化工原理試題 答案

1、100C的水蒸氣在管殼式換熱器的管夕卜冷凝，冷凝潛熱為2258.4kJ/kg總傳熱系數(shù)2039W/(m2%),傳熱面積為12.75m2,15C的冷卻水以2.25x10 kg/h的流量在管內(nèi)流過，設總傳熱 溫差可以用算術(shù)平均值計算，求汞蒸氣冷凝量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某列管換熱器，用100C水蒸氣將物料由201加熱至801,傳熱系數(shù)K=100W/(m K)。經(jīng)半年運轉(zhuǎn)后，由于污垢的影響，在相同操作條件下物料出口溫度僅為70,現(xiàn)欲使物料出口 溫度任維持80C，問加熱蒸汽溫度應取何值？ 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)保持原生產(chǎn)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 在內(nèi)管為0189x10mm的套管換熱器中，將流量3500kg/h的某液態(tài)烴從1009令卻到60C ,其平均比熱C =2.38KJ/(kg-),隙走冷卻水，其進出口溫度分別為40C和50C，平 均比熱C =4.17KJ/(KgC),基于傳熱外面積的總傳熱系數(shù)K=2000W/ (mC)，設其值

4、，叵定，忽略熱損失。試求：(入)冷卻水用量。(B )分別計算兩流體為逆流和并流情況下的平均溫差及 所需管長。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)某蒸汽管夕卜有兩層厚度相等的絕熱材料，已知第二層的平均直徑相當于第一層的平均直徑的兩倍。而第二層導熱系數(shù)為第一層的二分之一。如將兩層材料置換，則每米管的熱損失將如何 變化？解：由多層圓筒導熱關(guān)系，不計鋼管熱阻，并設兩層材料調(diào)換位置后，外壁溫相同，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)按題意：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即對換后損失20%。在管長1m的冷卻器中，用冷水冷卻油。已知兩流體作并流流動，油由420K令卻到370K ,令卻水由285K加熱到310K。御用加長令

7、卻管的辦法，使油出口溫度降至350K。若在兩種 情況下油、水的流量，物性常數(shù)均不變，冷卻器除管長外，其他尺寸也均不變，試求管長。解：w1C (420 - 370) = w2 C (310 - 285)w1C (420 - 350) = w2 C (t2-285)p1p2兩式相比得：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，物性常數(shù)及管徑都不變，故k0=k兩式相比得(420-370)/(420-350) = (1 /11)*(at /at )1 = 70/50*92.5*69.8*1 = 1.855m有一換熱器，并流操作時，冷流體進出口溫度分別為25c和70c,熱液體進出口溫度分別為150c和100C,若在兩種流體流量和進口溫度均不變的條件下，將并流操作改為逆流操作，試問 該換熱器的傳熱速率和傳熱平均溫度差有何變化？計算時可視Cp和K為常量。逆流操作時：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以流體計：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不變S1 = (T1 - T

10、2)/(T1-t1) = (1 - eNTU1(1-R1)/(R1-eNTU1(1-R1).=(1- ewm-。.9) /(0.9 -色頑1-。.9) = 0.438貝 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在直徑為0.8m的填料塔中，用1200kg/h

11、的清水吸收空氣和SO2混合器的SO2,混合氣量為1000m3/H(標準狀態(tài))，混合氣含SO2 1.3% (體積)，要求回收率99.5%，操作條件為20 度，1atm，平衡關(guān)系為尸=0.75乂，總體積傳質(zhì)KGa=0.055kmol/M3.S.ATM求液體出口濃度和填料高度。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.是低濃度吸收.(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在塔徑為1.33m的逆流操作的吸收塔用水吸收CO2，溫度20度壓力

