1、化工原理计算题化工原理试题参考答案计算题化工原理计算题1二、 某离心泵在作性能试验时以恒定转速打水,当流量为75m3/h时,泵吸入口真空表读数为0.030MPa,泵压出口处压强计读数为0.30MPa。两测压点的位差不计,泵进出口的管径相同,测得此时泵的轴功率为10.6kW,试求:(1)该泵的扬程He;(10分) (2)该泵的效率。(6分)解:(1)选取泵吸入口处的截面为截面1-1,泵压出口处截面为截面2-2;列机械能衡算式:根据题意,已知:P1= -0.03MPa=-3104Pa(表),P2=0.30MPa=-3105Pa(表),u1=u2,Z1=Z2,代入上式: =33.65m(2)Pe=g
2、He.qv=10009.80733.6575/3600 =6875W=6.875kW =Pe/P100%=(6.875/10.6)100%=64.9%答:该泵的扬程为33.65m;泵的效率为64.9%。二、某压滤机作恒压过滤,过滤10min得滤液5L,再过滤10min又得滤液3L,试问:如果继续过滤10min,又可得滤液多少L?(13分)解:对恒压过滤,有:V22VeVKA2据题意,知:110min时, V15L;220min时, V28L;代入上式:5210Ve10KA2 (1)8216Ve20KA2 (2) 联立上式,解得:Ve=3.5,KA26即:V2+7V6310+10+1030min
3、时,代人,得V310.37L V10.37-5-32.37L答:再过滤10min.后又得滤液2.37L。四、某列管式加热器由多根252.5mm的钢管所组成,将苯由20加热到60,苯在管中流动,其流量为16000kg/h,流速为0.6m/s。加热剂为130的饱和水蒸汽,在管外冷凝。苯的比热容Cp1.78kJ/(kg),密度为860kg/m3。已知加热器的传热系数为720W/(m2)。试求:(1)此加热器所需的管数n(6分);(2)单管的长度L(10分)。解:由题意,知:Qv16000/(8603600)5.16810-3m3/s, QG苯Cp(t2-t1)(16000/3600)1780(602
4、0)316444J/s t1130-20110,t2130-6070, tm(11070)/290 K720W/(m2)(1)换热器所需的管数n: QvuAund2/4 n4Qv/(ud2)45.16810-3/(0.63.14160.022)27.427根 (2)单管的长度L: QKAtmK(ndL)tm LQ/ K(nd)tm 316444/720(273.14160.02)90 2.73m答:换热器所需的管数n为27根,单管长度为2.73米。五、流率为0.018kmol/(s.m2)的空气混合气中含氨体积分数为3%,拟采用逆流吸收来回收其中的95%的氨,塔顶淋入摩尔分数为0.00005的
5、稀氨水溶液,设计采用的液气比为最小液气比的1.8倍,操作围物系服从亨利定律y=1.2x,所用填料的总传质系数Kya=0.055kmol/(s.m3)。试求:(1)液体在塔底的摩尔分数x1;(6分) (2)全塔的平均推动力ym;(7分) (3)所需填料层高度m.(7分)解:据题意,知:G0.018kmol/(s), y1=3%=0.03, x2=0.00005,(L/G)=1.8(L/G)min, ye=1.2x, kya0.055kmol/(sm3)y2= y1(1-)=0.03(1-95%)=0.0015,x1e=y1/m=0.03/1.2=0.025(1) (L/G)min(y1-y2)/
6、( x1e-x2)(0.03-0.0015)/(0.025-0.00005)=1.1423(L/G)=1.8(L/G)min1.81.1423=2.05614(L/G)(y1-y2)/( x1-x2)x1=x2+(y1-y2)/(L/G)=0.00005+(0.03-0.0015)/2.05614=0.01391(2) y1=y1-m.x1=0.03-1.20.01391=0.013307y2=y2-m.x2=0.0015-1.20.00005=0.00144ym=(y1-y2)/ln(y1/y2)=(0.013307-0.00144)/ln(0.013307/0.00144)=0.01186
