化工原理計(jì)算題例題

1、計(jì)算題1（15分）在如圖所示的輸水系統(tǒng)中，已知管路總長(zhǎng)度（包括所有當(dāng)量長(zhǎng)度，下同）為 100m其中壓力表之后的管路長(zhǎng)度為 80m 管路摩擦系數(shù)為，管路內(nèi)徑為，水的密度為1000Kg/m，泵的效率為，輸水量為15nVh。求：（1）整個(gè)管路的阻力損失，J/Kg ；（2）泵軸功率，Kw（3）壓力表的讀數(shù)，Pa。解：（1）整個(gè)管路的阻力損失，J/kg ；由題意知,則 hf100 2.1220.030.052135.1J /kg（2）泵軸功率，kw;在貯槽液面0-0 '與高位槽液面1-1 '間列柏努利方程，以貯槽液面為 基準(zhǔn)水平面，有：2 2U0p0U1p1IgHg -WegH -hf,

2、0 12 2其中，hf 135.1J /kg, uo= 5=0, p1=p°=0（表壓）,H o=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 =80% N N；/1727w 1.727kw2(15分)如圖所示，用泵將水從貯槽送至敞口高位槽，兩槽液面均恒定不變，輸送管路尺寸為83 X，泵的進(jìn)出口管道上分別安裝有真空表和壓力表，真空表安裝位置離貯槽的水面高度Hi為，壓力表安裝位置離貯槽的水面高度H為5m當(dāng)輸水量為36nVh時(shí)，進(jìn)水管道全部阻力損失為

3、 kg， 出水管道全部阻力損失為kg,壓力表讀數(shù)為X 105Pa,泵的效率為70%水 的密度 為1000kg/m3，試求：(1) 兩槽液面的高度差H為多少(2) 泵所需的實(shí)際功率為多少kW(3) 真空表的讀數(shù)為多少kgf/cm 2解：(1)兩槽液面的高度差H在壓力表所在截面2-2 '與高位槽液面3-3 '間列柏努利方程，以貯槽gH液面為基準(zhǔn)水平面，得：其中，hf,2 3 4.9J / kg , ua=0, p 3=0,p52=X 10 Pa, H 2=5m, u 2=Vs/A=s代入上式得：2.20522.452 1054.9H 529.74m2 9.811000 9.819.

4、81gH22U22P22U32P3hf,2 3（2）泵所需的實(shí)際功率在貯槽液面0-0 '與高位槽液面3-3 '間列柏努利方程，以貯槽液面為基準(zhǔn)水平面，有:其中,代入方程求得:gH。hf ,0 3W=kg,故 Ne Ws也 We gH6.864.9J/kg ,WsVsWe 2986.4W ,2U3P32U2= U3=0,3636001000hf,0 3p 2= p3=0, H Q=0, H =10kg/sn =70%N4.27kw（3）真空表的讀數(shù)在貯槽液面0-0 '與真空表截面1-1 '間列柏努利方程，有:其中,代入上式得,2U0gH。:2匹gH12U1P12h

5、 f ,0 1hf ,0 1P11.96J/kg ,1000(9.81H0=0, uo=0.p 0=0, H 1=, u 1=s1.96)5.15 104 Pa0.525kgf / cm23用離心泵把20r的水從儲(chǔ)槽送至水洗塔頂部，槽內(nèi)水位維持恒定。各部分相對(duì)位置如本題附圖所示。管路的直徑均為76mmc，在操作條件下, 泵入口處真空表的讀數(shù)為x 103Pa；水流經(jīng)吸入管與排出管（不包括噴頭）2 2的能量損失可分別按 h" 2U與 hf,2 10U計(jì)算，由于管徑不變, 故式中u為吸入或排出管的流速 m/s。排水管與噴頭連接處的壓強(qiáng)為x 103Pa（表壓）。試求：（1）水在管內(nèi)的流速U；

6、 （2）泵的有效功率；（3） 已知泵的效率為60%求操作條件下泵的軸功率。4 （15分）如本題附圖所示，用泵 2將儲(chǔ)槽1中密度為1200kg/m3的溶液送到蒸發(fā)器3內(nèi)，儲(chǔ)槽內(nèi)液面維持恒定，其上方壓強(qiáng)為x 103P&蒸發(fā)器上 部的蒸發(fā)室內(nèi)操作壓強(qiáng)為200mmH（真空度）。蒸發(fā)器進(jìn)料口高于儲(chǔ)槽內(nèi)的 液面15m輸送管道的直徑為68mnX 4mm送料量為20nVh，溶液流經(jīng)全 部管道的能量損失為120J/kg，試求：（1）泵的出口管路中流體的流速；（2） 泵的有效功率；（3）若泵的效率為65%求泵的軸功率。 （15分）一臥式列管冷凝器，鋼質(zhì)換熱管長(zhǎng)為 6m直徑為© 25 x 2mm冷

