《化工基础》复习资料

化工基础计算大题1、如图所示，某泵的吸水管，内径为200 mm，管下端浸入水池2 m，管口底阀阻力，在吸入管距水面3 m处装有真空表，读数为300 mmHg，从A到B点阻力损失为。试求：（1）吸水管内水的流量。（2）吸水管入口处A点压强。解：（1）由截面1-13-3列柏努利方程 m，Pa， 解得：u = 1.38 m/s（2）由1-2列柏努利方程解得： Pa2、用泵将碱液槽中碱液抽往吸收塔顶，经喷头喷出作吸收剂用，碱液池中碱液深度为1.5 m，池底至塔顶喷头口的垂直距离为16 m（如图所示）。系统中管路内径为53 mm，考虑管路中管件的局部阻力，管路总当量长度为19.6 m，摩擦系数为0.0194。碱液在喷头口前的静压强按压力表指示为0.3 kgfcm-2（表压），碱液密度为1100 kgm-3。计划送流体的量为25 th-1。若泵的效率为55，试求泵所需的功率?解法见P14例题。3、水泵从低位槽抽水至高位槽，上水管出口和低位槽水面距离34.5 m，排水量30 m3h-1，管为1023 mm，泵的效率为65，水管阻力为5 m水柱，求泵的轴功率，水 = 1000 kgm-3。解：取低位槽水面1-1截面，上水管出口为2-2截面。 ms-1列柏努利方程： mkW4、计算水流过241.5 mm的铜管，求因摩擦而引起的压头损失（分别以Pa和米水柱表示）。管长10 m，流速1.5 ms-1，已知 = 0.024，水 = 1000 kgm-3。解：d = 0.021 m， Pam5、泵将冷水打入塔顶，由水面至泵入口管长10m，在吸入管路中有一个90弯头，一个吸滤筐和底阀；从泵出口到塔顶喷嘴的管长36m，整个管路为1084的钢管，管路中有2个90弯头，一个闸门阀。已知90弯头的当量长度为40d，闸门阀的当量长度为15d，泵的吸滤筐及底阀的局部阻力系数为 = 7，其中d为管子的内径。摩擦阻力系数为0.025，塔顶喷嘴的阻力p = 9.81 kPa。若流量为50 m3h-1，试求管路中的直管阻力损失压头，局部阻力损失压头和总损失压头。(20时，水的密度为1000kgm-3)解：由题意知：直管总长l = 10+36 = 46 m；3个90弯头的当量长度le1 = 340d = 3400.1 = 12 m；1个闸门阀的当量长度le2 = 115d = 1150.1 = 1.5 m；泵的吸滤筐及底阀的局部阻力系数取 = 7；塔顶喷嘴的阻力p = 9.81 kPa；摩擦阻力系数 = 0.025；管路中流速为：(1)、直管阻力损失压头 (2)、局部阻力损失压头 （3）、总损失压头 =hf1+hf2=1.84+2.68=4.52m6、用泵将冷水打入塔顶，已知水池水面比地面低2 m；整个管路为1084的钢管，喷嘴距地面高24 m，管路中总损失压头为4.5 m。塔顶表压强为6.87 kPa；试求流量要求为50 m3h-1所需泵的压头及泵的功率。（已知水温为20时， = 1000 kgm-3）解：选取地面为基准面，水池水面为1-1截面，塔顶喷嘴为2-2截面，列伯努利方程式：已知式中z1 = -2 m，z2 = 24 m；两截面均取表压强，则p1 = 0，p2 = 6.87 kPa；以水池水面远大于1084管截面，故w1 0，管路中的流速即为塔顶喷嘴流速ms-1 m泵的功率 N = 7、20的水以8 m3h-1的流量流过套管间的环形通道，外套管为753.5管，内管为483.5管，试判断水在环形管内的流动类型。（20水： = 1.00510-3 Pas， = 1000 kgm-3）解：外套管内径为d1 = 7523.5 = 68 mm；内管外径为d2 = 48 mm水在套管环隙的流速为 w =其当量直径为：de=计算雷诺准数值判断流动类型此时Re10000，故水在套管环隙流动的类型为稳态湍流。