化工原理 计算题.doc

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=gHe.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（6020）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，操作范围内物系服从亨利定律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)/( 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)=0.011867/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。已知每小时塔顶产品量为75kmol，蒸馏釜内加热蒸汽压强为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）蒸馏釜内加热管的必要表面积和蒸汽消耗量。设釜内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=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流经内径为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内液面为截面1-1；容器B内液面为截面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 =100+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)），内通过135的饱和蒸汽。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，已知管内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)管内壁表面（60mmd1=60mm）壁内传热（1=4mmdm1=64mm）外壁表面（d2=68mm）保温层内传热（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 管内为蒸汽，管外为大气，tmt汽t气13520115 QKAtm0.7326411584.2536W G=Q/r=84.2536/(21661000)=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，操作范围内物系服从亨利定律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：G0.020kmol/(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）min1.81.1543=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=0.3636m 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。（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+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内),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：取储油槽内油面为截面11，高位槽内油面为截面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管内流速u=qv/A=0.01292/(3.14160.12/4)=1.645m/sRe=du/=0.11.645860/2.43=58.222000，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：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，水走管内，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.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;(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)=12002.0(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/(s.m2)(2)（L/G）(y1-y2)/( x1-x2)x1=x2+(y1-y2)/ （L/G）=0+(0.05-0.0025)/3.297=0.0144吸收液出口浓度为0.0144；(2)HOGG/ Kya0.02/0.050.4my1=y1mx10.052.670.01440.01155y2=y2mx20.0025-00.0025ym（y1-y2）/ln(y1/y2)（0.01155-0.0025）/ln（0.01155/0.0025）0.0059135NOG（y1-y2）/ym（0.05-0.0025）/0.00591358.032H= HOGNOG=0.48.032=3.21m填料层高度需要3.21m.六、在一常压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。（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+1)=0.7455x+0.2494（2） 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42、 用泵从储油池向高位槽输送矿物油，矿物油的密度为960kg/m3,流量为38400(kg/h)，高位槽进液管管口比储油池中的油面高20米，且均为常压。输油管为1084mm，矿物油流经全部管道的能量损失(压头损失)为10(米)。若泵的效率为60%，试计算泵的轴功率(千瓦)。（12分）解：取储油槽内油面为截面11，高位槽内进液管管口处外截面为截面22，则有：P1/u12/2Z1gHeP2/u22/2Z2ghf已知u10，Z10，u20，Z220m，P20（表压），hf10m油柱, 960 kg/m3代入机械能衡算式：000He00209.807109.807he309.807294.21J/kgHe30J/NPegHeQvgHeQm9.80730(38400/3600)3138.24W3.138kWPaPe/3.138/0.65.23kW答：泵的轴功率为5.23kW 三、某板框压滤机恒压下进行过滤，过滤30min.得到滤液3m3。试计算再过滤30min.后又得滤液若干m3？过滤介质阻力可忽略不计。解：对恒压过滤，有：V22VeVKA2已知：Ve0，130min, V13m3；代入上式： 32KA230，KA20.3即：V20.3230+3060min, V2（0.360）1/24.245m3 V4.24531.245m3答：再过滤60min.后又得滤液1.245m3。四.684的无缝钢管内通过133的饱和蒸汽，管外包35mm厚的保温层（0.08W/mK），该管露置于温度为20的大气中。已知管内壁与蒸汽的给热系数15000W/K，保温层外表面与大气的给热系数210W/K。（忽略管壁热阻）。试求：（1） 每米长管路每秒钟损失的热量J/sm。（2） 保温层外表面的温度。解：依据题意，传热过程为：Q(133汽)壁内表面（60mmD1=60mm）（1=4mmDm1=64mm）壁外表面（D2=68mm）（保温层2=35mmDm2=（138-68）/ln(138/68)=98.9mm）保温层外表面（D3=138mm）大气（20）（1）每米长管路每秒钟损失的热量J/smQKAtm 1/KA1/1A11/1Am12/2Am21/2A21/(1D1L)2/(2Dm2L ) 1/(2D3L)1/(50003.14160.0601)0.035/(0.083.14160.09891)1/(103.14160.1381)0.001061031.4080915020.2306587981.63981133 KA0.6098W/K 管内为蒸汽，管外为大气，tmt汽t气13320113 QKAtm0.609811368.91W （2）保温层外表面的温度t外（） QKAtm2A3(t外20)103.14160.1381(t外20)68.91 t外68.910.2306587982035.89答：每米长管路每秒钟损失的热量为68.91J/s；保温层外表面的温度为35.89。五某厂有一填料吸收塔，直径为880mm，填料层高为6m，所用填料为56mm的拉西环。在25及1atm.时，每小时处理2000m3含6（体积）丙酮的空气丙酮混合气，处理时用水作溶剂，塔顶送出的尾气中含丙酮0.285%(体积)，塔底送出的溶液中每1kg含丙酮61.2g，操作条件下平衡关系为y=2x。根据上述所测出的数据，试计算：（1）气相体积总传质系数KYa，？（5分）（2）在目前情况下，每小时可回收多少丙酮？（5分）（3）若把填料层加高3m，又可回收多少丙酮？（丙酮的分子量为58）（6分）解：P101.3kPa，y10.06，V2000m3/h, T273.1525298.15，y20.00285,x1(61.2/58)/(61.2/58)+(938.8/18)0.01983 x20(1) GN/A(PV/RT)/(D2/4)4PV/(RTD2) 4101.3(2000/3600)/(3.14168.314298.150.882) 0.03733kmol/(s)y1=y1mx10.0620.019830.02034y2=y2mx20.00285-00.00285ym（y