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,则 hfd 2J/kg ；2.12m/s（2）泵轴功率, 在贮槽液面 准水平面，有：gH°其中,hf代入方程得:0.052 -）1000.030.052.1222135.1J /kgkw；0-0 '与高位

2、槽液面1-1 '间列柏努利方程，以贮槽液面为基2uqp000 We2135.1J/kg,We gH2U1gH 2U 0= U1=0,P1hf 9.81 20hf,0 11= p°=0 （表压），H q=0,H=20m135.1331.3J/kgWsVs4.17kg /s1510003600故 Ne WsWe 1381.5W , n =80%N1727w 1.727kw105Pa,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

3、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：gH22 2U2 P2U3 P3gH22hf,2 3其中,P 3=0,hf,2 3 4.9J/kg,U3=0,52=2.452x 10 Pa, H 2=5m, u 2=Vs/A=2.205m/s代入上式得：H 5 220522452 1054.929.74m2 9.81 1000 9.81 9.81P(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：gH。2U02匹We gH守旦hf,0 3其中,hf ,0 3

4、6.864.9J/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， Ws V故 NeWsWe 2986.4W， n =70%36,1000 10kg/s 3600Ne 4.27kw(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，gH。2U0 P0gH12U1P1h f ,01hf ,0 11.96J / kgH=0，Uo=0,po=0,Hi=4.8m,Ui=2.205m/s代入上式得,Pi1000(9.81 4.820.525kgf / cm2.205221.96)5

5、.15 104 Pa3用离心泵把20E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76mrK 2.5mm,在操作条件下，泵入口处真空表的读数为 24.66为03Pa；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hf2u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。5 （15分）一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为6m,直径为© 25

6、X 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），S ；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

7、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：Q Whrh 1.25 315394kw又Q WcCpc(t2 tj， Cpc 4.18kJ/kg C，则WcQ3944.713kg / sC pc (t 2t 1 )4.18 (3717 )单官内水的流量为：Wc1-d2u0.7850.02120.710000.2423kg /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：S dol n10.025 20 34.71m2（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。Q KoS。tm由题

8、给数据,0.7 0.4 丄)o10.7 0.4)800tmt1 t2(72 17) (72 37)InInt272 1772 3744.25 C则任务所需的传热外表面积为：SoQKo tm3940.4762 44.2518.7m2Sodo ln换热管总根数为:取So n doln 8018.70.025 379.426（ 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 50C，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 0.005m C/w解：忽略管壁热阻，并假设壁温为

9、Tw（1）当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得：TTwTwt90 TwTw 5011111211005800Tw 56.4 C（2）同理T TwTw t90 TwTw5011丄R021110010.0055800则Tw 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）空气出口温度为多少？ （ 2）总传热系数为原

10、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？（ 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 化2t1) WhC ph (T1T2)KS tm(1)使用-7年后Q2WcC pc(t2t1) WhCph(T|T2)KS tm（2）两式相比（2） / （1），得(110 丁2)(38 20)/(110 40)/(45 20)贝T2 =59.6 C（2）总传热系数K /

11、Ktmtm方程式/式，得:Int2tlln652034.2 C(110 38) (59.2 20),110 38 In59.6 2072 39.639.654.2 C(38 20)K 54.2(45 20)K 38.2故 K K 0.50%一年后QWcCpc(t2匕）WhCph (T1T2)KStm(3)Q2WcCpc(t2WhCph (T1T2)KStm(4)方程（4）式/（ 3），得:110 T22(t220)K1(110t2)(T220)110 59.63820K54.2ln110t2（3）冷热流体的出口温度t2及T2T220整理前半式的方程t239.60.179T2又因空气，K空气，由

12、等比定理20)110 59.6 9(110 T2) (t2(11054.220) .110 t2 lnT220则整理得,110 t241.4lnT2 2054.2t2153 T2(6)联立（5）和（6），可得:t2 29.4 C，T257.5 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?tm110 29.4 In57.5 2056.3 C ,80.6In37.5QQ tm tm56.354.21.048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2.3kJ/（kg?C

13、），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/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

14、;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）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X10.0410.040.0417丫20.00531 0.00530.00533L/V0.001280.012971 0.00128丫1 丫2X1 X20.

15、04170.005330.012970(L/V)min丫1 丫2X1 X2丫1 丫2Y1 / m0.04170.005332.180.0417/2.5(2 )所需填料层咼度?(L/V)(L/V)m.2.8042.18 1286Z H og N ogmV/L 2.5/2.804 0.892Nogln(11 S¥ mX2S)Et S1 0.892” 门(15.110.892) 0.0417 00.8920.00533 0故 Z HogNog1.5 5.117.67m(3)此条件下的填料层高度。0.0033丫20.003310.0033N ogln(11 S1 ln(1 1 0.8927.

