化工原理例題[1]

第一章1、有密度為的液體，在內(nèi)徑為60mm的管中輸送到某處。若其流速為，試求該液體的體積流量、質(zhì)量流量與質(zhì)量流速。解 (1) 體積流量 (2) 質(zhì)量流量 (3) 質(zhì)量流速 2、如習題附圖所示，有一高位槽輸水系統(tǒng)，管徑為。已知水在管路中流動的機械能損失為 (u為管內(nèi)流速)。試求水的流量為多少。欲使水的流量增加20%，應將高位槽水面升高多少米？解 管徑，機械能損失(1) 以流出口截面處水平線為基準面， 水的流量 (2) 高位槽應升高 3、25的水在內(nèi)徑為50mm的直管中流動，流速為2m/s。試求雷諾數(shù)，并判斷其流動類型。解 25，水的黏度，密度，管內(nèi)徑，流速4、水的溫度為10，流量為，在直徑、長為100m的直管中流動。此管為光滑管。(1)試計算此管路的摩擦損失；(2)若流量增加到，試計算其摩擦損失。解 水在10時的密，黏度，光滑管。(1) 體積流量 流速 雷諾數(shù) 摩擦系數(shù) 摩擦損失 (2) 體積流量 因流量是原來的3倍，故流速雷諾數(shù)湍流對于光滑管，摩擦系數(shù)用Blasius 方程式計算也可以從摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re的關(guān)聯(lián)圖上光滑管曲線上查得，。摩擦損失 5、如習題附圖所示，用離心泵從河邊的吸水站將20的河水送至水塔。水塔進水口到河水水面的垂直高度為34.5m。管路為的鋼管，管長1800m，包括全部管路長度及管件的當量長度。若泵的流量為，試求水從泵獲得的外加機械能為多少？鋼管的相對粗糙度。解 水在20時，流量 流速 湍流查得摩擦阻力損失 以河水水面為基準面，從河水水面至水塔處的水管出口之間列伯努利方程。外加機械能 6、如習題附圖所示，溫度為20的水，從水塔用鋼管，輸送到車間的低位槽中，低位槽與水塔的液面差為12m，管路長度為150m（包括管件的當量長度）。試求管路的輸水量為多少，鋼管的相對粗糙度。解 水，由伯努利方程，得管路的摩擦阻力損失為管內(nèi)水的流速未知，摩擦系數(shù)不能求出。本題屬于已知、，求的問題。 驗算流動類型 體積流量 7、用的鋼管輸送流量為的原油，管長為，油管最大承受壓力為。已知50時油的密度為，黏度為。假設(shè)輸油管水平鋪設(shè)，其局部摩擦阻力損失忽略不計，試問為完成輸油任務，中途需設(shè)置幾個加壓站？解 因為是等直徑的水平管路，其流體的壓力降為油管最大承受壓力為加壓站數(shù) 需設(shè)置2級加壓，每級管長為50km，每級的，低于油管最大承受壓力。第四章1、有一加熱器，為了減少熱損失，在加熱器的平壁外表面，包一層熱導率為0.16W/(m)、厚度為300mm的絕熱材料。已測得絕熱層外表面溫度為30，另測得距加熱器平壁外表面250mm處的溫度為75，如習題4-1附圖所示。試求加熱器平壁外表面溫度。解 計算加熱器平壁外表面溫度，習題4-1附圖 2、燃燒爐的平壁由下列三層材料構(gòu)成：耐火磚層，熱導率=1.05W/(m)，厚度；絕熱磚層，熱導率=0.151W/(m)；普通磚層，熱導率=0.93W/(m)。耐火磚層內(nèi)側(cè)壁面溫度為1000，絕熱磚的耐熱溫度為940，普通磚的耐熱溫度為130。(1) 根據(jù)磚的耐熱溫度確定磚與磚接觸面的溫度，然后計算絕熱磚層厚度。若每塊絕熱磚厚度為230mm，試確定絕熱磚層的厚度。(2) 若普通磚層厚度為240mm，試計算普通磚層外表面溫度。解 (1)確定絕熱層的厚度溫度分布如習題4-4附圖所示。通過耐火磚層的熱傳導計算熱流密度q。 習題4-4附圖絕熱磚層厚度的計算每塊絕熱磚的厚度為，取兩塊絕熱磚的厚度為。