广工期末化工原理试题及答案详解.pdf

化工原理典型习题解答化工原理典型习题解答 王国庆王国庆 陈兰英陈兰英 广东工业大学化工原理教研室广东工业大学化工原理教研室 2003200320032003 广工化工期末试卷试题及解 答 1 上上 册册 一、选择题一、选择题 1、 某液体在一等径直管中稳态流动，若体积流量不变，管内径减小为原来的一 半，假定管内的相对粗糙度不变，则 (1) 层流时，流动阻力变为原来的 C 。 A4 倍B8 倍C16 倍D32 倍 (2) 完全湍流(阻力平方区)时，流动阻力变为原来的 D 。 A4 倍B8 倍C16 倍D32 倍 解：(1) 由 2 22 32 2 64 2d luu d l du u d l hf = 得1624 4 2 1 2 2 1 2 2 1 2 21 2 12 1 2 = = = d d d d d d du du h h f f (2) 由 22 22 u d l d f u d l hf = 得322 5 5 2 1 2 1 4 2 1 2 2 1 1 2 2 1 2 = = = d d d d d d du du h h f f 2水由高位槽流入贮水池，若水管总长（包括局部阻力的当量长度在内）缩 短 25%，而高位槽水面与贮水池水面的位差保持不变，假定流体完全湍流 流动(即流动在阻力平方区)不变，则水的流量变为原来的 A 。 A1.155 倍B1.165 倍C1.175 倍D1.185 倍 解：由 f h up gz up gz+=+ 22 2 22 2 2 11 1 得 21ff hh= 所以 ()() 22 2 22 2 2 11 1 u d llu d ll ee + = + 又由完全湍流流动 得 = d f 2 所以()() 2 22 2 11 ullull ee +=+ 而 2 4 duuAV = 所以 () () 1547 . 1 75 . 0 1 2 1 1 2 1 2 = + + = e e ll ll u u V V 3 两颗直径不同的玻璃球分别在水中和空气中以相同的速度自由沉降。已知 玻璃球的密度为 2500kg/m3，水的密度为 998.2kg/m3，水的粘度为 1.00510- 3Pas，空气的密度为 1.205kg/m3，空气的粘度为 1.8110-5Pas。 （1）若在层流区重力沉降，则水中颗粒直径与空气中颗粒直径之比为 B 。 A8.612B9.612C10.612D11.612 （2）若在层流区离心沉降，已知旋风分离因数与旋液分离因数之比为2，则 水中颗粒直径与空气中颗粒直径之比为 D 。 A10.593B11.593C12.593D13.593 解：(1) 由 () 18 2 gd u s t = 得 ()g u d s t = 18 所以 () () () () 612 . 9 1081 . 1 2 . 9982500 10005 . 1 205 . 1 2500 5 3 = = = aws was a w d d (2) 由， () R ud u Ts r 22 18 = gR u K T c 2 = 得， () c s r gK d u = 18 2 () cs r gK u d = 18 所以 () () () () 593.13 11081 . 1 2 . 9982500 210005 . 1 205 . 1 2500 5 3 = = = cwaws cawas a w K K d d 4. 某一球形颗粒在空气中自由重力沉降。已知该颗粒的密度为 5000kg/m3，空气 的密度为 1.205kg/m3，空气的粘度为 1.8110-5Pas。则 (1) 在层流区沉降的最大颗粒直径为 B 10-5m。 A3.639B4.639C5.639D6.639 (2) 在湍流区沉降的最小颗粒直径为 C 10-3m。 3 A1.024B1.124C1.224D1.324 解：(1) 由 t du =Re 得 d ut Re = 而 () 18 2 gd u s t = 所以 () () () m g d s 5 3 2 5 3 2 10639 . 4 807 . 9 205 . 1 5000205 . 1 11081 . 1 18Re18 = = = (2) 由 () gd u s t =74.1 得 () d gd s Re 74 . 1 = () 222 22 74 . 1 Re d gd s = 所以 () () () m g d d s 3 3 2 2 2 5 3 2 22 10224 . 