8、用泵将贮槽里的碱液打入吸收塔顶作为吸收剂，贮槽中碱液深度为1.5 m，贮槽底至塔顶液体出口垂直距离为16 m；系统中管路内径为53 mm,碱液在塔顶出口处的表压强为29.4 kPa，碱液的密度为1100 kgm-3，如果碱液输送系统内损失压头为3 m，试计算输液量为25 th-1时所需泵的压头为多少？若泵的效率为55，求用多大的电机？解：选取贮槽底地面为基准面，选取碱贮槽碱液面为1-1截面，塔顶碱液出口为2-2截面，列两截面能量衡算方程式并移项，整理为：已知：Z1 = 1.5m，Z2 = 16m， = 1100 kgm-3若都以表压强表示，则p1=0，p2 p1 = 29.4 kPa碱液贮槽液面下降的速度w1比泵出口管内碱液的流速w2小得多，取w2 0；塔顶碱液出口流速为 ms-1已知碱液在管路中总损失压头为= 3 m，将上述各物理量带入方程式，可求得所需泵的压头为mWW9、如图高位槽水面距管路的垂直距离保持为5 m不变，水面上方的压强为4.905 Pa（表压），管路直径为20 mm，长度为24 m（包括管件的当量长度），阻力系数为0.02，管路中装球心阀一个，试求：当阀门全开（ = 6.4）时，管路的阻力损失为多少？阻力损失为出口动能的多少倍？解：在断面1-1和2-2之间列机械能衡算式若取大气压强和管出口高度为基准，并忽略容器内流速（即v1=0，H2=0，p2=0），则解得：Jkg-1 Jkg-1， 倍10、以20oC的水为介质，在泵的转速为2900 rmin-1时，测定某台离心泵性能时，某次实验的数据如下：流量12 m3h-1，泵出口处压强表的读数为0.37 MPa，泵入口处真空表读数为0.027 MPa，轴功率为2.3 kW。若压强表和真空表两测压口间垂直距离为0.4 m，且泵的吸入管路和排出管路直径相同。测定装置如附图。求：这次实验中泵的压头和效率。解：（1）泵的压头以真空表和压强表所在的截面为11和22，列出以单位重量为衡算基准的伯努利方程，即式中，z1 z2 = 0.4 m，u1 = u2，p1 = -2.7104 Pa（表压）， p2 = 3.7105 Pa（表压）因测压口之间距离较短，流动阻力可忽略，即Hf1-20；故泵的压头为：m（2）泵的效率11、水以7 m3h-1的流量流过下图所示的文丘里管，在喉颈处接一支管与下部水槽相通。已知截面1-1处内径为50 mm，压强为0.02 MPa（表压），喉颈内径为15 mm。 试判断图中垂直支管中水的流向。设流动无阻力损失，水的密度取1000 kgm-3。解：（1）先设支管中水为静止状态，在截面1-1和2-2间列柏努利方程： v1 = (7/3600)/(0.052/4) = 0.99 m/sv2 = 0.99(0.05/0.015)2 = 11 m/sp1 = pa + 0.02106 Pa若大气压强pa取1.0133105 Pa，则p1 = 1.0133105 + 0.02106 Pa = 1.2133105 Pa。可以解出：p2 = p1+ /2 = 6.13104 Pa (绝压)。（2）判断流向：取水槽液面3-3为位能基准面，在假设支管内流体处于静止条件下： E2 = p2/ + gH2 = 90.3 Jkg-1E3 = Pa/ = 101.3 Jkg-1因为E3E2，支管流体将向上流动。12、在某一化工生产流程中，换热器采用一种高温流体来预热原料液，将原料由25预热到180；而高温流体经过换热，300降至200。试计算采用逆流操作与采用并流操作时的平均温度差，并进行比较。解：由题意已知高温流体：300 200 原料液体：25 180,逆流操作时平均温度差计算：t1 = 200-25 = 175，t2 = 300-180 = 120则： 并流平均温度差的计算： t1 = 300-25 = 275，t2 = 200-180 = 20，根据总传热方程q = KAtm，若在传热速率相同、传热系数也相同的条件下，比较采用并流操作与逆流操作所需传热面积，可得并流操作所需传热面积为逆流操作时的1.5倍。