化学工程基础课堂练习

1、课堂练习11、粘度为1.2×10-3 pa·s，密度为1100 kg·m-3的某溶液，在一个外管为57 mm×3.5 mm，内管为25 mm×2.5 mm所套装而成的环形通道中流动，其质量流量为9.9×103 kg·h-1，试判断溶液在环形导管中的流动型态。解：已知: d=0.057-2×0.0035=0.05 m , =1.2×10-3 pa·s , =1100 kg·m-3, qm=9.9×103 kg·h-1,d=0.025 m,则当量直径 de=d-d=0.

2、025 m 体积流量qv=9.0 m3·h-1 u=1.70 m·s-1 re=3.9×104>4000 呈湍流。2、温度为20 的水（密度为1000 kg·m-3，粘度为1.0×10-3 pa·s）流过长10.0 m，内径10.0 mm的导管。已知管中心水的流速为umax=0.09 m·s-1，试求：水通过上述导管引起的压降。解：按umax计算雷诺数：(re)max=900<2000因此流型肯定为层流，且已知平均流速u=0.5 umax =0.5×0.09=0.045 m·s-1=hf= =

3、0.144 j·kg-1水流过的压降为p=0.144´1000=144 pa。3、用离心泵从井中抽水送至水塔中（如图），水塔通大气，井和塔的液面均维持不变。已知抽水量为60 m3·h-1，输水管道内径为125 mm，管路总长加上弯管、阀门、进出口等局部阻力的当量长度总共为200 m，水的密度为1000 kg·m-3，粘度为1.005×10-3 pa·s。(1)求泵所需的扬程；(2)如泵的效率为70%，则泵的轴功率为多少？（注：取=0.184 re-0.2）解：(1)分别取井中水面与水塔液面为11和22截面，在其间列伯努利方程： +z1

4、+he=+z2+hfu1= u2=0 p1= p2=0 z2- z1=40 m 体积流量为qv时，水在管中的流速和雷诺数分别为u=1.36 m·s-1 re=1.69×105故摩擦系数为=0.184 re -0.2=0.184×(1.69×105)-0.2=1.66×10-2所以 hf =1.66×10-2××=2.5 m则泵所需的扬程he = hf +40=2.5+40=42.5 m (2)泵的轴功率 n=9.93×103 w。4、某油槽供油系统的油温维持在50 ，油的密度为890 kg·m-

5、3，粘度为0.187 pa·s，油槽液面和出油口通大气，油槽液面至出油口垂直距离为6.83 m，管路总长200 m。油在管路内作定态流动，流速为1.2 m·s-1。若忽略局部阻力，求所用输油管的管径。选取油槽液面为11截面，出油口为22截面，并以22截面为基准面。在11与22截面间列伯努利方程： gz1+= gz2+式中：p1=0(表压)，p2=0(表压)，z1=0，z2=6.83 m，u1=0，u2=1.2 m·s-1，则 z1=(1+)设流型为层流，则由上式可得： 6.83=1+解得：d=0.156 m验算：re=891 891<2000所以确属层流，假

6、设正确。课堂练习21、某冷库平壁面由厚度1=0.013 m的松木内层（1=0.093 w·m1·k1）、厚度2=0.1 m的软木中间层（2=0.046 w·m1·k1）和厚度3=0.076 m的混凝土外层（3=1.4 w·m1·k1）所组成。冷库内壁面温度为255 k，混凝土外壁面温度为297 k。各层接触良好。试计算定态传热时，每平方米冷库平壁面上的热损失和松木内层与软木中间层交界面的（t2）。（1） 解：取a=1 m2计算，则：q =-17.7 w·m-2q为负值，表明热量从冷库壁外表面传入。（2） 定态传热时，各层相等

7、，则：q1=q =即：-17.7=解得：t2 k。2、在1 m长并流操作的套管式换热器中, 用水冷却油。水的进口和出口温度分别为20 和40 ; 油的进口和出口温度分别为150 和110 。现要求油的出口温度降至90 , 油和水的进口温度、流量和物性均维持不变。若新设计的换热器保持管径不变管长应增至多长方可满足要求?解：(1)原有换热器 =97 (亦即97 k) = =0.5 (2)新设计换热器: = =0.5, 则=50 =76.4 (3)新设计换热器的管长 原有换热器: = 新设计换热器: =k'a'= 两式相比得: l' =1.9 m。3、 在逆流操作的列管式换热

