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/h0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hf135.1J /kgl u2100 2.1220.03d 20.052(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：其中， hf 135.1

2、J /kg , uo= u=0, p 1= p0=0(表压)，H 0=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 =803% 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 Hi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

3、 失为1.96J/kg,出水管道全部阻力损失为4.9J/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,U3=0, p 3=0,_5p2=2.452x 105Pa, H2=5m, u 2=Vs/A=2.205m/s2_5_2.2052.452 104.9代入上式得： H 5 29.74m2 9

4、.81 1000 9.81 9.81（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，hf,0 3 6.864.9J/kg,u 2= U3=0, p 2= p3=0, H 0=0,H=29.4m代入方程求得： W=298.64J/kg, Ws Vs-6- 1000 10kg/s3600故 Ne Ws We 2986.4W,4=70% NN/ 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，hf,01 1.96J/kg ,H0=0,Uo=0,p0=0,Hi=4.8m,U1=2.205m/s代入上式

5、得,Pi1000(9.81 4.822.205221.96)5.15 104 Pa0.525kgf/cm23用离心泵把20c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 03Pa；水流经吸入管与排出管（不22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

6、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 101.33X 103P3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,直径为小25X 2mm。 冷却水在管内流过，并从17oC被加热到37oCo

7、流量为1.25kg/s,温度为 72oC的姓饱和蒸汽在管外冷凝成同温度的液体，烂蒸汽的冷凝潜热为 315KJ/Kg。已测得：蒸汽冷凝传热系数a 0=800w/ （m2oC）,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）o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 Si,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

8、的热量为：Q WcCpc(t2ti), Cpc 4.18kJ / kg C,QC pc (t2tT)3944.18 (3717-)4.713 kg / s单管内水的流量为：Wc1-d2u0.785 0.0212 0.7 1000 0.2423kg /s每程所需管子数为：n1 W 卫3 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: （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,10.7 0.4一)o10.7 0.4)800则任务所需的传热外表面积为:换热管总根数为：n -S79.4dol0.025 3n 8026 （15分）有一换热器

9、，管内通90c的热流体，膜系数1为1100w/m2管外有某种减体沸腾，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Tw（1）当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得:则Tw 56.4 C（2）同理则 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

10、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110c40c45 C 20C（1）空气出口温度T2使用一年后110C T238C -i20 C题意可得：使用初期Q WcC”(t2 L) WhCQ T2) KS t(1)使用一年后Q2WcC pc(t2 t1)WhCph(T1T2)KS tm（2）两式相比（2） / （1）,得(110 丁2)

11、(38 20)(110 40). (45 20)则：T2 =59.6 C（2）总传热系数K /K方程（2）式/（1）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12及丁2一年后QWcCpct 匕)WhCph(TiT2)K S tm(3)Q2WQc(t2t1)WhCQT2)K S tm(4)方程（4）式/ （3）,得:整理前半式的方程t239.60.179T2(5)又因 水空气，K 空气，1由等比定理(110 T2) (t220)110 59.6 9154.2(110t2) (T220)lnUT2 20,110 t241.4ln T2

12、2054.2整理得,t2 153 T2(6)联立（5）和(6),可得:t229.4 CT2 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?QQ tm tm 56.354.2 卜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），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So9在逆流填料吸收塔中，用

13、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Y=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,

14、操作条件下平 衡关系为Y=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则（L/V）/V）2.804418 1.286（L/V）min2.18（2 ）所需填料层高度？故 Z Hog Nog 1.5 5.11 7.67m（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 0.0002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0.90。已知物系的平衡关系为 y=2x。今因解

15、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升高至多少？解： (1) y2y1(1) 0.01 (1 0.9) 0.0010.667ln(1c”r、0.01 0.0002 20.667)0.001 0.0002 20.6675.38当X2上升时，由于 H不变，Hog不变Nog H /Hog也不变，即（1）物料衡算1=-（0.01 0.0013） 0.00035 0.0032512 （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25 C,进塔混合气体流量 为1000

16、m3/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 Y=0.14X （式中Y、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

17、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Y=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）0.05 八 ccm、/0.0004解：（1）Y1 0.05263Y2 0.00041 0.051 0.0004200 273惰性气体流量V 吧（1 0.05） 7.69kmol/h22.4 301 3该塔现有填料层图度Z 32 6m0.785 0.8因为 Z Z 所以该塔不适合。（2）吸收剂用量增

18、大10%时因为 Z Z所以该塔适合。14 （15分）在一常压精储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,塔顶储出液中苯的 回收率为0.97,塔釜采出液中甲苯的回收率为0.95。试求：（1）塔顶储出液及塔釜采出液组成；（2）精储段操作线方程；（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）塔顶储出液及塔釜采出液组成；由0.97FxFDxD（a）0.9

19、5F（1 Xf） W（1 xw）（b）F=D+W+150（c）Dxd WxwFxf 150 0.4 60（d）联立（a）、（b）、（c）和（d）求解得：W=87.3kmol/h ,D=62.7kmol/hxw=0.0206 ,xd=0.928（2）精微段操作线方程；（3）提储段操作线方程;饱和蒸气进料，故q=0 V (R 1)L DR(4)(5)yiRD(R 1) Fxm(RWxw1)D1.534xm 0.011回流比与最小回流比的比值;RminyqXdyqYqXqxq(1)xq=0,yqXqXf0.40.2125Rmin0.928 0.40.4 0.21252.816RRmin1.42求由塔

20、顶第二块板上升的气相组成OEm%yiy2yiX11 (1)X1全 回 流时，y2刈x11 (1)X12.47y21 1.47y2y1 0.98 ,代入上式可得：y2 0.969315在一常压精储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,要求塔顶储出液中含苯 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； （2）最小回流比；（3）精储段操作线方程；（4）从与塔釜相邻的塔 板上下降的液相组成为多少？解：（1）

21、塔顶产品量DX塔底残液量 W及组成Xw；/得:1000 0.4 0.90.9400kmol / hW=F- D=1000-400=600kmol/h又由物料衡算FxfDxd Wxw得XW (1000 0.4 400 0.9)/600 0.0667(2)最小回流比；泡点进料，q=1, Xq XF 0.4(3)精微段操作线方程；(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 i 1.53Xm 0.0353得yw 1.53x1 0.035316 (15分)用一精储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.

22、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xi为多少；写 出提储段操作线数值方程；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xi为多少；因塔顶为全凝器，Xdy X11 (1)X1(3)写出提储段操作线数值方程；LWxw185.2347.06 0.05ym 1 Xm Xm 则V V

23、 138.17138.171.34xm 0.017(4)最小回流比。泡点进料，q=1, xqxf 0.517 (15分)一精储塔，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 。已知精储段操作 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；蒸储釜中每小时产生蒸气量若全塔平均a =3.0,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 1）。833，R=5 又x%R 1） 015,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