1 807 . 9 205 . 1 5000205 . 1 74 . 1 10001081 . 1 74 . 1 Re = = = 5. 对不可压缩滤饼先进行恒速过滤后进行恒压过滤。 （1）恒速过滤时，已知过滤时间为 100s 时，过滤压力差为 3104Pa；过滤时间 为 500s 时， 过滤压力差为9104Pa。 则过滤时间为 300s时， 过滤压力差为C。 A4104PaB5104PaC6104PaD7104Pa （2）若恒速过滤 300s 后改为恒压过滤，且已知恒速过滤结束时所得滤液体积为 0.75m3，过滤面积为 1m2，恒压过滤常数为 K=510-3m2/s，qe=0m3/m2(过滤介 质的阻力可以忽略)。则再恒压过滤 300s 后，又得滤液体积为 D 。 A0.386m3B0.486m3C0.586m3D0.686m3 解：(1) 由bap+= 得 ba ba += += 500109 100103 4 4 两式相减，得，a400106 4 =150 400 106 4 = =a 4 所以15000150100103 4 =b 所以Pap 4 1066000015000300150=+= (2) 由()()() RReR Kqqqqq=+2 22 得()() RR Kqq= 22 ()() R R RR K A V Kqq+ =+= 2 2 ()4361 . 1 0625 . 2 30010575 . 0 3 2 =+= 23 /6861 . 0 75 . 0 4361 . 1 mmq= 6. 对某悬浮液进行恒压过滤。已知过滤时间为 300s 时，所得滤液体积为 0.75m3， 且过滤面积为 1m2，恒压过滤常数 K=510-3m2/s。若要再得滤液体积 0.75m3，则 又需过滤时间为 C 。 A505sB515sC525sD535s 解：由Kqqq e =+ 2 2 得 2 2qKqqe= 所以625 . 0 75 . 0 2 75 . 0 300105 2 232 = = + = q qK qe 825 105 5 . 1625 . 0 25 . 12 3 2 2 = + = + = K qqq e s525300825= 7. 水蒸汽在一外径为 25mm、长为 2.5m 的水平管外冷凝。 (3) 若管外径增大一倍，则冷凝传热系数为原来的 C 。 A0.641 倍B0.741 倍C0.841 倍D0.941 倍 (4) 若将原水平管竖直放置，且假定冷凝液层流流动，则冷凝传热系数为原 来的 A 。 A0.493 倍B0.593 倍C0.693 倍D0.793 倍 解：(1) 由 () 4 1 32 725 . 0 = wso ttd gr 5 得841 . 0 2 1 4 1 4 1 2 1 1 2 = = = o o d d (2) 由 () 4 1 32 13 . 1 = ws ttL gr 得493 . 0 5 . 2 1025 725 . 0 13 . 1 725 . 0 13 . 1 4 1 3 4 1 = = = L do H V 8. 冷热水通过间壁换热器换热，热水进口温度为 90C，出口温度为 50C，冷水 进口温度为 15C，出口温度为 53C，冷热水的流量相同，且假定冷热水的物性 为相同，则热损失占传热量的 C 。 A5%B6%C7%D8% 解：由，() 21 TTcWQ phhh =() 21 ttcWQ pccc = 得 ()()()() 05 . 0 40 3840 5090 15535090 21 1221 = = = = TT ttTT Q QQ h ch 6 二、二、 计算题计算题 1. 如图所示，常温的水在管道中流过，两个串联 的 U 形管压差计中的指示液均为水银，密度为 Hg，测压连接管内充满常温的水，密度为w，两 U 形管的连通管内充满空气。若测压前两 U 形管 压差计内的水银液面均为同一高度，测压后两 U 形管压差计的读数分别为 R1、R2，试求 a、b 两 点间的压力差。 ba pp 解：， 11 ghpp wa += 11 ghpp wa = ， 21 pp= 132 gRpp Hg += 43 pp= 254 gRpp Hg += 55 ghpp wb += 52455 ghgRpghpp wHgwb = () 524113 ghgRpghgRppp wHgwHgba += () 5121 ghghRRg wwHg += 而， 2 1 1 R hh+= 2 2 5 R hh= 所以() + += 22 21 21 R ggh R gghRRgpp wwwwHgba ()()()gRRRRgRRg wHgwHg212121 2 1 2 1 + =+= 2. 