7、7/ln11.672807=0.011867/2.22365=0.005337(3) HOG=G/ kya=0.018/0.055=0.3273m NOG=(y1-y2)/ym=(0.03-0.0015)/0.005337=0.0285/0.005337=5.34 H= HOGNOG=0.32735.34=1.75m答:通过计算知:(1)液体在塔底的摩尔分数x1为0.014;(2)全塔的平均推动力ym为0.005337;(3)所需填料层高度为1.75m。六.某精馏塔在1atm下分离苯甲苯混合液,此时该塔的精馏段和提馏段操作线方程分别为:y=0.732x+0.263及y=1.25x-0.0188
8、。已知每小时塔顶产品量为75kmol,蒸馏釜加热蒸汽压强为3kgf/cm2(表压)。试计算:(1)塔顶组成XD及回流比R,提馏段上升蒸气流量V(12分);(2)蒸馏釜加热管的必要表面积和蒸汽消耗量。设釜液体的沸点为纯甲苯的沸点110,汽化潜热为336.5kJ/kg;加热蒸汽温度为143,汽化潜热为2139.9kJ/kg;总传热系数为582W/m2.,热损失忽略,泡点进料。(12分)解:(1) 由精馏段操作线方程:y=0.732x+0.263, 知: R/(R+1) = 0.732, XD(R+1)= 0.263解得: R= 2.73 XD =0.98 V=(R+1)D=(2.73+1)*75=
9、279.75kmol/hQ=G.r=(V.M.r)甲苯=(279.75/3600).92.(336.5*1000). =2.4057*106J/s tm=t=143-110=33, A=Q/(Ktm)= 2.4057*106/(582*33)=125.3m2 G汽Q/r汽2.4057*106/(2139.9*1000)1.124kg/s.化工原理计算题2二、如下图所示,粘度为32mPa.s、密度为850kg/m3的液体自容器A流经径为50mm的管路进入容器B。两容器均为敞口,液面视作不变。管路中有一阀门,阀前管长100m,阀后管长50m(均包括局部阻力的当量长度)。当阀全关时,阀前、后的压强计
10、读数分别为0.09MPa和0.045MPa。现将阀门打开至1/4开度,阀门阻力的当量长度为30m。试求:(1)容器A的液面比容器B的液面高多少米?(5分)(2)阀门开度1/4时管路的流量是多少m3/s?(12分)解:(1)当阀门关闭时,P1点与容器A液面间的液体以及P2点与容器B液面间的液体均处于静止连通状态,故它们适用静力学基本方程: P1=PA+g(ZA-Zp1), P2=PB+g(ZB-Zp2), 已知: Zp1= Zp20(令作基准面),PA= PB=0(表压) ZA- ZB=(P1- P2)/g=(0.09-0.045)106/(8509.807)=5.4米 (2)当阀门开度为1/4
11、时,流体将通过阀门从容器A流向容器B。因为液面视作不变,所以,该流动可视作不可压缩流体在重力场下的定态流动,适用机械能衡算式。 取容器A液面为截面1-1;容器B液面为截面2-2;则: P1/u12/2Z1gP2/u22/2Z2ghf 据题意知,P1= P2=0(表),u1= u2=0,Z1- Z2=5.4m,hf= Z1g- Z2g=5.49.807=52.9578J/kg 又hf=(l+le)u2/(2d) 设为层流流动(Re2000),则=64/Re=64/(du)则:hf=(l+le)u2/(2d)=32(l+le)u/(d2)u=hfd2/(32(l+le)) 据题意:l+le =10
