化工原理计算题例题.docx

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化工原理计算题例题

三计算题

1（15分）在如图所示的输水系统中，已知

管路总长度（包括所有当量长度，下同）为

100m，其中压力表之后的管路长度为80m，

管路摩擦系数为0.03，管路内径为0.05m，

水的密度为1000Kg/m3，泵的效率为0.85，

输水量为15m3/h。

求：

（1）整个管路的阻力损失，J/Kg；

（2）泵轴功率，Kw；

（3）压力表的读数，Pa。

解：

（1）整个管路的阻力损失，J/kg；

由题意知，

则

（2）泵轴功率，kw；

在贮槽液面0-0′与高位槽液面1-1′间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，有：

其中，,u0=u1=0，p1=p0=0（表压）,H0=0，H=20m

代入方程得：

又

故，η=80%，

2（15分）如图所示，用泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽液面均恒定不变，输送管路尺寸为?

83×3.5mm，泵的进出口管道上分别安装有真空表和压力表，真空表安装位置离贮槽的水面高度H1为4.8m，压力表安装位置离贮槽的水面高度H2为5m。

当输水量为36m3/h时，进水管道全部阻力损失为1.96J/kg，出水管道全部阻力损失为4.9J/kg，压力表读数为2.452×105Pa，泵的效率为70%，水的密度?

为1000kg/m3，试求：

（1）两槽液面的高度差H为多少？

（2）泵所需的实际功率为多少kW？

（3）真空表的读数为多少kgf/cm2？

解：

（1）两槽液面的高度差H

在压力表所在截面2-2′与高位槽液面3-3′间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，得：

其中，,u3=0,p3=0,

p2=2.452×105Pa,H2=5m,u2=Vs/A=2.205m/s

代入上式得：

（2）泵所需的实际功率

在贮槽液面0-0′与高位槽液面3-3′间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，有：

其中，,u2=u3=0,p2=p3=0,H0=0，H=29.4m

代入方程求得：

We=298.64J/kg，

故，η=70%，

（3）真空表的读数

在贮槽液面0-0′与真空表截面1-1′间列柏努利方程，有：

其中，,H0=0，u0=0,p0=0,H1=4.8m,u1=2.205m/s

代入上式得，

3用离心泵把20℃的水从储槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定。

各部分相对位置如本题附图所示。

管路的直径均为Φ76mm×2.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.66×103Pa；水流经吸入管与排出管（不包括喷头）的能量损失可分别按与计算，由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速m/s。

排水管与喷头连接处的压强为98.07×103Pa（表压）。

试求：

（1）水在管内的流速u；

（2）泵的有效功率；（3）已知泵的效率为60%，求操作条件下泵的轴功率。

4（15分）如本题附图所示，用泵2将储槽1中密度为1200kg/m3的溶液送到蒸发器3内，储槽内液面维持恒定，其上方压强为101.33×103Pa。

蒸发器上部的蒸发室内操作压强为200mmHg（真空度）。

蒸发器进料口高于储槽内的液面15m，输送管道的直径为Φ68mm×4mm，送料量为20m3/h，溶液流经全部管道的能量损失为120J/kg，试求：

（1）泵的出口管路中流体的流速；

（2）泵的有效功率；（3）若泵的效率为65%，求泵的轴功率。

5（15分）一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为6m，直径为φ25×2mm。

冷却水在管内流过，并从17oC被加热到37oC。

流量为1.25kg/s，温度为72oC的烃饱和蒸汽在管外冷凝成同温度的液体，烃蒸汽的冷凝潜热为315KJ/Kg。

已测得：

蒸汽冷凝传热系数α0=800w/（m2·oC），管内侧热阻为外侧热阻的40%，污垢热阻为管内侧热阻的70%。

计算时可忽略管壁热阻及热损失。

水的比热为4.18KJ/（Kg·oC）。

试计算：

（1）冷却水用量；

（2）换热管的总根数。

（传热面积以外表面为基准）。

解：

（1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准），S1；

由题意知，水以0.7m/s的流速在管内流过，欲求S1，需先知道每程的管子数，每程的管子数等于所需冷却水的总流量与单管内水的流量之比。

两流体交换的热量为：

又，，

则

单管内水的流量为：

每程所需管子数为：

取每程管子数为20，则每程所能提供的传热外表面积为：

（2）换热管的总根数；

由所需的总传热面积可求取换热管的总根数。

由题给数据，

则任务所需的传热外表面积为：

换热管总根数为：

取

6（15分）有一换热器，管内通90℃的热流体，膜系数为1100，管外有某种液体沸腾，沸点为50℃，膜系数为5800。

试求以下两种情况下的壁温：

（1）管壁清洁无垢；

（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005

解：

忽略管壁热阻，并假设壁温为

（1）当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得：

则

（2）同理

则

由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。

7（15分）在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进口温度分别为20℃和110℃。

在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为45℃和40℃，使用一年后，由于污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下，冷却水出口温度降至38℃，试求：

（1）空气出口温度为多少？

（2）总传热系数为原来的多少倍？

（3）若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不变，冷热流体的出口温度各为多少？

（?

水>>?

空气）（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？

变为多少？

解：

使用初期使用一年后

110℃40℃110℃

45℃20℃38℃20℃

（1）空气出口温度

题意可得：

使用初期

（1）

使用一年后

（2）

两式相比

（2）/

（1），得

则：

=59.6℃

（2）总传热系数

方程

（2）式/

（1）式，得：

故

（3）冷热流体的出口温度

一年后（3）

（4）

方程（4）式/（3），得：

整理前半式的方程（5）

又因，，故

由等比定理

则

整理得，（6）

联立（5）和（6），可得：

，

（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？

变为多少？

则

8在一单程列管式换热器中，欲用水将15000kg/h的煤油从140℃冷却到40℃，水的进、出口温度分别为30℃和40℃，两流体逆流流动。

煤油的平均比热容为2.3kJ/（kg?