8、器中, 用水冷却液态化学制剂。水的进口和出口温度分别为25 和50 ; 制剂比定压热容为1.9 kj·kg-1·k-1, 密度为850 kg·m-3, 进口和出口温度分别为80 和40 。换热器的列管由25 mm×2.5 mm钢管组成。管程水一侧和壳程制剂一侧的传热膜系数分别为0.85 kw·m-2·k-1和1.70 kw·m-2·k-1。污垢热阻可忽略不计。若传热面积为9 m2, 试求化学制剂的质量流量。解： =21.6 k= =549 w·m-2·k-1 = = =1.4 kg·s

9、-1 =5.1×103 kg·h-14、 有一套管换热器, 内管通热水, 温度由58 降至45 。冷却水以逆流的方式流过管间, 流量为2.0×10-2 m3·h-1, 温度由15 升至45 。已知内管外径为100 mm, 长度为 1450 mm。冷却水在此温度范围内的平均密度为997 kg·m-3, 比热容为4.187 kj·kg-1·k-1, 若热损失可略而不计, 试求以内管外表面积为基准的总传热系数。解： k= 式中: =×997=5.54×10-3 kg·s-1 =45-15=30 , 亦

10、即=30 k =()=58-45=13 , 亦即=13 k =()=45-15=30 , 亦即=30 k =20.3 k a=×0.1×1.45=0.456 m2 由此可得: k= =75.2 w·m-2·k-1。课堂练习31、 在某吸收系统中，已知ky =3.8×10-1 mol·m-2·s-1, kx =12.5 mol·m-2·s-1平衡关系为y*=mx。当m0.01时，求ky为多少？此气体属易溶还是难溶气体？解：ky 0.38 mol·m-2·s-1kx 12.5 mol

11、83;m-2·s-1m0.01因为=+ =+ =2.632所以k y0.38 mol·m-2·s-1又因为k y ky0.38 mol·m-2·s-1所以该过程为气相扩散控制过程，该气体为易溶气体。2、在吸收塔中用清水逆流接触吸收丙酮-空气混合气体中的丙酮。已知入塔混合气中含丙酮的体积分数为0.060, 出口溶液中丙酮的摩尔分数为0.0305,混合气体积流量为1.82×103 m3(标准)·h-1,物系的平衡关系式为y*=1.68 x,若要求吸收率达97%时,试问: (1) 水的最小用量为每小时多少千克？(2) 实际用水量为

12、最小用量的多少倍?解： (1) 水的最小用量 y1 = y2 =(1-0.97)y1 =(1-0.97)×6.38×10-2=1.91×10-3 x2 =0 x1 *= ()min= (qm,c )min=(fc )min×mc =1.63×fb ×mc =1.63×qv,0 (1-y1)22.4×mc =1.63×1.82×103(1-0.06)22.4×18 =2.24×103 kg·h-1(2) 水的实际用量与最小用量之比 fb (y1 -y2 )=fc (x

13、1 -x2 ) fc = =155 kmol·h-1 qm,c =fc ×mc =155×18=2.79×103 kg·h-1 =1.253、在压强为101.3 kpa 温度为20 下,用水吸收空气中的氨,相平衡关系符合亨利定律,亨利常数为8.33×104 pa。在定常操作条件下,吸收塔中某一个横截面上的气相平均氨的摩尔比（比摩尔分数）为0.12,液相平均氨的摩尔比（比摩尔分数）为6.0×10-2,以为推动力的气相传质膜系数ky =3.84×10-1 mol·m-2·s-1,以为推动力的液相传质

14、膜系数kx =10.2 mol·m-2·s-1,试问: (1) 以为推动力的气相总传质系数为多大? (2) 此种吸收是液膜控制还是气膜控制?(3) 该截面上与气液界面处的气液两相浓度为多少?解：(1) 气相总传质系数 ky m=+则 ky =0.372 mol·m-2·s-1(2) 该过程为气膜控制过程。因为kx >>ky ,ky ky(3) 用水吸收氨的过程是气膜控制过程。因而液膜阻力可以略去。na=ky (y -yi )= kx (xi x) yi =mxi =0.822xi = 又xi =yi =5.14×10-2xi =6.

