm，200℃空气的密度为0.746 kg/m3，黏度为2.60×10-5 Pa·s）。 解：标准旋风分离器进口宽度m， 进口高度m， 进口气速m/s 所以分离粉尘的临界直径为 6.12体积流量为1m3/s的20℃常压含尘空气，固体颗粒的密度为1800 kg/m3（空气的密度为1.205kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s）。则 （1）用底面积为60m2的降尘室除尘，能够完全去除的最小颗粒直径是多少？ （2）用直径为600mm的标准旋风分离器除尘，离心分离因数、临界直径和分割直径是多少？ 解：（1）能完全去除的颗粒沉降速度为 m/s 假设沉降符合斯托克斯公式，能够完全去除的最小颗粒直径为 检验：，假设正确。 （2）标准旋风分离器 进口宽度m，进口高度m，进口气速m/s 分离因数 临界粒径 分割直径 6.13 原来用一个旋风分离器分离气体粉尘，现在改用三个相同的、并联的小旋风分离器代替，分离器的形式和各部分的比例不变，并且气体的进口速度也不变，求每个小旋风分离器的直径是原来的几倍，分离的临界直径是原来的几倍。 解：（1）设原来的入口体积流量为qV，现在每个旋风分离器的入口流量为qV/3，入口气速不变，所以入口的面积为原来的1/3， 又因为形式和尺寸比例不变，分离器入口面积与直径的平方成比例， 所以小旋风分离器直径的平方为原来的1/3，则直径为原来的 所以小旋风分离器直径为原来的0.58倍。 （2）由式（6.3.9） 由题意可知：、、、都保持不变，所以此时 由前述可知，小旋风分离器入口面积为原来的1/3，则为原来的倍 所以倍 所以分离的临界直径为原来的0.76倍。 第七章 7.3 用过滤机处理某悬浮液，先等速过滤20min，得到滤液2m3，随即保持当时的压差等压过滤40min，则共得到多少滤液（忽略介质阻力）？ 解：恒速过滤的方程式为式（7.2.18a） 所以过滤常数为 此过滤常数为恒速过滤结束时的过滤常数，也是恒压过滤开始时的过滤常数，在恒压过滤过程中保持不变，所以由恒压过滤方程式（7.2.15）， 所以 所以总的滤液量为m3 7.5 用压滤机过滤某种悬浮液，以压差150kPa恒压过滤1.6h之后得到滤液25 m3，忽略介质压力，则： （1）如果过滤压差提高一倍，滤饼压缩系数为0.3，则过滤1.6h后可以得到多少滤液； （2）如果将操作时间缩短一半，其他条件不变，可以得到多少滤液？ 解：（1）由恒压过滤方程 当过滤压差提高一倍时，过滤时间不变时 所以 m3 （2）当其他条件不变时，过滤常数不变，所以由恒压过滤方程，可以推得 ，所以 所以m3 7.10 用板框过滤机恒压过滤料液，过滤时间为1800s时，得到的总滤液量为8m3，当过滤时间为3600s时，过滤结束，得到的总滤液量为11m3，然后用3m3的清水进行洗涤，试计算洗涤时间（介质阻力忽略不计）。 解：由（7.2.11）得 依题意，过滤结束时 所以过滤结束时m3/s 洗涤速度与过滤结束时过滤速度相同 所以洗涤时间为 s 7.13．温度为38℃的空气流过直径为12.7mm的球形颗粒组成的固定床，已知床层的空隙率为0.38，床层直径0.61m，高2.44m，空气进入床层时的绝对压力为111.4kPa，质量流量为0.358kg/s，求空气通过床层的阻力。 解：颗粒比表面积 查38℃下空气密度为1.135 kg/m3，黏度为1.9×10-5Pa·s。 空床流速为 空气通过床层的阻力为 7.15 某固定床反应器，内径为3m，填料层高度为4m，填料为直径5mm的球形颗粒，密度为20RRkg/m3，反应器内填料的总质量为3.2×104kg。已知通过固定床的气体流量为0.03m3/s，平均密度为38kg/m3，粘度为0.017×10-3 Pa·s，求气体通过固定床的压力降。 解：颗粒床层的体积为 填料的体积为 所以床层的空隙率为 颗粒的比表面积为 气体通过颗粒床层的流速为 由公式（7.3.11），得 所以气体通过床层的压力降为8.4Pa 7.16. 