化学工程基础课堂练习

课堂练习1

1、粘度为1.2X10-3Pa•s,密度为1100kg•m”的某溶液，在

一个外管为。57mmX3.5mm,内管为。25mmX2.5mm所套装

而成的环形通道中流动，其质量流量为9.9X103kg•h,试判

断溶液在环形导管中的流动型态。

解：已知：D=0.057-2X00035=0.05m,//=1.2X10-3Pa-s,p=1100kg-m-3,

q.=9,9X103kg-h_1,d=0.025m,

则当量直径d.=D-d=0.025m

体积流量qv=-^=-，9-Q'=9.0m3.h-1

pl.lxlO3

_q_9.0-1

I-----v----------------------------------------------------------------------=1.70m-s

S3600x^(0.052一0.0252)

dup0.025x1.70x1100

Re=------；=3.9X104>4000呈湍流。

〃1.2x10-3

2、温度为20℃的水(密度为1000kg-m-3,粘度为1.0X10-3Pa-s)流过长10.0m,内径10.0nn

的导管。已知管中心水的流速为4,=0.09s',试求：水通过上述导管引起的压降。

解：按计算雷诺数：

0.010x0.09x1000

=900<2000

l.OxlO-3

因此流型肯定为层流，且已知平均流速

u^O.5=0.5X0.09=0.045m■s'

2

△PIu6410.0(0.045)2

-hF-4x-x—=---x-x---

Pd24500.012

=0.144J-kg-'

水流过的压降为

Ap=O.144x1000=144Pa»

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60m34，

输水管道内径为125mm,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200m,水的密度为

-3

1000kg-m,粘度为1.005X1()7Pa.So

(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4=0.184/?产）

解：（1）分别取井中水面与水塔液面为一7和-2截面，在其间列伯努利方程:

22

名-+"+Z+〃=-^-+—+4+从

2gPg2gpg

Ui=U2=0pFp2=0ZrZ=40m

体积流量为q,时，水在管中的流速和雷诺数分别为

4q_4x60

v=1.36m•s-1

,萨-3600x3.14x0.1252

pdu1000x0.125x1.36

Re=^—==1.69X105

1.005x10-3

故摩擦系数4为

A=0.184Re'0'=0.184X(1.69X105)",=1.66X1O-2

(/+/„)u2.z200

所以H-A.-————=1.66X102X-----x

fd2g0.125

1.362

=2.5m

2x9.81

则泵所需的扬程K=Hf+40=2.5+40=42.5m

，42.5x60x1000x9.81

(2)泵的轴功率忙=---------------------=9.93X1033W

〃3600x0.7

4、某油槽供油系统的油温维持在50℃,油的密度为890

kg-m3,粘度为0.187Pa-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6.83m,管路总长200m。油在管

路内作定态流动，流速为1.2m若忽略局部阻力，求所

用输油管的管径。

选取油槽液面为—7截面，出油口为-2截面，并以—2

截面为基准面。在7—7与-2截面间列伯努利方程：

2212

gZ+U+_L=殷+立+上+丸——L

p22d2

式中：0=0(表压),m=0(表压),Z=0,22—6.83m,t/i—0,余=1.2m,s,

则^=(1+2—)%-

d2g

设流型为层流，则由上式可得:

64200](1.2)2

6.83=[1+

1.2x890xd~d~2x9.81

0.187

解得：d=0.156m

6—dup0.156x1.2x890

验算：Rw一^=---------------=89189K2000

0.187

所以确属层流，假设正确。

课堂练习2

1、某冷库平壁面由厚度3尸0.013m的松木内层（九=0.093W•m’•。）、厚度62=0.1m的软木中

间层（22=0.046W"m'■K'）和厚度83=0.076m的混凝土外层（23=1.4W-

m"-K"）所组成。冷库内壁面温度为255K,混凝土外壁面温度为297K。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（功。

⑴解:取A=1n?计算，则:

3

i=l不一看_255-2972

if=-17.7W•m-

，由+8上,+S」.0-.-0-13-+--0-.1-+-0.-0-7-6

0093

i=l4，4440.0461.4

4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，则:

255-T

即：-17.7=2

0.013

0.093

解得：T2»257K,

2、在1m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°C和110°C。现要求油的出口温度降至90°C,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

(150-20)-(110-40)