13、有一根2196的无缝钢管，内外表面温度分别为300和295，导热系数为45Wm-1K-1，试求每米长裸管的热损失。解：d1 = 0.207 m，d2 = 0.219 m m Wm-114、某列管冷凝器，管内通冷却水，管外为有机蒸汽冷凝。在新使用时，冷却水的进、出口温度分别为20和30。使用一段时期后，在冷却水进口温度与流量相同的条件下，冷水出口温度降为26。求此时的垢层热阻。已知换热器的传热面积为16.5 m2，有机蒸汽的冷凝温度为80，冷却水流量为2.5 kgs-1。解：换热器新使用时换热器使用一段时间后：15、某有机物液体以0.5 ms-1的流速，从列管换热器中流过，列管总截面积为0.01 m2，加热面积为5 m2，管外用120的饱和蒸汽加热，总传热系数为400 Wm-2K-1，有机物的进口温度为20，换热过程中有机物的平均物性为： = 800 kgm-3， Cp = 2 kJkg-1K-1，试求有机物的出口温度。解：设有机物的出口温度为t2，质量流量为qm， 则 kgs-1 KAtm = qmCp(t2-t1) 解得 t2 = 42 16、有一传热面积为1.5 m2的换热器，把流量为540 kgh-1比热Cp = 0.875 kJkg-1K-1的CO2气体从40冷却到20，冷水的初温为10，终温为15，已知K = 115.8 Wm-2K-1，通过计算说明并流还是逆流操作合适。解：若并流：tm = 13.97 所需面积m2 1.5 m2不合适若逆流：tm = 16.4所需面积m2 1.5 m2合适17、管式换热器用热水对原油逆流加热。原油流量为40 th-1，温度由15上升到50，原油的CP = 1.672 kJkg-1K-1。热水流量为10 th-1，进口温度为80，其CP = 4.18 kJkg-1K-1。已知K = 836 kJm-2h-1K -1，求换热面积。解：401.672(50-15)=104.18(80-T2)T2=24， m218、用初温为30的冷却水将每秒钟15 kg、80的硝基苯通过换热器冷却到40，冷却水出口温度为35。已知硝基苯的定压比热容为1.63 kJkg-1K-1，水的定压比热容为4.184 kJkg-1K-1。若忽略热损失，试求该换热器的热负荷及所需冷却水用量。解：硝基苯在热交换中没有相态变化，其热负荷为 q1 = qm,aCp,a(ta2-ta1) = 151.63(80-40) = 978kJs-1 = 978000W设冷却水的质量流量为qm,b，根据热量衡算可求得冷却水用量。 kgs-1每秒钟需要46.7公斤冷却水才能将80硝基苯冷却到40。19、用每小时41.5 m3冷却水，以逆流方式将某精馏塔上升蒸气全部冷凝下需要多大传热面积的冷凝器？已知冷凝器是由钢管制成的，钢管的壁厚为3 mm。上升蒸气全部冷凝时所放出的热量为1.52106 kJh-1，上升蒸气的温度T = 348 K，冷却水进口温度t进 = 303 K，热流体是有机物蒸气冷凝，1 = 1300 Wm-2K-1，冷流体是水，2 = 1000 Wm-2K-1，钢的导热系数为 = 49 Wm-1K-1，钢管的壁厚 = 3 mm，水的比热容为4.18 kJkg-1K-1。解：（1）冷却水出口温度: = qmcp(t2 - t1)1.52106 = 41.51034.18(t -303)t = 312 K（2）平均温度差t1 = 348 303 = 45 K， t2 = 348 312 = 36 K所以 tm = 40.5 K （3）传热系数 K = 1/(1/1 + 1/2 + /) = 1/(1/1300 + 1/1000 + 0.003/49) = 550 Wm-2K-1 （4）传热面积 = KAtm4.22105 = 550A40.5A = 19 m220、有一壁厚为10 mm的钢制平壁容器, 内盛80的恒温热水。