1、化工原理试题参考答案计算题化工原理计算题 1二、 某离心泵在作性能试验时以恒定转速打水，当流量为 75m3/h 时，泵吸入口真空表读数为 0.030MPa，泵压出口处压强计读数为 0.30MPa。两测压点的位差不计，泵进出口的管径相同，测得此时泵的轴功率为 10.6kW,试求：（1）该泵的扬程 He；（10 分）（2）该泵的效率。 （6 分）解：（1）选取泵吸入口处的截面为截面 1-1，泵压出口处截面为截面 2-2；列机械能衡算式： 2212 211 ZHZgugPegugP 根据题意，已知：P 1= -0.03MPa=-3104Pa（表） ，P2=0.30MPa=-3105Pa（表） ，u
2、1=u2，Z 1=Z2，代入上式：2112HgugPe =33.65m98073087.910)13(345 （2）Pe=gHe.qv=10009.80733.6575/3600 =6875W=6.875kW=Pe/P100%=(6.875/10.6)100%=64.9%答：该泵的扬程为 33.65m；泵的效率为 64.9%。二、 某压滤机作恒压过滤，过滤 10min 得滤液 5L，再过滤 10min 又得滤液3L，试问：如果继续过滤 10min，又可得滤液多少 L？（13 分）解：对恒压过滤，有：V 22VeVKA 2据题意，知： 110min 时, V 15L； 220min 时, V 2
3、8L；代入上式：5210Ve10KA 2 （1）8216Ve20KA 2 （2）联立上式，解得：Ve=3.5,KA 26即：V 2+7V6 310+10+1030min 时，代人，得 V310.37L V10.37-5-32.37L答：再过滤 10min.后又得滤液 2.37L。四、某列管式加热器由多根 252.5mm 的钢管所组成，将苯由 20加热到60，苯在管中流动，其流量为 16000kg/h，流速为 0.6m/s。加热剂为130的饱和水蒸汽，在管外冷凝。苯的比热容 Cp1.78kJ/(kg)，密度为 860kg/m3。已知加热器的传热系数为 720W/(m2)。试求：（1）此加热器所需
4、的管数 n（6 分） ；（2）单管的长度 L（10 分） 。解：由题意，知：Qv16000/(8603600)5.16810 -3m3/s,QG 苯 Cp(t2-t1)(16000/3600)1780（6020）316444J/st1130-20110，t2130-6070，tm（11070）/290K720W/(m 2)（1）换热器所需的管数 n: QvuAund 2/4 n4Qv/(ud 2)45.16810 -3/(0.63.14160.022)27.427 根（2）单管的长度 L:QKAtmK（ndL）tmLQ/ K（nd）tm316444/720(273.14160.02)902.7
5、3m答：换热器所需的管数 n 为 27 根，单管长度为 2.73 米。五、流率为 0.018kmol/(s.m2)的空气混合气中含氨体积分数为 3%，拟采用逆流吸收来回收其中的 95%的氨，塔顶淋入摩尔分数为 0.00005 的稀氨水溶液，设计采用的液气比为最小液气比的 1.8 倍，操作范围内物系服从亨利定律y=1.2x，所用填料的总传质系数 Kya=0.055kmol/(s.m3)。试求：（1）液体在塔底的摩尔分数 x1；（6 分）（2）全塔的平均推动力 ym；（7 分）（3）所需填料层高度 m.（7 分）解：据题意，知：G0.018kmol/(s)， y 1=3%=0.03， x 2=0.
