化工原理作业题(19页).doc

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1、-【0-3】1000kg的电解液中含质量分数10%、的质量分数10%、的质量分数80%，用真空蒸发器浓缩，食盐结晶分离后的浓缩液中含 50%、 2%、48%，均为质量分数。试求：(1)水分蒸发量；(2)分离的食盐量；(3)食盐分离后的浓缩液量。在全过程中，溶液中的量保持一定。解 电解液1000kg 浓缩液中 10000.l=100kg =0.5（质量分数）10000.l=100kg =0.02（质量分数） 10000.8=800kg =0.48（质量分数）在全过程中，溶液中量保持一定，为100kg浓缩液量为200kg浓缩液中，水的含量为2000.48=96kg，故水的蒸发量为800-96=70

2、4kg浓缩液中的含量为2000.02=4kg，故分离的量为100-4=96kg【1-2】某设备进、出口的表压分别为-12kPa和157kPa，当地大气压力为101.3kPa。试求此设备的进、出口的绝对压力及进、出的压力差各为多少帕。解 进口绝对压力 出口绝对压力 进、出口的压力差【1-6】如习题1-6附图所示，有一端封闭的管子，装入若干水后，倒插入常温水槽中，管中水柱较水槽液面高出2m，当地大气压力为101.2kPa。试求：(1)管子上端空间的绝对压力；(2)管子上端空间的表压；(3)管子上端空间的真空度；(4)若将水换成四氯化碳，管中四氯化碳液柱较槽的液面高出多少米？解 管中水柱高出槽液面2

3、m，h=2m水柱。(1)管子上端空间的绝对压力在水平面处的压力平衡，有习题1-6附图(2)管子上端空间的表压 (3)管子上端空间的真空度(4)槽内为四氯化碳，管中液柱高度 常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为习题1-10附图【1-10】常温的水在如习题1-10附图所示的管路中流动，为测量A、B两截面间的压力差，安装了两个串联的U形管压差计，指示液为汞。测压用的连接管中充满水。两U形管的连接管中，充满空气。若测压前两U形压差计的水银液面为同一高度，试推导A、B两点的压力差与液柱压力汁的读数之间的关系式。解 设测压前两U形压差计的水银液面，距输水管中心线的距离为H。在等压面处因，由上两式求得因故

4、【1-13】如习题1-13附图所示的套管式换热器，其内管为，外管为。内管中有密度为、流量为的冷冻盐水流动。内、外管之间的环隙有绝对压力为，进、出口平均温度为，流量为的气体流动。在标准状态下，气体的密度为。试求气体和盐水的流速。解 液体 内管内径 液体质量流量 ，体积流量 流速 气体质量流量 密度 体积流量 流速 习题1-13附图 习题1-14附图【1-15】常温的水在如习题1-15附图所示的管路中流动。在截面1处的流速为，管内径为200mm，截面2处的管内径为100mm。由于水的压力，截面1处产生1m高的水柱。试计算在截面1与2之间所产生的水柱高度差h为多少（忽略从1到2处的压头损失）?解 习

5、题1-15附图 习题1-16附图 另一计算法计算液柱高度时，用后一方法简便。习题1-17附图【1-17】如习题1-17附图所示的常温下操作的水槽，下面的出水管直径为。当出水阀全关闭时，压力表读数为30.4kPa。而阀门开启后，压力表读数降至20.3kPa。设压力表之前管路中的压头损失为0.5m水柱，试求水的流量为多少?解 出水阀全关闭时，压力表读数30. 4kPa（表压）能反映出水槽的水面距出水管的高度h阀门开启后，压力表读数（表压）从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速水的流量【1-29】试求下列换热器的管间隙空间的当量直径：(1)如习题1-29附图(a)所示，套管式换

6、热器外管为，内管为；(2)如习题1-29附图(b)所示，列管式换热器外壳内径为500mm，列管为的管子174根。习题1-29附图解 (1)套管式换热器，内管外径，外管内径当量直径 (2) 列管式换热器，外壳内径，换热管外径，根数根 当量直径 习题1-33附图【1-33】如习题1-33附图所示，用离心泵从河边的吸水站将20的河水送至水塔。水塔进水口到河水水面的垂直高度为34.5m。管路为的钢管，管长1800m，包括全部管路长度及管件的当量长度。若泵的流量为，试求水从泵获得的外加机械能为多少？钢管的相对粗糙度。解 水在20时，流量 流速 湍流查得摩擦阻力损失 以河水水面为基准面，从河水水面至水塔处

7、的水管出口之间列伯努利方程。外加机械能 【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m3的水溶液，其他性质可视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。(3)液体密度增大，则轴功率将增大习题2-10附图【2-10】 用离心泵输送80热水，今提出如下两种方案（见习题2-10附图）。若两方案的管路长度（包括局部阻力的当量长度）相同，离心泵的汽蚀

