1、1三 计算题1 （15 分）在如图所示的输水系统中，已知 管路总长度（包括所有当量长度，下同）为100m，其中压力表之后的管路长度为 80m，管路摩擦系数为 0.03，管路内径为 0.05m，水的密度为 1000Kg/m3，泵的效率为 0.85，输水量为 15m3/h。求：（1）整个管路的阻力损失，J/Kg；（2）泵轴功率，Kw；（3）压力表的读数，Pa。解：（1）整个管路的阻力损失，J/kg；由题意知， smAVus /12.)405.36(2则 kgJudlhf /.3522（2）泵轴功率，kw；在贮槽液面 0-0与高位槽液面 1-1间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，有：10,120
2、20 fe hpugHWpugH其 中 ， , u0= u1=0， p1= p0=0（ 表 压 ） , H0=0， kJhf/1.35H=20m代 入 方 程 得 ： kgJhgfe /3528.9又 skVWs /17403615故 ， =80%， wNese. kwNe72.12 （15 分）如图所示，用泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽液面均恒定不变，输送管路尺寸为833.5mm，泵的进出口管道上分别安装有真空表和压力表，真空表安装位置离贮槽的水面高度 H1 为 4.8m，压力表安装位置离贮槽的水面高度 H2 为 5m。当输水量为 36m3/h 时，进水管道全部阻H=20mH1=2m2力损
3、失为 1.96J/kg，出水管道全部阻力损失为 4.9J/kg，压力表读数为2.452105Pa，泵的效率为 70%，水的密度为 1000kg/m3，试求：（1）两槽液面的高度差 H 为多少？（2）泵所需的实际功率为多少 kW？（3）真空表的读数为多少 kgf/cm2？解 ： （1）两槽液面的高度差 H在压力表所在截面 2-2与高位槽液面 3-3间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，得：32,3222 fhpugpug其 中 ， , u3=0, p3=0, kJhf/9.432,p2=2.452105Pa, H2=5m, u2=Vs/A=2.205m/s代 入 上 式 得 ： 7498194
4、.8.95（2）泵所需的实际功率在贮槽液面 0-0与高位槽液面 3-3间列柏努利方程，以贮槽液面为基准水平面，有：30,32020 fe hpugHWpugH其 中 ， , u2= u3=0, p2= p3=0, H0=0， kJhf /9.86430,H=29.4m代 入 方 程 求 得 ： We=298.64J/kg， skgVs /16故 ， =70%， wNse wNe27.4（3）真空表的读数在贮槽液面 0-0与真空表截面 1-1间列柏努利方程，有：10,121020 fhpugHpugH3其 中 ， , H0=0， u0=0, p0=0, H1=4.8m, kgJhf/96.10,
5、u1=2.205m/s代 入 上 式 得 ， 2421/5.0 5.)96.15.84.(cmkgf Pap 3 用离心泵把 20的水从储槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定。各部分相对位置如本题附图所示。管路的直径均为 76mm2.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为 24.66103Pa；水流经吸入管与排出管（不包括喷头）的能量损失可分别按 与 计算，21,uhf 2,10uhf由于管径不变，故式中 u 为吸入或排出管的流速 m/s。排水管与喷头连接处的压强为 98.07103Pa（表压） 。试求：（1）水在管内的流速 u；（2）泵的有效功率；（3）已知泵的效率为 60%，求操作条件
6、下泵的轴功率。4 （15 分）如本题附图所示，用泵 2 将储槽 1 中密度为 1200kg/m3 的溶液送到蒸发器 3 内，储槽内液面维持恒定，其上方压强为 101.33103Pa。蒸发器上部的蒸发室内操作压强为 200mmHg（真空度） 。蒸发器进料口高于储槽内的液面 15m，输送管道的直径为 68mm4mm，送料量为20m3/h，溶液流经全部管道的能量损失为 120J/kg，试求：（1）泵的出口管路中流体 的流速；（2）泵的有效功 率；（3）若泵的效率为 65%， 求泵的轴功率。45（15 分）一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为 6m，直径为252mm。冷却水在管内流过，并从 17C 被加热
7、到 37C。流量为1.25kg/s，温度为 72C 的烃饱和蒸汽在管外冷凝成同温度的液体，烃蒸汽的冷凝潜热为 315KJ/Kg。已测得：蒸汽冷凝传热系数 0=800w/（ m2C） ，管内侧热阻为外侧热阻的 40%，污垢热阻为管内侧热阻的 70%。计算时可忽略管壁热阻及热损失。水的比热为4.18KJ/（KgC） 。试计算：（1）冷却水用量；（2）换热管的总根数。（传热面积以外表面为基准） 。解 ： （1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准） ，S 1；由题意知，水以 0.7m/s 的流速在管内流过，欲求 S1，需先知道每程的管子数，每程的管子数等于所需冷却水的总流量与单管内水的流量之比。两
