化工原理试题 答案

1、100C的水蒸气在管壳式换热器的管夕卜冷凝，冷凝潜热为2258.4kJ/kg总传热系数2039W/(m2%),传热面积为12.75m2,15C的冷却水以2.25x10 kg/h的流量在管内流过，设总传热 温差可以用算术平均值计算，求汞蒸气冷凝量kg/h?解：Q=G -C t-t) =KAAt ,At =( 100-15 ) + (100-t2 )/2=(185-t2)/2Q= 2.25x10 x4.18x10 x(t -15)/3600=2039x12.75x(185-t)t=23.1CQ= 2039x12.75x (185-23 )/2=2105kwD= 2105x3600/2258.4=3

2、356kg/h某列管换热器，用100C水蒸气将物料由201加热至801,传热系数K=100W/(m K)。经半年运转后，由于污垢的影响，在相同操作条件下物料出口温度仅为70,现欲使物料出口 温度任维持80C，问加热蒸汽温度应取何值？ 解：原：WC (80-20)KAAt =KAAt At =(80-20)/ln(80/20)=43.28半年后：WC (70-20) = K AAt At =(80-30)/ln(80/30) = 50.98C(2)/(1)得：(70-20)/( 80-20)=KAt/KAt =(K /100)x50.98/43.28 K =70.75W/(mC)保持原生产能力，

3、即 KAAt =K AAt , At =KAt /K =100 x43.28/70.75=61.17CAt ” =CT-20)-(T-80)/lnCT-20)/CT-80)=61.17C即 60/61.17=ln(T-20)/ (T-80 ) , 2.667=(T-20)/(T-80) 得 T=115.8C 在内管为0189x10mm的套管换热器中，将流量3500kg/h的某液态烃从1009令却到60C ,其平均比热C =2.38KJ/(kg-),隙走冷却水，其进出口温度分别为40C和50C，平 均比热C =4.17KJ/(KgC),基于传热外面积的总传热系数K=2000W/ (mC)，设其值

4、，叵定，忽略热损失。试求：(入)冷却水用量。(B )分别计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及 所需管长。解：(A)WC (T-T)=WC (t -t) , 3500 x2.38x(100-60)=Wx4.17x( 50-40) 得 W =7990kg/h(B)A t =( 50-20)/ln(50/20)=32.75C At =(60-10)/ln(60/10)=27.93CQ=KAAt Q=7990 x4.17x(50-40)=3.332x105KJ/hA =3.332x105/(2000/1000)x32.75x3600=1.41m2dl = 1.41 3.14x0.18xl=1.41

5、 ,l =2.5(m)A =3.332x105/(2000/1000)x27.93x3600=1.66m2 3.14x0.18xl =1.66 得l =2.93(m)某蒸汽管夕卜有两层厚度相等的绝热材料，已知第二层的平均直径相当于第一层的平均直径的两倍。而第二层导热系数为第一层的二分之一。如将两层材料置换，则每米管的热损失将如何 变化？解：由多层圆筒导热关系，不计钢管热阻，并设两层材料调换位置后，外壁温相同，均t3,q1 = (t1- t3)/(ln(r2/r1)/(2 兀A1) + ln(r3/r2)/(2 以 2)q = (t1-t3)/(ln(r2/r1)/(2 兀知 2) + ln(r

6、3/r2)/(2 兀A1)按题意：rm2 = 2rm1和X2 = (1/2) X1故由 rm2 = (r3 - r2)/ln(r3/r2) = 2rm1 = 2*(r2-r1)/ln(r2/r1)而 r3-r2 = r2-r1故 l n(r2/r1) = 2ln(r3/r2)q/q = (ln(r2/r1)/(2 兀A1) + ln(r3/r2)/(2兀知 2)/(ln(r2/r1)/(2 兀知 2) + ln(r3/r2)/(2nX1)=4/5即对换后损失20%。在管长1m的冷却器中，用冷水冷却油。已知两流体作并流流动，油由420K令却到370K ,令却水由285K加热到310K。御用加长令

7、却管的办法，使油出口温度降至350K。若在两种 情况下油、水的流量，物性常数均不变，冷却器除管长外，其他尺寸也均不变，试求管长。解：w1C (420 - 370) = w2 C (310 - 285)w1C (420 - 350) = w2 C (t2-285)p1p2两式相比得：12 = 320Ka t = (420 - 285) - (370 - 310) /ln(420 - 285) /(370 - 310) = 75/0.81 = 92.5K a t = (420 - 285) - (370 - 320) /ln(420 - 285) /(370 - 320) = 100/1.5 =