在如图所示的测压差装置中， U 形管压差计中 的指示液为水银，其密度为Hg，其他管内均充满 水，其密度为w，U 形管压差计的读数为 R，两 测压点间的位差为 h，试求a、b 两测压点间的压 力差。 ba pp 解：由 11 ghpp wa += 1 R 2 R 空气 ab Hg w w Hg 1 2 3 4 5 h R h b a Hg w w 1 23 45 1 h 2 h 7 321 ppp= gRpp Hg += 43 54 pp= 25 ghgRpp wwb += 所以 151413 ghgRpghgRpghpp wHgwHgwa +=+=+= 所以 21 ghgRghgRpp wwwHgba += () 21 hhggRgR wwHg += ghgRgR wwHg = ()hRggR wHg += ()ghgR wwHg = 3. 某流体在水平串联的两直管 1、2 中稳定流动，已知，2/ 21 dd=ml100 1= 。今测得该流体流径管道 1 的压力降为 0.64m 液柱，流径管道 2 的压1800Re1= 力降为 0.064m 液柱，试计算管道 2 的长度。 2 l 解：由，得 2 2 1 d d= 4 1 2 1 2 2 2 1 1 2 = = = d d u u 所以 2 1 4 1 2 Re Re 1 2 1 2 11 22 1 2 = u u d d ud ud 所以900Re 2 1 Re 12 = 所以，0356 . 0 1800 64 Re 64 1 1 =071 . 0 900 64 Re 64 2 2 = 又， 2 2 u d l h p f = g u d l H g p f 2 2 = 8 所以， 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 f f H H g u d l g u d l = 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 f f H H d d u u l l = 所以m H H d d u u ll f f 160 64 . 0 064 . 0 24 2 1 100 2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 1 12 = 4. 密度为 1000kg/m3，粘度为 1cP 的水，以10m3/h 的流量在内径为 45mm 的水平 光滑管内流动，在管路某处流体的静压力为 1.5105Pa(表压)，若管路的局部阻力 可忽略不计，则距该处 100m 下游处流体的静压力为多少 Pa(绝对压力)? 解： () sm d V u/75 . 1 045 . 0 3600 10 4 4 22 = = 78750 101 100075. 1045 . 0 3 = = du R 0189 . 0 78750 3164 . 0 Re 3164 . 0 25.025.0 = 由 f h up gz up gz+=+ 22 2 22 2 2 11 1 得 2 2 112 u d l phpp f = 2 75. 11000 045 . 0 100 0189 . 0 105 . 1 2 5 = ()()绝压表压 2524 /10870125 . 1 /1056875 . 8 mNmN= 5. 用一离心泵将冷却水由贮水池送至高位槽。已知高位槽液面比贮水池液面高出 10m，管路总长（包括局部阻力的当量长度在内）为 400m，管内径为 75mm，摩擦 系数为 0.03。该泵的特性曲线为，试求： 26 106 . 018QH= (5) 管路特性曲线 (6) 泵工作时的流量和扬程 知：mh10= mll e 400=+ 9 md075 . 0 = 03.0= 26 106 . 018QH= 求：(1)() ee QfH= (2)、QH 解：(1) 由 2 42 2 1 2 212 12 8 2 e e e Q gdd ll g uu g pp zzH + + + += 得 252 42 101795 . 4 10 075 . 0 8 075 . 0 400 03 . 0 10 eee QQ g H+= += (2) 而 26 106 . 018QH= 所以 2625 106 . 018101795 . 