化工原理计算题例题

1、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 hf0.03 迴0.052.1222135.1J /kg（2）泵轴功率, 在贮槽液面 基准水平面， 其中，kw;0-0 与高位槽液面1-1 间列柏努利方程，以贮槽液面为 有：hf135.1J/kg

2、,U0= U1=0, p1= p=0 （表压），H 0=0,H=20m代入方程得:We gHhf 9.81 20135.1331.3J/kgWsVs100036004.17kg /s故 NeWsWe 1381.5W , n =80%N Ne 1727w 1.727kw2（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 83x 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

3、.9J/kg，压力表读数为2.452x105Pa,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，hf,2 3 4.9J/kg,ua=0, p 3=0,5p2=2.452x 10 Pa, H2=5m, u 2=Vs/A=2.205m/s代入上式得：252.2052.452 104.9H 529.74m2 9.811000 9.819.81（2）泵所需的实际功

4、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，hf,0 36.864.9J/kg ,u 2= u 3=0, p 2= p 3=0, H 0=0,H=29.4m代入方程求得：W=298.64J/kg，WsVsss36,1000 10kg/s3600故Ne Ws We 2986.4W，n =70%NNe4.27kw（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hf,01 1.96J/kg ,H=0，uo=0,po=0,Hi=4.8m,u1=2.205m/s2.20524代入上式得，P11000(9.81 4.81.96)

5、5.15 104 Pa0.525kgf / cm23用离心泵把20r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76mX 2.5mm,在操作条件下，泵入口处真空表的读数为 24.66 X03Pa；水流经吸入管与排出管（不2 2包括喷头）的能量损失可分别按hf,1 2u与 hf,2 10u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 X03Pa（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

6、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 101.33X 103P&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68mmx 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 25X 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

7、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a o=8OOw/ （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），Si ；由题意知，水以0.7m/s的流速在管内流过，欲求 S，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Q WcCpc（t2 ti）， Cpc 4.18k

8、J / kg C，单管内水的流量为:每程所需管子数为:C pcWdd 2u4WcWc13944.18 (3717)20.785 0.0214.71319.50.24234.7130.7kg / s10000.2423kg /s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, 丄)0.4盍）则任务所需的传热外表面积为:换热管总根数为:n呈dol18.779.40.025 321 为 1100w/mC，n 806 （15分）有一换热器，管内通90C的热流体，膜系数管外有某种液体沸腾，沸点为 50C，膜系

9、数2为5800w/m C。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2阻为 0.005m C/w解：忽略管壁热阻，并假设壁温为Tw（1）当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得:贝UTw 56.4 C（2）同理贝UTw 84 C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20C和110C。在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别 为45C和40C，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 38C，试求：（1）空气出口 温

10、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？（(110 丁2)(38 20)/(110 40)/(45 20)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110C40C110C *T245 C *20C38C 20C(1）空气出口温度t2题意可得：使用初期 QWcC pc (t2t1 )WhC ph (T1T2)KS tm(1)使用一年后Q2WcC pc(t2t1 )WhCph(T1T2)KS tm（2）两式相比（2） / （1），得贝T2 =59.6 C（

11、2）总传热系数K /K方程式/式，得:(38 20) K 54.2(45 20)K 38.2K K 0.50%(3)冷热流体的出口温度t2及T2一年后QWcCpc(t2tjWhCph(T2)K S tmQ2WcCpc(t2 tjWhCphT2)K S tm(4)方程(4 )式/ (3)，得:整理前半式的方程t239.60.179T2(5)又因空气，K空气，1由等比定理20)110 59.6 9(110 T2) (t2(110t2)(T220)54.2lnST220,110 t241.4lnT2 2054.2整理得,t2153 T2(6)联立(5)和(6)，可得:t2 29.4 C，T257.5

12、 C(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?Mtm 56.%4.2 仙8在一单程列管式换热器中，欲用水将15000kg/h的煤油从140C冷却到40C,水的进、出口温度分别为30C和40C，两流体逆流流动。煤油的平 均比热容为2.3kJ/(kg?C),水的平均比热容为4.187 kJ/(kg?C)。若换热器的 总传热系数为300W/(m2?C),试求：(1)冷却水的流量；(2)换热器的对 数平均温度差Am； (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)的空气一氨混合气中 的氨，已知混合气量为2826m3/h (标准状况)，气体空塔速度为1m