6、00005，（L/G）=1.8（L/G）min， ye=1.2x， kya0.055kmol/(sm 3)y2= y1(1-)=0.03(1-95%)=0.0015，x 1e=y1/m=0.03/1.2=0.025（1） （L/G）min(y 1-y2)/( x1e-x2)(0.03-0.0015)/(0.025-0.00005)=1.1423（L/G）=1.8（L/G）min1.81.1423=2.05614（L/G）(y 1-y2)/( x1-x2)x1=x2+(y1-y2)/（L/G）=0.00005+(0.03-0.0015)/2.05614=0.01391(2) y 1=y1-m.x
7、1=0.03-1.20.01391=0.013307y 2=y2-m.x2=0.0015-1.20.00005=0.00144y m=(y 1-y 2)/ln(y 1/y 2)=(0.013307-0.00144)/ln(0.013307/0.00144)=0.011867/ln11.672807=0.011867/2.22365=0.005337(3) HOG=G/ kya=0.018/0.055=0.3273mNOG=(y1-y2)/ym=(0.03-0.0015)/0.005337=0.0285/0.005337=5.34H= HOGNOG=0.32735.34=1.75m答：通过计算知
8、：（1）液体在塔底的摩尔分数 x1 为 0.014；（2）全塔的平均推动力 ym 为 0.005337；（3）所需填料层高度为 1.75m。六.某精馏塔在 1atm 下分离苯甲苯混合液，此时该塔的精馏段和提馏段操作线方程分别为：y=0.732x+0.263 及 y=1.25x-0.0188。已知每小时塔顶产品量为75kmol，蒸馏釜内加热蒸汽压强为 3kgf/cm2(表压)。试计算：（1）塔顶组成XD及回流比 R，提馏段上升蒸气流量 V(12 分)；（2）蒸馏釜内加热管的必要表面积和蒸汽消耗量。设釜内液体的沸点为纯甲苯的沸点 110，汽化潜热为336.5kJ/kg；加热蒸汽温度为 143，汽化
9、潜热为 2139.9kJ/kg;总传热系数为582W/m2.，热损失忽略，泡点进料。 （12 分）解：(1) 由精馏段操作线方程：y=0.732x+0.263, 知：R/(R+1) = 0.732, XD（R+1）= 0.263解得： R= 2.73 X D =0.98V=(R+1)D=(2.73+1)*75=279.75kmol/hQ=G.r=(V.M.r)甲苯 =（279.75/3600）.92.(336.5*1000).=2.4057*106J/stm=t=143-110=33, A=Q/(Ktm)= 2.4057*10 6/(582*33)=125.3m2G 汽 Q/r 汽 2.405
10、7*10 6/(2139.9*1000)1.124kg/s.化工原理计算题 2二、如下图所示，粘度为 32mPa.s、密度为 850kg/m3的液体自容器 A 流经内径为 50mm 的管路进入容器 B。两容器均为敞口，液面视作不变。管路中有一阀门，阀前管长 100m,阀后管长 50m（均包括局部阻力的当量长度） 。当阀全关时，阀前、后的压强计读数分别为 0.09MPa 和 0.045MPa。现将阀门打开至 1/4 开度，阀门阻力的当量长度为 30m。试求：（1）容器 A 的液面比容器 B 的液面高多少米？（5 分）（2）阀门开度 1/4 时管路的流量是多少 m3/s?（12 分）解：（1）当阀
11、门关闭时，P1 点与容器 A 液面间的液体以及 P2 点与容器 B 液面间的液体均处于静止连通状态，故它们适用静力学基本方程：P1=PA+g(Z A-Zp1), P2=PB+g(Z B-Zp2), 已知： Zp 1= Zp20(令作基准面)，P A= PB=0（表压） Z A- ZB=（P 1- P2）/g=(0.09-0.045)10 6/(8509.807)=5.4 米（2）当阀门开度为 1/4 时，流体将通过阀门从容器 A 流向容器 B。因为液面视作不变，所以，该流动可视作不可压缩流体在重力场下的定态流动，适用机械能衡算式。取容器 A 内液面为截面 1-1；容器 B 内液面为截面 2-2