7、卻水在管內(nèi)流過(guò)，并從17o C被加熱到37o C。流量為s,溫度為72o C的烴飽和蒸汽在管外冷凝成同溫度的液體，烴蒸汽的冷凝潛熱為315KJ/Kg。44已測(cè)得：蒸汽冷凝傳熱系數(shù)a 0=800w/ （mb o C）,管內(nèi)側(cè)熱阻為外側(cè)熱阻 的40%污垢熱阻為管內(nèi)側(cè)熱阻的70%計(jì)算時(shí)可忽略管壁熱阻及熱損失。水的比熱為（Kg o C）。試計(jì)算：（1）冷卻水用量；（2）換熱管的總根數(shù)' （傳熱面積以外表面為基準(zhǔn)）。解： （1）換熱器每程提供的傳熱面積（外表面為基準(zhǔn)），Si ；由題意知，水以s的流速在管內(nèi)流過(guò)，欲求 S,需先知道每程的管子數(shù)，每程的管子數(shù)等于所需冷卻水的總流量與單管內(nèi)水的流量之比

8、。兩流體交換的熱量為：Q Whg 1.25 315394kwQ WcCpc(t2 tj , Cpc 4.18kJ/kg C ,QC pc (t 2 t 1 )4.18 (371754.713 心 / S單管內(nèi)水的流量為：Wdd2u 0.785 0.0212 0.7 1000 0.2423kg /s4每程所需管子數(shù)為：n1 Wc4713 19.5Wc10.2423取每程管子數(shù)為20,則每程所能提供的傳熱外表面積為：0 dol n10.025 20 34.71m2換熱管的總根數(shù)；由所需的總傳熱面積可求取換熱管的總根數(shù)。Q KoSo tm由題給數(shù)據(jù),0.7tmt1t20.7 0.4 丄)o0.4)8

9、00(72 17)(72 37)則任務(wù)所需的傳熱外表面積為:SoSo換熱管總根數(shù)為:.t1 ln t2QKo tmdo lnln士72 3744.25 C3940.476244.2518.7mSo ndol18.70.025 379.4n 8026 （15分）有一換熱器，管內(nèi)通90 r的熱流體，膜系數(shù)1為1100w/m C,2管外有某種液體沸騰，沸點(diǎn)為 50E，膜系數(shù)2為5800w/m C。試求以 下兩種情況下的壁溫：（1）管壁清潔無(wú)垢；（2）外側(cè)有污垢產(chǎn)生，污垢熱2阻為m C/w解：忽略管壁熱阻，并假設(shè)壁溫為 Tw（1）當(dāng)壁很薄時(shí)，根據(jù)壁兩側(cè)的對(duì)流傳熱方程式可得：T Tw Tw t90 Tw

10、 Tw 501 1 1 111005800（2）同理T TwTwt90 TwTw5011Ro110.0051211005800則Tw 84 C則Tw 56.4 C由此可知，壁溫總是比較接近熱阻小的那一側(cè)流體的溫度。7 （15分）在一單程逆流列管換熱器中用水冷卻空氣，兩流體的進(jìn)口溫度分別為20C和110C。在換熱器使用的初期，冷卻水及空氣的出口溫度分別 為45C和40C，使用一年后，由于污垢熱阻的影響，在冷熱流體的流量和 進(jìn)口溫度不變的情況下，冷卻水出口溫度降至 38C，試求：（1）空氣出口 溫度為多少（2）總傳熱系數(shù)為原來(lái)的多少倍（3）若使冷卻水加大一倍， 空氣流量及兩流體進(jìn)口溫度不變，冷熱流

11、體的出口溫度各為多少（水>>空氣）（4）冷卻水流量加大后，換熱器的傳熱速率有何變化變?yōu)槎嗌俳?使用初期使用一年后110C40C110CT245 C20C38C ''20C(1）空氣出口溫度t2題意可得：使用初期 QWS(t2t1)WhCph(T1T2)KS tm(1)使用一年后Q2WcC pc(t2t1)WhC ph (T1T2)KS tm兩式相比（2）/（ 1），得（11010(38 20)40)(45 20)則：T2=C（2）總傳熱系數(shù)K /K整理前半式的方程又因由等比定理110 T2110空氣，2(t220) K(110 t2)(T220)59.638 20