4 10QQ=+ 解之：smQ/108034 . 2 101795.10 8 33 5 = = 所以()mH2846.13108034 . 2 101795 . 4 10 2 35 =+= 6. 现有一台离心泵，允许吸上真空度， 用来输送 20C 的清水，已知流mHs6= 量为 20m3/h，吸入管内径为 50 mm，吸入管的全部阻力损失为，OmHH f2 5 . 1= 当地大气压为 10 mH2O。试计算此泵的允许安装高度为多少米？ g H 解： () sm d V u/831 . 2 05 . 0 3600 20 4 4 22 1 = = fsg H g u HH= 2 2 1 m091 . 4 5 . 1409 . 0 65 . 1 807 . 9 2 831 . 2 6 2 = = 7.远距离液位测量 欲知某地下油品贮槽的液位 H ，采用图示装置在地面上进行测量。测量时控 制氮气的流量使观察瓶内产生少许气泡。已知油品的密度为 850 kgm3。并铡得 水银压强计的读数 R 为 150mm，同贮槽内的液位 H 等于多少? 10 解：因观察瓶内只有少许气泡产生，这表明在管道内氮气的流速极小，可近 似认为处 于静止状态。在静止流体内部各点的单 位总势能相等，故 BA pp= （因很小） ， 2 N 贮槽内液位为 8.管道两点之间压的测量 A、B 两断面分别位于直管段内，在此两断面间装有单 U 形管和复式 U 形管 压强计(如附图所示)。单 u 形管内指示液的密度为，复式 U 1 形管的中间流体和直管内流体相同，密度均为， 试证明 R1R2十 R3。 解：在直管内垂直于流动方向的横断面上， 流体压强服从静压分布规律，其虚拟压强 是常数。连接于管路 A、B 两点间压差计p 的读数直接反映两测压点所在断面的虚拟 压强差。 对于单 U 形管压强计 （1）gRpp BA )( 11 = 对于复式 U 形管的左、右两 U 形管可分别 写出： gRppA)( 12 = gRpp B )( 13 = 两式相加得 （2）gRRpp BA )( 132 += 由式 1、式 2 可得。 321 RRR+= 11 9. 虹吸管顶部的最大安装高度 利用虹吸管将池中温度为 90热水引出，两容器水面 的垂直距离为 2m，管段 AB 长 5m，管段 BC 长 10m(皆 包括局部阻力的当量长度)，管路直径为 20mm，直管阻 力系数为 0.02。若要保证管路不发生汽化现象，管路顶点 的最大安装高度为多少？(已知 90热水的饱和蒸汽压 为 701104Pa) 解：在断面 11 和 22 之间列机械能衡算式，可求得 管内流速 设顶点压强，在断面11 和断面 BB 之间列机械能街算式，可求 VB pp= 出 B 点最大安装高度为： 10.喷嘴的尺寸与喷出速度 附图所示管路由5735 钢管组成，管长 18m，有标准直角弯头两个，闸 阀一个， 直管阻力系数为 0.029， 高位槽内水面距管路出口的垂直距离为 9m。当 阀门全开 口，试求： (1) 管路出口流速及流量； (2) 若在管路出口装一直径为 25mm 的喷嘴，喷嘴的局部阻力系数0.5， E 管路的出口流速和流量有何变化? (3) 改变喷嘴尺寸，可能获得最大喷出速度为多少?(假设喷嘴的局部阻力系数 05 不变)。 E (4) 若将流体视为理想流体，安装咳嘴前后流量的变化如何？ 解：(1) 管路中各管件的局部阻力系数分别是： 。 由断面11 和 22 之间的机械能衡算17 . 0 ,75 . 0 , 5 . 0= CDBA 式，得 12 在管路出口安装喷嘴，缩小了出口流通面积并引入一个局部阻力，使管内流 量减少，管内流量的降低使沿程阻力损失大为减少，而且减少量远远超过喷嘴产 生的局部阻力损失，因此，就整个管路而言，阻力损失不是增加而是减小了。喷 嘴出口的流速之所以能够加快，其原因就在于此。在本例中，安装喷嘴后，出口 的流通面积缩小了 34，流量减少了： （3）由(2)可知，喷嘴直径越小，管路沿程阻力损失亦越小，喷出速度越大。当 喷嘴直径足够小时，管内流体可看成是静止的，沿程阻力损失为零。在此条件下 可求得喷嘴的最大喷出速度为： (4)对于理想流体，安装喷嘴前后的出口流速皆为，故安装喷嘴前gHu2= 后的流量之比为： 11. 从水塔管道输送水，水塔水面距出水管口的垂育距离为 10m，新管道全长 500m，管件的局部阻力可近似地等于水管全长的 50，水温为 20，输水量为 10m3/h 试求水管的最小直径。 