水对内壁面的对流传热系数为240 Wm-2K-1。现在容器外表面复盖一层导热系数为0.16 Wm-1K-1，厚度为 50 mm 的保温材料。保温层为10的空气所包围，外壁对空气的对流传热系数为10 Wm-2K-1。试求：（1）每小时从每m2面积所损失的热量kJh-1m-2；（2）容器内表面的温度Tw（钢材的导热系数为45 Wm-1K-1）。解：（1），A = 1 m2 K = 1/(1/0 + 1/i + b1/1 + b2/2) = 1/(1/10 + 1/240 + 0.01/45 + 0.05/0.16) = 2.399 Wm-2K-1 = 2.399 1 70 = 168 W 每小时每m2面积散热量： 3600 168/1000 = 605 kJm-2h-1（2）= iA（80 - Tw）， 80 - Tw = 168/240 Tw = 79.3 21、在内管为18010 mm的套管换热器中，将流量为3500 kgh-1的某液态烃从100冷却到60，其平均比热为2.38 kJkg-1K-1，环隙走冷却水，其进出口温度分别为40和50，平均比热为4.17 kJkg-1K-1，基于传热外面积的总传热系数K0=1800 Wm-2K-1，设其值恒定，忽略热损失。求：(1)冷却水用量；(2)两流体为逆流情况下的平均温差及所需管长。解：（1）冷却水用量 h Cph (T1 -T2 )c Cpc(t2 -t1 ) 35002.38(100-60)c 4.17(50-40) c 7990kg.h-1 （2）tm(50-20)/ln(50/20)32.75 QKAtm Q79904.17(50-40)=3.332106kJ.h-1 A3.332105/(1800/1000)32.753600 1.57 (m2) 0 l1.57 3.140.18l1.57 l2.77(m )22、拟在内径为1.4 m的填料塔中，用清水吸收焦炉煤气中的氨。每小时处理煤气量为5800 m3（标准），煤气中氨的体积分数为0.038，要求回收氨98。在操作条件下，氨-水物系的相平衡关系式为（Y，X均为摩尔比)，气相体积吸收总系数KYa = 41.67 molm-3s-1。若吸收剂用量为最小用量的1.6倍，试求：（1）吸收剂用量，kgh-1；（2）填料层高度，m。解：(1) G = L = 1.6(L/G)mG = 1.6 1.18 249 = 470 kmolh-1 = 8500 kgh-1(2) 23、空气和氨的混合气体在直径为0.8 m的填料吸收塔内常压下用清水吸收其中的氨，己知混合气的流量为47.92 kmolh-1，混合气体中氨的含量为0.0134（比摩尔分率），吸收率为98%，操作平均温度为20，操作系件下气液平衡关系为Y = 0.76X，实际液气比为1.12，且KYa = 0.10 kmolm-3s-1，试求：所需填料层的高度。解：，Y1 = 0.0134，Y2 = Y1(1-98%) = 0.00027G = 47.92 (1- Y1) = 47.28 kmolh-1 = 0.013 kmols-1S = 0.785 0.82 = 0.5024 m2X2 = 0， 由，得 X1 = 0.0117则将以上数据带入，得 H = 2.3 m24、在吸收塔中用焦油来吸收焦炉气中的苯，已知焦炉气进塔的流量为1000 m3h-1（标准），其中含苯2% (mol)，要求苯的吸收率为95，焦油原来含苯是0.005% (mol)，塔内操作压强为800 mmHg，温度为25，此条件下知Y = 0.113X，L = 1.15Lm，求吸收塔出口焦油中苯的含量。