5=

130]

70J

=97℃（亦即97K）

0”的（工一（）=/£,（%-方）

q0,Cp5一方）40-20…

q；“c；（工一石）iso-no-

（2）新设计换热器:

“=4,£,(150-90)=q：£,W-20)

qc_7；-20

mp=0.5,则彳=50℃

港7150-110

(150-20)-(90-50)

此==76.4℃

130]

407

(3)新设计换热器的管长

原有换热器：gq,“CpQ50-110)=KAkT,,=K•兀•d•I义97

新设计换热器：“=s/p(150—90)=K'A'AZ”=K'•乃Jx76.4

两式相比得:I="x97x1=1.9m。

4076.4

3、在逆流操作的列管式换热器中，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°C;制剂比定压热容为1.9内加-'<’，密度为850kg进口和出口温度分别为80℃和40℃。

换热器的列管由。255X2.5mm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-IC'和1.70kW-m-2-K\污垢热阻可忽略不计。若传热面积为9m2,试求化学制剂的质量流

量。

,A7]—NT?

解：AT；"=’2

In,

AT；

(80-50)-(40-25)=2k6℃

80-50

In

40-25

11

K=

~\8110.00251

----------F--------------1--------

ayAa2170045850

=549W•m'2•K'1

@=KAkLf)

_必AT；_549x9x21.6

q，n~CpiJif)~1.9x103x(80-40)

=1.4kg,s-1

=5.1X1()3kg.h-1

4、有一套管换热器，内管通热水，温度由58匕降至45°C。冷却水以逆流的方式流过管间，流量为

2.0X10"m3-h',温度由15℃升至45℃»已知内管外径为100mm,长度为1450mm。冷却水在

此温度范围内的平均密度为997kg.m-3,比热容为4.187kJ-kg'-K",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。

”_温(7一7)

解:—

一~^rm

一.2.0x10-231

式中：4,"=q、.p=3600X997=5.54X10-3kg-s-1

Tx-%=45T5=30℃,亦即方一T2=30K

AT；=（7；-7；）=58-45=13℃,亦即A7]=13K

△（=（4-%）=45T5=30℃,亦即△（=30K

30-13

=20.3K

,30

In

13

A=万力=乃X0.1X1.45=0.456m2

由此可得：

554x10-3*4187/6*3o

’0.456x20.3

=75.2W•m-2•K"。

课堂练习3

1、在某吸收系统中，已知卜=3.8X10/mol•m2•s：%=12.5mol•m：'•s'平衡关系为外加心当卬

=0.01时，求的为多少？此气体属易溶还是难溶气体？

-2-1

解：kY=0.38mol•m•s

kx=12.5mol•m2•s'1

m=0.01

L1、，11

因为---=~-+

KykykX

10.01

—+----

0.3812.5

=2.632

所以4y=0.38mol•m_2•s-1

又因为攵y=0.38mol•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-一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1.82X103标准)-h”,物

系的平衡关系式为殊=1.68X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)实际用水量为最小用量的多少倍？

解：(1)水的最小用量

6x10」

"-1-6x10-2=6.38X10-2

23

Y2=(1-0.97)7,=(1-0.97)X6.38X10-=1.91X10-

X2=0

X6.38x10-2

=3.80x炉

L68--1.68

丝_f6.38xIO-2-1.91xlO-3

=1.63

3.80x10-2

(%".C)min=(Fc)minXMe=1.63XFBXAf(-

=1.63X^0(l-yi)/22.4XMc

=1.63X1.82X103(1-0.06)/22.4X18

=2.24X103kg•h-1

(2)水的实际用量与最小用量之比

(X1-X2)

FB(Y1-Y2)=FC

F--匕)_L82x0(1-。°%4(638-10--L9L)

,-X1-X2-0.0305

=155kmol,h-1

q,”、c=FcXM。=155X18=2.79X103kg•h-1

Qm.C2.79

"124比1.25

(口m,C)min

3、在压强为101.3kPa温度为20°C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

8.33X10'Pa0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6.0X10、以AY为推动力的气相传质膜系数R=3.84X

