陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(传热 复习笔记)
陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-固体干燥【圣才出品】
第14章固体干燥14.1 复习笔记一、概述1．固体去湿方法和干燥过程（1）物料的去湿方法①机械去湿当物料带水较多，可先用离心过滤等机械分离方法以除去大量的水。
②吸附去湿用某种平衡水汽分压很低的干燥剂（如CaC12、硅胶等）与湿物料并存，使物料中水分相继经气相而转入干燥剂内。
③供热干燥向物料供热以汽化其中的水分。
供热方式又有多种。
工业干燥操作多是用热空气或其他高温气体为介质，使之掠过物料表面，介质向物料供热并带走汽化的湿分。
此种干燥常称为对流干燥，是本章讨论的主要内容。
（2）对流干燥过程的特点当温度较高的气流与湿物料直接接触时，气固两相间所发生的是热、质同时传递的过程。
2．对流干燥流程对流干燥可以是连续过程也可以是间歇过程，图14-1是典型的对流干燥流程示意图。
空气经预热器加热至适当温度后，进入干燥器。
在干燥器内，气流与湿物料直接接触。
沿其行程气体温度降低，湿含量增加，废气自干燥器另一端排出。
若为间歇过程，湿物料成批放入干燥器内，待干燥至指定的含湿要求后一次取出。
图14-1 对流干燥流程示意图二、干燥静力学1．空气的状态参数（1）空气中水分含量的表示方法①水汽分压p水汽与露点t d测定水汽分压的实验方法是测量露点，即在总压不变的条件下将空气与不断降温的冷壁相接触，直至空气在光滑的冷壁面上析出水雾，此时的冷壁温度称为露点t d。
测出露点温度t d，便可从手册中查得此温度下的饱和水蒸气压。
②空气的湿度空气的湿度H定义为每千克干空气所带有的水汽量，单位是kg/kg干气，即式中P为总压。
③相对湿度从相对湿度的定义可知，相对湿度φ表示了空气中水分含量的相对大小。
φ＝1，表示空气已达饱和状态，不能再接纳任何水分；φ值愈小，表明空气尚可接纳的水分愈多。
④湿球温度测量水汽含量的简易方法是测量空气的湿球温度t w。
对空气-水系统，当被测气流的温度不太高，流速＞5m/s时，α/k H为一常数，其值约为1.09kJ/（kg·℃），故由湿球温度的原理可知，空气的湿球温度t w总是低于干球温度t。
陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(气体吸收 名校考研真题详解)
8.3 名校考研真题详解一、选择题1．在吸收塔某处，气相浓度y ＝0.005，液相浓度x ＝0.015（均为摩尔分数），两侧体积传质分系数，在该操作温度下气、液平衡关系。
这时气体界面上气相浓度应等于（ ）。
[华南理工大学2012研]A ．0.002B ．0.0015C ．0.0057D ．0.009【答案】C【解析】()()A y i x i N k y y k x x =-=-。
在相界面处气液达到平衡，则0.4i i y x =，所以()(2.5)y i x i k y y k y x -=-， 2.5 3.50.020.0057i i i i y y y x y y x y -=-⇒=+=⇒=。
2．亨利定律适用于溶液中可溶解组分的（ ）范围，拉乌尔定律适用于理想溶液中每一种组分的（ ）范围。
[华南理工大学2011研]A ．高浓度B ．中等浓度C ．低浓度D ．全浓度【答案】C；C【解析】亨利定律和拉乌尔定律都是针对稀溶液即低浓度溶液而言的。
3．某吸收任务的操作液气比、吸收剂进口温度、气体进出口浓度、吸收剂入塔浓度、操作压力均已确定，假定吸收为低浓度混合气体吸收，若设计时选用性能更优良的填料，则（）。
[浙江大学2011研]A．所需传质单元数不变，填料层高度降低B．所需传质单元数不变，填料层高度不变C．所需传质单元数减少，填料层高度降低D．所需传质单元数减少，填料层高度不变【答案】A【解析】传质单元数只与物质的相平衡及进出口浓度条件有关，这些条件固定，则传质单元数不变，选用性能优良的填料，传质单元高度减小，又传质单元数不变，则填料层高度减小。