(2) 計算普通磚層的外側(cè)壁溫先核算絕熱磚層與普通磚層接觸面處的溫度小于130，符合要求。通過普通磚層的熱傳導，計算普通磚層的外側(cè)壁溫。3、某工廠用的無縫鋼管輸送水蒸氣。為了減少沿途的熱損失，在管外包兩層絕熱材料，第一層為厚30mm的礦渣棉，其熱導率為；第二層為厚30mm的石棉灰，其熱導率為。管內(nèi)壁溫度為300，保溫層外表面溫度為40。管路長50m。試求該管路的散熱量。解 4、空氣以的流速通過的鋼管，管長。空氣入口溫度為32，出口溫度為68。(1)試計算空氣與管壁間的對流傳熱系數(shù)。(2)如空氣流速增加一倍，其他條件均不變，對流傳熱系數(shù)又為多少？(3)若空氣從管壁得到的熱量為，鋼管內(nèi)壁的平均溫度為多少。解 已知(1)對流傳熱系數(shù)計算空氣的平均溫度 查得空氣在時的物性數(shù)據(jù)，空氣被加熱，Pr的指數(shù)雷諾數(shù) 湍流對流傳熱系數(shù) (2)空氣流速增加一倍，對流傳熱系數(shù)為(3)若空氣從管壁得到的熱量為，計算鋼管內(nèi)壁平均溫度用式計算鋼管內(nèi)壁的平均溫度。已知空氣進出口平均溫度 在第(1)項中已計算出對流傳熱系數(shù) 鋼管內(nèi)表面積為 鋼管內(nèi)壁平均溫度 5、在一換熱器中，用水使苯從80冷卻到50，水從15升到35。試分別計 算并流操作及逆流操作時的平均溫度差。解 (1)并流操作苯 水 (2) 逆流操作苯 水 6、某列管換熱器由252.5mm的鋼管組成。熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管間與空氣呈逆流流動。已知管內(nèi)側(cè)空氣側(cè)的對流傳熱系數(shù)為50 W/m，管外水側(cè)的對流傳熱系數(shù)為1000 W/m，鋼的導熱系數(shù)為45 W/m 。試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)K1，及基于平壁的總傳熱系數(shù)K2.解： 取空氣側(cè)的污垢熱阻 R1= 0.5 * 10-3 m2( /W ) 取水側(cè)的污垢熱阻 R2= 0.2 * 10-3 m2( /W ) 1K1=11+Rd1+bd1dm+Rd2d1d2+d12d2=11000+0.210-3+0.00250.025450.0225+0.510-30.0250.02+0.025500.02 = 0.0269K1=37.2 W/(m)若按平壁計算： 1K2=11+Rd1+b+Rd2+12=11000+0.210-3+0.002545+0.510-3+150 = 0.0218K2=46 W/(m)按平壁計算誤差較大為K2-K1K1=46-37.237.2100%=23.7% 7、在列管換熱器中，兩流體進行換熱，若已知管內(nèi)、外液體的平均溫度為170和135，管內(nèi)、外液體的對流傳熱系數(shù)分別為12000W/(m2)及1100W/(m2)，管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為0.0002(m2)/W和0.0005(m2)/W，試估算管壁的平均溫度。解：8、有一套管式換熱器，內(nèi)管為的鋼管，內(nèi)管中有質(zhì)量流量為的熱水，從90冷卻到60。環(huán)隙中冷卻水從20升到50。總傳熱系數(shù)。試求：(1)冷卻水用量；(2)并流流動時的平均溫度差及所需傳熱面積；(3)逆流流動時的平均溫度差及所需傳熱面積。解 (1)冷卻水用量計算熱水平均溫度 冷水平均溫度 熱量衡算(2) 并流熱水 冷水 傳熱面積 (3) 逆流熱水 傳熱面積 9、欲將體積流量為（標準狀況）的常壓空氣，用絕對壓力為200kPa的飽和水蒸氣加熱，空氣從10加熱到90?