101mol,m2,s-1,以AX为推动力的液相传质膜系数A>=10.2mol,m~2•s'1,试问：

(1)以AY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

E8.33x104

m=—==0.822

P101325

1_m1

+——

Kykxky

3.84xIO-1xlO.2

r,kyXkx2

贝KY=———七~=0.372mol,m-

10.2+0.822x3.84xlO-1

kx+mkY

(2)该过程为气膜控制过程。因为kx»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-y,)=kx&-X)

Y,=mXi=0.822Xj

Y-Yk匕

------i-=--x-又Xi=-----

「

XXkY0.822

0.12-匕10.2

3.84xl()T

-0.66

0.822

Yt=5.14X10”

Xi=6.26XIO-2

4、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

忤=1.68元若操作液气比qc/q,=2.0,填料层填充高度为1.2m,试求:该填料层的气相传质单元高度。

为0.060

角翠：H-------=0.0638

1-必1-0.060

0.019

丫2=-------=0.0194

1—%1-0.019

0.0638-0.0194

---------------=0.0222

Fc2.0

Yt*=1.68%1=1.68X0.0222=0.0373

X2=0

y2*=o

A0.0638-0.0373-0.0194

；0a38-。：0373

In--------------------

0.0194

HH\Ym1.2x0.0231

HOG=-------=------=--------------=0.624m

、

NaOUX1-KZ00638-0.194

课堂练习4

1、用一连续精镭装置，在常压下分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8716kg,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)精锚段上升蒸气的摩尔流量及回流液的摩尔流量。

解：(1)求尸d和8

3%8

布=0.346

33%2

=0.983

%=0.0141

98.8/

+/92

M=0.346X78+(1-0.346)X92=87.16

8716,

Ff=-------=100kmol•h1

87.16

由全塔物料衡算：

[R=Fd+Fw

LRX尸凡网+

代入数值得：100=0+£，

100X0.346=0.983Fd+0.0141Fw

解得Fw=65.75kmol•h''=18.26mol•s'

Fd=34.25kmol,h'=9.51mol,s-1

(2)求上升蒸气的摩尔流量Fv;

FV=FL+F产R•Fd+Fd=(R+1)Fd=(2.5+1)X9.51=33.30mol•s

(3)求回流液的摩尔流量FL：

1

FL=R•Fd=2.5X9.51=23.78mol•s-

2、已知苯-甲苯体系的相对挥发度a=2.42。在全回流时，测得相邻三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x„.|=0.43,JC„=0.30,A,,,+,=0.20

因全回流为=x“一i=0.43

%

又y,i*=

1+(a—l)x“

2.42%：

则0.43=

l+1.42x*

x,,*=0.238

0.43-0.30

=0.677=67.7%

0.43-0.238

3、用连续精锚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,要求储出液含苯的

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200kmol・h塔釜产生

的蒸气量为300kmol­h\试求：

(1)储出液及残液量的摩尔流量，kmol•hH;

(2)精储段操作线方程和提锚段操作线方程的具体表达式。

解：⑴

r居=Fd+Fw[&=100kmol•h“

-1

~^-FfXf=FdXd+FV,JCW^-Fw=100kmol,h

1

(2)Fv=Fv'=300kmol•h-

贝ij凡=&-&=200kmol•h1

FL+Fd=Fv

R2

R_七一2=0.3

KR+\~3R+l

2

精镯段操作线方程为产§x+0.3

q=l(泡点进料)尺'=&+埒=40。kmol•h-1

F'4F100x0.11

-----=----------X=------------=——

v

五L」入3FL'-FW'400-10030

提储段操作线方程为:产1.33x-0.033。

4、某一连续精锚塔分离A—B混合液，塔顶为全凝器。系统相对挥发度为2.4,精储段操作线方程为:

%“=0.75x,,+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：-----=0.75R=3

7?+1

-^-=0.15*=0.60

R+\

塔顶为全凝器：>|=*=0.60

ax24x050

t=0.706

l+(a—l)Xj1+(24-1)x0.50

y2=0.75xi+0.15=0.75X0.50+0.15=0.525

月一%0.60-0.525

T!=-------=------------=0.41

0.706-0.525

课堂练习5

1、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

流量内。和初始浓度G,o均相同，若最终转化率为50%,求CSTR的容积效率（厢（/陷死）。

解：（・人）二g2

口A乡匕0%A

VPFR="OCA.O<7V,O^A,O

吐0（1-4）2“以0（1一次A）

VcSTR=^V,O八