二、填空题1．在填料塔中用清水吸收混合气中氨，当水泵发生故障上水量减少时，气相总传质单元数将______。
[华南理工大学2012研]【答案】增加【解析】S＝mV/L，当L减小，则S增大，N OG增大。
参数S反映吸收推动力的大小，S增大，吸收推动力变小，N OG必然增大。
陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(流体通过颗粒层的流动 复习笔记)
4.1 复习笔记一、概述1．固定床定义固定床是指众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层。
2．常见流体通过固定床的流动（1）流体通过固定床反应器进行化学反应，此时组成固定床的颗粒是粒状或片状催化剂；（2）固体悬浮液的过滤，此时可将由悬浮液中所含的固体颗粒形成的滤饼看作固定床，滤液通过颗粒之间的空隙流动。
二、颗粒床层的特性1．单颗粒的特性对于球形颗粒存在以下两个关系：式中d p——球形颗粒的直径；v——球形颗粒的体积；s——球形颗粒的表面积。
因此，球形颗粒的各有关特性可用单一参数——直径d p全面表示。
球形颗粒的比表面积非球形颗粒的当量直径：通常试图将非球形颗粒以某种相当的球形颗粒代表，以使所考察的领域内非球形颗粒的特性与球形颗粒等效。
根据不同方面的等效性，可以定义不同的当量直径。
（1）体积等效使得当量球形颗粒的体积等于真实颗粒的体积V，则体积当量直径定义为（2）表面积等效使得当量球形颗粒的表面积等于真实颗粒的表面积s，则面积当量直径定义为（3）比表面积等效使得当量球形颗粒的比表面积等于真实颗粒的比表面积μ，则比表面当量直径定义为d ev，d es和d ea在数值上是不等的，但根据各自的定义式可以推出三者之间有如下关系。
记，则可得可以看出的物理含义故可称为形状系数。
体积相同时球形颗粒的表面积最小，因此，任何非球形颗粒的形状系数皆小于1。
2．颗粒群的特性在任何颗粒群中，各单颗粒的尺寸都不可能完全一样。
从而形成一定的尺寸（粒度）分布。
为研究颗粒分布对颗粒层内流动的影响，首先必须设法测量并定量表示这一分布。
颗粒粒度测量的方法：筛分法，显微镜法，沉降法，电阻变化法，光散射与衍射法，表面积法等。
3．床层特性颗粒按某种方式堆积成固定床时，床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示。
空隙率的定义如下：一般乱堆床层的空隙率大致在0.47～0.7之间。
三、流体通过固定床的压降1．颗粒床层的简化模型在固定床内大量细小而密集的固体颗粒对流体的运动提供了很大的阻力。
陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(气液传质设备 课后习题详解)
10.2 课后习题详解（一）习题板式塔10-1 某筛板塔在常压下以苯-甲苯为试验物系，在全回流下操作以测定板效率。
今测得由第9、第10两块板（自上向下数）下降的液相组成分别为0.652与0.489（均为苯的摩尔分数）。
试求第10块板的默弗里湿板效率。
解：已知：常压苯-甲苯系统，，求：第十块板的默弗里板效率E MV全回流下，y n＋1＝x n∴y11＝x10＝0.489 y10＝x9＝0.653苯-甲苯系统α＝2.4810-2 甲醇-水精馏塔在设计时规定原料组成X F＝0.40，塔顶产品组成为0.90，塔釜残液组成为0.05（均为甲醇的摩尔分数），常压操作。
试用0’connell关联图估计精馏塔的总塔效率。
解：已知：常压，甲醇-水系统，x f＝0.4，x D＝0.9，x w＝0.05，求：用O´connell关联图估计E T由教材附录相平衡数据查得再查t＝80℃时，汽液共存查O，connell关联图得10-3 一板式吸收塔用NaOH水溶液吸收氯气。
氯气的摩尔分数为2％，要求出塔摩尔分数低于0.002％。
各块塔板的默弗里板效率均为50％，不计液沫夹带，求此塔应有多少块实际板。