8、流体交换的热量为：kwrWQh394152.又 ， ，)(tCpcCgJpc/8.则 sktc /713.)3(1.42单管内水的流量为： skgudWc /243.0.02.785.1 每 程 所 需 管 子 数 为 ： .1923.041cn取 每 程 管 子 数 为 20， 则 每 程 所 能 提 供 的 传 热 外 表 面 积 为 ：211 71.43205.lnmdSo 5(2) 换热管的总根数；由所需的总传热面积可求取换热管的总根数。motSKQ由题给数据， CmWoooo2/.476)8014.7801.(1).4.(Ctt 25.3721ln)()(ln21则任务所需的传热外表
9、面积为：2.185.46.09mtKQSmolnd换热管总根数为： 4.793025.18lSo取 n6（15 分）有一换热器，管内通 90的热流体，膜系数 为 11001，管外有某种液体沸腾，沸点为 50，膜系数 为 5800Cmw2/ 2。试求以下两种情况下的壁温：（1）管壁清洁无垢 ；（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为 0.005 wCm/2解：忽略管壁热阻，并假设壁温为 T（1）当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得：621tTw58019wT则 Cw4.56（2）同理021RtTw05.819wT则 CTw84由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。7（15 分）在一单
10、程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进口温度分别为 20和 110。在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为 45和 40，使用一年后，由于污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下，冷却水出口温度降至 38，试求：（1）空气出口温度为多少？（2）总传热系数为原来的多少倍？（3）若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不变，冷热流体的出口温度各为多少？（ 水 空气 ） （4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？解： 使用初期 使用一年后110 40 110 2T45 20 38 20（1）空气出口温度 2T题意可得：使用初期 mphpc tKSTC
11、WtQ)()(2112（1）使用一年后 phpc tt )()(2112（2）两式相比（2）/（1） ，得 )045(38)401()0(2 T则： =59.627（2）总传热系数 K/CttTtm 2.546.397ln.206.59381ln).()( .36l05l)()(211方程(2)式/(1)式，得： 故 2.4)24(K%0.K（3）冷热流体的出口温度 Tt及一年后 （3）mphpc tSTCWtQ )()(2112（4）K方程（4）式/（3） ，得：201ln)()(2.542038)(6.59102 TttT整理前半式的方程 （5）22179.Tt又因 ， ， 故 空 气水
12、空 气K1空空 K由等比定理 20ln)()(2.5496.510)()(2 TttT则 .42lnTt整理得， （6）2153t联立（5）和（6） ，可得： ， Ct4.9T5.72（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？8Ctm 3.56.780ln.205.7491ln).().0(则 .136mtQ8 在一单程列管式换热器中，欲用水将 15000kg/h 的煤油从 140冷却到40，水的进、出口温度分别为 30和 40，两流体逆流流动。煤油的平均比热容为 2.3kJ/(kg)，水的平均比热容为 4.187 kJ/(kg)。若换热器的总传热系数为 300W/(m2)，
13、试求：（1）冷却水的流量；（2）换热器的对数平均温度差 tm；（3）换热器的传热面积 S。9 在逆流填料吸收塔中，用清水吸收含氨 5%（体积）的空气氨混合气中的氨，已知混合气量为 2826m3/h（标准状况） ，气体空塔速度为 1m/s，平衡关系为 Y=1.2X，以摩尔比为推动力的气相体积总传质系数KYa=180kmol/m3h，吸收剂用量为最小用量的 1.4 倍，要求吸收率为 98%，试求：（1）溶液的出口浓度 X1（摩尔比） ；（2）气相总传质单元高度HOG；（3）气相总传质单元数 NOG；10（15 分）一填料塔用清水逆流吸收混合气中的有害组分 A.已知操作条件下气相总传质单元高度为 1
14、.5m，进塔混合气组成为 0.04（A 的摩尔分率，下同） ，出塔尾气组成为 0.0066，出塔水溶液浓度为 0.0134，操作条件下平衡关系为 Y=2.5X。试求：（1）液气比为最小液气比的多少倍？（2）所需填料层高度？（3）若气液流量和初始组成不变，要求尾气浓度降至0.0033，求出此时填料层高度？解：（1）液气比为最小液气比的多少倍?04171Y 05312Y928X04.2017.53/21VL918.25./0417.3/)/(1221min mYXVL则 86.8)/(in(2）所需填料层高度？OGNHZ 92.04./52/LmVS1.5 892.053.0417)892.ln(