15、26×10-24、 在一填料塔中,在定态逆流操作下用水吸收空气中的丙酮。已知进入塔内的混合气中含丙酮的摩尔分数为0.060,其余为空气,进塔水中不含丙酮,出塔尾气中丙酮的摩尔分数为0.019,平衡关系式为y*=1.68 x。若操作液气比qc/qb =2.0,填料层填充高度为1.2 m,试求:该填料层的气相传质单元高度。解： y1 =0.0638 y2 =0.0194 x1=(y1-y2)=0.0222 y1 *=1.68x1=1.68×0.0222=0.0373 x2=0 y2 *=0 ym =0.0231 h0g =0.624 m课堂练习41、用一连续精馏装置，在常压下分

16、离含苯的质量分数为0.31的苯-甲苯溶液。若要求塔顶产品中含苯的质量分数不低于0.98,塔底产品中含甲苯的质量分数不低于0.988,每小时处理量为8716 kg，操作回流比为2.5，试计算：(1) 塔顶及塔底产品的摩尔流量；(2) 精馏段上升蒸气的摩尔流量及回流液的摩尔流量。解：（1）求fd 和 fw xf=0.346 xd=0.983 xw=0.0141 mf=0.346×78+(1-0.346)×92=87.16 ff=100 kmol·h-1 由全塔物料衡算： ff = fd+fw ff xf=fdxd+ fwxw 代入数值得：100= fd +fw 100

17、×0.3460.983 fd +0.0141fw 解得 fw =65.75 kmol·h-1=18.26 mol·s-1 fd=34.25 kmol·h-1=9.51 mol·s-1 (2) 求上升蒸气的摩尔流量fv ； fv=fl+fd=r·fd+fd=(r+1)fd=(2.5+1)×9.51=33.30 mol·s-1 (3) 求回流液的摩尔流量fl ： fl=r·fd=2.5×9.51=23.78 mol·s-12、 已知苯-甲苯体系的相对挥发度=2.42。在全回流时，测得相邻三

18、块塔板上液体出口苯的摩尔分数分别为0.20,0.30,0.43试求中间一块塔板以液相浓度差表示的单板效率。解： 依题意可知xn -1=0.43 , xn =0.30 , xn +1=0.20 因全回流yn =xn -1=0.43 又 yn *= 则0.43= xn*=0.238 =0.677=67.7%3、用连续精馏塔分离含苯的摩尔分数为0.50,含甲苯的摩尔分数为0.50的混合液,要求馏出液含苯的摩尔分数为0.90,残液含苯的摩尔分数为0.10,泡点进料,已知原料液进料量为200 kmol·h-1,塔釜产生的蒸气量为300 kmol·h-1。试求: (1) 馏出液及残液量

19、的摩尔流量, kmol·h-1; (2) 精馏段操作线方程和提馏段操作线方程的具体表达式。解： (1) 解得 ff = fd+fw fd=100 kmol·h-1 ff xf=fdxd+ fwxw fw=100 kmol·h-1 (2) fv=fv'=300 kmol·h-1 fl+fd=fv 则fl=fv-fd=200 kmol·h-1 r=2 = =0.3 精馏段操作线方程为y=x+0.3 q=1 (泡点进料) fl'=fl+ff=400 kmol·h-1 = = 提馏段操作线方程为:y=1.33x-0.033。4

20、、 某一连续精馏塔分离ab混合液，塔顶为全凝器。系统相对挥发度为2.4,精馏段操作线方程为：yn +1=0.75xn+0.15。若从第一块板下降液体中易挥发组分的摩尔分数为0.50,试求该塔板的单板效率。解： =0.75 r=3 =0.15 xd=0.60 塔顶为全凝器：y1=xd=0.60 y1*=0.706 y2=0.75x1+0.15=0.75×0.50+0.15=0.525 =0.41课堂练习51、 在活塞流反应器（pfr）和全混流反应器（cstr）中分别进行同一简单二级液相反应，且初始体积流量qv,0和初始浓度ca,0均相同，若最终转化率为50，求cstr的容积效率（vpfr/vcstr）。解：(-ra)=kca