NaOH溶液与氯气发生不可逆化学反应，可设相平衡常数m＝0。
解：已知：求：∵m＝0每板逐推得实际板数为10。
10-4 某厂常压操作下的甲苯-邻二甲苯精馏塔拟采用筛板塔。
经工艺计算知某塔板的气相流量为2900m3/h，液相流量为9.2m3/h。
试用弗尔的泛点关联图以估计塔径。
有关物性数据：气相密度为3.85kg/m3，液相密度为770kg/m3．液体的表面张力为17.5mN/m。
根据经验选取板间距为450mm、泛点百分率为80％，单流型塔板，溢流堰长度为75％塔径。
解：已知：P＝101.3kPa，甲苯-邻二甲苯系统，，求：用弗尔泛点关联图估计塔径查弗尔泛点关联图，得由教材图10-40查得圆整取D＝1.2m此时泛点半分率填料塔10-5 某填料精馏塔用以分离氯仿-1，1-二氯乙烷，在全回流下测得回流液组成x D＝8.05×10-3，残液组成x w＝8.65×10-4（均为1，1-二氯乙烷的摩尔分数）。
陈敏恒《化工原理》(第3版)课后习题(含考研真题)(热、质同时传递的过程 课后习题详解)
13.2 课后习题详解（一）习题过程的方向和极限13-1 温度为30℃、水汽分压为2kPa的湿空气吹过如表13-1所示三种状态的水的表面时，试用箭头表示传热和传质的方向。
表13-1解：已知：t＝30℃，P＝2kPa，与三种状态水接触。
求：传热、传质方向（用箭头表示）查水的饱和蒸汽压以Δt为传热条件，为传质条件，得：表13-213-2 在常压下一无限高的填料塔中，空气与水逆流接触。
入塔空气的温度为25℃、湿球温度为20℃。
水的入塔温度为40℃。
试求：气、液相下列情况时被加工的极限。
（1）大量空气，少量水在塔底被加工的极限温度；（2）大量水，少量空气在塔顶被加工的极限温度和湿度。
解：已知：P＝101.3kPa，，逆流接触。
求：（1）大量空气，少量水，（2）大量水，少量空气，（1）大量空气处理少量水的极限温度为空气的湿球温度（2）大量水处理少量空气的极限温度为水的温度且湿度为查40℃下，过程的计算13-3 总压力为320kPa的含水湿氢气干球温度t＝30℃，湿球温度为t w＝24℃。
求湿氢气的湿度H（kg水/kg干氢气）。
已知氢-水系统的α/k H≈17.4kJ/（kg·℃）。
解：已知：P＝320kPa，t＝30℃，氢水-水系统，求：H（kg水/kg干氢气）查得24℃下，13-4 常压下气温30℃、湿球温度28℃的湿空气在淋水室中与大量冷水充分接触后，被冷却成10℃的饱和空气，试求：（1）每千克干气中的水分减少了多少？（2）若将离开淋水室的气体再加热至30℃，此时空气的湿球温度是多少？图13-1解：已知：P＝101.3 kPa，求：（1）析出的水分W（kg水/kg干气）（1）查水的饱和蒸汽压（2）设查得与所设基本相符，13-5 在t1＝60℃，H1＝0.02kg/kg的常压空气中喷水增湿，每千克的干空气的喷水量为0.006kg，这些水在气流中全部汽化。
若不计喷入的水本身所具有的热焓，求增湿后的气体状态（温度t2和湿度H2）。
陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(流体输送机械 复习笔记)
2.1 复习笔记一、概述离心泵：用以输送液体的机械。
用以输送气体的机械按不同的情况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵等。
1．管路特性方程式中系数K为K由管路特性决定。
当管内流动已进入阻力平方区，系数K是一个与管内流量无关的常数。
表明管路中流体的流量与所需补加能量的关系。
管路特性方程如图2-1所示。
图2-1中曲线称为管路特性曲线。
图2-1 管路特性曲线低阻管路系统的特性曲线较为平坦（曲线1），高阻管路的特性曲线较为陡峭（曲线2）。
2．扬程定义压头或扬程是指输送机械向单位重量流体提供的能量。
3．输送机械的分类（1）动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式等；（2）容积式（正位移式）：包括往复式、旋转式等；（3）其他类型：指不属于上述两类的其他型式，如喷射式等。