15、012SXY故 mNHZOG6(3) 此条件下的填料层高度。03112Y52.7 892.031.047)892.ln(012 SmXYSOGNHZOG.5.11（15 分）某填料吸收塔用含溶质 的溶剂逆流吸收混合气中的02.2x可溶组分，采用液气比 L/V=3，气体入口质量分数 回收率可达01.y。已知物系的平衡关系为 y=2x。今因解吸不良使吸收剂入口摩尔90.分数升至 ，试求：可溶组分的回收率 下降至多少？液相出35.2x 塔摩尔分数 升高至多少？110解： （1） 01.)91(0.)1(2 y673/VLmA)1ln(21AmxyNOG= 38.567.02.01.)67.l(.0
16、当 上升时，由于 不变， 不变2xHOG也不变，即OGN/67.0235.01)67.1ln(.038.52y2y87.01.312（1）物料衡算)()(212xLyV1x= 0325)03.(312（20 分）某填料吸收塔进塔混合气体中含苯 5%（体积百分数） ，其余为惰性气体。吸收塔操作压强为 780mmHg，温度为 25，进塔混合气体流量为 1000m3/h，苯回收率为 95%。吸收剂为不含苯的煤油，煤油耗用量为最小用量的 1.5 倍。气液逆流流动，系统平衡关系为 Y=0.14X（式中Y、X 均为摩尔比） ，气相体积总传质系数为 Kya=125kmol/m3h，煤油的平均分子量为 170
17、kg/kmol，塔径为 0.6m。试求：（1）煤油的耗用量为多少 kg/h？（2）煤油出塔浓度 X1 为多少？（3）填料层高度为多少11m？（4）吸收塔每小时回收多少 kmol 苯？（5）欲提高回收率可采用哪些措施？并说明理由。13 （15 分）有一填料吸收塔，在 28及 101.3kPa，用清水吸收 200m3/h氨-空气混合气中的氨，使其含量由 5%降低到 0.04%（均为摩尔%） 。填料塔直径为 0.8m，填料层体积为 3 m3，平衡关系为 Y=1.4X，已知Kya=38.5kmol/h。问（1）出塔氨水浓度为出口最大浓度的 80%时，该塔能否使用？（2）若在上述操作条件下，将吸收剂用量
18、增大 10%，该塔能否使用？（注：在此条件下不会发生液泛）解：（1） 052631Y 0412Y惰性气体流量 hkmolV/9.7).1(742036151mX 03.8.11XhkolYL /4.0.).52(9.7)(21 16.3.4106.X4.2Y038.ln21mmYKVZma 74.6038.785.03)26(9)(1 该塔现有填料层高度 Z2因为 所以该塔不适合。Z（2）吸收剂用量增大 10%时hkmolL/67.143.hkmolXXYVL /67.140).5263.(9.7)(121 120274.1X0142.7.4105263.1 XmY20387.04.12lnm
19、mYKVZma 6.50387.785.3)46(9)( 221 因为 所以该塔适合。Z14 (15 分)在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为全凝器，塔釜间接蒸汽加热，平均相对挥发度为 2.47，饱和蒸汽进料。已知进料量为200kmol/h，进料组成为 0.4（摩尔分率） ，回流比为 6，塔顶馏出液中苯的回收率为 0.97，塔釜采出液中甲苯的回收率为 0.95。试求：（1）塔顶馏出液及塔釜采出液组成；（2）精馏段操作线方程；(3)回流比与最小回流的比值；（4）若全回流操作时，塔顶第一块塔板的气相默弗里板效率为0.6，全凝器液相组成为 0.98，求由塔顶第二块板上升的气相组成？解：（1）塔
20、顶馏出液及塔釜采出液组成；由 （a ）DFx97.0（b）W1()(5F=D+W+150 （c）（d）604.5FWDxx联立（a） 、 （b） 、 （c ）和（d）求解得：W=87.3kmol/h， D=62.7kmol/hxW=0.0206， xD=0.928（2）精馏段操作线方程；131856.0.11 nDnn xRxy（3）提馏段操作线方程；VWxLym1饱和蒸气进料，故 q=0 ， FR)(DRL则 01.534.1)()1(1 mWmm xxDy（4）回流比与最小回流比的比值；q=0， qDxyRmin .Fqxy由 得 qq)1(215.0q， 86.25.049minR4.m
21、inR（5）求由塔顶第二块板上升的气相组成。， .21yEV而 全回流时， 11)(x12xy211 47.)(yxy， 代入上式可得： 98.0y 963.02y15 在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为全凝器，塔釜间接蒸汽加热。进料量为 1000kmol/h，含苯 0.4，要求塔顶馏出液中含苯 0.9（以上均为摩尔分率） ，苯的回收率不低于 90%，泡点进料，泡点回流。已知14=2.5 ，取回流比为最小回流比的 1.5 倍。求：(1) 塔顶产品量 D、塔底残液量 W 及组成 xw；(2) 最小回流比；(3) 精馏段操作线方程；（4）从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成为多少？解：（1）
22、塔顶产品量 D、塔底残液量 W 及组成 xw；由 ，得： FAx hkmol/09.10W=F- D=1000-400=600kmol/h又由物料衡算 WDFx得 067./)9.04.10( Wx（2）最小回流比；泡点进料，q=1, .Fq625.045.12)(1Qqxy.6.09minqDyR(3) 精馏段操作线方程；83.15.in318.064.1 nDnn xRxy（5）从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成52.067.512)(1wwxy由操作线方程 3.my得 1xw076.11516 (15 分) 用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量 100kmol/h，易挥发组分 xF=0.