8、69.8K mQ = w1 p1(420 - 370) = k 兀 d /a tQ = w1p1(420- 350) = k、d /a t 油、水的流量，物性常数及管径都不变，故k0=k两式相比得(420-370)/(420-350) = (1 /11)*(at /at )1 = 70/50*92.5*69.8*1 = 1.855m有一换热器，并流操作时，冷流体进出口温度分别为25c和70c,热液体进出口温度分别为150c和100C,若在两种流体流量和进口温度均不变的条件下，将并流操作改为逆流操作，试问 该换热器的传热速率和传热平均温度差有何变化？计算时可视Cp和K为常量。逆流操作时：S1 =

9、 (1 - expgU1(1 R1)/(R1 exp NTU1(1 - R1)s 2 = (1 - expNTU 2(1 - R2) /(R2 - exp NTU 2(1 - R2)解：并流 A t = (125 - 30)/ln(125/30) = 66.6C150 100 25 70125.30以流体计：R1 = W1Cp1/(W2Cp2) = (t2-t1)/(T1 -T2) = (70-25)/(150-100) = 0.9NTU =KA /(W1cp1) = (T1- T 2)/ a t = (150-100)/66.6 = 0.75逆流R2, NTU1不变S1 = (T1 - T

10、2)/(T1-t1) = (1 - eNTU1(1-R1)/(R1-eNTU1(1-R1).=(1- ewm-。.9) /(0.9 -色顽1-。.9) = 0.438贝 U(150 - T2)/(150 - 25) = 0.438T2= 95.25C12 = WC / W C x (T1 -T2) +11 = 0.9x (150-95.25) + 25 = 74.281 p12 p2Q/Q-(KAat )-at /at -WC T1*T2/WC T1*T2 m m m 1 p11 p1=(150 - 95.25)/(150-100) = 1.095在直径为0.8m的填料塔中，用1200kg/h

11、的清水吸收空气和SO2混合器的SO2,混合气量为1000m3/H(标准状态)，混合气含SO2 1.3% (体积)，要求回收率99.5%，操作条件为20 度，1atm，平衡关系为尸=0.75乂，总体积传质KGa=0.055kmol/M3.S.ATM求液体出口浓度和填料高度。解：已知：D=0.8m ,Ls=1200kg/h,G=1000Nm3/h=0.013,中=0.995 , x =0,y =0.75xK a=0.055kmol/(m .s.atm)L =1200/(18*3600)=0.0185kmol/sG=1000/(22.4*3600)=0.0124kmol/s.是低浓度吸收.(L/G)

12、=0.0185/0.0124=1.49X =(G/L)(y -y)+x =(0.013-0.111165)/1.49=0.00868Ya二yb(1-n)=0.031(1-0.995)=0.000062.Z=H N而 N =(y-y)/ Yy =y -y =0.013-0.75*0.00818=0.006490ya二ya-ya*=0.000065-0=0.000065y =(y-y)/ln(y/y)=0.001396N =(0.013-0.000065)/0.001396=9.266H =G/(K aQ)=0.449,Z=4.2m在塔径为1.33m的逆流操作的吸收塔用水吸收CO2，温度20度压力

13、1atm，处理量1000m3/h , CO2含量为13%，其余为惰性气体，要求CO2的吸收率为90%塔底出口浓度0.2gCO /1000gH O平衡关系丫=1420乂总系数K a=10695kmol/m小求(1)吸收剂的用量(kg/h)(2 )填料层高度(m )解：1求吸收剂的用量=y /(1-y )=0.13/(1-0.13)=Y (1-n)=0.149(1-0.9)X =0.2/44/(1000/18),X =0V=ToV (T *22.4)=1000(1-0.13)*273(22.4*293)L=V(Y -Y )/(X -X)=36.2(0.149-0.0149)/(8.18*10 )2

14、,填料高度H =L/(KaQ) = 59345/(10695*n/4*1.33)N =(X-X)/ XX =Y/m ,Y =Y /mXm = (X X)- (X X)/ln(X X)/ (X X)NOL=8.18*10 /(1.6*10 ),Z=3.99*5.113九，在常压吸收塔用水吸收氨气，废气流量2500m /h,氨浓度15g/m，要求回收率不低于98%。若吸收剂用量为3.6m /h，平衡关系Y=1.2X，传质单元高度0.7m求：A 塔底，塔顶及全塔的吸收推动力B气相总传质单元数C填料层高度解：y1=15/17/(1000/22.4)=0.01977kmolNH/kmolB+NH Y2=