解取水塔水面为 11 截面，水管出水口为 22 截面，基准水平面通过 出水管的水平中心线，在两截面间列柏努利方程式： 13 12. 在如图所示的平板导热系数测定装置中，试样直径，且由于试样mmd120= 厚度远小于直径，可以忽略试样径向的热损失。由于安装不好，试样与冷、bd 热表面之间均存在着一层厚度为 0.1mm 的空气隙。设热表面温度，冷Ct=180 1 表面温度。测试时测得的传热速率。Ct= 30 2 WQ 2 . 58= 空 气隙 在下 的导 热 系数 1 t ，在下的导热系数)/(10780 . 3 2 1 KmW= 2 t 。 试计算空气隙的存在)/(10675 . 2 2 2 KmW= 给导热系数的测定带来的误差。 （提示：不考虑 空气隙计算得到的导热系数为表观值，考虑空 气隙计算得到的导热系数为真实值，即要计算 ） 解：由 b tt SQ 21 = bmmb1 . 0 2 =mmb1 . 0 1 = d=120mm 1 t 2 t Q 14 得 () () ()() b b dtt Qb Stt Qb = = = =3067.34 12 . 0 785 . 0 30180 2 . 58 4 2 2 21 21 又由 () 2 2 1 1 21 2 2 1 1 21 bbb Stt S b S b S b tt Q + = + = 得 () Q Sttbbb 21 2 2 1 1 =+ 所以 () 2 2 1 121 bb Q Sttb = ()() 022765 . 0 10675 . 2 101 . 0 10780 . 3 101 . 0 2 . 58 12 . 0 785 . 0 30180 2 3 2 3 2 = = b=9271.43 所以%90.212190 . 0 9271.43 3067.349271.43 = = 13. 外径为 50mm 的不锈钢管，外包6mm 厚的玻璃纤维保温层，其外再包 20mm 厚 的石棉保温层，管外壁温为 300C，保温层外壁温为 35C，已知玻璃纤维和石棉的 导热系数分别为 0.07W/(mK)和 0.3 W/(mK)，试求每米管长的热损失及玻璃纤维层 和石棉层之间的界面温度。 解： ()() mW r r r r tt L Q / 9 . 351 62 102 ln 3 . 0 1 50 62 ln 07 . 0 1 353002 ln 1 ln 1 2 2 3 21 2 1 31 = + = + = () mW r r tt L Q / 9 . 351 ln 1 2 1 2 1 21 = = 所以Ct=128 2 07 . 3 9 . 351300 2 14. 某液体在一直管内 （忽略进口段的影响） 稳定强制湍流流动， 该管内径为20mm， 测得其对流传热系数为，现将管内径改为 27mm，并忽略出口温度变化对物性所产 生的影响。 (7) 若液体的流速保持不变，试问管内对流传热系数有何变化？ (8) 若液体的质量流量保持不变，试问管内对流传热系数有何变化？ 15 知：mmmd20020 . 0 = mmd27= 求： 1 2 解：(1) 由， 12 uu= n p c du d = 8.0 023 . 0 得9417 . 0 20 27 27 20 8.0 8.0 1 2 2 1 1 8.0 1 2 8.0 2 1 2 = = = d d d d d d d d (2) 由， 12 WW=uAVW= 得， 1122 AuAu= 2 2 1 1 2 = d d u u 所以 () () 8.0 2 2 1 8.0 1 2 2 1 8.0 11 22 2 1 1 8.0 11 2 8.0 22 1 2 = = d d d d d d ud ud d d d ud d ud 5826. 0 27 20 8.1 8.1 2 1 6.1 2 1 8.0 1 2 2 1 = = = = d d d d d d d d 15. 饱和温度为 100C 的水蒸汽，在外径为 40mm、长度为 2m 的单根竖管外表 面上冷凝。管外壁温为 94C。试求每小时的蒸汽冷凝量。 100C 下水的汽化潜热r= 2258103J/kg，97C 下水的物性数据为： = 0.682 W/(mK)， = 2.8210-4Pas， = 958 kg/m3。 解：由 () 4 1 32 13 . 1 = ws o ttL gr 得 () ()KmW o = = 2 4 1 4 323 /4659.7465 9410021082 . 2 682 . 0 807 . 9 958102258 13 . 