13、/s，平衡 关系为丫=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 衡关系为丫=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

14、）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（L/V）/2.80织1 286/（L/V）min/2.18 1.286（2 ）所需填料层咼度?故 Z Hog Nog 1.5 5.117.67m（3）此条件下的填料层高度。11 （15分）某填料吸收塔用含溶质X2.0002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y1 0.01回收率可达.90。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X2 0.00035，试求：可溶组分的回收率 下降至多少？液相出塔 摩尔分数X1升高至多

15、少?解： (1)y2y1(1)0.01 (1 0.9) 0.0011ln(1 0.667) .。1 .0002 20.667 5.3810.6670.0010.0002 2当X2上升时，由于 H不变，Hog不变N og H / H og也不变，即（1）物料衡算1= （0.010.0013）0.000350.0032512（ 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25C,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 丫=0.1

16、4X （式中丫、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Xi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 28C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3 m3,平衡关系为丫=1.4X ,已知 Kya=38.5kmo

17、l/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）丫10.052631 0.05丫20.000410.00040.0004惰性气体流量V该塔现有填料层高度20022.4Z竺(13010.05)7.69kmol /h320.785 0.86m因为 Z Z所以该塔不适合。（2 ）吸收剂用量增大10%时因为 Z Z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200

18、kmol/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 0.97Fxf Dxd（a）0.95F（1 Xf） W（1 xw）（b）F=D+W+150（c）Dx d Wxw Fxf150 0.4 60（d）联立（a）、（b）、（c）和（d）求解得：W=87.3kmol/

19、h ,D=62.7kmol/hxw=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 V （R 1） F ,L L DR(4)(5)Y1RDXm(R 1) F(RWXw1)D1.534Xm 0.011回流比与最小回流比的比值;RminYqXDYqYqXqq=0，yqXf0.4XqXq0.2125Rmin0.9280.42.8160.4 0.2125求由塔顶第二块板上升的气相组成。Rmin1.42EmVty1 辿 0.6，Y2Y1Y1X11 (1)X1全 回 流时，y2刘X11)X12.47y211.47y2y1 0.98，代入上式可得：y

20、2 0.969315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a =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； 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；1000 0.4 0.90.9400kmol / hW=F- D=1000-400=600kmol/h又由物料衡算FxfDxdW

21、xw得Xw(10000.4400 0.9)/6000.0667(2)最小回流比；泡点进料，q=1, XqXF0.4(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ym 1 1.53xm 0.0353得yw 1.53x1 0.035316 (15分)用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量 100kmol/h，易挥发组 分xf=0.5,泡点进料，得塔顶产品xd=0.9,塔底釜液xw=0.05(皆摩尔分率), 操作回流比R=1.61,该物系平均相对挥发度a =2.25，塔顶为全凝器，求： 塔顶和塔底的产品量(kmol/h);第一块塔板下降的液体组成X1为多少；写 出提馏段操

22、作线数值方程；最小回流比。解：(1)塔顶和塔底的产品量(kmol/h );F=D+W=100(1)D 0.9 W 0.05 Fxf 100 0.550(2)上述两式联立求解得W=47.06kmol/hD=52.94kmol/h(2) 第一块塔板下降的液体组成X1为多少；因塔顶为全凝器，xd y二1 (1)X1(3) 写出提馏段操作线数值方程；LWxw 185.2347.06 0.05ym 1XmXm则VV 138.17138.171.34xm 0.017(4) 最小回流比。泡点进料，q=1, xq xf0.517 (15分)一精馏塔，原料液组成为0.5(摩尔分率)，饱和蒸气进料，原料 处理量为100kmol/h，塔顶、塔底产品量各为 50kmol/h。已知精馏段操作 线程为y=0.833x+0.15,塔釜用间接蒸气加热，塔顶全凝器，泡点回流。试 求：塔顶、塔底产品组成；全凝器中每小时冷凝蒸气量；蒸馏釜中每小时产生蒸气量Eml=0.6，求离开塔顶第二若全塔平均a =3.0,塔顶第一块塔板默弗里效率 块塔板的气相组成。解：（1）塔顶、塔底产品组成;R=50.15，xD0.90由物料衡算FXfDXd Wxw得xw(100