二、离心泵1．离心泵的工作原理（1）离心泵的主要构件——叶轮和蜗壳离心泵的主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳（如图2-2所示）。
叶轮是离心泵直接对液体做功的部件。
（2）工作原理离心泵在工作时，叶轮由电机驱动作高速旋转运动（1000～3000r/min），迫使叶片间的液体作近于等角速度的旋转运动，同时因离心力的作用，在叶轮中心处吸入低势能、低动能的液体，液体在流经叶轮的运动过程中获得能量，在叶轮外缘可获得高势能、高动能的液体。
液体进入蜗壳后，又将部分动能转化为势能，最后沿切向流入压出管道。
在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时，在叶轮中心形成低压。
液体在吸液口和叶轮中心处的势能差的作用下源源不断地吸入叶轮。
图2-2 离心泵装置简图1－叶轮；2－泵壳；3－泵轴；4－吸入管；5－底阔；6－压出管（3）离心力场中的机械能守恒叶轮进、出口截面列出机械能守恒式如下。
（4）离心泵的理论压头泵的理论压头HT和泵的流量之间的关系为上式表示不同形状的叶片在叶轮尺寸和转速一定时，泵的理论压头和流量的关系。
（5）叶片形状对理论压头的影响①叶片形状分类根据叶片出口端倾角β2的大小，叶片形状可分为三种：径向叶片（β2＝90°）；后弯叶片（β2＜90°）和前弯叶片（β2＞90°）。
陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(流体流动 课后习题详解)
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图 1-8 证明：已知：如图 1-8 所示，求证： 作 1-1 等压面，由静力学方程得
即
1-10 试利用流体平衡的一般表达式（1-9）推导大气压 P 与海拔高度 h 之间的关系。
因液体在器内及管内的流动缓慢，本题可作静力学处理。
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图 1-3 解：已知： 假定：由于液体流动速度缓慢，可作静力学处理
求：H（m）。
＝0.5 780 ＝0.39m 1000
1-5 如图 1-4 所示复式 U 形压差计测定水管 A、B 两点的压差。指示液为汞，其间充 满水。今测得 h1＝1.20m，h2＝0.3m，h3＝1.30m，h4＝0.25m。试以 Pa 为单位表示 A、 B 两点的压差△p。
解：已知：T＝20℃（苯），
求：（1）
入孔盖受力 F（N）；（2）槽底压强 P（Pa）。
（1）由于入孔盖对中心水平线有对称性，且静压强随深度作线性变化，所以能够以孔
盖中心处的压强ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ全面积求积得 F。
＝8809.819－0.6 0.785 0.52 ＝1.42 N
（2）P=ρgH=880×9.81×9=7.77×104（Pa）
图 1-2 解：已知： 气缓慢流动。求：储槽内液体的储存量 W。 （1）管道内空气缓慢鼓泡 u＝0，可用静力学原理求解。 （2）空气的 ρ 很小，忽略空气柱的影响。 ∴
H＝ i R＝13600 0.13＝1.8 980
∴
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管道中空
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图 1-6
陈敏恒《化工原理》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(蒸发 复习笔记)
7.1 复习笔记一、概述1．蒸发操作的目的和方法含不挥发性溶质（如盐类）的溶液在沸腾条件下受热，使部分溶剂汽化为蒸气的操作称为蒸发。