12、K 54.2t239.6K空氣，0.179T2110 t2ln T22020)110 59.6 9(110 T2) (t21 (11054.220)“叫T220ln3T22041.454.2T2t120tm(110 38)(59.220)7239.654.2 C72110 38lnIn59.6 2039.6方程式/（1）式，得：(3820)K54.2故kk0.50%(4520)K38.2K（3）冷熱流體的出口溫度t2及T2一年后QWcC pc (t2WhCph (T1T2)K S tm(3)Q2WcCpc(t2tjWhCph (T1T2)K S tm(4)(T1 t2) (T2 t1 )方程（

13、4）式/ （ 3）,得:tm洋 34.2 Cln!整理得,t2153 T2(6)聯(lián)立（5）和（6）,可得：t2 29.4 C ,T2 57.5 C（4）冷卻水流量加大后，換熱器的傳熱速率有何變化變?yōu)槎嗌賢m(110 29.4)(57.5 20),110 29.4In57.5 2080.6 37.5,80.6In37.556.3 CQQ56354.21.048在一單程列管式換熱器中，欲用水將15000kg/h的煤油從140C冷卻到40C,水的進(jìn)、出口溫度分別為30C和40C，兩流體逆流流動(dòng)。煤油的平 均比熱容為（kg? C ），水的平均比熱容為kJ/（kg ? C）。若換熱器的總傳 熱系數(shù)為30

14、0W/（m? C），試求：（1）冷卻水的流量；（2）換熱器的對(duì)數(shù)平 均溫度差A(yù)t; （3）換熱器的傳熱面積S。9在逆流填料吸收塔中，用清水吸收含氨 5% （體積）的空氣一氨混合氣中 的氨，已知混合氣量為2826nVh （標(biāo)準(zhǔn)狀況），氣體空塔速度為1m/s，平衡 關(guān)系為丫二，以摩爾比為推動(dòng)力的氣相體積總傳質(zhì)系數(shù) Ka=180kmol/m3 h， 吸收劑用量為最小用量的倍，要求吸收率為 98%試求：（1）溶液的出口濃 度X （摩爾比）;（2）氣相總傳質(zhì)單元高度HOg； （3）氣相總傳質(zhì)單元數(shù)NOg；10 （15分）一填料塔用清水逆流吸收混合氣中的有害組分 A.已知操作條件 下氣相總傳質(zhì)單元高度為，

15、進(jìn)塔混合氣組成為（A的摩爾分率，下同），出 塔尾氣組成為，出塔水溶液濃度為，操作條件下平衡關(guān)系為 丫二。試求：（1）液氣比為最小液氣比的多少倍(2)所需填料層高度(3)若氣液流量和初始組成不變，要求尾氣濃度降至，求出此時(shí)填料層高度解:(1)液氣比為最小液氣比的多少倍YiX10040.041710.040.001280.01297L/V0.00128Yi 丫2X1X2(L/V)min丫2°.00530.005331 0.0053°.0417 O'005332.8040.01297丫2X1 X2丫1 丫2Y1 / m°.0417 °.00533 2.

16、180.0417/2.5(L/V)(L/V)min2.8042.18 1.286(2 )所需填料層咼度Z H OG N OGS mV/L 2.5/2.804 0.892Nogln(1c、¥ mX2S)Y2 mX2S1 ln(1 0.892) 0.0417 00.8921 0.8920.00533 05.11Z H OG Nog1.5 5.117.67m(3)此條件下的填料層高度。Y20.00331 0.00330.00331Nogln(1S)¥ mX2)Y2 mX2SZ Hog Nog 1.5 7.5211.28m11 （15分）某填料吸收塔用含溶質(zhì)x2 °.&#

17、176;°°2的溶劑逆流吸收混合氣中的可溶組分，采用液氣比L/V=3，氣體入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)y1°.01回收率可達(dá)°.90。已知物系的平衡關(guān)系為y=2x。今因解吸不良使吸收劑入口摩爾分?jǐn)?shù)升至X2 °.°0035，試求：可溶組分的回收率下降至多少液相出塔摩Nog1"71 ln(1 -)Ay2mx1 mx210.667 ln(10.01 0.0002 20.667) 0.001 0.0002 20.6675.38爾分?jǐn)?shù)X1升高至多少解：（1）y2y1(1)0.01 (1 0.9)0.0011m20.667AL/V 3當(dāng)x上升時(shí)，由于

