化工原理计算题例题

1、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，管路内径为，水的密度为1000Kg/m，泵的效率为，输水量为15nVh。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 hf100 2.1220.030.052135.1J /kg（2）泵轴功率，kw;在贮槽液面0-0 '与高位槽液面1-1 '间列柏努利方程，以贮槽液面为 基准水平面，有：2 2U0p0U1p1IgHg -WegH -hf,

2、0 12 2其中，hf 135.1J /kg, uo= 5=0, p1=p°=0（表压）,H o=0, H=20m代入方程得：We gH hf 9.81 20 135.1 331.3J/kg15又Ws Vs1000 4.17kg/s3600故 Ne Ws We 1381.5W, n =80% N N；/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83 X，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Hi为，压力表安装位置离贮槽的水面高度H为5m当输水量为36nVh时，进水管道全部阻力损失为

3、 kg， 出水管道全部阻力损失为kg,压力表读数为X 105Pa,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/cm 2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gH液面为基准水平面，得：其中，hf,2 3 4.9J / kg , ua=0, p 3=0,p52=X 10 Pa, H 2=5m, u 2=Vs/A=s代入上式得：2.20522.452 1054.9H 529.74m2 9.811000 9.819.

4、81gH22U22P22U32P3hf,2 3（2）泵所需的实际功率在贮槽液面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,代入方程求得:gH。hf ,0 3W=kg,故 Ne Ws也 We gH6.864.9J/kg ,WsVsWe 2986.4W ,2U3P32U2= U3=0,3636001000hf,0 3p 2= p3=0, H Q=0, H =10kg/sn =70%N4.27kw（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,代入上式得,2U0gH。:2匹gH12U1P12h

5、 f ,0 1hf ,0 1P11.96J/kg ,1000(9.81H0=0, uo=0.p 0=0, H 1=, u 1=s1.96)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76mmc，在操作条件下, 泵入口处真空表的读数为x 103Pa；水流经吸入管与排出管（不包括喷头）2 2的能量损失可分别按 h" 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x 103Pa（表压）。试求：（1）水在管内的流速U；

6、 （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x 103P&蒸发器上 部的蒸发室内操作压强为200mmH（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68mnX 4mm送料量为20nVh，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。 （15分）一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为 6m直径为© 25 x 2mm冷

7、却水在管内流过，并从17o C被加热到37o C。流量为s,温度为72o C的烃饱和蒸汽在管外冷凝成同温度的液体，烃蒸汽的冷凝潜热为315KJ/Kg。44已测得：蒸汽冷凝传热系数a 0=800w/ （mb o C）,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（Kg o C）。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

8、。两流体交换的热量为：Q Whg 1.25 315394kwQ WcCpc(t2 tj , Cpc 4.18kJ/kg C ,QC pc (t 2 t 1 )4.18 (371754.713 心 / S单管内水的流量为：Wdd2u 0.785 0.0212 0.7 1000 0.2423kg /s4每程所需管子数为：n1 Wc4713 19.5Wc10.2423取每程管子数为20,则每程所能提供的传热外表面积为：0 dol n10.025 20 34.71m2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。Q KoSo tm由题给数据,0.7tmt1t20.7 0.4 丄)o0.4)8

9、00(72 17)(72 37)则任务所需的传热外表面积为:SoSo换热管总根数为:.t1 ln t2QKo tmdo lnln士72 3744.25 C3940.476244.2518.7mSo ndol18.70.025 379.4n 8026 （15分）有一换热器，管内通90 r的热流体，膜系数1为1100w/m C,2管外有某种液体沸腾，沸点为 50E，膜系数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m 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：T Tw Tw t90 Tw

10、 Tw 501 1 1 111005800（2）同理T TwTwt90 TwTw5011Ro110.0051211005800则Tw 84 C则Tw 56.4 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

11、体的出口温度各为多少（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110C40C110CT245 C20C38C ''20C(1）空气出口温度t2题意可得：使用初期 QWS(t2t1)WhCph(T1T2)KS tm(1)使用一年后Q2WcC pc(t2t1)WhC ph (T1T2)KS tm两式相比（2）/（ 1），得（11010(38 20)40)(45 20)则：T2=C（2）总传热系数K /K整理前半式的方程又因由等比定理110 T2110空气，2(t220) K(110 t2)(T220)59.638 20