13、1atm，處理量1000m3/h , CO2含量為13%，其余為惰性氣體，要求CO2的吸收率為90%塔底出口濃度0.2gCO /1000gH O平衡關(guān)系丫=1420乂總系數(shù)K a=10695kmol/m小求(1)吸收劑的用量(kg/h)(2 )填料層高度(m )解：1求吸收劑的用量=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，在常壓吸收塔用水吸收氨氣，廢氣流量2500m /h,氨濃度15g/m，要求回收率不低于98%。若吸收劑用量為3.6m /h，平衡關(guān)系Y=1.2X，傳質(zhì)單元高度0.7m求：A 塔底，塔頂及全塔的吸收推動力B氣相總傳質(zhì)單元數(shù)C填料層高度解：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.在常壓逆流操作的填料塔內(nèi)，用純?nèi)軇㏒吸收混合氣體中的可溶組分乳褥套氣體中A的摩爾分率y =0.03，要求其吸收

16、率。=95%.已知操作條件下mV/L=0.8( m作常熟)，平衡關(guān)系為Y=mX，與入塔氣體成平衡的液相濃度x *=0.03.試計算：(1)操作液氣比為最小液氣比的倍數(shù)；(2 )吸收液的濃度；(3 )完成上述分離任務所需的氣相總傳質(zhì)單元數(shù)N.解:(1) Y =3/97=0.03093 X =0Y =Y (1-n )=0.03093*(1-0.95)=0.00155由最小溶劑用量公式(L /V) =(Y-Y )/(Y /m-X)=(Y-Y)/ (Y /m)=m(Y -Y)/ Y已知 mV/L=0.8貝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、用填料塔從一混合氣體中吸收所含的苯?；旌蠚怏w中含苯5%,其余為空氣，要求苯的回收率為90%，吸收塔為常壓操作，溫度為25C，入塔混合氣體為每小時940m3，入塔吸收劑 為純煤油，煤油的耗用量為最小耗用量的1.5倍，已知該系統(tǒng)的平衡關(guān)系丫=0.14乂已知氣相體積傳質(zhì)系數(shù)

18、Kya=0.035kmol/(m3*s)煤油的平均分子量Ms=170，塔徑DT=0.6m .試求：(1)吸收劑的耗用量為多少？(2)溶液出塔濃度Xb為多少？(3)填料層高度2為多少？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-空氣混合氣中的氨。混合氣進塔時氨的濃度y =0.01，吸收率90%,氣-液平衡系y=0.9x.試求：(1)溶液最大出口濃度(2 )最小液氣比(3 )取吸收劑用量為最小吸收劑用量的2倍時，傳質(zhì)單元數(shù)是多少？(4 )傳質(zhì)單元高度為0.5m時，填料層高為幾米？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、用一塔頂設全凝器的常壓精餾塔分離含甲醇為0.3,流量為100kmol/h的甲醇一水混合液，泡點進料，并要求塔頂產(chǎn)品含甲醇為0.95，塔底產(chǎn)品含甲醇0.

22、015 (以上均為摩爾分率)，已知精餾段操作線為：y=0.6x + 0.38;操作條件下的平衡關(guān)系如圖所示，試求：塔頂及塔底的產(chǎn)品流量(kmol/h)塔的理論板數(shù)及進料位置流入再沸器的液相流量及組成，離開再沸器的氣相流量及組成解：(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作圖得：N=8 (不含釜)進料位置：N=6 L，V ，y 及xX /(R+1)=0.3

23、8R=1.5因為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由圖讀得：y =0.06 x =0.03十四、用一精餾塔分離理想液體混合物，進料量為100kmol/h, x=0.5，泡點進料，塔頂產(chǎn)品X=0.95,塔底釜液x=0.05,操作回流比R=1.61，該物系相對揮發(fā)度為2.25，求：塔頂和塔底的產(chǎn)品量(2)提餾段上升蒸汽量(3)寫出提餾段操作線數(shù)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因為 q=1 所以 V =V=(R+1)D=(1.61+1)50=130.5kmol/h提餾段操作線: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、用常壓連續(xù)精餾塔分離苯一甲苯混合物，原料中含苯0.44，塔頂餾出液中含苯0.96.進料