18、H不變，Hog不變N og H / H og也不變，即5.38ln(10.667)0.01O.。035 210.667y20.00035 20.667y20.0013y1y2y0.010.00130.010.87（1）物料衡算V(y1 y2) L(X1 X2)VXiL(yi y2) X20.00325i-(0.010.0013)0.00035312 （20分）某填料吸收塔進(jìn)塔混合氣體中含苯5% （體積百分?jǐn)?shù)），其余為惰性氣體。吸收塔操作壓強(qiáng)為 780mmHg溫度為25C，進(jìn)塔混合氣體流量 為1000riVh ,苯回收率為95%吸收劑為不含苯的煤油，煤油耗用量為最小 用量的倍。氣液逆流流動(dòng)，系統(tǒng)

19、平衡關(guān)系為丫=（式中丫、X均為摩爾比），氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)為Kya=125kmol/m3 h，煤油的平均分子量為 170kg/kmol，塔徑為。試求：（1）煤油的耗用量為多少kg/h （2）煤油出塔 濃度X1為多少（3）填料層高度為多少 m（4）吸收塔每小時(shí)回收多少kmol 苯（5）欲提高回收率可采用哪些措施并說(shuō)明理由。13 （15分）有一填料吸收塔，在28E及，用清水吸收200nVh氨-空氣混 合氣中的氨，使其含量由5%筆低到（均為摩爾。填料塔直徑為，填料層 體積為3 m3，平衡關(guān)系為丫=，已知K/a=ho問(wèn)（1）出塔氨水濃度為出口最 大濃度的80%寸，該塔能否使用（2）若在上述操作條件下，

20、將吸收劑用量 增大10%該塔能否使用（注：在此條件下不會(huì)發(fā)生液泛）解：（1）丫1惰性氣體流量0.050.052631 0.05200273(1 0.05) 7.69kmol/h22.4301丫2丄込0.000410.0004X1丫10.052631.40.0376X10.80X10.0301V" 丫2）X1X27.69 (O.。52630.0004)13ol/h0.03010Yi Y mXi 0.05263 1.4 0.03010.01046Y2Y20.0004YmY1丫2In丫Y20.00308V(Y1 丫2)7.69 (0.052632 0.0004)6.74mKYa Ym 38

21、.5 0.785 0.820.00308該塔現(xiàn)有填料層高度320.785 0.86m因?yàn)?Z Z所以該塔不適合。(2 )吸收劑用量增大10%寸L 1.1 13.34 14.67kmol/hL7.69 (O.。5263 0.0004) 14.67kmol/hX1 X2X1 0X10.0274Y1 Y mX10.05263 1.4 0.02740.01424Y2 Y20.0004Ym0.01424 0.00040.01424In0.00040.00387V" Y2)7.69 (0.05263 0.0004)一2 5.36mKYaYm38.5 0.785 0.82 0.00387因?yàn)?Z

22、Z所以該塔適合。14 （15分）在一常壓精餾塔內(nèi)分離苯和甲苯混合物，塔頂為全凝器，塔釜間 接蒸汽加熱，平均相對(duì)揮發(fā)度為，飽和蒸汽進(jìn)料。已知進(jìn)料量為200kmol/h， 進(jìn)料組成為（摩爾分率），回流比為6,塔頂餾出液中苯的回收率為，塔釜 采出液中甲苯的回收率為。試求：（1）塔頂餾出液及塔釜采出液組成；（2） 精餾段操作線方程；（3）回流比與最小回流的比值；（4）若全回流操作時(shí)， 塔頂?shù)谝粔K塔板的氣相默弗里板效率為，全凝器液相組成為，求由塔頂?shù)?二塊板上升的氣相組成(a)解：（1）塔頂餾出液及塔釜采出液組成;0.97Fxf Dxd0.95F(1 Xf)W(1Xw)(b)F=D+W+150(c)聯(lián)立

23、（a）、Dx DWxW（b）、（c）和（d）W=hD=hFxf求解得:150 0.460(d)D=yn 1RR 1 xnXdR 10%0.1856（3）提餾段操作線方程;LWxw7W=，（2）精餾段操作線方程;m P飽和蒸氣進(jìn)料，故 q=0V (R 1) F，L DR(4)(5)y1RDxm(R 1) F(RWxw1)D-1.534xm 0.011F回流比與最小回流比的比值;RXd YqminYqXqXqYq1(1)Xqr.0.928 0.4min 0.4 0.2125q=0,2.816求由塔頂?shù)诙K板上升的氣相組成。EmV10.6，Y1y2y1X11 (1)X1yqXqxF 0.40.212

