丁玉兴主编《化工原理》习题解答.doc 59页

'丁玉兴编《化工原理》习题解答第一章流体流动与输送1.40%糖液的比重为1.18，试求其密度。解：由2、将以下压力单位换算为，且各用表压和绝对压表示。（1）0.4kgf/cm解：∵1kgf=9.81N∴3.某果汁浓缩锅的加热蒸汽绝对压力为1.4kgf/cm2，锅内的绝对压力为400mmHg，设当地大气压为1at，试分别以SI制表示蒸汽的表压力和锅内的真空度。59 解：4、当地大气压为750mmHg时，问位于水面下20m深处的绝对压是多少Pa和atm?解：由题意可得：5.用U形管压差计测定管路两点的压差。管路中气体的密度是2kg/m3。指示液是水，读数为500mm。计算压力差，用Pa表示。解：6、管子的内经是100mm，当277K的流速是2m/s时，求体积流量V时和质量流量。解：由题意可得：7.比重为1.2的糖液，在293K时以1m/s的流速和18.5t/h的质量流量流过一不锈钢管。试确定该钢管的直径。解：由得，59 得：8、相对密度为0.91的椰子油沿内径是156mm的钢管输送，如果质量流量是50t/h，求体积流量和流速。解：由题意可得：9.选择一水管，已知质量流量是320t/h，要求管内流速小于3m/s。若仓库中库存有内径为150、175、200、250mm四种规格的铸铁管，试问选用何种管子较为适宜？又问选定管径后管内流速是多大？如出口改用一节内径为175mm的水管，此时管内流速是多大？解：由得：得：则选用直径为200mm管子为宜。则如出口改用一节内径为175mm的水管，由于连续流动，所以流体质量流量相等，10、相对密度为0.9的料液从高位槽自动流入精馏塔中，塔内表压为4×10Pa,为了保持管内流速为2m/s。试求高位槽内液面距塔进口的垂直距离。（已知损失能量为24.5J/㎏，当地大气压是10×10Pa）解：由题意可得：59 取高位槽液面为截面1-1，精馏塔液面为截面2-2，取截面2-2为基准面，在两截面之间列出能量衡算方程11.一水平放置的锥形管，水入口处的内径为150mm，流速为8m/s，绝对压强为1.47×105Pa。水出口处的内径为250mm。试求水出口处的流速和绝对压强。12、浓度为的糖液（黏度、密度为）,从加压容器经内径6mm的短管出。问当液面高于流出口1.8m时，糖液流出的体积流量为多少？假定无摩擦损失，液面上的压力为（表压），出口为(一个大气压)。解：取加压容器口为截面1-1，高位槽液面为截面2-2.取截面1-1为基准面，在两截面之间列出能量衡算方程13.用泵从河中抽水作为喷洒冷却器用水。泵的吸入管内径为120mm，压出管内径为80mm。水的流量是45m3/h。水出口处比河面高6m。大气压为105Pa。损失能量为98.1J/kg。求泵有效功率。59 14、已知水的流量是每秒15L，温度为277K，在钢管内流动，试确定水的流动形态。解：从本书附录中查得水在277K时15.牛奶以2.25L/s的流量流过内径为27mm的不锈钢管。牛奶的黏度为2.12cP，相对密度为1.03，试问该流动为层流或是湍流？16、从水塔引水至车间，采用10.16cm水管，其管路的计算总长度（包括直管和管件阀门的当量长度）为150m，设水塔内水面维持恒定，且高于排水管口12m，水温为12℃，试求此管路中水的流量。解：设水塔截面H，排水管口截面2-2，并以截面2-2为基准面，列出两截面间伯努利方程查得水在12℃时，59 17.某离心清水泵的性能表上标明允许吸上真空高度为5.5。如泵运转地区的大气压力为80kPa，输送40℃的水。求该泵的安装高度。