25、為汽一液混合物，其中蒸汽與液體量的摩爾比為1:2。已知苯對甲苯的相對揮發(fā)度為2.5，操作 回流比為最小回流比的1.5備，塔頂采用全凝器，試求：(1)原料中汽相與液相的組成(2)離開塔頂?shù)诙永碚摪宓恼羝M成解：1、由題意: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)聯(lián)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提餾段操作線方程為：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由操作線方程：y=0.71x +0.277=16 ,某二元混合液連續(xù)精餾塔，符合恒摩爾流假設，X1=0.3,Xd=0.8,Xw=0.2(摩爾分率兒R=2Rmin,相對揮發(fā)度為3，進料量為F=100kmol/h,泡點液體進料，塔頂采用全凝器，塔釜間 接蒸汽加熱，求：(1)餾出液D和殘液量可(2)所需理論塔板數(shù)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項 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 氣=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精餾段操作線方程2若塔底產(chǎn)品W=150kmol/h,求進料量F和塔頂產(chǎn)品量D3提餾段操作線方程解： q/(q-1)=6q=1.2

29、 x /(q-1)=1.5 x =0.3y=2x/(x+1)y=6x-1.5展開 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精餾段操作線方程：y=R/(R+1)x+x /(R+1)=(3.162/4.162)x+0.94/4.162=0.76x+0.226總物料衡算：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提餾段操作線：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.在一連續(xù)干燥器中干燥鹽類結(jié)晶，每小時處理濕物物料為1000kg，經(jīng)干燥后物料的含水量由40%減至5% (均為濕基)，以熱空氣為干燥介質(zhì)，初始濕度H1為0.009kg 水/kg絕干氣，離開干燥器時

31、濕度H2為0.039kg絕干氣，假定干燥過程中無物料損失，試求:(1)水分蒸量W( kg水/h以2)空氣消耗SL( kg絕干氣/h)原濕空氣消耗量L ；(3)干燥產(chǎn)品量G2( kg/h)解：(1)水分蒸量WX1=W1/(1-W1)=0.4/(1-0.4)=0.667kg水/kg 絕干料 X2=W2/(1-W2)=0.05/(1-0.05)=0.053水/kg 絕干氣Gc=G1(1-W1)=1000(1-0.4)=600kg 絕干料/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 絕干氣/hL =L( 1 + H10=12280( 1+0.009)=12390.5kg 原空氣/h(3)G2=G1-W=1000-368.4=631.6kg/h20 .在一常壓氣流干燥器中干燥某種濕物料，一直數(shù)據(jù)如下：空氣進入預熱器溫度15,濕含量0.0073kg水/kg絕干氣；焓為35kJ/Kg;空氣金干燥器溫度90C,焓109 kJ/Kg ;空氣出絕干器溫度50C,濕含量0.023 kg 水/kg絕干氣；進干燥器物料水含量0.15 kg 水/kg絕干氣；出干燥器物料水含量0.01 kg 水/kg絕干料；干燥器生產(chǎn)能力237kg/h ;試求:1、絕干空氣消耗kg 絕干氣/h)2.進入

33、預熱器前風機流量伽/s)3.預熱器加入流量(kw)解：1.絕干空氣量 Gc=G (1-W)=G/(1+X)=237/(1+0.01)=234.7kg 絕干料/hW=Gc(X -X)=234.7/(0.15-0.01)=32.9kg/hL=W/(H-H)=32.9/(0.023-0.0073)=2096 kg 絕干氣/h 風機流量 Vv =(0.772+1.244H)(t+273)/273=0.824m 濕空氣/kg 絕干氣V=L X v=0.824 X 2096=1727預熱器加入熱量 Q =L(I -Io)=2096(109-35)=155104=43.08KW21.某濕物料質(zhì)量10kg，均勻地平鋪在底面積為0.5m的淺盤內(nèi)并在叵定干燥條件下進行干燥，物料初始值含水量為15%，在以知條件下下物料平衡含水量為1%，臨界含水量6% (均為濕 基)，并已測出恒速階段的干燥速率為0.394Kg/(m h)，假定降速階段的干燥速率與物料的自由含水量成線性關(guān)系試求：1.將物料干燥至含水量為2%(濕基)，所需的總干燥時間為多少小時？ 2.現(xiàn)將物料均勻地平鋪在兩個與上相同尺寸的淺盤內(nèi)并在同樣的空氣條件下進行干燥，只需4小時便可將物料的水分降低至2%(濕基)，問物料的臨界含水量有何變化？，恒速以及降