一个滤池由直径为4mm的砂粒组成，砂砾球形度为0.8，滤层高度为0.8m，空隙率为0.4，每平方米滤池通过的水流量为12 m3/h，求水流通过滤池的压力降（黏度为1×10-3 Pa·s）。 解：颗粒的比表面积为 空床流速 所以水流通过滤池的压力降为 第八章 8.2吸收塔内某截面处气相组成为，液相组成为，两相的平衡关系为，如果两相的传质系数分别为kmol/(m2·s)，kmol/(m2·s)，试求该截面上传质总推动力、总阻力、气液两相的阻力和传质速率。 解：与气相组成平衡的液相摩尔分数为 所以，以气相摩尔分数差表示的总传质推动力为 同理，与液相组成平衡的气相摩尔分数差为 所以，以液相摩尔分数差表示的总传质推动力为 以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 kmol/(m2·s) 以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 kmol/(m2·s) 传质速率 kmol/(m2·s) 或者 kmol/(m2·s) 以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数分析传质阻力 总传质阻力 (m2·s)/kmol 其中液相传质阻力为(m2·s)/kmol 占总阻力的66.7% 气膜传质阻力为(m2·s)/kmol 占总阻力的33.3% 8.3用吸收塔吸收废气中的SO2，条件为常压，30℃，相平衡常数为，在塔内某一截面上，气相中SO2分压为4.1kPa，液相中SO2浓度为0.05kmol/m3，气相传质系数为kmol/(m2·h·kPa)，液相传质系数为m/h，吸收液密度近似水的密度。试求： （1）截面上气液相界面上的浓度和分压； （2）总传质系数、传质推动力和传质速率。 解：（1）设气液相界面上的压力为，浓度为 忽略SO2的溶解，吸收液的摩尔浓度为kmol/m3 溶解度系数 kmol/(kPa·m3) 在相界面上，气液两相平衡，所以 又因为稳态传质过程，气液两相传质速率相等，所以 所以 由以上两个方程，可以求得kPa，kmol/m3 （2）总气相传质系数 kmol/(m2·h·kPa) 总液相传质系数m/h 与水溶液平衡的气相平衡分压为kPa 所以用分压差表示的总传质推动力为kPa 与气相组成平衡的溶液平衡浓度为kmol/m3 用浓度差表示的总传质推动力为kmol/m3 传质速率 kmol/(m2·h) 或者 kmol/(m2·h) 8.5 利用吸收分离两组分气体混合物，操作总压为310kPa，气、液相分传质系数分别为kmol/(m2·s)、kmol/(m2·s)，气、液两相平衡符合亨利定律，关系式为（pR的单位为kPa），计算： （1）总传质系数； （2）传质过程的阻力分析； （3）根据传质阻力分析，判断是否适合采取化学吸收，如果发生瞬时不可逆化学反应，传质速率会提高多少倍？ 解：（1）相平衡系数 所以，以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 kmol/(m2·s) 以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数为 kmol/(m2·s) （2）以液相摩尔分数差为推动力的总传质阻力为 其中液膜传质阻力为，占总传质阻力的99.7% 气膜传质阻力为，占传质阻力的0.3% 所以整个传质过程为液膜控制的传质过程。 （3）因为传质过程为液膜控制，所以适合采用化学吸收。如题设条件，在化学吸收过程中，假如发生的是快速不可逆化学反应，并且假设扩散速率足够快，在相界面上即可完全反应，在这种情况下，可等同于忽略液膜阻力的物理吸收过程，此时 kmol/(m2·s) 与原来相比增大了426倍 8.9 在吸收塔中，用清水自上而下并流吸收混合废气中的氨气。