，F(xiàn)有一列管式換熱器，其規(guī)格如下：鋼管直徑，管長1.6m，管數(shù)271根。如用此換熱器，使空氣在管內(nèi)流動，水蒸氣在管外冷凝，試驗算此換熱器面積是否夠用？水蒸氣冷凝時的對流傳熱系數(shù)可取為。解 空氣的平均溫度空氣的物性參數(shù) ， 空氣流量 熱負荷 水蒸氣 平均溫度差 空氣流速 湍流已有換熱器的傳熱面積為 夠用第五章1、l00g水中溶解，查得20時溶液上方的平衡分壓為798Pa。此稀溶液的氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律，試求亨利系數(shù)E(單位為)、溶解度系數(shù)H單位為和相平衡常數(shù)m。總壓為。解 液相中的摩爾分數(shù)氣相中的平衡分壓 亨利系數(shù) 液相中的濃度 溶解度系數(shù) 液相中的摩爾分數(shù) 氣相的平衡摩爾分數(shù) 相平衡常數(shù) 或 2、如習題附圖所示，在一細金屬管中的水保持25，在管的上口有大量干空氣(溫度25，總壓101.325kPa)流過，管中的水汽化后在管中的空氣中擴散，擴散距離為l00mm。試計算在穩(wěn)定狀態(tài)下的汽化速率，。解 25時水的飽和蒸氣壓為從教材表5-2中查得，25，條件下，H2O在空氣中的分子擴散系數(shù)。擴散距離，總壓水表面處的水汽分壓 空氣分壓 管上口處有大量干空氣流過，水汽分壓空氣分壓空氣分壓的對數(shù)平均值為水的汽化速率3、4、含氨極少的空氣于101.33kPa，20被水吸收。已知氣膜傳質(zhì)系數(shù)kG=3.1510-6kmol/(m2skPa)，液膜傳質(zhì)系數(shù)kL=1.8110-4kmol/(m2skPa)，溶解度系數(shù)H=1.5kmol/(m3kPa)。氣液平衡關(guān)系服從亨利定律。求：氣相總傳質(zhì)系數(shù)KG、KY液相總傳質(zhì)系數(shù)KL、KX。5、已知某低濃度氣體溶質(zhì)被吸收時，平衡關(guān)系服從亨利定律，氣膜吸收系數(shù)kg=2.7410-7kmol/(m2skPa)，液膜吸收系數(shù)k1=6.9410-5m/s，溶解度系數(shù)H=1.5kmol/(m3kPa)。試求氣相吸收總系數(shù)Kg，并分析該吸收過程的控制因素。解：氣膜阻力 液膜阻力液膜阻力遠小于氣膜阻力，該吸收過程為氣膜控制。6、用清水在吸收塔中吸收混合氣中的溶質(zhì)A，吸收塔某截面上，氣相主體中溶質(zhì)A的分壓為5kPa，液相中溶質(zhì)A的摩爾分數(shù)為0.015。氣膜傳質(zhì)系數(shù)，液膜傳質(zhì)系數(shù)。氣液平衡關(guān)系可用亨利定律表示，相平衡常數(shù)?？倝簽?。試求：(1)氣相總傳質(zhì)系數(shù)，并分析吸收過程是氣膜控制還是液膜控制；(2)試求吸收塔該截面上溶質(zhì)A的傳質(zhì)速率。解 (1)氣相總傳質(zhì)系數(shù) 氣膜阻力，液膜阻為。氣膜阻力與總阻力的比值為，為氣膜控制。(2)傳質(zhì)速率7、在一逆流吸收塔中，用清水吸收混合氣體中的CO2，氣相流量為300m3/h，進塔氣體中含CO2 6.0%(體積百分比)，要求可溶組分的回收率為95%，液相流量為22380.48 kmol/h，求操作線方程。解： y1=0.06 , y2=0.06(1-0.95)=0.003 , x2=0 v=300 m2/h=12.27 kmol/hL=22380.48 kmol/hy=Lvx+y2-Lvx2=Lv+y2=1824x+0.0038、在一并流吸收塔中，用清水吸收混合氣體中的SO2，氣相流量為15 kmol/h，進塔氣體中含SO2 7.0%(體積百分比)，要求可溶組分的回收率為98%，液相流量為17565 kmol/h，求操作線方程。