23、5，泡点进料，得塔顶产品 xD=0.9，塔底釜液 xW=0.05（皆摩尔分率） ，操作回流比 R=1.61，该物系平均相对挥发度 =2.25，塔顶为全凝器，求：塔顶和塔底的产品量（kmol/h） ；第一块塔板下降的液体组成 x1 为多少；写出提馏段操作线数值方程；最小回流比。解：（1）塔顶和塔底的产品量（kmol/h） ；F=D+W=100 （1）（2）50.105.9. FxWD上述两式联立求解得 W=47.06kmol/h D=52.94kmol/h（2）第一块塔板下降的液体组成 x1为多少；因塔顶为全凝器， 1)(xyD80.925.0)1(1 x（3）写出提馏段操作线数值方程；17.3
24、4.6.)(DRV2.8509521FqL则 017.34. 17.3.381 mmWxxVy（4）最小回流比。泡点进料，q=1, 5.Fq692.052.1)(1qqxy83.69.0minqDyR1617 (15 分) 一精馏塔，原料液组成为 0.5（摩尔分率） ，饱和蒸气进料，原料处理量为 100kmol/h，塔顶、塔底产品量各为 50kmol/h 。已知精馏段操作线程为 y=0.833x+0.15，塔釜用间接蒸气加热，塔顶全凝器，泡点回流。试求： 塔顶、塔底产品组成；全凝器中每小时冷凝蒸气量；蒸馏釜中每小时产生蒸气量若全塔平均 =3.0，塔顶第一块塔板默弗里效率 Eml=0.6，求离开
25、塔顶第二块塔板的气相组成。解：（1）塔顶、塔底产品组成；因 ， R=5 又 ， 83.0)1(R 15.0)(RxD90.Dx由物料衡算 WDFxx得 1.05/)9.05.1(W（2）全凝器中每小时冷凝蒸气量；V=（ R+1） D=300kmol/h（3）蒸馏釜中每小时产生蒸气量；q=0， V=V - F=300 -100=200kmol/h（4）求离开塔顶第二块塔板的气相组成。， 6.011xEDmV 11)(xyxD75.0923.)(1y故 6.075.91x8.01x 825.01.83.2y18（20 分）在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为全凝器，塔釜17间接蒸汽加热。进料
26、量为 1000kmol/h，含苯 0.4，要求塔顶馏出液中含苯0.9（以上均为摩尔分率） ，苯的回收率不低于 90%，泡点进料，泡点回流。已知=2.5 ，取回流比为最小回流比的 1.5 倍。试求：（1）塔顶产品量D、塔底残液量 W 及组成 xw；（2）最小回流比；（ 3）精馏段操作线方程；（4）提馏段操作线方程；（5）若改用饱和蒸汽进料，仍用（4）中所用回流比，所需理论板数为多少？解：（1）塔顶产品量 D、塔底残液量 W 及组成 xw；由 ，得： FAx hkmol/409.10W=F- D=1000-400=600kmol/h又由物料衡算 WDFx得 067./)9.04.10( Wx（2）最小回流比；泡点进料，q=1, .Fq625.045.12)(1Qqxy.6.09minqDyR(3) 精馏段操作线方程；83.15.in318.064.1 nDnn xRxy(4) 提馏段操作线方程；283.2)(V173041FqL则 035126.27mmWxxVy18（5）从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成152.067.512)(1wwxy由操作线方程 3.my得 01xw76.1（6）若改用饱和蒸汽进料，仍用（4）中所用回流比，所需理论板数又为多少。饱和蒸气进料， q=0， 4.0Fxy由 得 Qqy)1(21.0qx63.21.049min qDxyR因 ， 故 inTN