已知气体流量为1000m3/h（标准状态），氨气的摩尔分数为0.01，塔内为常温常压，此条件下氨的相平衡关系为，求： （1）用5 m3/h的清水吸收，氨气的最高吸收率； （2）用10 m3/h的清水吸收，氨气的最高吸收率； （3）用5 m3/h的含氨0.5%（质量分数）的水吸收，氨气的最高吸收率。 解：（1）气体的流量为mol/s 液体的流量为mol/s 假设吸收在塔底达到平衡 则，所以 所以最大吸收率为 （2）气体的流量为mol/s 液体的流量为mol/s 假设吸收在塔底达到平衡 则，所以 所以最大吸收率为 （3）吸收剂中氨的摩尔分数为 假设吸收在塔底达到平衡 则，所以 所以最大吸收率为 8.10 用一个吸收塔吸收混合气体中的气态污染物A，已知A在气液两相中的平衡关系为，气体入口浓度为，液体入口浓度为， （1）如果要求吸收率达到80%，求最小气液比； （2）溶质的最大吸收率可以达到多少，此时液体出口的最大浓度为多少？ 解：（1）气相入口摩尔比， 液相入口摩尔比 吸收率，所以， 所以，最小液气比 （2）假设吸收塔高度为无穷大，求A的最大吸收率 ①当液气比，操作线与平衡线重合，气液两相在塔顶和塔底都处于平衡状态。 吸收率 此时液相出口浓度 ②当液气比，操作线与平衡线在塔顶点相交，即液相进口浓度与气相出口浓度平衡。 吸收率 此时液相出口浓度 与①相比，吸收率达到同样大小，但是液相出口浓度要低。 ③当液气比，操作线与平衡线在塔底点相交，即液相出口浓度与气相进口浓度平衡。 此时液相出口浓度 吸收率 与①相比，液相出口浓度达到同样大小，但是吸收率要低。 8.11 在逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合废气中的组分A，入塔气体溶质体积分数为0.01，已知操作条件下的相平衡关系为，吸收剂用量为最小用量的1.5倍，气相总传质单元高度为1.2m，要求吸收率为80%，求填料层的高度。 解：已知传质单元高度，求得传质单元数，即可得到填料层高度。 塔底： 塔顶：， 操作过程的液气比为 吸收因子 所以，传质单元数为 所以填料层高度为m 第九章 9.1 25℃，101.3kPa下，甲醛气体被活性炭吸附的平衡数据如下： q/[ g(气体)•g(活性炭)-1] 0 0.1 0.2 0.3 0.35 气体的平衡分压 /Pa 0 267 1600 5600 12266 试判断吸附类型，并求吸附常数。 如果25℃，101.3kPa下，在1L的容器中含有空气和甲醛的混合物，甲醛的分压为12kPa，向容器中放入2g活性炭，密闭。忽略空气的吸附，求达到吸附平衡时容器内的压力。 解：由数据可得吸附的平衡曲线如下 图9-1 习题9.1图中吸附平衡线 由上述的平衡曲线，可以判断吸附可能是Langmuir或Freundlich型。 由，整理数据如下 1/q 10 5 3.3 2.86 1/p 0.00374 0.00062 0.00018 0.00008 作1/q和1/p的直线 图9-2 习题9.1图中1/q－1/p的关系曲线 由，整理数据如下： lnp 5.59 7.38 8.63 9.41 lnq -2.30 -1.61 -1.20 -1.05 作lnq和lnp的直线 图9-3 习题9.1图 lnq和lnp的关系曲线 由以上计算可知，用Freundlich等温方程拟合更好一些。同时计算参数如下： 1/n=0.3336，n=3，lnk=-4.1266，k=0.016，所以等温线方程为 题设条件下，甲醛的物质的量为mol 质量为g 假设达到吸附平衡时吸附量为q，则此时的压力为 将代入，可以求得Pa 所以此时甲醛的平衡分压已经很低，如果忽略的话，可以认为此时容器内的压力为kPa 9.2 现采用活性炭吸附对某有机废水进行处理，对两种活性炭的吸附试验平衡数据如下： 平衡浓度COD /(mg•L-1) 100 500 1000 1500 20RR 2500 3000 A吸附量/ [mg•g(活性炭)-1] 55.6 192.3 227.8 326.1 357.1 378.8 394.7 B吸附量/[mg•g(活性炭)-1] 47.6 181.8 294.1 357.3 398.4 434.8 476.2 试判断吸附类型，计算吸附常数，并比较两种活性炭的优劣。 