1 又由()()WrttLdttSQ wsoowso = 16 得 ()() 3 102258 94100204 . 0 4659.7465 = = r ttLd W wsoo hkgskg/9484.17/109857 . 4 3 = 16. 在管长为 1m 的冷却器中，用水冷却油。已知两流体作并流流动，油由 420K 冷却到 370K，冷却水由285K 加热到 310K。欲用加长冷却管的办法，使油出口温 度降至 350K。若在两种情况下油、水的流量、物性、进口温度均不变，冷却器除 管长外，其他尺寸也不变。试求加长后的管长。 知：ml1 1 = KT420 1 = ，KT370 2 =KT350 2 = Kt285 1 = Kt310 2 = 求： 2 l 解：由()() 1221 ttcWTTcW pccphh = 得()()285310370420= pccphh cWcW ()()285350420 2 =tcWcW pccphh 所以， 285 285310 350420 370420 2 = t285 25 70 50 2 = t Kt320 50 70 25285 2 =+= 又由 ()() 22 11 2211 ln tT tT tTtT tm = 得Ktm49.92 60 135 ln 60135 1 = = 17 () K t t tm81.69 30 135 ln 30135 350 135 ln 350135 2 2 2 = = = 又由 mm tldnKtKSQ= 得 1 2 1 2 1 2 m m t t l l Q Q = 所以8548 . 1 81.69 49.92 50 70 2 1 1 2 1 2 = = m m t t Q Q l l 17.在一内钢管为18010mm 的套管换热器中，将流量为 3500kg/h 的某液态烃从 100C 冷却到 60C，其平均比热为 2380J/(kgK)。环隙逆流走冷却水，其进出口温度 分别为 40C 和 50C，平均比热为 4174 J/(kgK)。内管内外侧对流传热系数分别为 2000W/(m2K)和 3000W/(m2K)，钢的导热系数可取为 45 W/(mK)。假定热损失和污垢 热阻可以忽略。试求： (9)冷却水用量； (10) 基于内管外侧面积的总传热系数； (11) 对数平均温差； (12) 内管外侧传热面积。 解：(1) 由()() 1221 ttcWTTcW pccphh = 得 () () () () hkg ttc TTcW W pc phh c /7982 40504174 6010023803500 12 21 = = = (2)mm d d dd d i o io m 80.169 160 180 ln 160180 ln = = = om o i o io d db d d K 111 += 3 101314 . 1 3000 1 8 . 169 180 45 01 . 0 160 180 2000 1 =+= 所以)/(8571.883 2 KmWKo= (3)C t t tt tm= = =75.32 20 50 ln 2050 ln 1 2 12 逆 18 (4)由() 21 TTcWtSKQ phhmo = 逆 得 () () 3 21 1975 . 3 75.32857.8833600 6010023803500 m tK TTcW S m o phh = = = 逆 18. 在列管换热器中，用 120C 的饱和蒸汽将存放在常压贮槽中的温度为 20C、 比热为 2.09、质量为 2104kg 的重油进行加热。采用输油能力为)/(CkgkJ 6000kg/h 的油泵，将油从贮槽送往换热器，经加热后再返回贮槽中，油循环流动 。 若要求经 4h 后油温升高至 80C，试计算换热器的传热面积。设加热过程中 K 可 取为 350，且在任何时刻槽内温度总是均匀一致的。)