12、0+30+50=180m,d=50mm=0.05m, =850kg/m3, =32mPa.su =52.95780.052850/(321800.032)=0.61m/s校验:Re=du/=0.050.61850/0.032=8102000,假设正确,结果成立。Qv=d2u/4=3.14160.0520.61/4=0.0012m3/s=4.31 m3/h答:(1)容器A的液面比容器B的液面高5.4m; (2)阀门打开1/4开度时,管路的流量是0.0012 m3/s.三、某压滤机先在恒速下过滤10min,得滤液6L。此后即维持此最高压强不变,作恒压过滤。设过滤介质阻力可忽略不计。试问:恒压下连续
13、过滤时间为60min时,又可得滤液多少L?(13分)解:恒速下过滤时,有:V2+VVe=(K/2)A2 据题意,知:Ve=0(介质阻力忽略不计),=10min时,V=6L,代入恒速过滤式:62=(K/2)A210,KA2=7.2恒压下过滤时,(V2-V12)+2Ve(V-V1)=KA2(-1),即:(V2-V12)=7.2(-1)已知:1=10min时,V1= 6L;=70min,V2=7.260+62=468 V=21.63LV=V- V1=21.63-6=15.63L答:恒压下继续过滤60min,又可得滤液15.63L。四、684的无缝钢管(钢=45.4W/(m.K)),通过135的饱和蒸
14、汽。管外包20mm厚的保温层(保=0.062W/(m.K)),该管设置于温度为20的大气中,已知管壁与蒸汽的给热系数1=4500W/(m2.K),保温层外表面与大气的给热系数2 =15W/(m2.K)。该蒸汽的相变热为2166kJ/kg.试求:(1)蒸汽流经每米管长的冷凝量kg/s;(12分)(2)保温层外表面的温度(8分)解:依据题意,传热过程为:Q(135汽)管壁表面(60mmd1=60mm)壁传热(1=4mmdm1=64mm)外壁表面(d2=68mm)保温层传热(保温层2=20mmdm2=88mm)保温层外表面(d2=108mm)大气(20)(1)每米长管路每秒钟损失的热量QJ/sm及蒸
15、汽冷凝量GQKAtm 1/KA1/1A11/1Am12/2Am21/2A21/(1d1L)1/(2dm1L ) 2/(2dm2L ) 1/(2d2L)1/(45003.14160.0601)0.004/(45.43.14160.0641)+0.02/(0.0623.14160.0881)1/(153.14160.1081)0.0011789230.000438201+1.1668223670.19648712461.3649266156 KA0.73264W/K 管为蒸汽,管外为大气,tmt汽t气13520115 QKAtm0.7326411584.2536W G=Q/r=84.2536/(2
16、1661000)=3.8910-5kg蒸汽/s.m (2)保温层外表面的温度t外() QKAtm2A2(t外20)153.14160.1081(t外20)84.2536W t外84.25360.19648712462036.55答:每米长管路每秒钟冷凝的蒸汽量为3.8910-5kg ;保温层外表面的温度为36.55。五、流率为0.020kmol/(s.m2)的空气混合气中含氨体积分数为3%,拟采用逆流吸收来回收其中的96%的氨,塔顶淋入摩尔分数为0.00005的稀氨水滤液,设计采用的液气比为最小液气比的1.8倍,操作围物系服从亨利定律y=1.2x,所用填料的总传质系数Kya=0.055kmol
17、/(s.m3)。试求:(1)液体在塔底的摩尔分数x1;(6分) (2)全塔的平均推动力ym;(7分) (3)所需填料层高度m.(7分)解:据题意,知:G0.020kmol/(s), y1=3%=0.03, x2=0.00005,(L/G)=1.8(L/G)min, ye=1.2x, kya0.055kmol/(sm3)y2= y1(1-)=0.03(1-96%)=0.0012,x1e=y1/m=0.03/1.2=0.025(1) (L/G)min(y1-y2)/( x1e-x2)(0.03-0.0012)/(0.025-0.00005)=1.1543(L/G)=1.8(L/G)min1.81.