解：由数据可得吸附的平衡曲线如下： Langmuir吸附等温线方程为，变形后可得，整理数据如下： 100 500 1000 1500 20RR 2500 3000 /q(A) 1.80 2.60 4.39 4.60 5.60 6.60 7.60 /q(B) 2.10 2.75 3.40 4.20 5.02 5.75 6.30 作/q和的直线 图9-4 习题9.2图吸附等温线 / q 图9-5 习题9.2图 /q和的关系曲线 由直线可知，用Langmuir吸附等温线方程可以很好地拟合吸附曲线。 分别求得方程的常数为 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 比较两种活性炭的吸附平衡常数，可以看到B的饱和吸附量要大于A，比表面积较大，吸附容量比较大；而A的吸附系数比较大，吸附的性能较好。 9.3 有一初始浓度（比质量分数）为R0的流体，要求用吸附剂将其浓度降低到R2（对应的固体相的吸附质比质量分数为R2）。试 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ：两级错流吸附比单级吸附节约吸收剂。 证明：对单级吸附，由物料衡算有 所以吸附剂的用量为 对于二级错流吸附，第一级吸附剂用量为，一级流出流体的浓度为，第一级吸附剂用量为，一级流出流体的浓度为 假设两级所用吸附剂总量为，，两级的物料衡算方程分别为 两式相加，并且设 可得， 因为 所以 即 所以 上式即为 第十章 10.1 用H型强酸性阳离子交换树脂去除质量浓度为5%的KCl溶液，交换平衡时，从交换柱中交换出来的H离子的摩尔分数为0.2，试计算K离子的去除率。已知=2.5，溶液密度为1025 kg/m3。 解：溶液中K+的摩尔浓度为 [K+]=mol/L 所以 K离子的去除率为 10.2用H型强酸性阳离子树脂去除海水中的Na+、K+离子（假设海水中仅存在这两种阳离子），已知树脂中H+离子的浓度为0.3mol/L，海水中Na+、K+离子的浓度分别为0.1mol/L和0.02mol/L，求交换平衡时溶液中Na+、K+离子的浓度。已知，。 解：， 同时， 联立以上几式，求得 ， 所以平衡时溶液中的浓度Na+为0.0162 mol/L，K+为0.00046 mol/L 10.3 某强碱性阴离子树脂床，床层空隙率为0.45，树脂颗粒粒度为0.25mm，孔隙率为0.3，树脂交换容量为2.5mol/m3，水相原始浓度1.2mol/m3，液相与树脂相离子扩散系数分别为m2/h、 m2/h，溶液通过树脂床的流速为4m/h。试判断属哪种扩散控制。 解：彼克来准数 Vermeulen准数 所以属于液膜扩散控制。 第十一章 11.1根据间歇操作、半间歇操作及连续操作的特点，画出在下列反应器中或反应器出口处反应物A的浓度随时间（或位置）的变化曲线。 图11-1 习题11.1图示 (a)间歇反应器(t=0,cA=cA0)；(b)半间歇反应器(t=0,cA=cA0,cB=0)； (c)槽式连续反应器；(d)管式连续反应器（给出cA随位置的变化）；(e)三级串联槽式连续反应器（给出 cA1，cA2，cA3随时间的变化） 解： (a) (b) (c) (d) (e) 图11-2 习题11.1图中各类反应器中A的浓度随时间的变化曲线 11.2 对于按反应式(1)和(2)进行的平行串联反应，设反应开始时系统中的总摩尔数为n0，A、B、Q、P的摩尔数分别为：nA0、nB0、nQ0、nP0，A和B的摩尔分数分别为zA0和zB0。试给出t时刻时A和B的摩尔分数zA和zB以及A在反应(1)和(2)的转化率RA1和RA2之间的关系。 