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，u Vs a152.12m/s(3600 0.052 )则 hf135.1J /kgl u2100 2.1220.03 d 20.052(2)泵轴功率，kw 在贮槽液面0-0'与高位槽液面1

2、-1 '间列柏努利方程，以贮槽液面为基 准水平面，有：22u0P0u1p1gH0We gHhf,0 122其中，hf 135.1J /kg ,uo= Ui=0, P 1= Po=0(表压)，H 0=0, H=20m代入方程得：We gHhf 9.81 20 135.1 331.3J/kg15.又Ws Vs1000 4.17kg/s3600故 Ne Ws We 1381.5W,4=80% N N/ 1727w 1.727kw 2 (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

3、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 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：22gH2h f ,2 3U2 P2U3 P3 gH 22其中,hf,2 3

4、 4.9J/kg,U3=0,P 3=0,2 , _5_ _p2=2.452x 105Pa, H2=5m, u 2=Vs/A=2.205m/s代入上式得:H 5卫2 9.812.452 105 9 29.74m1000 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,gH。2U0包 We gH2U3 P3hf,0 3hf ,0 36.864.9J/kg ,u 2= u 3=0, P 2= P 3=0, H q=0,H=29.4m代入方程求得:W=298.64J/kg, Ws VsWe 2986.4

5、W , n =70%36I1000 10kg/s3600Ne 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，gH02Uq PqgH12U1P1hf,0 1hf,o 11.96J/kgH=0Uq=0,Pq=0,Hi=4.8m,ui=2.205m/s1.96)5.15 104 Pa2.2052代入上式得,Pi1000(9.81 4.8 20.525kgf/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 2

6、4.66 ¥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%,求操作条件下泵的轴功率。254 （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 103Pa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1

7、5m,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37oC。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

8、损失。水的比热为 4.18KJ/ （Kg - oC）0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。两流体交换的热量为：Q Whrh 1.25 315 394kwQ WcCpc(t2 t3 Cpc 4.18kJ/kg C,QC pc (t2_tT)3944.18 (37T754.713 kg / s单管内水的流量为：Wc1d2u 0.785 0.0212 0.7 1000

9、 0.2423kg/s4每程所需管子数为：n1 W 03 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：& doln10.025 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。QKoSo tm由题给数据,1 0.7 0.4 )o10.7 0.4)800tmt1 t2(72 17) (72 37)则任务所需的传热外表面积为：SoIn-t1t2In72 1772 3744.25 CQKo tm3940.4762 44.2518.7m2Sodo In换热管总根数为：n 冬一79.4dol0.025 3取n 806 (15分)

10、有一换热器，管内通90c的热流体,2膜系数1为1100w/mC,.22为5800w/m C。试求以(2)外侧有污垢产生，污垢热管外有某种液体沸腾，沸点为 50C,膜系数 下两种情况下的壁温：(1)管壁清洁无垢；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:90 TwTw 501111005800则Tw 56.4 C（2）同理TTw_1iTwtRo90 Tw11100Tw 500.0055800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

11、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110 C4045 C 20使用一年后110CT238C 20 C（1）空气出口温度T2题意可得：使用WcCpc(t2匕)WhCph(T1T2)

12、 KS tm(1)使用一年后2WcC pc(t2 t1)WhCph(T1 T2) KS tm（2）两式相比（2） / （1）,得(110 丁2)(38 20)(110 40). (45 20)则：T2 =59.6 C（2）总传热系数K /Ktm(Tlt2) (T2tl)tmt2ln T2 t1(110 38) (59.265 2034.2 C,65ln 2020)72 39.6方程(2)式/(1)式，得:(3)冷热流体的出口温度一年后59.62039.654.2 C(38 20)(45 20)t2 及 丁2QWcCpc(t2t1)Q2WcCpc(t2t1)方程(4)式/ (3),得:110 T

13、22(t2整理前半式的方程又因 水由等比定理整理得,联立(5)和11059.654.238.2K K 0.50%WhCmWhCph (Ti20) KT2)T2)38 20 K 54.2t239.6K 空气，(110 T2) (t20.179T220)110 59.6 9154.2T2 2041.454.2t2 153 T2(6),可得:t229.4 C ,K S tmK S tm(110 t2)(T21ngT2 20(11020) ,110 t2 一 lnT2 20(6)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?(3)(4)20)tm(110 29.4) (

14、57.5 20)110 29.4 ln57.5 2080.6 37.5cc c 56.3 C,80.6 In 37.5QQtm tm 56354.21.048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）,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So 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

15、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Xi （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,操作条件下平 衡关系为Y=2.5X 0试求：（1）

16、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0.041 0.040.0417丫20.00531 0.00530.00533X10.001280.012971 0.00128L/V丫1丫2X1 X20.0417 0.005330.01297 02.804(L/V)minYl丫2Yl丫2X1X2Yi/m0.0417 0.005332.180.0417/2.5(L/V)(L/V)min2.8041 2862.1886(2 )所需填料层高度？Z Hog NogS mV/