18、某车间排出的冷却水温度为65℃，以德流量注入一贮水池中，同时用一有水泵连续地将此冷却水送到一凉水池上方的喷头中。冷却水从喷头喷出，然后落到凉水池中，以达到冷却的目的。已知水在进入喷头前要保持50kPa（表压）的压力，喷头入口比贮水池水面高2m，吸入管路和压出管路的损失压头分别为0.5m和1m，试计算下列各项：（1）选择一台合适的离心泵，并计算泵的轴功率。（2）确定泵的安装高度（以本地区大气压计，管内动压头可忽略不计）解：已知59 ℃水的对该系统列伯努利方程，得在泵附录中查得符合要求，其主要性能如下：流量………………60轴功率………………2.61kW扬程………………11.8m转速………………1450效率…………………74%汽蚀余量………………2.5m轴功率：第二章流体与粒子间的相对运动过程1、计算直径d为80，密度的固体颗粒，分别在20℃空气和水中的自由沉降速度。解：（1）在20℃水中：设沉降在层流区进行，由斯托克斯定律得：核算：（2）在20℃空气中的黏度为设沉降在层流区进行，由斯托克斯定律算出：核算：59 所以假设不成立，再假设在过渡区，由斯托克斯定律得：1、一种测定黏度的仪器由一钢球及玻璃筒组成，测试时筒内充满被测液体，记录钢球下落一定距离的时间。今测得刚球的直径为6mm，在糖浆下落距离为200mm所用时间是6.36s。已知钢球密度为7800，糖浆密度为1400，试计算糖浆的黏度。解：假设在层流区进行，由斯托克斯定律得：2、粒径为90，密度为3500的球形颗粒在20℃的水中作自由沉降，水在容器中的深度为0.6m，试求颗粒沉降至容器底部需要多长时间？解：假设在层流区进行，由题意查表得：在20℃水中，黏度为由斯托克斯定律得：59 1、某颗粒直径为3.5mm，密度为1500，试求其在常温水中的沉降速度，如果将该物粒放在同样的水中，测得其沉降速度为，试求其粒径为多少？解：①常温水假设在层流区进行，由斯托克斯定律得：②由第一问可知0.2m/s接近0.279m/s，由艾仑公式得：59 1、密度为1800的固体颗粒在323K和293K水中按斯托克斯定律沉降时，沉降速度相差多少？如果微粒的直径增加一倍，在323K和293K水中沉降时，沉降速度又相差多少？解：查附录得：323K时；293K时已知，由斯托克斯公式可得（1）则：（2）当微粒直径增加1倍时：或：（1）根据得：，（2）当微粒直径增加1倍59 6、对密度为1120,含有20%固相的悬浮液进行过滤，在过滤悬浮液15后，能获得湿滤渣的量是多少？已知滤渣内含水分25%解：由题意得7、在实验室中用板框式压滤机对啤酒与硅藻土的混合液进行过滤。滤框空处长与宽均为810mm，厚度为45mm，共有26个框，过滤面积为33，框内总容量为0.760。过滤压力为2.5（表压），测得过滤常数为：，，滤渣体积与滤液体积之比。试计算：（1）过滤进行到框内全部充满滤渣所需过滤时间；（2）过滤后用相当于滤液量1/10的清水进行横穿洗涤，求洗涤时间。解：（1）已知，，由公式得。当框内全部充满滤渣时滤液体积为,过滤面积，又由于，将以上数据代入上述公式，解得：。（2）8、在59 的恒压下过滤某种悬浮于水中的颗粒。已知悬浮液中固相的质量分率为0.14，固相的密度为2200，滤饼的空隙率为0.51，过滤常数为，过滤面积为45过滤阻力忽略不计，欲得滤饼体积为0.5，则所需过滤时间为多少？7、某叶滤机的过滤面积为，在的恒压差下过滤4h得到滤液，滤饼为不可压缩，且过滤介质阻力可忽略，试求：（1）其他条件不变，将过滤面积增大1倍，过滤4h可得滤液多少？（2）其他条件不变，过滤压差加倍，过滤4h可得滤液多少？