A+B=Q (1) A+2Q=P (2) 解：对于反应式（1）（2）有 其中： 所以，t时刻时A和B的摩尔分数为 11.3 气态NH3在常温高压条件下的催化分解反应2NH3=N2+3H2可用于处理含NH3废气。 现有一NH3和CH4含量分别为95％ 和5％的气体，通过NH3催化分解反应器后气体中NH3的含量减少为3％，试计算NH3的转化率和反应器出口处N2、H2和CH4的摩尔分数。（CH4为惰性组分，不参与反应） 解：在气相反应中，NH3分解膨胀因子为 将已知数据；代入式11.2.28可得： 根据题意：，，，由表11.2-1可得： 11.5 在连续反应器内进行的恒容平行反应(1)和(2)，当原料中（反应器进口）的A、B浓度均为3000mol/m3时，出口反应液中的A、R的浓度分别为250mol/m3和20RRmol/m3。试计算反应器出口处的A的转化率以及B和S的浓度（原料中不含R和S）。 A+B=R (1) 2A=R+S (2) 解：在反应式（1）和（2）中，设A的转化率分别为RA1和RA2则有 将题中数据cA0＝3000 mol/m3；cA＝250 mol/m3；cR0＝0 mol/m3；cR＝20RR mol/m3代入，求解方程可得 RA1＝0.417；RA2＝0.5 所以反应器出口处A的转化率为 RA＝RA1＋RA2＝0.417＋0.5＝0.917 B的浓度为 cB＝cB0－cA0RA1＝1749 mol/m3 S的浓度为 cS＝cS0+cS0RA2/2＝750 mol/m3 11.7 对于由反应(1)和(2)构成的复杂反应，试给出反应组分A、B、Q、P的反应速率-rA、-rB、rQ、rP与反应(1)和(2)的反应速度r1和r2的关系。 A+2B=Q (1) A+Q=P (2) 解：根据反应式（1）和（2）的计量方城可得 －rA=r1+r2；－rB=2r1；rQ=r1－r2；rP＝r2 11.8 微生物反应一般在常温附近进行时，其反应速率常数k与温度的关系可以用下式表示： 式中：k20——20℃时的反应速率常数； α——温度变化系数； t——温度，℃。 试给出α与Arrhenius公式中活化能Ea的关系式。 解：由可得（将温度变为绝对温度） 根据式11.3.31可知 代入可得 变形可得 即 第十二章 13.1在等温恒容间歇式反应器中进行以下反应。反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目标产物为P，试计算反应时间为3h时A的转化率。 , , 解：根据反应式有 代入恒容恒温条件下的间歇反应器的基本方程 可得 积分得 解得 将已知数据代入上式，有 所以A组分浓度 A组分转化率 RA＝99.88％ 注： 该题亦可以求P的收率，但是太麻烦。故未作为提问。具体解法如下： 将除于 则有 所以 解得 所以P的收率为 13.4在CSTR反应器中，A被转化成C，反应速率方程为 -rA (molL-1s-1)= 0.15cA (1)假定流量为100L/s，A的初始浓度cA0为0.10mol/L，转化率RA为90％。试求所需反应器的体积。 (2)设计完成时，工程师发现该反应级数应该是0级而不是1级。速率方程应该为： -rA= 0.15 mol/(Ls) 试问这对反应的设计有何影响？ 解：（1）对于一级反应，在CSTR反应器中有 反应器体积 （2）对于0级反应，在CSTR反应器中有 所需反应器体积 13.6 某反应器可将污染物A转化成无害的物质C，该反应可视为一级反应，速率常数k为1.0 h-1，设计转化率RA为99％。由于该反应器相对较细长，设计人员假定其为平推流反应，来计算反应器参数。但是，反应器的搅拌装置动力较强，实际的混和已满足完全混和流反应器要求。已知物料流量为304.8m3/h，密度为1.00kg/L；反应条件稳定且所有的反应均发生在反应器中。 (1)按照PFR来设计，反应器体积为多少，得到的实际转化率为多少？ (2)按照CSTR来设计，反应器体积又为多少？ 