8、余量。试问这两种流程方案是否能完成输送任务？为什么？环境大气压力为。解 水在80时饱和蒸气压，密度，汽蚀余量，大气压力最大允许安装高度为第(2)方案的安装高度，大于，不能完成输送任务。第(1)方案的安装高度若则水柱时可以用。【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm厚的软木做成的。软木的热导率=0.043 W/(m)。若外表面温度为28，内表面温度为3，试计算单位表面积的冷量损失。解 已知，则单位表面积的冷量损失为【4-6】某工厂用的无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料，第一层为厚30mm的矿渣棉，其热导率为；第二层为厚30mm的石棉灰，其热导率为。管内壁温度为300

9、，保温层外表面温度为40。管路长50m。试求该管路的散热量。解 【4-9】空气以的流速通过的钢管，管长。空气入口温度为32，出口温度为68。(1)试计算空气与管壁间的对流传热系数。(2)如空气流速增加一倍，其他条件均不变，对流传热系数又为多少？(3)若空气从管壁得到的热量为，钢管内壁的平均温度为多少。解 已知(1)对流传热系数计算空气的平均温度 查得空气在时的物性数据，空气被加热，Pr的指数雷诺数 湍流对流传热系数 (2)空气流速增加一倍，对流传热系数为(3)若空气从管壁得到的热量为，计算钢管内壁平均温度用式计算钢管内壁的平均温度。已知空气进出口平均温度 在第(1)项中已计算出对流传热系数 钢

10、管内表面积为 钢管内壁平均温度 【4-16】用冷却水使流量为的硝基苯从355K冷却到300K，冷却水由15升到35，试求冷却水用量。若将冷却水的流量增加到，试求冷却水的出口温度。解 硝基苯流量，平均温度比热容硝基苯的放热量 (1) 冷却水用量计算 平均温度比热容，密度(2) 用水量时，求？用水量增大，水出口温度应降低。先假设水的比热容及密度不变。从上面的计算式可知成反比，故假设水的平均温度 查得水的比热容，密度计算 与假设相符。【4-17】在一换热器中，用水使苯从80冷却到50，水从15升到35。试分别计 算并流操作及逆流操作时的平均温度差。解 (1)并流操作苯 水 (2) 逆流操作苯 水 【

11、4-20】有一套管式换热器，内管为的钢管，内管中有质量流量为的热水，从90冷却到60。环隙中冷却水从20升到50。总传热系数。试求：(1)冷却水用量；(2)并流流动时的平均温度差及所需传热面积；(3)逆流流动时的平均温度差及所需传热面积。解 (1)冷却水用量计算热水平均温度 冷水平均温度 热量衡算(2) 并流热水 冷水 传热面积 (3) 逆流热水 传热面积 【4-25】有一套管式换热器，内管为，外管为。内管中有流量为的苯被加热，进口温度为50，出口温度为80。套管的环隙中有绝对压力为200kPa的饱和水蒸气冷凝放热，冷凝的对流传热系数为。已知内管的内表面污垢热阻为，管壁热阻及管外侧污垢热阻均不

12、计。试计算：(1)加热水蒸气用量；(2)管壁对苯的对流传热系数；(3)完成上述处理量所需套管的有效长度；(4)由于某种原因，加热水蒸气的绝对压力降至140kPa。这时，苯出口温度有何变化？应为多少度（设苯的对流传热系数值不变，平均温度差可用算术平均值计算）。解 苯平均温度，热负荷 (1) 水蒸气用量(2) 苯的对流传热系数湍流苯被加热 (3)管长 以管内表面积A1为基准(4) 水蒸气绝对压力时，苯的出口温度。时，【5-4】 l00g水中溶解，查得20时溶液上方的平衡分压为798Pa。此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律，试求亨利系数E(单位为)、溶解度系数H单位为和相平衡常数m。总压为。解 液

13、相中的摩尔分数气相中的平衡分压 亨利系数 液相中的浓度 溶解度系数 液相中的摩尔分数 气相的平衡摩尔分数 相平衡常数 或 【5-6】含NH3体积分数1.5%的空气-NH3混合气，在20下用水吸收其中的NH3总压为203kPa。NH3在水中的溶解度服从亨利定律。在操作温度下的亨利系数。试求氨水溶液的最大浓度，溶液。解 气相中的摩尔分数总压，气相中的分压(1) 利用亨利定律计算与气相分压相平衡的液相中NH3的摩尔分数为水溶液的总浓度 水溶液中的最大浓度 溶液(2) 利用亨利定律计算溶液【5-9】CO2分压力为50kPa的混合气体，分别与CO2浓度为的水溶液和CO2浓度为的水溶液接触。物系温度均为2