15、3.954*10 kmolNH/kmolB + NHY=y (1-y),Y =y (1-y)V=2500/22.4*(1-0.01977)=109.4kmolB/hL=3.6*1000/18全塔物料衡算L(X -X )=V(Y -Y )200(X -0)=109.4(0.02017-3.9555*10 )得X =0.01072=Y -Y *, Y=Y-Y*=(0.0072-0.0004)/ln(0.0072/0.0004)N =(Y -Y )/ Y H=8.34*0.7=5.84m十.在常压逆流操作的填料塔内，用纯溶剂S吸收混合气体中的可溶组分乳褥套气体中A的摩尔分率y =0.03，要求其吸收

16、率。=95%.已知操作条件下mV/L=0.8( m作常熟)，平衡关系为Y=mX，与入塔气体成平衡的液相浓度x *=0.03.试计算：(1)操作液气比为最小液气比的倍数；(2 )吸收液的浓度；(3 )完成上述分离任务所需的气相总传质单元数N.解:(1) Y =3/97=0.03093 X =0Y =Y (1-n )=0.03093*(1-0.95)=0.00155由最小溶剂用量公式(L /V) =(Y-Y )/(Y /m-X)=(Y-Y)/ (Y /m)=m(Y -Y)/ Y已知 mV/L=0.8贝U L/V=( 1/0.8)m=1.25m所以(L/V)/(L/V) =1.25/0.95=1.3

17、16(2 )由物料衡算式得：Xb=(Y -Y)/ (L/V) = ( 0.03093-0.00155 )/(1.25*1.013 ) =0.0228(4)N =1/(1-mV/L)ln(1-mV/ L)( Y -m X)/( Y-m X)+ mV/L二1/(1/0.8)ln(1/0.8)Y/(0.05 Y)+0.8=7.84十一、用填料塔从一混合气体中吸收所含的苯。混合气体中含苯5%,其余为空气，要求苯的回收率为90%，吸收塔为常压操作，温度为25C，入塔混合气体为每小时940m3，入塔吸收剂 为纯煤油，煤油的耗用量为最小耗用量的1.5倍，已知该系统的平衡关系丫=0.14乂已知气相体积传质系数

18、Kya=0.035kmol/(m3*s)煤油的平均分子量Ms=170，塔径DT=0.6m .试求：(1)吸收剂的耗用量为多少？(2)溶液出塔浓度Xb为多少？(3)填料层高度2为多少？解：n=90% y =0.05 Y = y /(1- y )=0.05/(1-0.05)=0.05263Y =Y (1-n)=0.005266G=940/22.4=41.96kmol/hG =G(1- y)=41.96(1-0.05)=39.87 kmol/h(L/ G) =(Y -Y )/(Y /m)=(0.05263-0.00526)/(0.05263/0.14)=0.126L =1.5 L =1.5*0.12

19、6*39.87=7.536 kmol/h=7.563*170kg/h=1281 kg/hX =(Y -Y )/(1.5(L / G ) )=(0.05263-0.00526)/(1.5*0.126)=0.251x = X/(1+ X )=0.2006H = G/(K A3)=(39.87/3600)/(0.035*0.785P.6*0.6)=1.12mN =(Y-Y )/AYmY= Y -Y *=0.05263-0.14*0.251=0.01749Y= Y-Y*=0.00526Ym=(0.01749-0.00526)/ln(0.01749/0.00526)=0.01018N =(0.05263

20、-0.00526)/0.01018=4.65Z= H N =1.12*4.65 = 5.2m十二、用清水吸收氨-空气混合气中的氨。混合气进塔时氨的浓度y =0.01，吸收率90%,气-液平衡系y=0.9x.试求：(1)溶液最大出口浓度(2 )最小液气比(3 )取吸收剂用量为最小吸收剂用量的2倍时，传质单元数是多少？(4 )传质单元高度为0.5m时，填料层高为几米？解：已知 y =0.01 n=90%y =y (1-n)=0.01(1-0.9)=0.001xa=0 xb= y /0.9=0.01/0.9=0.0111(L/V) =(y -y)/(x *-x ) =(0.01-0.001)/0.0

21、111=0.811(L/V)=2(L/V) =2*0.811=1.62x =(y -y )/ (L/V)+ x =(0.01-0.001)/1.62=0.00556y *=0 y *=0.9*0.00556=0.005Ym= (0.01-0.005) - ( 0.001-0)/ln( 0.01-0.005)/0.001=0.0025N =(y -y)/ AYm= ( 0.01-0.001 )/0.0025=3.6Z=0.5*3.6=1.8m十三、用一塔顶设全凝器的常压精馏塔分离含甲醇为0.3,流量为100kmol/h的甲醇一水混合液，泡点进料，并要求塔顶产品含甲醇为0.95，塔底产品含甲醇0.