24、5in 1.42全回流時(shí)， y2 捲X11)X12.47y211.47y2Y1°.98，代入上式可得:y20.969315在一常壓精餾塔內(nèi)分離苯和甲苯混合物，塔頂為全凝器，塔釜間接蒸汽 加熱。進(jìn)料量為1000kmol/h，含苯，要求塔頂餾出液中含苯（以上均為摩 爾分率），苯的回收率不低于90%泡點(diǎn)進(jìn)料，泡點(diǎn)回流。已知a =，取回流 比為最小回流比的倍。求: （1）塔頂產(chǎn)品量D塔底殘液量W及組成Xw； 最小回流比；（3）精餾段操作線方程；（4）從與塔釜相鄰的塔板上下降的 液相組成為多少解：（1）塔頂產(chǎn)品量 D塔底殘液量 W及組成xw；譽(yù)，得:FXf1000 0.4 0.90.9400k

25、mol / h又由物料衡算FXfDXdWXw得Xw(10000.4400 0.9)/6000.0667(2)最小回流比;泡點(diǎn)進(jìn)料，q=1,XqXf0.4Xq2.5 0.4yq0.6251 (1)xQ1 1.5 0.4W=F- D=1000-400=600kmol/hRminXdyq(3) 精餾段操作線方程;yqXq0.9 0.6250.625 0.4R 1.5Rmin1.83yn 1 xn -X 0.646 xn 0.318R 1 R 1(5)從與塔釜相鄰的塔板上下降的液相組成xw25 °.°6670 1521 (1)xw1 1.5 0.0667.由操作線方程ym1 1.5

26、3xm 0.0353得yw 1.53x1 0.0353X10.076316 （15分）用一精餾塔分離二元液體混合物，進(jìn)料量 100kmol/h，易揮發(fā) 組分Xf=，泡點(diǎn)進(jìn)料，得塔頂產(chǎn)品Xe=，塔底釜液XW （皆摩爾分率），操作 回流比R=，該物系平均相對(duì)揮發(fā)度a =，塔頂為全凝器，求：塔頂和塔底的產(chǎn)品量（kmol/h ）；第一塊塔板下降的液體組成X1為多少；寫(xiě) 出提餾段操作線數(shù)值方程；最小回流比。解：（1）塔頂和塔底的產(chǎn)品量（kmol/h ）；(1)D 0.9 W 0.05 Fxf 100 0.550(2)F=D+W=100上述兩式聯(lián)立求解得W=h D=h(2)第一塊塔板下降的液體組成X1為多

27、少;因塔頂為全凝器,Xd1)X10.9X1(1)y10.802.25 1.25 0.9(3)寫(xiě)出提餾段操作線數(shù)值方程;V V (R 1)D2.61 52.94138.17L qFRDF 1.61 52.94100185.23ym 1WXwV185.2347.06 0.05138.17 Xm138.171.34xm 0.017（4）最小回流比。泡點(diǎn)進(jìn)料，q=1,xq Xf 0.5yqXqr(ixq2.25 0.51 1.25 0.50.692RminXdyqyq Xq0.9 0.6920.692 0.51.08317(15分)一精餾塔，原料液組成為(摩爾分率)，飽和蒸氣進(jìn)料，原料處理量為100kmol/h，塔頂、塔底產(chǎn)品量各為50kmol/h。已知精餾段操作線 程為y=+，塔釜用間接蒸氣加熱，塔頂全凝器，泡點(diǎn)回流。試求: 塔頂、塔底產(chǎn)品組成；全凝器中每小時(shí)冷凝蒸氣量；蒸餾釜中每小時(shí)產(chǎn)生蒸氣量若全塔平均a =，塔頂?shù)谝粔K塔板默弗里效率Em=，求離開(kāi)塔頂?shù)诙K塔板的氣相組成解：(1)塔頂、塔底產(chǎn)品組成;%R1)0.833，R=51)0.15，xD0.90由物料衡算FXfDxD WxWXw(100 0.5 50 0.9)/500.1(2 )全凝器中每小時(shí)冷凝蒸氣量；V= (R+1) D=300kmol/h(3 )蒸餾釜中每小時(shí)產(chǎn)生蒸氣量;q=0, v' =V - F