14、5，气液相平衡关系。试求上述两种情况下两相的推动力（分别以气相分压力差和液相浓度差表示），并说明CO2在两种情况下属于吸收还是解吸。解 温度，水的密度为混合气中CO2的分压为水溶液的总浓度水溶液(1) 以气相分压差表示的吸收推动力液相中CO2的浓度水溶液液相中CO2的摩尔分数与液相平衡的气相平衡分压为气相分压差表示的推动力 （吸收） 液相中CO2的浓度水溶液液相中CO2的摩尔分数与液相平衡的气相平衡分压为气相分压差表示的推动力 （解吸）(2) 以液相浓度差表示的吸收推动力与气相平衡的液相组成为平衡的液相浓度 液相中CO2的浓度水溶液液相浓度差表示的推动力为 （吸收）液相中CO2的浓度水溶液液相

15、浓度差表示的推动力为 （解吸）【5-15】在一吸收塔中，用清水在总压、温度20条件下吸收混合气体中的CO2，将其组成从2%降至0.1%（摩尔分数）。20时CO2水溶液的亨利系数。吸收剂用量为最小用量的1.2倍。试求：(1)液-气比L/G及溶液出口组成。(2)试求总压改为时的L/G及。解 (1)总压(2) 总压时的从上述计算结果可知，总压从0.1MPa增大到1MPa，溶液出口组成从增加到。【5-16】用煤油从苯蒸气与空气的混合物中回收苯，要求回收99%。入塔的混合气中含苯2%（摩尔分数）；入塔的煤油中含苯0.02%（摩尔分数）。溶剂用量为最小用量的1.5倍，操作温度为50，压力为100kPa，相

16、平衡关系为，气相总传质系数。入塔混合气单位塔截面上的摩尔流量为。试求填料塔的填料层高度，气相总传质单元数用对数平均推动力法及吸收因数法的计算式计算。解 (1)气相总传质单元高度计算入塔混合气的流量 惰性气体流量 (2) 气相总传质单元数计算，回收率吸收因数法计算 对数平均推动力法计算 (3)填料层高度Z计算【6-8】由正庚烷与正辛烷组成的溶液在常压连续精馏塔内进行分离。原料的流量为5000kg/h，其中正庚烷的质量分数为0.3。要求馏出液中能回收原料中88%的正庚烷，釜液中正庚烷的质量分数不超过0.05。试求馏出液与釜液的摩尔流量，及馏出液中正庚烷的摩尔分数。解 先将质量流量换算为摩尔流量，质

17、量分数换算为摩尔分数，再作物料衡算。正庚烷的摩尔质量，正辛烷的摩尔质量。原料的平均摩尔质量为原料的摩尔流量 将已知数（摩尔分数）、（摩尔分数）及，代入馏出液采出率计算式 并代入馏出液中正庚烷的回收率表达式 由式(1)与式(2)求得馏出液流量，馏出液中正庚烷的摩尔分数。釜液流量 【6-11】在一连续操作的精馏塔中分离苯-甲苯溶液。进料量为，进料中苯的组成为（摩尔分数），饱和液体进料。馏出液中苯的组成为（摩尔分数），釜液中苯的组成为（摩尔分数），回流比。试求从冷凝器回流入塔顶的回流液摩尔流量以及从塔釜上升的蒸气摩尔流量。解 已知，馏出液流量回流液流量 塔釜上升蒸气流量 因饱和液体进料，则【6-15

18、】某连续操作的精馏塔，泡点进料。已知操作线方程如下，精馏段 提馏段 试求塔顶液体回流比R、馏出液组成、塔釜汽相回流比R、釜液组成及进料组成。解 (1) 回流比R精馏段操作线方程的，求得。(2) 馏出液组成精馏段操作线方程的，求得（摩尔分数）。(3) 塔釜汽相回流比R由提馏段操作线方程的，求得。(4) 釜液组成由提馏段操作线方程的，求得。(5) 进料组成泡点进料时，将代入式求得 另一解法：因泡点进料，则线为垂直线，两操作线交点的横坐标为。由精馏段操作线 与提馏段操作线 联立求解，可得 【6-18】想用一常压下连续操作的精馏塔分离苯的质量分数为0.4的苯-甲苯混合液。要求馏出液中苯的摩尔分数为0.94，釜液中苯的摩尔分数为0.06。塔顶液相回流比R=2，进料热状态参数q=1.38，苯-甲苯溶液的平均相对挥发度=2.46。试用逐板法计算理论板数及加料板位置。解 先将进料组成由质量分数0.4换算为摩尔分数。苯的摩尔质量为78，甲苯的摩尔质量为。已知。相平衡方程 精馏段操作线方程 塔釜汽相回流比 提馏段操作线方程 两操作线交点的横坐标 理论板数计算：先交替使用相平衡方程(1)与精馏段操作线方程(2)计算如下第7板为加料板。以下交替使用提馏段操作线方程(3)与相平衡方程(1)计算如下总理论板数为11（包括蒸馏釜），精馏段理论板数为6，第7板为加料板。-第 19 页-