22、015 (以上均为摩尔分率)，已知精馏段操作线为：y=0.6x + 0.38;操作条件下的平衡关系如图所示，试求：塔顶及塔底的产品流量(kmol/h)塔的理论板数及进料位置流入再沸器的液相流量及组成，离开再沸器的气相流量及组成解：(1)F=D+W F =D +WD=F(X X)/(X-X)=100(0.3-0.015)/(0.95-0.015)=30.48kmol/h=30.5kmol/hW=F-D=69.50kmol/h(2)N 及 N=？X =0.95 , X=0.015 q=1 X/(R+1)=0.38作图得：N=8 (不含釜)进料位置：N=6 L，V ，y 及xX /(R+1)=0.3

23、8R=1.5因为q=1 , V =V-(1-q)F=V=(R+1)DV =30.5(1.5+1)=76.25kmol/h L =L+qF =RD+F=1.5乂30.5+100=145.8kmol/h由图读得：y =0.06 x =0.03十四、用一精馏塔分离理想液体混合物，进料量为100kmol/h, x=0.5，泡点进料，塔顶产品X=0.95,塔底釜液x=0.05,操作回流比R=1.61，该物系相对挥发度为2.25，求：塔顶和塔底的产品量(2)提馏段上升蒸汽量(3)写出提馏段操作线数值方程最小回流比解：(1)D , W100=D+W100乂0.5=DX0.95+0.05W50=0.95D+(

24、100-D)0.05D=(50-100乂0.05)/(0.95-0.05)=50kmol/hW=F-D=50kmol/h因为 q=1 所以 V =V=(R+1)D=(1.61+1)50=130.5kmol/h提馏段操作线:y=(L/V)x -(W/V)xy =(180.5/130.5)x -(50/130.5)0.05 y =1.383x -0.0192Ry =a X/1+(a-1)X=2.25X0.5/(1+1.25X0.5)=0.692R =(0.95-0.692)(0.692-0.5)=1.342十五、用常压连续精馏塔分离苯一甲苯混合物，原料中含苯0.44，塔顶馏出液中含苯0.96.进料

25、为汽一液混合物，其中蒸汽与液体量的摩尔比为1:2。已知苯对甲苯的相对挥发度为2.5，操作 回流比为最小回流比的1.5备，塔顶采用全凝器，试求：(1)原料中汽相与液相的组成(2)离开塔顶第二层理论板的蒸汽组成解：1、由题意:q=2/3y=2.5x/(1+1.5x)(平衡方程)(1)y=q/(q-1)x- x / (q-1)= -2x+1.32(2)联立求解 y =0.59 x =0.3652、R =(X -y ) =(0.96-0.59)/(0.59-0.365)=1.64R=1.5 R =2.46提馏段操作线方程为：y=0.71x+0.277由y =X及平衡方程求x即有 0.96=2.5x/(

26、1+1.5x) 得x =0.906由操作线方程：y=0.71x +0.277=16 ,某二元混合液连续精馏塔，符合恒摩尔流假设，X1=0.3,Xd=0.8,Xw=0.2(摩尔分率儿R=2Rmin,相对挥发度为3，进料量为F=100kmol/h,泡点液体进料，塔顶采用全凝器，塔釜间 接蒸汽加热，求：(1)馏出液D和残液量可(2)所需理论塔板数解：(1)D=(0.3-0.2)100/(0.8-0.2)=16.7 kmolhW=83.3 kmol/h=x = 0.3y,-0.3x(1 + 2 x 0.3) = 0.56=0.8-0.56)/( 0560.3) = 0.923(2)xeRminR= 2

27、 x 0.923=1.85y = 0.5& + 0.28yn= XD = 0.8x = 08/( 3-2 x 0.8) = 0.57)2 = 0.65x0.57+0.28=0.65 土 = 0.65/( 3-2 x0.65) = 0.38项 0.65x 0.38+0.28 = 0.527 x = 0527/( 3-2 x 0.527) = 0.27 x LV = (RD+ F)/(R 1)D = (1.85 x 167 + 100)/(2.85 x 167) = 2.75W N = 83x0.2/(2.85x167) = 0.35xwy = 2.75x -0.352.75x0.27-0.35