解：y1=0.07 , y2=0.07(1-0.98)=0.0014 , x2=0 v=15 kmol/h , L=17565 kmol/hy=-Lvx+y2+Lvx2=Lv+y2=-1171x+0.00149、用清水吸收混合氣體中的CO2，進塔氣體中含CO2 5.0%(體積百分比)，要求可溶組分的回收率為90%，平衡關(guān)系y*=1200x，操作液氣比為最小液氣比的1.6倍，求操作液氣比。解：y1=0.05 , y2=0.05(1-0.9)=0.005 , x2=0 , m=1200(Lv)min=y1-y2x1*-x2=y1-y2y1m-x2=0.05-0.0050.051200-0=1080Lv=1.6(Lv)min=1.61080=172810、以清水在填料塔內(nèi)逆流吸收空氣-氨混合氣中的氨，進塔氣中含氨4.0%（體積），要求回收率為96%，平衡關(guān)系為Y* =0.92X ，操作液氣比為最小液氣比的1.6倍，求操作液氣比。解：y1=0.04 , y2=0.04(1-0.96)=0.0016 , x2=0 , m=0.92(Lv)min=y1-y2x1*-x2=y1-y2y1m-x2=0.04-0.00160.040.92-0=0.8832Lv=1.6(Lv)min=1.60.8832=1.41311、在一吸收塔中，用清水在總壓、溫度20條件下吸收混合氣體中的CO2，將其組成從2%降至0.1%（摩爾分數(shù)）。20時CO2水溶液的亨利系數(shù)。吸收劑用量為最小用量的1.2倍。試求：(1)液-氣比L/G及溶液出口組成。(2)試求總壓改為時的L/G及。解 (1)總壓(2) 總壓時的從上述計算結(jié)果可知，總壓從0.1MPa增大到1MPa，溶液出口組成從增加到。12、用煤油從苯蒸氣與空氣的混合物中回收苯，要求回收99%。入塔的混合氣中含苯2%（摩爾分數(shù)）；入塔的煤油中含苯0.02%（摩爾分數(shù)）。溶劑用量為最小用量的1.5倍，操作溫度為50，壓力為100kPa，相平衡關(guān)系為，氣相總傳質(zhì)系數(shù)。入塔混合氣單位塔截面上的摩爾流量為。試求填料塔的填料層高度，氣相總傳質(zhì)單元數(shù)用對數(shù)平均推動力法及吸收因數(shù)法的計算式計算。解 (1)氣相總傳質(zhì)單元高度計算入塔混合氣的流量 惰性氣體流量 (2) 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)計算，回收率吸收因數(shù)法計算 對數(shù)平均推動力法計算 (3)填料層高度Z計算13、混合氣含CO2體積分數(shù)為10%，其余為空氣。在30、2MPa下用水吸收，使CO2的體積分數(shù)降到0.5%，水溶液出口組成（摩爾比）?；旌蠚怏w處理量為（按標準狀態(tài)，），塔徑為1.5m。亨利系數(shù)，液相體積總傳質(zhì)系數(shù)。試求每小時用水量及填料塔的填料層高度。解 (1)用水量計算，混合氣流量 惰性氣體流量 用水量 (2) 填料層高度Z計算水溶液的總濃度 體積傳質(zhì)系數(shù) 液相總傳質(zhì)單元高度 對數(shù)平均推動力法計算氣液相平衡常數(shù) 液相總傳質(zhì)單元數(shù)吸收因數(shù)法計算 填料層高度 第六章1、在常壓下將含苯60%，甲苯40%的混合液進行平衡蒸餾，氣化率為30%，已知物系的相對揮發(fā)度為2.47，試求汽、液兩相的組成。2、甲醇(A)-丙醇(B)物系的汽液平衡服從拉烏爾定律，試求溫度、液相組成（摩爾分數(shù)）時的汽相平衡組成與總壓。甲醇 丙醇 式中t為溫度，。