化工生产中蒸发操作的目的是：（1）获得浓缩的溶液直接作为化工产品或半成品；（2）借蒸发以脱除溶剂，将溶液增浓至饱和状态，随后加以冷却，析出固体产物，即采用蒸发、结晶的联合操作以获得固体溶质；（3）脱除杂质，制取纯净的溶剂。
单效蒸发：用来自锅炉的蒸汽（加热蒸汽）作加热剂使溶液受热沸腾。
蒸发出的蒸汽（二次蒸汽）如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。
这种蒸发装置称为单效蒸发。
蒸发操作可连续或间歇地进行，工业上大量物料的蒸发通常是连续的定态过程。
2．蒸发操作的特点尽管蒸发操作的目的是物质的分离，但其过程的实质是热量传递而不是物质传递，溶剂汽化的速率取决于传热速率。
因此，蒸发操作应属于传热过程，但它具有某些不同于一般传热过程的特殊性。
（1）溶液在沸腾汽化过程中常在加热表面上析出溶质而形成垢层，使传热过程恶化。
因此，蒸发器结构的设计应设法延缓垢层的生成并易于清理。
（2）溶液的物性对蒸发器的设计和操作有重要影响。
（3）溶剂汽化需吸收大量汽化热蒸发操作是大量耗热的过程，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。
蒸汽温位降低的主要原因有两个：①传热需要有一定的温度差为推动力，所以汽化温度必低于加热蒸汽的温度；②在指定外压下，由于溶质的存在造成溶液的沸点升高。
由此可知，蒸发操作是高温位的蒸汽向低温位转化．较低温位的二次蒸汽的利用必在很大程度上决定了蒸发操作的经济性。
二、蒸发设备1．各种蒸发器针对各种物料不同的物性，研制了各种不同结构的蒸发器。
它们均由加热室、流动（或循环）通道、气液分离空间这三部分所组成。
（1）循环型蒸发器①垂直短管式；②外加热式；③强制循环蒸发器。
（2）单程型蒸发器单程型蒸发器中，物料单程通过加热室后蒸发达到指定浓度。
器内液体滞留量少，物料的受热时间大为缩短，所以对热敏物料特别适宜。
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6.1 复习笔记
一、概述
1．传热目的
（1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；
（2）换热，以回收利用热量或冷量；
（3）保温，以减少热量或冷量的损失。
生产上最常遇到的是冷、热两种流体之间的热量交换。
若加热和冷却同属一个生产过程，则可采用图6-1所示的换热流程以同时达到加热和冷却的目的。
图6-1 典型的换热流程
1-换热器；2-反应器
2．工业上的传热过程
（1）直接接触式传热
对某些传热过程，可使冷、热流体直接接触进行传热。
这种接触方式，传热面积大，设备亦简单。
由于冷、热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程同时发生。
因此，直接接触式传热在原理上与单纯传热过程有所不同。
（2）间壁式传热
工业上应用最多的是间壁式传热过程。
间壁式换热器类型很多，其中最简单而又最典型的结构是套管式换热器。
在套管式换热器中，冷、热流体分别通过环隙和内管，热量自热流体传给冷流体。
这种热量传递过程包括三个步骤：
①热流体给热于管壁内侧；
②热量自管壁内侧传导至管壁外侧；
③管壁外侧给热于冷流体。
在冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁面之间的热量传递过程称为热过程，以示区别。
（3）蓄热式传热
这种传热方式是首先使热流体流过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热；然后停止热流体，使冷流体流过固体表面，用固体填充物所积蓄之热量加热冷流体。
如此周而复始，冷、热流体交替流过壁面，达到冷热流体之间传热的目的。
蓄热式换热器又称蓄热器，是由热容量较大的蓄热室构成，室内可填充耐火砖等各种填料。
3．传热过程
（1）传热速率