解：（1）对于一级反应，在PFR反应器中有 可得1·τ＝ln100，即τ＝4.6 h 所以反应器体积为 V＝qVτ＝1403m3 该反应器实际为CSTR反应器，则有 ，计算可得cA’＝0.179cA0 所以实际转化率 RA’＝82.1％ （2）对于一级反应，在CSTR反应器中有 1·τ＝100－1 计算可得 τ＝99 h 所以反应器体积 V＝qVτ＝30175m3 第十四章 14.4 某一级不可逆气固相催化反应，当cA＝10-2mol/L，0.1013MPa及400℃时，其反应速率为-rA＝kcA＝10-6mol/(scm3)，如果要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响，问催化剂粒径如何确定(已知De＝10-3cm2/s)。 解：对于一级气固相催化反应有 rA＝kcA 要求催化剂中内扩散对总速率基本上不发生影响则有，，取0.3则有： 所以，催化剂粒径 14.8 氨与H2SO4的反应为瞬时反应，若氨的分压为0.006MPa，硫酸浓度为0.4kmol/m3，试计算氨的吸收速率。 已知：kG＝3.5kmol/(m3MPa)，kL＝0.005m/h，氨在硫酸溶液中的溶解度系数HA为750kmol/(m3MPa)，假定硫酸和氨的液相扩散系数相等。氨与硫酸的反应为: 解：根据题中数据有， 硫酸的临界浓度 而cBl＝0.4kmol/m3<。因此，计算气液反应速率时，需同时考虑气膜及液膜阻力。 该反应为瞬间反应，所以氨的吸收速率与氨的扩散速率相同 第十R五章 12.3液相反应A → B在一间歇反应器内进行，于不同时间测得反应器内A的浓度如下表所示，试求该反应的反应级数和反应速率常数。 t /min 0 20 40 80 120 ρA/(mg·L-1) 90 72 57 36 32 解：假设零级反应－rA=k，即dρA/dt=－k，ρA=－kt+ρA0。根据表中数据做ρA－t的曲线如下，发现没有线性关系，假设错误！ 图12-2 习题12.3中ρA－t的关系曲线 假设一级反应－rA=kρA，即dρA/dt=－kρA，lnρA=－kt+lnρA0。根据表中数据做lnρA－t的曲线如下，发现有线性关系lnρA=4.44-0.0087t，R= 0.9934。 图12-3 习题12.3中 lnρA－t的关系曲线 假设二级反应－rA=kρA2，即dρA/dt=－kρA2，1/ρA=－kt+1/ρA0。根据表中数据做1/ρA－t的曲线如下，发现有线性关系1/ρA=0.0108-0.000176t，R为0.999。 图12-4 习题12.3中1/ρA－t的关系曲线 经比较可得，该反应为二级反应。 12.4污染物A在一平推流反应器内发生液相分解反应，不同停留时间时反应器出口处A的浓度如下表所示，试分别采用积分法和微分法求该反应的反应级数和反应速率常数。 τ/min 0 5 10 15 20 ρA /mg·L－1 125 38.5 23.3 16.1 12.5 解：（1）积分法： 假设该液相分解反应为一级反应－rA=kρA，则有kτ＝lnρA0-lnρA。 根据表中数据，计算lnρA值，并做τ－lnρA曲线 τ/min 0 5 10 15 20 lnρA 4.83 3.65 3.15 2.78 2.53 图12-5 习题12.4中τ－lnρA的关系曲线 假设该液相分解反应为二级反应，则有1/ρA＝kτ-1/ρA0 根据表中数据，计算1/ρA值，并做τ－1/ρA曲线 τ/min 0 5 10 15 20 1/ρA / (L·mg－1) 0.008 0.026 0.043 0.062 0.080 图12-6 习题12.4中τ－1/ρA的关系曲线 拟和得1/ρA＝0.0036τ＋0.0078，R＝0.9998线性关系良好，反应级数为2级。 （2）微分法：做ρA－τ曲线，并求解各数据点斜率 54.6 23.6 13.3 59.9 1.5 ρA /(mg·L-1) 120 80 60 40 20 对于ln(-rA)与lnρA作图可得 ln(-rA) 4.0 3.16 2.59 1.79 0.4 lnρA 4.78 4.38 4.09 3.69 2.99 对曲线进行拟和，可得ln(－rA)＝2lnρA－5.6 即 n＝2，k＝0.037L/(mg·min) 12.8某高分子碳氢化合物A被不断输入到高温CSTR进行热裂解反应，改变物料流入量测得裂解结果如下表： qnA0/(kmol·h-1) 300 1000 3000 5000 cA /(kmol·L -1) 16 30 50 60 已知V=0.1L，cA0=100kmol/L (1)若本反应在恒压条件下进行，求该裂解反应的速率方程。 (2)若忽略反应过程中的气体混合物体积变化，求反应的速率方程。 解：(1)对于CSTR反应器，在恒温恒压下有 其中：， 逐点计算RA和rA，列于下表 qnA0/(kmol·h-1) 300 1000 3000 5000 cA /(kmol·L -1) 16 30 50 60 RA 0.5122 0.3182 0.16 0.1176 －rA/(kmol·L -1·h-1) 1536.6 3182 5000 5880 k/h-1 96.0 106 100 98 设反应级数n=1，则－rA=kcA，即k=rA/cA，计算得到k基本上为恒值 所以反应速率方程为 －rA=100cAkmol/（L·h） (2)，， qnA0/(kmol·h -1) 300 1000 3000 5000 cA /(kmol·L -1) 16 30 50 60 RA 0.84 0.7 0.5 0.4 －rA/(kmol·L -1·h-1) 2520 7000 15000 20RR0 k/h-1 39.38 42.6 42.43 43.03 假设n为1.5，则k=－rA/cA1.5kmol/（L·h），逐点计算可知假设n为1.5是正确的。k=41.86 所以反应速率方程为 －rA=41.86cA1.5kmol/（L·h） 12.10反应为n级不可逆反应。已知在300K时使A转化率达到20％需12.6min，而在340K时达到同样的转化率需要3.20min，求该反应的活化能。 解：对于n级反应，其反应速率方程的积分形式为 令：，则有 300 340则有： 所以该反应的活化能 E＝29.06kJ/mol 12.11等温条件下进行乙酸A和丁醇B的酯化反应： CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O 乙酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16mol/L。测得不同时间下乙酸转化量如下表所示。试求反应对乙酸的级数。 t /h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 A转化量/(mol·L -1) 0 0.0163 0.0273 0.0366 0.0452 0.0540 0.0609 0.0683 0.0740 解：题中给的数据中，乙酸转化率均较低，且丁醇又大大过量。故，可忽略逆反应的影响，同时可不考虑丁醇浓度对反应速率的影响。因此，设正反应速率方程为 积分得到： 式1 假设反应为2级反应， n＝2 则式1可以转化为 t /h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 cA/(mol·L -1) 0.2332 0.2168 0.2059 0.1966 0.1880 0.1792 0.1723 0.1649 0.1592 0 0.3235 0.5690 0.7988 1.0324 1.2937 1.5143 1.7772 1.9924 做与t的关系曲线如下 图12-10 习题12.11图（ ）—t的关系曲线 由图可知，线性关系良好，故该反应对于乙酸为2级反应。但是丁醇浓度是否有影响，还需进一步实验验证。 36