℃），水的平均比热容为4.187kJ/（kg?

℃）。

若换热器的总传热系数为300W/（m2?

℃），试求：

（1）冷却水的流量；

（2）换热器的对数平均温度差Δtm；（3）换热器的传热面积S。

9在逆流填料吸收塔中，用清水吸收含氨5%（体积）的空气—氨混合气中的氨，已知混合气量为2826m3/h（标准状况），气体空塔速度为1m/s，平衡关系为Y=1.2X，以摩尔比为推动力的气相体积总传质系数KYa=180kmol/m3·h，吸收剂用量为最小用量的1.4倍，要求吸收率为98%，试求：

（1）溶液的出口浓度X1（摩尔比）；

（2）气相总传质单元高度HOG；（3）气相总传质单元数NOG；

10（15分）一填料塔用清水逆流吸收混合气中的有害组分A.已知操作条件下气相总传质单元高度为1.5m，进塔混合气组成为0.04（A的摩尔分率，下同），出塔尾气组成为0.0066，出塔水溶液浓度为0.0134，操作条件下平衡关系为Y=2.5X。

试求：

（1）液气比为最小液气比的多少倍？

（2）所需填料层高度？

（3）若气液流量和初始组成不变，要求尾气浓度降至0.0033，求出此时填料层高度？

解：

（1）液气比为最小液气比的多少倍

则

（2）所需填料层高度？

故

（3）此条件下的填料层高度。

11（15分）某填料吸收塔用含溶质的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分，采用液气比L/V=3，气体入口质量分数回收率可达。

已知物系的平衡关系为y=2x。

今因解吸不良使吸收剂入口摩尔分数升至，试求：

可溶组分的回收率下降至多少？

液相出塔摩尔分数升高至多少？

解：

（1）

=

当上升时，由于不变，不变

也不变，即

（1）物料衡算

=

12（20分）某填料吸收塔进塔混合气体中含苯5%（体积百分数），其余为惰性气体。

吸收塔操作压强为780mmHg，温度为25℃，进塔混合气体流量为1000m3/h，苯回收率为95%。

吸收剂为不含苯的煤油，煤油耗用量为最小用量的1.5倍。

气液逆流流动，系统平衡关系为Y=0.14X（式中Y、X均为摩尔比），气相体积总传质系数为Kya=125kmol/m3·h，煤油的平均分子量为170kg/kmol，塔径为0.6m。

试求：

（1）煤油的耗用量为多少kg/h？

（2）煤油出塔浓度X1为多少？

（3）填料层高度为多少m？

（4）吸收塔每小时回收多少kmol苯？

（5）欲提高回收率可采用哪些措施？

并说明理由。

13（15分）有一填料吸收塔，在28℃及101.3kPa，用清水吸收200m3/h氨-空气混合气中的氨，使其含量由5%降低到0.04%（均为摩尔%）。

填料塔直径为0.8m，填料层体积为3m3，平衡关系为Y=1.4X，已知Kya=38.5kmol/h。

问

（1）出塔氨水浓度为出口最大浓度的80%时，该塔能否使用？

（2）若在上述操作条件下，将吸收剂用量增大10%，该塔能否使用？

（注：

在此条件下不会发生液泛）

解：

（1）

惰性气体流量

该塔现有填料层高度

因为所以该塔不适合。

（2）吸收剂用量增大10%时

因为所以该塔适合。

14（15分）在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为全凝器，塔釜间接蒸汽加热，平均相对挥发度为2.47，饱和蒸汽进料。

已知进料量为200kmol/h，进料组成为0.4（摩尔分率），回流比为6，塔顶馏出液中苯的回收率为0.97，塔釜采出液中甲苯的回收率为0.95。

试求：

（1）塔顶馏出液及塔釜采出液组成；

（2）精馏段操作线方程；（3）回流比与最小回流的比值；（4）若全回流操作时，塔顶第一块塔板的气相默弗里板效率为0.6，全凝器液相组成为0.98，求由塔顶第二块板上升的气相组成？

解：

（1）塔顶馏出液及塔釜采出液组成；

由（a）

（b）

F=D+W+150（c）

（d）

联立（a）、（b）、（c）和（d）求解得：

W=87.3kmol/h，D=62.7kmol/h

xW=0.0206，xD=0.928

（2）精馏段操作线方程；

（3）提馏段操作线方程；

饱和蒸气进料，故q=0，

则

（4）回流比与最小回流比的比值；

q=0，

由得

，

（5）求由塔顶第二块板上升的气相组成。

，

而全回流时，

，代入上式可得：

15在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为全凝器，塔釜间接蒸汽加热。

进料量为1000kmol/h，含苯0.4，要求塔顶馏出液中含苯0.9（以上均为摩尔分率），苯的回收率不低于90%，泡点进料，泡点回流。

已知α=2.5，取回流比为最小回流比的1.5倍。

求：

（1）塔顶产品量D、塔底残液量W及组成xw；

（2）最小回流比；（3）精馏段操作线方程；（4）从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成为多少？

解：

（1）塔顶产品量D、塔底残液量W及组成xw；

由，得：

W=F-D=1000-400=600kmol/h

又由物料衡算

得

（2）最小回流比；

泡点进料，q=1,

（3）精馏段操作线方程；

（5）从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成

由操作线方程

得

16（15分）用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量