12、；则：P1/u 12/2Z 1gP 2/u 22/2Z 2ghf据题意知，P 1= P2=0（表） ，u 1= u2=0，Z 1- Z2=5.4m,hf= Z 1g- Z2g=5.49.807=52.9578J/kg又hf=（l+le）u 2/(2d)设为层流流动（Re实际换热器面积 3m3所以，原操作条件下，该换热器不可用。（3）解决办法：增加冷却水流量，让出口温度下降，tm 增加，使需要的换热面积至少减少到 3 m2，具体计算如下：tmQ/KA=66666.67/(222.223)=100.t1=T2-t1=100-30=70，t2=T1-t2=200-t2, 设 t2/t12, 则：tm
13、=(70+200-t2)/2=135-t2/2=100, 解得 t2=70检验：t2=T1-t2=200-t2=200-70=130，t2/t12 假设成立。qm14.18(70-30)=12002.0(200-100)qm1=1435.4kg/h.所以，当冷却水的流量增加到 1450kg/h 时，原换热器仍可以使用。五、在逆流吸收塔中，用清水逆流吸收混合气中溶质组分 A。混合气体处理量为 0.02kmol/(s.m2),进塔气体中含 A5%（体积%） ，吸收率为 95%，操作条件下相平衡关系为 Y=2.67X(式中 X、Y 为摩尔分率)，如用水量 L 为最小用水量的 1.3倍，填料的总传质系
14、数 Ky.a=0.05kmol/(s.m3),则：（1） 用水量为多少 kmol/(s.m2)；（6 分） ；（2） 吸收液出口浓度为多少？（4 分） ；（3） 填料层高度为多少？（4 分） ；解：(1) 据题意，知：G0.02kmol/(s.m 2)， y 1=5%=0.05， x 2=0，（L/G）=1.3（L/G）min， m=2.67， kya0.055kmol/(sm 3)y2= y1(1-)=0.05(1-95%)=0.0025，x 1e=y1/m=0.05/2.67=0.01873（1） （L/G）min(y 1-y2)/( x1e-x2)(0.05-0.0025)/(0.018
15、73-0)=2.536（L/G）=1.3（L/G）min1.32.536=3.297L=3.297G=3.2970.02=0.066 kmol/(s.m2)所以，吸收塔用水量为 0.066 kmol/(s.m2)(2)（L/G）(y 1-y2)/( x1-x2)x1=x2+(y1-y2)/ （L/G）=0+(0.05-0.0025)/3.297=0.0144吸收液出口浓度为 0.0144；(2)HOGG/ Kya0.02/0.050.4my 1=y1mx 10.052.670.01440.01155y 2=y2mx 20.0025-00.0025y m（y 1-y 2）/ln(y 1/y 2)
16、（0.01155-0.0025）/ln（0.01155/0.0025）0.0059135NOG（y 1-y2）/y m（0.05-0.0025）/0.00591358.032H= HOGNOG=0.48.032=3.21m填料层高度需要 3.21m.六、在一常压连续精馏塔中分离某理想溶液，原料液浓度 XF=0.45，塔顶馏出液浓度 XD=0.98,回流比为最小回流比的 1.5 倍，进料状态 q=1.2，操作条件下溶液的相对挥发度 =2.0，塔顶采用全凝器，试问：（1）精馏段的操作线方程；（8 分）（2）第二块理论板上的气相组成及液相组成。 （4 分）解：（1）先求出最小回流比条件下，两操作线的
17、交点在相平衡线上的坐标位置(xe,ye)：即解下列方程组：y=x/1+(-1)x=2x/(1+x)(1)y=qx/(q-1)-xf/(q-1)=1.2x/0.2-0.45/0.2=6x-2.25(2)x=xe=0.484, y=ye=0.652由 Rmin/(Rmin+1)=(Xd-ye)/(Xd-xe)=(0.98-0.652)/(0.98-0.484)=0.6613Rmin=1.9525，R=1.5Rmin=2.9287精馏段的操作线方程：y=Rx/(R+1)+xd/(R+1)=2.9287x/(2.9287+1)+0.98/(2.9287+1)=0.7455x+0.2494（2） N=1
18、: y1=xd=0.98，由 y1=x1/1+(-1)x1=2x1/(1+x1)=0.98, 解得：x1=0.96;N=2:y2=0.7455x1+0.2494=0.74550.96+0.2494=0.965由 y2=x2/1+(-1)x2=2x2/(1+x2)=0.965, 解得：x2=0.932;所以，第二块理论板上的气相组成 y2=0.965 及液相组成 x2=0.932;化工原理计算题 42、用泵从储油池向高位槽输送矿物油，矿物油的密度为 960kg/m3,流量为38400(kg/h)，高位槽进液管管口比储油池中的油面高 20 米，且均为常压。输油管为 1084mm，矿物油流经全部管道