17、L 2.5/2.804 0.892Nogln(1 S)YmX2S1 SY2 mX210.04170ln(1 0.892)0.892 10.8920.0053305.11故 Z Hog Nog(3)此条件下的填料层高度。、，0.0033Y21 0.00331Nog ln(11 S1ln(11 0.8927.52Z Hog Nog1.5 5.11 7.67m0.003315) 丫 mX2 SY2 mX20.0417 00.892)0.8920.00331 01.5 7.52 11.28m11 （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

18、体入口质量分数 y1 0.01回收率可达0.90 0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 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) 0.001m 2 0.667L/V 3OG11ln(11 Ay1mx11)A y2 mx210.01 0.0002 2ln(1 0.667) - 0.667 5.38 1 0.6670.001 0.0002 2当X2上升时，由于 H不变，Hog不变Nog H /Hog也不变，即15.38ln(1 0.667)1 0.6670.01

19、0.00035 2y2 0.00035 20.667y20.0013yy2y0.01 0.00130.010.87（1）物料衡算V(y1 y2)L(% X2)VXil (y11y2)X2-(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 Y=0.14X （式中Y、X均 为摩尔比），气相体积总传质系数为 Kya=12

20、5kmol/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

21、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）Y10.050.05263Y20.00040.00041 0.051 0.0004200 273_惰性气体流量V 纯 273 （1 0.05） 7.69kmol/h22.4 301Xi0.052631.40.0376X10.80X10.0301L V(Y1 Y2)7.69 (0.05263 0.0004) 13 34kmo"hX1 X20.0301 0Y1 Y1 mX10.05263 1.4 0.0301 0.01046Y2Y20.0004YmlnY2 工 Y20.00

22、308V(Y Y2)7.69 (0.05263 0.0004)674 mKYaYm38.5 0.785 0.82 0.00308该塔现有填料层高度Z0.7853076m因为 Z Z所以该塔不适合。(2)吸收剂用量增大10%时L 1.1 13.34 14.67kmol/hV(Y Y2)7.69 (0.05263 0.0004)L 14.67kmol / hX1 X2X10Xi 0.0274Y1 Y mX10.05263 1.4 0.0274 0.01424Y2 Y2 0.0004Ym0.003870.01424 0.0004,0.01424 In0.0004V(Y1丫2）KYa7.69 (0.0

23、5263 0.0004)Z 238.5 0.785 0.80.003875.36m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

24、成？解：（1）塔顶储出液及塔釜采出液组成；由 0.97FxF DxD(a)0.95F(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；yn 1 - xn D- 0.8xn 0.1856R 1 R 1（3）提储段操作线方程;饱和蒸气进料，故q=0(4)(5)y1LxmVWxWVV (RRD(R 1)xm回流比与最小回流比的比值;xDyqYqxq1)(RWxW1)Dq=0yqxFL DR1

25、.534xm 0.0110.4yqxqn""1)xq0.928 0.40.4 0.2125求由塔顶第二块板上升的气相组成OEm-y1y12.816y2Xi1 (1)x1xq0.2125in 1.42全 回 流时，y2x1Xi1 (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

26、。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)塔顶产品量 D塔底残液量 W及组成xw；DXdA/1000 0.4 0.9，得： D 400kmol / h0.9又由物料衡算FxFDXdWxwXw(10000.4400 0.9)/600 0.0667W=F- D=1000-400=600kmol/h(2)最小回流比;泡点进料，q=1,xqXf0.4yqXq(1)Q2.5 0.4 0.625 1 1.5 0.4RminXD yqyq Xq。9 0.6250.625 0.41.22(3)精

27、微段操作线方程;R 1.5Rmin1.83RXdyn 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ywxw 2.5 0.0667w0.1521 (1)Xw1 1.5 0.0667由操作线方程ym 11.53xm 0.0353yw1.53X1 0.0353x10.076316 (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=0.05(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)

28、;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X1为多少；因塔顶为全凝器，Xdy x1 (1)X1X10.92.25 1.25 0.90.80(3)写出提储段操作线数值方程;V (R 1)D 2.61 52.94 138.17L qF RD F 1.61 52.94 100 185.23LWXw185.2347.06 0.05则ym 1

29、 V xmV 138.17 xm138.171.34xm 0.017(4)最小回流比。泡点进料，q=1, Xq Xf 0.5yqXqr"(12.25 0.51 1.25 0.50.692minXdyqyqxq0.9 0.6920.692 0.51.08317 (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） 0833,R=5又、% 1）。15,Xd 0.90由物料衡算FXfDXd WxwxW(100 0.5 50 0.9)/50 0.1(2)(3)(4)全凝器中每小时冷凝蒸气量；V= （R+1） D=300kmol/h蒸播釜中每小时产生蒸气量；q=0 , V