①热流量Q：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量，单位为W；
②热流密度（或热通量）q：单位时间、通过单位传热面积所传递的热量，单位为W/m2。
即
与热流量Q不同，热流密度q与传热面积A大小无关，完全取决于冷、热流体之间的
热量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。
（2）换热器的热流量
换热器的热流量为
（3）非定态传热过程
工业上不少传热过程是间歇进行的，此时流体的温度随时间而变，属非定态过程。
用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体，是最简单的非定态传热过程。
非定态传热一段时间内所传递的累积总热量Q T
为计算累积传热量Q T，只知道热流密度q的计算式是不够的，尚需知道热流密度q随时间的变化规律。
（4）传热机理
任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。
固体内部的热量传递只能以传导的方式进行，但流体与换热器壁面之间的给热过程则往往同时包含对流与传导，对高温流体则还有热辐射。
二、热传导
1．傅里叶定律和热导率
（1）傅里叶定律
式中q——热流密度，W/m2；
——法向温度梯度，℃/m
λ——比例系数，称为热导率（导热系数），w/（m·℃）。
傅里叶定律指出，热流密度正比于传热面的法向温度梯度，式中负号表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量从高温传至低温。
式中的比例系数（即热导率）λ是表征材料导热性能的一个参数，λ愈大，导热性能越好。
与黏度系数μ一样，热导率λ也是分子微观运动的一种宏观表现。
（2）热导率
物体的热导率与材料的组成、结构、温度、湿度、压强以及聚集状态等许多因素有关。
各类固体材料热导率的数量级为：
金属10～102w/（m·℃）
建筑材料10-1～10W/（m·℃）
绝热材料10-2～10-1w/（m·℃）
固体材料的热导率随温度而变，绝大多数质地均匀的固体，热导率与温度近似成线性关系。
可用下式表示
λ＝λ0（1＋at）
式中λ——固体在温度f℃时的热导率，w/（m·℃）；
λ0——固体在0℃时的热导率，w/（m·℃）；
α——温度系数，1/℃；对大多数金属材料为负值，而对大多数非金属材料为正值。
液体的热导率较小，但比固体绝热材料为大。
在非金属液体中，水的热导率最大，而且除水和甘油外，常见液体的热导率随温度升高而略有减小。
气体的热导率比液体更小，约为液体热导率的1/10。
固体绝热材料的热导率之所以很小。
就是因为空隙率很大，含有大量空气的缘故。
气体的热导率随温度升高而增大；但在相当大的压强范围内，压强对λ无明显影响。
只
有当压强很低或很高时，λ才随压强增加而增大。
2．通过平壁的定态导热过程
设有一高度和宽度均很大的平壁，厚度为δ，两侧表面温度保持均匀，分别为t1及t2，且t1＞t2。
若t1、t2不随时间而变，壁内传热系定态一维热传导。
此时傅里叶定律可写成
积分得：
式中，△t＝t1－t2，为平壁两侧的温度差，℃；A为平壁的面积，m2。
上式又可写成如下形式
表明热流量Q正比于推动力△t，反比于热阻R，与欧姆定律极为类似。
从上式还可以看出，传导层厚度δ越大，传热面积和热导率越小，热阻越大。
若热导率λ随温度而变化，则可用平均温度下的λ值。
3．通过圆筒壁的定态导热过程
设有内、外半径分别为r1、r2的圆筒，内、外表面分别维持恒定的温度t1、t2，管长l 足够大，则圆筒壁内的传热属定态一维热传导。
此时，傅里叶定律可写成
壁内温度分布为
上式表明，圆筒壁内的温度按对数曲线变化。
上式中的积分常数c和热流量Q可由边界条
件（r＝r1时t＝t1，r＝r2时t＝t2）求出。
热流量：
或
以上两式均可改写成
式中
对于的圆筒壁，以算术平均值代替对数平均值导致的误差<4％。
作为工程计算，此时A m可取d m可取
圆筒壁热阻为
4．通过多层壁的定态导热过程。