18、1543=2.07774(L/G)(y1-y2)/( x1-x2)x1=x2+(y1-y2)/(L/G)=0.00005+(0.03-0.0012)/2.07774=0.01391(2) y1=y1-m.x1=0.03-1.20.01391=0.013307y2=y2-m.x2=0.0012-1.20.00005=0.00114ym=(y1-y2)/ln(y1/y2)=(0.013307-0.00114)/ln(0.013307/0.00114)=0.012167/ln11.672807=0.012167/2.45726=0.004951(3) HOG=G/ kya=0.020/0.055=0
19、.3636m NOG=(y1-y2)/ym=(0.03-0.0012)/0.004951=0.0288/0.004951=5.817 H= HOGNOG=0.36365.817=2.12m答:通过计算知:(1)液体在塔底的摩尔分数x1为0.014;(2)全塔的平均推动力ym为0.0050;(3)所需填料层高度为2.12m。六、在一连续精馏塔中分离某理想溶液,原料液浓度XF=0.45,塔顶馏出液浓度XD=0.98,回流比为最小回流比的1.5倍,进料状态q=1.2,操作条件下溶液的相对挥发度=2.0,塔顶采用全凝器,试问:(1)精馏段的操作线方程;(8分)(2)第二块理论板上的气相组成及液相组成。
20、(4分)解:(1)先求出最小回流比条件下,两操作线的交点在相平衡线上的坐标位置(xe,ye):即解下列方程组:y=x/1+(-1)x=2x/(1+x)(1)y=qx/(q-1)-xf/(q-1)=1.2x/0.2-0.45/0.2=6x-2.25(2)x=xe=0.484, y=ye=0.652由Rmin/(Rmin+1)=(Xd-ye)/(Xd-xe)=(0.98-0.652)/(0.98-0.484)=0.6613Rmin=1.9525,R=1.5Rmin=2.9287精馏段的操作线方程:y=Rx/(R+1)+xd/(R+1)=2.9287x/(2.9287+1)+0.98/(2.9287
21、+1)=0.7455x+0.2494(1)N=1: y1=xd=0.98,由y1=x1/1+(-1)x1=2x1/(1+x1)=0.98, 解得:x1=0.96;N=2:y2=0.7455x1+0.2494=0.74550.96+0.2494=0.965由y2=x2/1+(-1)x2=2x2/(1+x2)=0.965, 解得:x2=0.932;所以,第二块理论板上的气相组成y2=0.965及液相组成x2=0.932;化工原理计算题3二、 用泵将储槽中的石油以40吨/h的流率经过1084mm的管子输送到高位槽。两槽上方均通大气,两槽的液面差为20m,管子总长为45m(所有局部的当量长度均计算在)
22、,试计算:(1)泵输送25的石油所需要的扬程He;(8分)(2)若泵的效率为60%,计算轴功率P为多少KW?(4分)已知25的石油密度为860kg/m3,粘度为2.43Pa.s。解:取储油槽油面为截面11,高位槽油面为截面22,则有:P1/u12/2Z1gheP2/u22/2Z2ghf已知u10,Z10,u20,Z220m,P1P20(表压),860 kg/m3=2.43Pa.s, qv=40T/h=40000/860=46.51m3/h=0.01292m3/s管流速u=qv/A=0.01292/(3.14160.12/4)=1.645m/sRe=du/=0.11.645860/2.43=58
23、.222000,层流=64/Re=64/58.22=1.10hf=(l+le)/du2/2=1.1045/0.11.6452/2=669.74J/kg代入机械能衡算式:000he00209.807669.74he865.88J/kgHe88.29J/NPegHeqvgHeqm9.80788.29(40000/3600)9620W9.62kWPaPe/9.62/0.616.0kW答:泵输送石油所需要的扬程He为88.29米,泵的轴功率为16.0kW 三、在恒压下对某种悬浮液进行过滤,过滤10min得滤液10L,再过滤10min又得滤液6L。如果继续过滤20min,又可得滤液多少L?(10分)解:
24、对恒压过滤,有:V22VeVKA2据题意,知:110min时, V110L;220min时, V216L;代入上式:10220Ve10KA2 (1)16232Ve20KA2 (2) 联立上式,解得:Ve=7,KA224即:V2+14V24310+10+2040min时,代人,得V324.76L V24.76-10-68.76L答:再过滤20min.后又得滤液8.76L。四、 用一传热面积为3m2的单程列管式换热器,用初温为10的水将机油由200冷却至100,水走管,油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000kg/h和1200kg/h, 其比热分别为4.18kJ/kg.K和2.0kJ/kg.