12、K 54.2t239.6K空气，0.179T2110 t2ln T22020)110 59.6 9(110 T2) (t21 (11054.220)“叫T220ln3T22041.454.2T2t120tm(110 38)(59.220)7239.654.2 C72110 38lnIn59.6 2039.6方程式/（1）式，得：(3820)K54.2故kk0.50%(4520)K38.2K（3）冷热流体的出口温度t2及T2一年后QWcC pc (t2WhCph (T1T2)K S tm(3)Q2WcCpc(t2tjWhCph (T1T2)K S tm(4)(T1 t2) (T2 t1 )方程（

13、4）式/ （ 3）,得:tm洋 34.2 Cln!整理得,t2153 T2(6)联立（5）和（6）,可得：t2 29.4 C ,T2 57.5 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tm(110 29.4)(57.5 20),110 29.4In57.5 2080.6 37.5,80.6In37.556.3 CQQ56354.21.048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（kg? C ），水的平均比热容为kJ/（kg ? C）。若换热器的总传 热系数为30

14、0W/（m? C），试求：（1）冷却水的流量；（2）换热器的对数平 均温度差At; （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2826nVh （标准状况），气体空塔速度为1m/s，平衡 关系为丫二，以摩尔比为推动力的气相体积总传质系数 Ka=180kmol/m3 h， 吸收剂用量为最小用量的倍，要求吸收率为 98%试求：（1）溶液的出口浓 度X （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，

15、进塔混合气组成为（A的摩尔分率，下同），出 塔尾气组成为，出塔水溶液浓度为，操作条件下平衡关系为 丫二。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)若气液流量和初始组成不变，要求尾气浓度降至，求出此时填料层高度解:(1)液气比为最小液气比的多少倍YiX10040.041710.040.001280.01297L/V0.00128Yi 丫2X1X2(L/V)min丫2°.00530.005331 0.0053°.0417 O'005332.8040.01297丫2X1 X2丫1 丫2Y1 / m°.0417 °.00533 2.

16、180.0417/2.5(L/V)(L/V)min2.8042.18 1.286(2 )所需填料层咼度Z H OG N OGS mV/L 2.5/2.804 0.892Nogln(1c、¥ mX2S)Y2 mX2S1 ln(1 0.892) 0.0417 00.8921 0.8920.00533 05.11Z H OG Nog1.5 5.117.67m(3)此条件下的填料层高度。Y20.00331 0.00330.00331Nogln(1S)¥ mX2)Y2 mX2SZ Hog Nog 1.5 7.5211.28m11 （15分）某填料吸收塔用含溶质x2 °.&#

17、176;°°2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°.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 °.°0035，试求：可溶组分的回收率下降至多少液相出塔摩Nog1"71 ln(1 -)Ay2mx1 mx210.667 ln(10.01 0.0002 20.667) 0.001 0.0002 20.6675.38尔分数X1升高至多少解：（1）y2y1(1)0.01 (1 0.9)0.0011m20.667AL/V 3当x上升时，由于

18、H不变，Hog不变N og H / H og也不变，即5.38ln(10.667)0.01O.。035 210.667y20.00035 20.667y20.0013y1y2y0.010.00130.010.87（1）物料衡算V(y1 y2) L(X1 X2)VXiL(yi y2) X20.00325i-(0.010.0013)0.00035312 （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1000riVh ,苯回收率为95%吸收剂为不含苯的煤油，煤油耗用量为最小 用量的倍。气液逆流流动，系统

19、平衡关系为丫=（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。试求：（1）煤油的耗用量为多少kg/h （2）煤油出塔 浓度X1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28E及，用清水吸收200nVh氨-空气混 合气中的氨，使其含量由5%笔低到（均为摩尔。填料塔直径为，填料层 体积为3 m3，平衡关系为丫=，已知K/a=ho问（1）出塔氨水浓度为出口最 大浓度的80%寸，该塔能否使用（2）若在上述操作条件下，

20、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1惰性气体流量0.050.052631 0.05200273(1 0.05) 7.69kmol/h22.4301丫2丄込0.000410.0004X1丫10.052631.40.0376X10.80X10.0301V" 丫2）X1X27.69 (O.。52630.0004)13ol/h0.03010Yi Y mXi 0.05263 1.4 0.03010.01046Y2Y20.0004YmY1丫2In丫Y20.00308V(Y1 丫2)7.69 (0.052632 0.0004)6.74mKYa Ym 38