解：，Y2 = Y1(1-95%) = 0.001， kmolh-1 kmolh-125、吸收塔中连续逆流吸收从沸腾炉得到时SO2炉气，炉气中SO2含量9（体积），每秒吸收SO2 1 kg，吸收为常压，已知L/G = 1.2(L/G)m，吸收率为90%，操作条件下Y = 26.7X，求吸收剂每秒用多少千克?解：y1 = 0.09，Y1 = 0.0989，Y2 = Y1(1-0.9) = 0.00989，X2 = 0mols-1L = 28.87157.99 = 4561.17 mols-1 = 82.1 kgs-126、吸收塔内一个大气压，某截面上NH3含3%（体积）的气体与浓度为1 kmolm-3的氨水相遇，巳知kg = 510-4 kmolm-2s-1atm-1，kL = 1.510-4 ms-1，平衡关系符合亨利定律，H = 73.7 kmolm-3atm-1。求：（1）分压差和浓度差表示的气液推动力；（2）比较气膜和液膜阻力的大小。解：（1）p = 0.03 atmatm分压差：p - p* = 0.03-0.0136 = 0.0164 atmc* = Hp = 73.70.03 = 2.2 kmolm-3浓度差：c* - c = 2.2 1 = 1.2 kmolm-3 （2）气膜阻力 = 1/kg = 0.2104 m2satmkmol-1 液膜阻力= m2satmkmol-127、在0.1013MPa和一定的温度下，用水吸收含SO212%的混合气体以制备SO2水溶液。吸收塔处理的混合气体流量为360 m3h-1（标准），吸收率 = 96%。若在操作条件下SO2的溶解度系数为11.45 kmolm-3MPa-1，水的用量为最小用量的1.5倍，求实际水的用量及所得水溶液的浓度。解：（1）求惰性气体流量及进出口气体和液体组成mols-1 Y2 = Y1(1-) = 0.136(1-0.96) = 0.0054 X2 = 0 （2）求出口溶液的理论最大浓度X1最大为与进口气相平衡的溶液浓度因为是稀溶液，溶液密度为 1000kgm-3 kgm-3 m = = =47.90 =0.0025 （3）求水的最小用量和实际用水量吸收剂用量最小时的物料衡算式为： G(Y1-Y2) = L最小(X1最大-X2) mols-1 L实际 = 205.21.5 = 307.8 mols-1 = 19950kgh-1 （4）所得溶液的浓度X1=0.00167mol(SO2)/mol(H2O) 换算成(质量)%为：100%=0.59%28、在连续逆流吸收塔中，用清水吸收焙烧硫铁矿所得炉气中的SO2。炉气中含SO2为。每秒钟吸收SO2的量为1 kg。吸收在101.3 kPa压力下操作。吸收用的液气比为最小液气比的1.2倍。吸收率为99%。操作温度下的气液平衡关系可近似地用式表示。试求吸收用水量（kgs-1）和吸收所得溶液的浓度（用质量分数表示）。解：， ， 由 ， 求得由， 得 kgs-1所得溶液浓度（质量分数）： 29、用清水在常压下吸收有机合成残气中的甲醇（可认为其他组分均为惰性组分）。处理气量为1 m3(标准)s-1。气体含甲醇25 gm-3，要求甲醇的吸收率为90%。吸收剂用量为最小液气比的1.3倍。当时条件下的气液平衡关系可用式表示。试计算吸收所需气相传质单元数。解：1 m3(标准)气体的量为44.6 mol， ， 由 求得 30、连续精馏中苯-甲苯体系的平均相对挥发度为2.45，当进料液xf = 0.50、馏出液xd = 0.9、馏残液xw = 0.1，回流比为2时，试求塔顶x2的组成。解： x2 = 0.65631、精馏塔分馏苯-甲苯混合液，进料含苯xf = 0.50，与xf相平衡的气相组成为yf = 0.71，泡点进料。要求馏出液组成为xd = 0.90，馏残液的组成为xw = 0.01（均为摩尔分数）。操作回流比为