化工传递过程基础（第三版）陈涛04698习题详解第12章

第十二章 多种传递同时进行的过程 12-1 在一内径为20mm的直立圆管内壁面上，有一薄层正丁醇冷液膜自上而下流动，而不含正丁醇的热空气则在管内自下而上流动。热空气的压力为1.013×105Pa，温度为343K，流速 ，管子外壁绝热，试计算达到稳态时正丁醇液膜的温度及挥发传质通量。 已知在操作条件下，气相的黏度 ， ， ，比热容 ；正丁醇蒸气的比热容 ，汽化潜热 ，相对分子质量 ，正丁醇蒸气压与温度的关系如下： 温度/K 蒸气压/kN·m–2 温度/K 蒸气压/kN·m–2 温度/K 蒸气压/kN·m–2 295 0.59 315 2.48 335 7.89 300 0.86 320 3.32 340 10.36 305 1.27 325 4.49 345 14.97 310 1.75 330 5.99 350 17.50 其他物性可按空气处理。 传质系数可用下式计算 解：由题设知，管内热空气传至气液界面的显热使正丁醇汽化。管外壁绝热，故无热量流入液膜，气液界面处的总传热速率为零。 由热力学数据表查得，343K下空气的密度为 于是 由于空气（组分B）不扩散，NB = 0，故得 欲求传质通量及气液界面处的温度，可同时运用式（12-5）和式（12-10），结合本题条件，可化为 （1） 或 （2） 由题设 或 即 故 （3） 故   （4） 将式（3）代入式（1），得   （5） 将有关数据代入式（2），得 （6） 故求 和 时，需同时解式（5）和式（6），经采用试差法计算，最后结果为 由本题附表可查出正丁醇的蒸气压为 于是由式（5）可算出： 将 值代入式（6）的左侧，得 将 值代入式（6）右侧，得 由此可知 及 是正确的，无需复算。 上述各式中的负号，表示传热和传质方向均由壁面指向气体主体。 12-2 由干湿球温度计测得干湿球温度分别为40℃和20℃，试求空气的相对湿度 。设空气-水物系 。 解：从数据表查得有关物性：水蒸气压 ， ，水汽化热 ，空气比热容 水的湿度与蒸气压的关系为 故在20℃的湿球温度下，水蒸气在空气中的饱和湿度为 kg水/kg干空气 在40℃的干球温度下，水蒸气在空气中的湿度 由式（12-23）计算     于是，40℃下空气中的水蒸气分压 为 相对湿度 ： 12-3 采用填料水冷塔将热水从55℃降至20℃，以单位塔截面计的热水流率为0.26 ，空气进口温度为20℃，湿度为0.003kg水/kg干空气，流率为0.817kg ，假定传热及传质阻力全部集中于气相一侧（液相水一侧无温度梯度）， 。试求所需填料层高度Z。 解：（1）作平衡曲线 选择若干液相温度 ，计算或查出该温度下的饱和湿度 ，然后按式（12-28） 计算空气的焓 。假如水温为20℃时的饱和蒸气压为2334Pa，故饱和湿度 为 选择的水温 数值及相应的 计算结果见本习题计算结果附表。由表中数据作图可得平衡线，见本习题附图1。 （2）作操作线 由操作线方程式（12-29a）得 已知下端点      操作线斜率 上端点 联下端点（20, 27.7）与上端点（55, 74.3）即得操作线，见本习题附图1。 （3）作 为斜率的直线 根据式（12-42） 由题设传递阻力全部集中于气相，液相侧的温度差 ，故斜率为 故该直线为垂直线。 于操作线上取若干点，在本题附图1中的平衡线与操作线之间作垂直线。 （4）计算传递单元数 由式（12-41）得 求积分值可通过图解积分法，即依据本题附表中I与 作图，见本题附图2，求积分值，结果为0.65 （5）求填料层高度 因为 其中 由式（12-40）求出 所以 习题12-3 附表 水温/℃ / / 20 57 27.7 29.3 0.0341 25 75.9 34.4 41.5 0.0242 30 99.2 41 58.2 0.0172 35 128.5 47.7 80.8 0.0124 40 165.2 54.3 110.9 0.00908 续表 水温/℃ / / 45 212.1 61.0 151.1 0.00662 50 275 67.6 703.3 0.00482 55 351.5 74.3 227.2 0.00361 习题12-3 附图1 习题12-3 附图2 12-4 当平板壁面与其上的层流边界层中的流体之间同时进行动量、热量和质量的传递时，壁面喷出物质对边界层的速度分布和速度边界层厚度会产生什么影响？壁面由边界层中吸入物质时的影响又为何？为什么？ 答：当壁面喷出物质时，会产生 ，使边界层的速度分布和厚度改变。当喷出物质时，它必然由 被加速到 而消耗一部分动量。与之相毗邻的流体将被减速，从而速度梯度变小，速度分布均匀，边界层加厚。 反之当壁面吸入物质时，会使高速层中的微团向壁面低速层中传递，使靠近壁面处的速度梯度增加，边界层减薄。 12-5 当平板壁面与其上的层流边界层中的流体同时进行动量、热量和质量传递时，由于壁面向边界层喷出物质而使速度边界层厚度发生变化，试问这种变化相应地对温度边界层和浓度边界层厚度将发生什么影响？又对各传递系数（曳力系数、对流传热系数、对流传质系数）又会发生什么影响？试运用以前学过的有关公式说明。 答：喷出物质使速度边界层厚度δ增加，而层流时， ，所以 、 也增加。 喷出物质使壁面处的速度梯度变小，同时 、 的增加亦意味着壁面处的温度梯度和浓度梯度变小，因而 均变小。 12-6 燃烧后的废气以30m/s的均匀流速流过一平板表面，废气的温度为670℃，压力为1.01325×105Pa，壁面温度为530℃，平板由多孔绝热材料制成。冷却空气以0.04m/s的流速由小孔喷出。试求距平板前缘25mm及500mm两处局部对流传热系数hx降低的百分数（与无冷空气喷出情况相比）。燃烧废气的物性可按空气处理。设临界雷诺数 。 解：定性温度： 由物性数据表查得，1atm、600℃的空气物性： ， ， , 。 为层流边界层。 亦为层流边界层。 由 查图12-8，得 ， 所以 降低的百分数为 12-7 常压下，温度为500℃的热空气以10m/s的均匀流速平行吹过一多孔平板表面，平板的温度为100℃。为了使距平板前缘1m处的传热速率减少50%，在该处垂直喷出压力为1atm、温度为100℃的冷空气。试求该处平板表面与热空气之间的传热通量及冷空气的喷出速度。设临界雷诺数 。 解：空气膜温： 由物性数据表查得，1atm、300℃空气的物性为 为层流边界层。 根据 及 查图12-8得 12-8 温度为768K、压力为101.3 kPa的空气以30m/s的速度流过一平板表面，为了使x = 0.3m处的温度维持278 K需向热空气中注入液氧。设氧在90 K、1atm的条件下汽化后经壁面注入热空气中，试求注入氧的摩尔通量 。已知氧在90～278K的温度范围内的平均比热为 ，汽化潜热为 。平板四周绝热，其上的气体可按空气处理，设 。 解：空气膜温： 由物性数据表查得， EMBED Equation.DSMT4 EMBED Equation.DSMT4 EMBED Equation.DSMT4 为层流边界层 设注入液氧的摩尔通量为G， 取 ，由图12-8查得 所以 与 相比，可知 偏高。 