28、= 0.392 气=0.392( 3-2 x 0.392) = 0.179 R/(R+1)=0.75R=0.75/0.25=32 x /(R+1)=0.2075x /(3+1)=0.2079x =0.833 q/(q-1)=-0.5q=-0.5q+0.5q=0.5/1.5=0.3334 0.75x+0.2075=-0.5x-1.5x0.75x +0.2075=-0.5x +1.5*0.441.25x =1.5*0.44-0.2075=0.4425X =0.36250q精馏段操作线方程2若塔底产品W=150kmol/h,求进料量F和塔顶产品量D3提馏段操作线方程解： q/(q-1)=6q=1.2

29、 x /(q-1)=1.5 x =0.3y=2x/(x+1)y=6x-1.5展开 6x-1.5x-1.5+6x -2x=0 6x +2.5x-1.5=0X=(-2.5 2.52-4x6x 1.512取正值x =0.333y =60.333-1.5=0.5R =(x -y )/(y -x )=(0.94-0.5)/(0.5-0.333)=2.635R=1.2R =3.162精馏段操作线方程：y=R/(R+1)x+x /(R+1)=(3.162/4.162)x+0.94/4.162=0.76x+0.226总物料衡算：D=W(x-x )/(x -x)=150(0.3-0.04)/(0.94-0.3)

30、=60.94kmol/hF=D+W=60.94+150=210.94 kmol/h提馏段操作线：L=DR+qF=60.943.162+1.2210.94=445.8 kmol/hV=D(R+1)+(q-1)F=60.944.162+(1.2-1)210.94=295.8 kmol/hy=(L/V)x-Wx/V = (445.8/295.8)x-1500.04/295.8=1.507x-0.0203十九.在一连续干燥器中干燥盐类结晶，每小时处理湿物物料为1000kg，经干燥后物料的含水量由40%减至5% (均为湿基)，以热空气为干燥介质，初始湿度H1为0.009kg 水/kg绝干气，离开干燥器时

31、湿度H2为0.039kg绝干气，假定干燥过程中无物料损失，试求:(1)水分蒸量W( kg水/h以2)空气消耗SL( kg绝干气/h)原湿空气消耗量L ；(3)干燥产品量G2( kg/h)解：(1)水分蒸量WX1=W1/(1-W1)=0.4/(1-0.4)=0.667kg水/kg 绝干料 X2=W2/(1-W2)=0.05/(1-0.05)=0.053水/kg 绝干气Gc=G1(1-W1)=1000(1-0.4)=600kg 绝干料/h得 W=Gc(X1-X2)=600 x(0.667-0.053)=368.4kg水/h L=W1(H2-H1)=368.4/(0.039-0.009)=12280

32、kg 绝干气/hL =L( 1 + H10=12280( 1+0.009)=12390.5kg 原空气/h(3)G2=G1-W=1000-368.4=631.6kg/h20 .在一常压气流干燥器中干燥某种湿物料，一直数据如下：空气进入预热器温度15,湿含量0.0073kg水/kg绝干气；焓为35kJ/Kg;空气金干燥器温度90C,焓109 kJ/Kg ;空气出绝干器温度50C,湿含量0.023 kg 水/kg绝干气；进干燥器物料水含量0.15 kg 水/kg绝干气；出干燥器物料水含量0.01 kg 水/kg绝干料；干燥器生产能力237kg/h ;试求:1、绝干空气消耗kg 绝干气/h)2.进入

33、预热器前风机流量伽/s)3.预热器加入流量(kw)解：1.绝干空气量 Gc=G (1-W)=G/(1+X)=237/(1+0.01)=234.7kg 绝干料/hW=Gc(X -X)=234.7/(0.15-0.01)=32.9kg/hL=W/(H-H)=32.9/(0.023-0.0073)=2096 kg 绝干气/h 风机流量 Vv =(0.772+1.244H)(t+273)/273=0.824m 湿空气/kg 绝干气V=L X v=0.824 X 2096=1727预热器加入热量 Q =L(I -Io)=2096(109-35)=155104=43.08KW21.某湿物料质量10kg，均匀地平铺在底面积为0.5m的浅盘内并在叵定干燥条件下进行干燥，物料初始值含水量为15%，在以知条件下下物料平衡含水量为1%，临界含水量6% (均为湿 基)，并已测出恒速阶段的干燥速率为0.394Kg/(m h)，假定降速阶段的干燥速率与物料的自由含水量成线性关系试求：1.将物料干燥至含水量为2%(湿基)，所需的总干燥时间为多少小时？ 2.现将物料均匀地平铺在两个与上相同尺寸的浅盘内并在同样的空气条件下进行干燥，只需4小时便可将物料的水分降低至2%(湿基)，问物料的临界含水量有何变化？，恒速以及降