21、.5 0.785 0.820.00308该塔现有填料层高度320.785 0.86m因为 Z Z所以该塔不适合。(2 )吸收剂用量增大10%寸L 1.1 13.34 14.67kmol/hL7.69 (O.。5263 0.0004) 14.67kmol/hX1 X2X1 0X10.0274Y1 Y mX10.05263 1.4 0.02740.01424Y2 Y20.0004Ym0.01424 0.00040.01424In0.00040.00387V" Y2)7.69 (0.05263 0.0004)一2 5.36mKYaYm38.5 0.785 0.82 0.00387因为 Z

22、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，饱和蒸汽进料。已知进料量为200kmol/h， 进料组成为（摩尔分率），回流比为6,塔顶馏出液中苯的回收率为，塔釜 采出液中甲苯的回收率为。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，全凝器液相组成为，求由塔顶第 二块板上升的气相组成(a)解：（1）塔顶馏出液及塔釜采出液组成;0.97Fxf Dxd0.95F(1 Xf)W(1Xw)(b)F=D+W+150(c)联立

23、（a）、Dx DWxW（b）、（c）和（d）W=hD=hFxf求解得:150 0.460(d)D=yn 1RR 1 xnXdR 10%0.1856（3）提馏段操作线方程;LWxw7W=，（2）精馏段操作线方程;m P饱和蒸气进料，故 q=0V (R 1) F，L DR(4)(5)y1RDxm(R 1) F(RWxw1)D-1.534xm 0.011F回流比与最小回流比的比值;RXd YqminYqXqXqYq1(1)Xqr.0.928 0.4min 0.4 0.2125q=0,2.816求由塔顶第二块板上升的气相组成。EmV10.6，Y1y2y1X11 (1)X1yqXqxF 0.40.212

24、5in 1.42全回流时， y2 捲X11)X12.47y211.47y2Y1°.98，代入上式可得:y20.969315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，要求塔顶馏出液中含苯（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 =，取回流 比为最小回流比的倍。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；譽，得:FXf1000 0.4 0.90.9400k

25、mol / h又由物料衡算FXfDXdWXw得Xw(10000.4400 0.9)/6000.0667(2)最小回流比;泡点进料，q=1,XqXf0.4Xq2.5 0.4yq0.6251 (1)xQ1 1.5 0.4W=F- D=1000-400=600kmol/hRminXdyq(3) 精馏段操作线方程;yqXq0.9 0.6250.625 0.4R 1.5Rmin1.83yn 1 xn -X 0.646 xn 0.318R 1 R 1(5)从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成xw25 °.°6670 1521 (1)xw1 1.5 0.0667.由操作线方程ym1 1.5

26、3xm 0.0353得yw 1.53x1 0.0353X10.076316 （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=，泡点进料，得塔顶产品Xe=，塔底釜液XW （皆摩尔分率），操作 回流比R=，该物系平均相对挥发度a =，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 出提馏段操作线数值方程；最小回流比。解：（1）塔顶和塔底的产品量（kmol/h ）；(1)D 0.9 W 0.05 Fxf 100 0.550(2)F=D+W=100上述两式联立求解得W=h D=h(2)第一块塔板下降的液体组成X1为多

27、少;因塔顶为全凝器,Xd1)X10.9X1(1)y10.802.25 1.25 0.9(3)写出提馏段操作线数值方程;V V (R 1)D2.61 52.94138.17L qFRDF 1.61 52.94100185.23ym 1WXwV185.2347.06 0.05138.17 Xm138.171.34xm 0.017（4）最小回流比。泡点进料，q=1,xq Xf 0.5yqXqr(ixq2.25 0.51 1.25 0.50.692RminXdyqyq Xq0.9 0.6920.692 0.51.08317(15分)一精馏塔，原料液组成为(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=+，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若全塔平均a =，塔顶第一块塔板默弗里效率Em=，求离开塔顶第二块塔板的气相组成解：(1)塔顶、塔底产品组成;%R1)0.833，R=51)0.15，xD0.90由物料衡算FXfDxD WxWXw(100 0.5 50 0.9)/500.1(2 )全凝器中每小时冷凝蒸气量；V= (R+1) D=300kmol/h(3 )蒸馏釜中每小时产生蒸气量;q=0, v' =V - F