19、的能量损失(压头损失)为 10(米)。若泵的效率为 60%，试计算泵的轴功率(千瓦)。 （12 分）解：取储油槽内油面为截面 11，高位槽内进液管管口处外截面为截面 22，则有：P1/u 12/2Z 1gHeP 2/u 22/2Z 2ghf已知 u10，Z 10，u 20，Z 220m，P 20（表压） ，hf10m 油柱, 960 kg/m 3代入机械能衡算式：000He00209.807109.807he309.807294.21J/kgHe30J/NPegHeQvgHeQm9.80730(38400/3600)3138.24W3.138kWPaPe/3.138/0.65.23kW答：泵的
20、轴功率为 5.23kW 三、某板框压滤机恒压下进行过滤，过滤 30min.得到滤液 3m3。试计算再过滤30min.后又得滤液若干 m3？过滤介质阻力可忽略不计。解：对恒压过滤，有：V 22VeVKA 2已知：Ve0， 130min, V 13m 3；代入上式：32KA 230，KA 20.3即：V 20.3 230+3060min, V 2（0.360） 1/24.245m 3 V4.24531.245m 3答：再过滤 60min.后又得滤液 1.245m3。四.684 的无缝钢管内通过 133的饱和蒸汽，管外包 35mm 厚的保温层（0.08W/mK） ，该管露置于温度为 20的大气中。已
21、知管内壁与蒸汽的给热系数 15000W/K，保温层外表面与大气的给热系数 210W/K。 （忽略管壁热阻） 。试求：（1） 每米长管路每秒钟损失的热量 J/sm。（2） 保温层外表面的温度。解：依据题意，传热过程为：Q(133汽)壁内表面（60mmD 1=60mm）（ 1=4mmD m1=64mm）壁外表面（D 2=68mm）（保温层 2=35mmD m2=（138-68）/ln(138/68)=98.9mm）保温层外表面（D 3=138mm）大气（20）（1）每米长管路每秒钟损失的热量 J/smQKAtm1/KA1/ 1A1 1/ 1Am1 2/ 2Am21/ 2A21/( 1D 1L) 2
22、/( 2D m2L ) 1/( 2D 3L)1/(50003.14160.0601)0.035/(0.083.14160.09891)1/(103.14160.1381)0.001061031.4080915020.2306587981.63981133KA0.6098W/K管内为蒸汽，管外为大气，tmt 汽 t 气 13320113QKAtm0.609811368.91W（2）保温层外表面的温度 t 外 （）QKAtm 2A3(t 外 20)103.14160.1381(t 外 20)68.91t 外 68.910.2306587982035.89答：每米长管路每秒钟损失的热量为 68.91
23、J/s；保温层外表面的温度为35.89。五某厂有一填料吸收塔，直径为 880mm，填料层高为 6m，所用填料为 56mm 的拉西环。在 25及 1atm.时，每小时处理 2000m3含 6（体积）丙酮的空气丙酮混合气，处理时用水作溶剂，塔顶送出的尾气中含丙酮 0.285%(体积)，塔底送出的溶液中每 1kg 含丙酮 61.2g，操作条件下平衡关系为 y=2x。根据上述所测出的数据，试计算：（1）气相体积总传质系数 KYa，？（5 分）（2）在目前情况下，每小时可回收多少丙酮？（5 分）（3）若把填料层加高 3m，又可回收多少丙酮？（丙酮的分子量为 58） （6 分）解：P101.3kPa，y
24、10.06，V2000m 3/h, T273.1525298.15，y 20.00285,x1(61.2/58)/(61.2/58)+(938.8/18)0.01983 x 20(1) GN/A(PV/RT)/(D 2/4)4PV/(RTD 2)4101.3(2000/3600)/(3.14168.314298.150.88 2)0.03733kmol/(s)y 1=y1mx 10.0620.019830.02034y 2=y2mx 20.00285-00.00285y m（y 1-y 2）/ln(y 1/y 2)（0.02034-0.00285）/ln（0.02034/0.00285）0.0089