/( 2 CmW 知：CT= 120 Ct=20 1 Ct= 80 1 )/(2090CkgJcp= kgm 4 102= skghkgW/ 3600 6000 /6000= s36004= )/(350 2 CmWK= 求：S 解：在时刻， ()() 2 1 12 1 2 21 1 2 12 1 2 12 lnlnlnln tT tT tt tT tT tt tT tT tTtT t t tt tm = = = = 又() 2 1 12 12 ln tT tT tt KStKSttWc mp = 所以， 2 1 ln tT tT KS Wcp = p Wc KS tT tT = 2 1 ln T T 2 t 1 t 1 t 19 ， p Wc KS e tT tT = 2 1 p Wc KS e tT tT 1 2 = p Wc KS e tT Tt 1 2 = 在 d内，d tT tT tt KSdtKSdtmc mp = 2 1 12 1 ln 所以d Wc KS t e tT T KSdtmc p Wc KS p p = 1 1 1 d e tetTTe KS Wc KS p pp Wc KS Wc KS Wc KS p + = 11 d e teTe Wc p pp Wc KS Wc KS Wc KS p = 1 11 ()dtT e e Wc p p Wc KS Wc KS p = 1 1 所以 d e e m W tT dt p p Wc KS Wc KS t t = 1 0 1 1 1 1 = = pp p Wc KS Wc KS Wc KS e m W e e m W tT tT1 1 1 ln 2 1 2 1 ln 1 1 tT tT W m e p Wc KS = 2 1 ln1 1 tT tT W m e p Wc KS = 20 2 1 ln1 1 tT tT W m e p Wc KS = 2 1 ln1 1 ln tT tT W mWc KS p = 所以 2 1 ln1 1 ln tT tT W mK Wc S p = 2 4 3526.14 80120 20120 ln 36004 3600 6000 102 1 1 ln 350 2090 3600 6000 m= = 21 下下 册册 1. 吸收剂用量对气体极限残余浓度的影响 用纯水逆流吸收气体混合物中的 SO2(其余组分可视为惰性成分)，混合物中 SO2的初始浓度为 5(体积百分数)， 在操作 条件下相平衡关系，试分别计算液xy0.5= 气比为 4 与 6 时气体的极限出口浓度。 解：当填料塔为无限高，气休出口浓度 达极限值，此时操作线与平衡线相交。对于 逆流操作， 操作线与平衡线交点位置取决于 液 气比与相平衡常数 m 的相对大小。 当 LG4， （LGm时，操作线 ab 与平衡线交于塔底(见附图点 b)，由相平 衡关系可以计算液体出口的最大浓度为： 由物料衡算关系可求得气体的极限出口浓度 为： 当 LG6 时(LGm)，操作线 ab与平衡线交于塔顶(见附图中点 a)， 由平衡关系可以计算气体极限出口浓度为： 由物料衡算关系可求得液体出口浓度为： 从以上计算结果可知，当 L/Gm 时，气体的极限残余浓度随 LG 增大而 减小；当 L/Gm 时，气体的极限浓度只取决于吸收剂初始浓度，而与吸收剂的 用量无关。 2. 逆流与并流操作最小吸收剂用量 在总压为 3039105Pa(绝对)、 温度为20下用纯水吸收混合气体中的 SO2， SO2的初始浓度为0.05(摩尔分率)， 要求在处理后的气体中SO2含量不超过1(体 积百分数)。已 知在常压下 20时的平衡关系为 y139x，试求逆流与并流操作时的最小液气 比(LG)各为多少? 22 解： 由常压下 20时的相平衡关系 y139x， 可求得 p3039105Pa、t=20 时的相平衡常数为： （1）逆流操作时，气体出口与吸收剂入口皆位于塔顶，故操作线的一个端 点(y2,x2)的位置已经确定(附图 b 中点 b)。当吸收剂用量为最小时，操作线将在塔 底与平衡线相交于点 d，即。于是,由物料衡算式可求得最小液气比myx/ 1max1 = 为: (2) 并流操作时，气体与液体进口皆位于塔顶，故操作线一端点(、)的 1 y 2 x 位置已确定（附图 b 中点 c） 。当吸收列用量最小时，气液两相同样在塔底达到平 衡，操作线与平衡线交于 d 点，此时。由物料衡算式可得最小液气比 m y x 2 max 1 = 为 从以上计算结果可以看出，在同样的操作条件下完成同样的分离任务，逆流 操作所需要的最小液气比远小于井流。因此，从平衡观点看，逆流操作优于并流 操作。 3. 吸收塔高的计算 某生产过程产生两股含有 HCl 的混和气体，一股流量 0.015kmo1s， 1 G 附图（a）附图（b） 23 HCI 浓度（摩尔分率） ，另一股流量0015kmo1s，HCl 浓度1 . 0 1 = G y 1 G (摩尔分率)。今拟用一个吸收塔回收二股气体中的 HCl，总回收率不04 . 