再取 , 查得 所以 与 基本相符，故所取 合适 得 ·136· ·137· _1308056975.unknown _1308057544.unknown _1308734202.unknown _1310712668.unknown _1310713268.unknown _1310713395.unknown _1311318438.unknown _1311318450.unknown _1310713574.unknown _1310713575.unknown _1310713396.unknown _1310713302.unknown _1310713379.unknown _1310713380.unknown _1310713339.unknown _1310713284.unknown _1310712764.unknown _1310713258.unknown _1310712689.unknown _1308734711.unknown _1308807898.unknown _1308807991.unknown _1308808098.unknown _1310627302.unknown _1308808025.unknown _1308807959.unknown _1308807774.unknown _1308807887.unknown _1308734808.unknown _1308734809.unknown _1308734719.unknown _1308734311.unknown _1308734565.unknown _1308734232.unknown _1308057787.unknown _1308058549.unknown _1308058592.unknown _1308058874.unknown _1308058942.unknown _1308058991.unknown _1308059058.unknown _1308059077.unknown _1308058998.unknown _1308058981.unknown _1308058920.unknown _1308058755.unknown _1308058839.unknown _1308058706.unknown _1308058573.unknown _1308058582.unknown _1308058564.unknown _1308057849.unknown _1308057975.unknown _1308057979.unknown _1308057866.unknown _1308057817.unknown _1308057836.unknown _1308057806.unknown _1308057653.unknown _1308057731.unknown _1308057770.unknown _1308057705.unknown _1308057565.unknown _1308057643.unknown _1308057551.unknown _1308057370.unknown _1308057472.unknown _1308057524.unknown _1308057534.unknown _1308057481.unknown _1308057424.unknown _1308057461.unknown _1308057406.unknown _1308057111.unknown _1308057227.unknown _1308057361.unknown _1308057162.unknown _1308057064.unknown _1308057096.unknown _1308057043.unknown _1308056576.unknown _1308056633.unknown _1308056727.unknown _1308056928.unknown _1308056944.unknown _1308056962.unknown _1308056969.unknown _1308056954.unknown _1308056937.unknown _1308056876.unknown _1308056893.unknown _1308056822.unknown _1308056661.unknown _1308056699.unknown _1308056709.unknown _1308056725.unknown _1308056726.unknown _1308056718.unknown _1308056720.unknown _1308056711.unknown _1308056703.unknown _1308056707.unknown _1308056701.unknown _1308056673.unknown _1308056694.unknown _1308056697.unknown _1308056680.unknown _1308056665.unknown _1308056671.unknown _1308056663.unknown _1308056650.unknown _1308056656.unknown _1308056659.unknown _1308056652.unknown _1308056637.unknown _1308056648.unknown _1308056635.unknown _1308056608.unknown _1308056616.unknown _1308056625.unknown _1308056631.unknown _1308056623.unknown _1308056612.unknown _1308056614.unknown _1308056610.unknown _1308056587.unknown _1308056591.unknown _1308056602.unknown _1308056589.unknown _1308056583.unknown _1308056585.unknown _1308056580.unknown _1308056430.unknown _1308056464.unknown _1308056531.unknown _1308056559.unknown _1308056561.unknown _1308056542.unknown _1308056506.unknown _1308056527.unknown _1308056470.unknown _1308056447.unknown _1308056455.unknown _1308056461.unknown _1308056449.unknown _1308056438.unknown 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