25、K; 水侧和油侧的对流传热系数分别为2000W/m2.K和250W/m2.K, 两流体呈逆流流动,忽略管壁和污垢热阻。(1)计算说明该换热器是否合用?(7分)(2)夏天当水的初温达到30时,该换热器是否合用?(4分)如何解决?请定量计算(假设传热系数不变)(6分)解:已知:A=3m2; t1=10, T1=200,T2=100; qm1=1000kg/h=0.2777778kg/s, qm2=1200kg/h=0.333333kg/s; Cp1=4.18J/kg.K=4180J/kg.K, Cp2=2.0kJ/kg.K=2000J/kg.K; 1=2000W/m2.K, 2=250W/m2.K
26、;(1) 由热量衡算式:qm1Cp1(t2-t1)=qm2Cp2(T1-T2),即:10004.18(t2-10)=12002.0(200-100),得t2=67.4,Q= qm2Cp2(T1-T2) =0.3333332000(200-100)=66666.67J/s因为,壁阻忽略,所以:1/K1/11/2=1/2000+1/250=0.0005+0.004=0.0045, K=222.22 W/m2.K因为是逆流,所以:t1=T2-t1=100-10=90,t2=T1-t2=200-67.4=132.6,t2/t12,tm=(t1+t2)/2=(90+132.6)/2=111.3,要求的换
27、热面积A=Q/(Ktm)=66666.67/(222.22111.3)=2.7m2实际换热器面积3m3所以,原操作条件下,该换热器不可用。(3)解决办法:增加冷却水流量,让出口温度下降,tm增加,使需要的换热面积至少减少到3 m2,具体计算如下:tmQ/KA=66666.67/(222.223)=100.t1=T2-t1=100-30=70,t2=T1-t2=200-t2, 设t2/t12, 则:tm=(70+200-t2)/2=135-t2/2=100, 解得t2=70检验:t2=T1-t2=200-t2=200-70=130,t2/t12 假设成立。qm14.18(70-30)=12002
28、.0(200-100)qm1=1435.4kg/h.所以,当冷却水的流量增加到1450kg/h时,原换热器仍可以使用。五、在逆流吸收塔中,用清水逆流吸收混合气中溶质组分A。混合气体处理量为0.02kmol/(s.m2),进塔气体中含A5%(体积%),吸收率为95%,操作条件下相平衡关系为Y=2.67X(式中X、Y为摩尔分率),如用水量L为最小用水量的1.3倍,填料的总传质系数Ky.a=0.05kmol/(s.m3),则:(1)用水量为多少kmol/(s.m2);(6分);(2)吸收液出口浓度为多少?(4分);(3)填料层高度为多少?(4分);解:(1) 据题意,知:G0.02kmol/(s.m2), y1=5%=0.05, x2=0,(L/G)=1.3(L/G)min, m=2.67, kya0.055kmol/(sm3)y2= y1(1-)=0.05(1-95%)=0.0025,x1e=y1/m=0.05/2.67=0.01873(1) (L/G)min(y1-y2)/( x1e-x2)(0.05-0.0025)/(0.01873-0)=2.536(L/G)=1.3(L/G)min1.32.536=3.297L=3.297G=3.2970.02=0.066 kmol/(s.m2)所以,吸收塔用水量为0.066 kmol
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