16、52S) 丫 mX2)¥2 mX20.0417 00.892)0.8920.00331 0SZ H OG N og1.5 7.5211.28m11 (15分)某填料吸收塔用含溶质X20.0002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°.9°。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 O.。0035，试求：可溶组分的回收率下降至多少？液相出塔 摩尔分数X1升高至多少?1 m 20.667A L/V 31Nog占 ln(11 A)Emx1mx20.667 "(10.

17、667) 0.010.0002 20.001 0.0002 20.6675.38A当X2上升时，由于 H不变，H OG不变N og H / H OG也不变，即5.38ln(10.667)0.010.00035 210.667y20.00035 20.667y 0.0013y1 y 0.01 0.00130 87y10.01.(1) 物料衡算V(y1y2)L(X1 X2)VX1厲 y2)X21=(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

18、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=0.14X （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 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

19、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=38.5kmol/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）0.051 0.050.052630.00041 0.00040.0004200273惰性气体流量V翥箸（1呻7.69kmol /hX1Yl0.05263m 1.40.0376X10.80X10.0301L V(Y1 Y2)了69 (O.。5263 O.O。04)sqkmol/hX1

20、 X20.0301 0Y1 Y1 mX10.05263 1.4 0.03010.01046Y2丫20.0004YmlnYY20.00308V(¥ Y2)7.69 (0.05263 0.0004)6 74m30.785 0.82KybYm38.5 0.785 0.82 0.00308因为Z Z所以该塔不适合。（2 ）吸收剂用量增大10%时L 1.113.3414.67kmol/hL v(y丫2）7.69 (0.052630.0004)14.67kmol / hX1X2X10该塔现有填料层高度Z6m丫1 YmX10.05263 1.4 0.02740.01424丫2 丫20.0004Ym

21、0.01424 0.00040.00387 ,0.01424In0.0004ZV(Y1 Y2)KYaYm7.69 (0.05263 0.0004)“25.36m38.5 0.785 0.80.00387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200kmol/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

22、；（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；(a)由0.97Fxf Dxd0.95F(1 Xf) W(1 xw)( b)(c)Dxd Wxw FxF 150 0.460(d)联立（a）、（b）、（c）和（d）求解得:W=87.3kmol/h， xw=0.0206，（2）精馏段操作线方程；D=62.7kmol/hxd=0.928yn 1-X0.8xn 0.1856R 1F=D+W+150（3）提馏段操作线方程;LXmVWxwV饱和蒸气进料，故q=0V (R1)L DRRD(R 1

23、)Xm(RWxw1)D1.534Xm 0.011(4)回流比与最小回流比的比值;XdyqYqXqq=0，yqXF0.4(5)y1yqXqn0.9280.42.816Xq0.21250.4 0.2125求由塔顶第二块板上升的气相组成。in 1.42EmVty1y20.6，y2y1y11 (1)X1全 回 流时，y2X1X11)X12.47y211.47y2y10.98，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

24、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；DxdD，得:Fxf1000 0.4 0.90.9400kmol / h0.9 0.6250.625 0.4R1.5Rmin1.83又由物料衡算FxfDx-Wxw得Xw(10000.4400 0.9)/6000.0667(2)最小回流比;泡点进料，q=1,XqXf0.4Xq2.5 0.4yq0.625q 1(1)xq 1 1.5 0.4W=F

25、- D=1000-400=600kmol/hRminXd yq yq Xq(3)精馏段操作线方程;RxDyn 1xn-0.646xn 0.318R 1 R 1(5)从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成Xw2.5 J06670.1521(1)Xw 11.5 0.0667由操作线方程ym 11.53xm 0.0353yw 1.53x10.0353x10.076316 (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=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

26、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xi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）；F=D+W=100（ 1）D 0.9 W 0.05 Fxf 100 0.5 50（ 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,r(1)X1X10.92.25 1.25 0.90.80（3）写出提馏段操作线数值方程;yqXq2.25 0.51 1.25 0.50.692RminXdyqyqXq0.9 0.6920.692 0.51.083V

27、(R 1)D2.61 52.94138.17L LqF RDF 1.6152.94100185.23Lym1 VWxwXm V185.2347.06 0.05则Xm138.17138.171.34Xm0.017（4）最小回流比。泡点进料，q=1, xq Xf 0.517 （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若全塔平均a =3.

28、0,塔顶第一块塔板默弗里效率Emi=0.6，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；因R(R 1) 0833，R=5又 XD(R 1) 0.15，Xd 0.90由物料衡算FXf DXd WXw得XW (100 0.5 50 0.9)/50 0.1(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=300 -100=200kmol/h(4 )求离开塔顶第二块塔板的气相组成。E mV1Xd 捲Xd X10.6，XdX 1 y11(1)X 1X1y1(1)y10.93 2 0.90.750.6x10.810.9 0.75y20.833 0.81 0.15 0.82518 (20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。进料量为1000kmol/h，含苯0.4,要