解 (1) )時，總壓 汽相組成 3、甲醇和丙醇在80時的飽和蒸氣壓分別為181.lkPa和50.93kPa。甲醇一丙醇溶液為理想溶液。試求：(1) 80時甲醇與丙醇的相對揮發(fā)度；(2)在80下汽液兩相平衡時的液相組成為0.5，試求汽相組成；(3)計算此時的汽相總壓。解 (1)甲醇和丙醇在80時的相對揮發(fā)度(2) (3) 總壓 4、苯和甲苯在80.1時飽和蒸氣壓分別為101.33kPa和38.8kPa，110.6時飽和蒸氣壓分別為234.60kPa和101.33kPa .求：(1)計算平均相對揮發(fā)度；(2)寫出汽液相平衡方程。 解 (1) 80.1時 110.6時 從計算結(jié)果可知，溫度高，相對揮發(fā)度小。平均(2) 汽液相平衡方程5、常壓下將含苯（A）60%，甲苯（B）40%的混合液平衡蒸餾，物系相對揮發(fā)度=2.47，汽化率（1-q）為30%，求氣液產(chǎn)物的組成。解：xF=0.6 , 1-q=0.3 , q=0.7 , =2.47物料衡算式為：y=qq-1x-xFq-1=0.70.7-1x-0.60.7-1=-2.33x+2相平衡方程為：y=x1+-1x=2.47x1+1.47x聯(lián)立得：3.425x2+1.86x-2=0解得x=0.539y=0.7436、想用一常壓下連續(xù)操作的精餾塔分離苯的質(zhì)量分數(shù)為0.4的苯-甲苯混合液。要求餾出液中苯的摩爾分數(shù)為0.94，釜液中苯的摩爾分數(shù)為0.06。塔頂液相回流比R=2，進料熱狀態(tài)參數(shù)q=1.38，苯-甲苯溶液的平均相對揮發(fā)度=2.46。試用逐板法計算理論板數(shù)及加料板位置。解 先將進料組成由質(zhì)量分數(shù)0.4換算為摩爾分數(shù)。苯的摩爾質(zhì)量為78，甲苯的摩爾質(zhì)量為。已知。相平衡方程 （1）精餾段操作線方程 （2）塔釜汽相回流比 提餾段操作線方程 （3）兩操作線交點的橫坐標 理論板數(shù)計算：先交替使用相平衡方程(1)與精餾段操作線方程(2)計算如下y5=0.679 x5=0.462xf第5板為加料板。以下交替使用提餾段操作線方程(3)與相平衡方程(1)計算如下x5=0.462y6=0.599 x6=0.378y7=0.485 x7=0.277y8=0.351 x8=0.180y9=0.221 x9=0.103y10=0.118 x10=0.052xw總理論板數(shù)為10，精餾段理論板數(shù)為4，第5板為加料板。7、在一連續(xù)操作的精餾塔中分離某雙組分溶液。其進料組成為0.3，餾出液組成為0.95，釜液組成為0.04，均為易揮發(fā)組成的摩爾分數(shù)。進料熱狀態(tài)參數(shù)q=1.2，塔頂液相回流比。試寫出本題條件下的精餾段及提餾段操作線方程。解 (1)精餾段操作線方程 已知(2) 提餾段操作線方程 已知，計算塔釜汽相回流比。 8、由正庚烷與正辛烷組成的溶液在常壓連續(xù)精餾塔內(nèi)進行分離。原料的流量為5000kg/h，其中正庚烷的質(zhì)量分數(shù)為0.3。要求餾出液中能回收原料中88%的正庚烷，釜液中正庚烷的質(zhì)量分數(shù)不超過0.05。試求餾出液與釜液的摩爾流量，及餾出液中正庚烷的摩爾分數(shù)。解 先將質(zhì)量流量換算為摩爾流量，質(zhì)量分數(shù)換算為摩爾分數(shù)，再作物料衡算。正庚烷的摩爾質(zhì)量，正辛烷的摩爾質(zhì)量。原料的平均摩爾質(zhì)量為原料的摩爾流量 將已知數(shù)（摩爾分數(shù)）、（摩爾分數(shù)）及，代入餾出液采出率計算式 （1）并代入餾出液中正庚烷的回收率表達式 （2）由式(1)與式(2)求得餾出液流量，餾出液中正庚