0 2 = G y 低于 85，历用吸收剂为 20纯水，亨利系数 E2786105Pa，操作压强为 常压，试求： (1) 将两股物料混和后由塔底入塔(附图 a 中点a)，最小吸收剂用量为多少? 若将第 二股气流在适当高度单独加入塔内(附图 a 中点 b)，最小吸收刘用量有何变化？ (2) 若空塔速度取 05ms，并已测得在此气速下kmo1 3 108 =aKy （sm2） ，实际液气比取最小液气比的 12 倍，混合进料所需塔高为多少？ (3) 若塔径与实际液气比与(2)相同，第二股气流在最佳位置进料，所需塔高 为多少？中间加料位于何处？ 解：(1) 在操作条件下，系统的相平衡常数为： 两股气体混和后的浓度为： 气体出口浓度为 两股气体混合后进塔的最小液气比（参见附图 b）为： 当两股气体分别进塔时，塔下半部的液气比大于上半部，操作线将首先在中 间加料处与平衡线相交(参见附图 c)，对中间加料口至塔顶这一段作物料衡算， 可 求出为达到分离要求所需要的最小液气比为” 附图（b） 附图（c） 附图（a） 24 吸收塔下半部的液气比，对下半部作物料杨算可得液体最056 . 4 / 1min =GL 大出口浓度为 连接，0）、 （，）和（，）三点即得分段进料的操作线。 ( 2 y 2G y m yG2 1G y m yG1 25 26 4. 吸收剂再循环对所需塔高的影响 用纯水吸收空气氨混合气体中的氨，氨的初始浓度为 0.05(摩尔分率)，要 求氨回收率不低于 95，塔底得到的氨水浓度不低于 0.05。已知在操作条件下气 液平衡关系，试计算：xye95 . 0 = 27 5. 吸收剂用量对传质系数的影响 28 6. 传质阻力较小侧流体的流量变化对吸收过程的影响 29 7. 提高回收率的代价 30 31 8. 理论板数的计算 32 33 9. 回流温度对所需理论塔板数的影响 混合液组成、分离要求、回流比、加料热状态及相平衡关系皆与 例 1. 相同 ， 但回流温度为 20，求所需理论板数为多少?已知回流液体的泡点为 83，汽化 潜热为 32 104J/mol，比热容为 140J/(mo1K)。 34 与题 8 相比较可知在同样回流比 下，回流液体的温度越低，塔内实际 循环的物料量越大，所需理论板数越 少，其代价自然是增加塔釜的热耗。 10. 原料组成对最小回流比的影响 两种含苯和甲苯混合液，所含苯 的浓度各为 0.2 与 0.4(皆为摩尔分 率)，欲用精馏方法加以分离，要求馏 出物组成为 0.85，混合液在泡点状态 加入塔内，试求所需的最小回流比各 为多少?若原料液系由水与乙醇混合 而成， 原料入塔的热状态及塔顶产品的浓度不变， 试计算当原料组成为 0.2 及 0.4 时，所需要的最小回流比各为多少？两物系平衡关系如附图所示。 35 11. 加料热状况对所需最低能耗的影响 某苯与甲苯混合物的流量为 100 kmol/h，苯的浓度为 0.3(摩尔分率)，温度 为 20，拟采用精馏操作对其进行分离，要求塔顶产品的浓度为 0.9，苯的回收 率为 90，精馏塔在常压下操作，相对挥发度为 247，试比较以下三种工况所 需要的最低能耗(包括原料预热需要的热量)： (1) 20加料； (2) 预热至泡点加料； (3) 预热至饱和蒸汽加料。 已知在操作条件下料液的泡点为 98，平均比热容为 1615J(molK)， 汽化潜热为 32600Jmol。 36 37 12. 设有部分冷凝器的精馏塔理论板数的计算 用精馏操作分离含甲醇 20(摩尔分率)的水与甲醉混合液， 精馏塔顶部设有 38 部分冷凝器(见附图 a)，未冷凝的气体继续冷凝得到液体产品 D1，冷凝液部分回 流入塔，部分作为产品 D2，其数量为 Dl的 13。要求塔顶产品 Dl的浓度为 0.9， 塔底产品浓度为 0.05，物料在泡点下入塔。以产品 Dl计的回流比取为 15，在 操作条件下，物系的平衡关系如附图 b 所示，试求该精馏塔内应具有多少块理论 板？ wDDf xx D xDFx+= 2 1 11 3 39 13. 物料衡篡关系对精馏塔的调节作用 用精馏塔分离苯与甲苯混合物，精馏塔具有 10 块理论板，加料板为第4 块， 料液在泡点下进塔，回流比 R=3.0，在正常操作下，馏出液浓度 xD09，馏出 率 DF=04。现进料组成因故降为 Xf030，试问： (1)若保持馏出率 DF 不变，增大回流比，能否得到合格产品? (2)为保证塔顶产品质量合格，在原回流比下，馏出率应降为多少?若进料绝 F 不变，塔釜供热量须相应作何调整？ 40 14. 湿空气的混合 某干燥器的操作压强为 7998kPa，出口气体的温度为