（3）在原条件下过滤4h，而后用清水洗涤滤饼，所需洗涤时间是多少？解：（1）已知（2）过滤常数59 （3）洗涤速率洗涤时间11、用直径为600mm的标准式旋风分离器来收集药物粉尘，粉尘的密度为2200，入口空气的温度为473K，流量为3800，求临界直径。解：由题意可得：代入上式得：12、密度为速溶咖啡粉，其直径为，用温度为250℃，的热空气代入旋风分离器中，进入时切线速度为，在分离器中旋转半径为0.5m，求其径向沉降速度。将同样大小的咖啡粉粒放在同温度的静止空气中，其沉降速度又为多少？解：（1）250℃时，，（2）250℃时设粒子在层流区沉降，其最大沉降粒径为，层流区，的上限值则代入斯托克斯得：59 <所以在层流区沉降第三章传热1、载热体流量为1500kg/h，试计算以下各过程中载热体放出或得到的热量。（1）100℃的饱和水蒸气冷凝成100℃的水；（2）比热容为3.77的NaOH溶液从290K加热到370K；（3）常压下20℃的空气加热到150℃；（4）压力为245kPa的饱和蒸气冷凝成40℃水。解：（1）经查表已知水的汽化焓，（2）（3）经查表常压下，（4）（2719.7-167.5）×1500=3.828×2．将50kg100℃的饱和水蒸汽通入温度为20℃的100kg水中，求混合后的温度。解：当100kg的水由20℃变为100℃时需要的热量是查表得100℃饱和水蒸气冷凝潜热为，∴只需的水蒸气就可使100kg的水由20℃变为100℃，水质量变为114.8kg，∴混合后的温度为100℃。3、普通砖平壁厚度为460mm，一侧壁面温度为200℃，另一侧壁面温度为30℃，已知砖的平均导热系数为℃，试求：59 （1）通过平壁的热传导通量，；（2）平壁内距离高温侧300mm处的温度。解：（1）由导热热通量公式可得：（2）设以x表示沿壁方向上的距离，若在x处等温面上温度为t，则℃4．在三层平壁的热传导中，测得各层壁面温度t1、t2、t3和t4分别为500℃、400℃、200℃和100℃，试求各层热阻之比。假设各层壁面间接触良好。解：在定态热传导中，通过各层的热传导速率必相等，即,∴,,∴，，∴5、某燃烧炉的平壁由下列依次砌成：耐火砖导热系数℃绝热转℃普通砖℃若已知耐火砖内侧面温度为860℃，耐火砖与绝热转接触面温度为800℃，而绝热转与普通砖接触面温度为135℃，试求：（1）通过炉墙损失的热量，；（2）绝热砖层厚度，m；（3）普通砖外壁面温度，℃。解：（1）由导热热通量公式，得59 （2）（3）由℃6．规格为60×3mm的钢管用30mm厚的软木包扎，其外又用100mm厚的保温灰包扎，以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为－110℃，绝热层外表面温度为10℃。已知软木和保温灰的平均导热系数分别为0.043W/（m·℃）和0.07W/（m·℃），试求每米管长的冷量损失量，w/m。解：已知，，，，每米管长的冷量损失量为7、用钢管输送水蒸气，为减少热损失，钢管外包扎两层绝热材料，第一层厚度为30mm，第二层厚度为50mm，管壁及两层绝热材料导热系数分别为45、0.093、0.175W/(m·℃)，钢管内壁面温度为300℃，第二层保温层外表面温度为50℃，试求单位管长的热损失量和各层间接触界面的温度。解：管壁℃第一层材料W/(m·℃)第二层材料W/(m·℃)，℃，℃管外壁的温度为，则59 得：同理：得：管外壁与第一层绝热材料接触面温度为299.9℃。设第一层与第二层绝热材料接触面温度为=147.9℃8．在蒸汽管道外包扎有两层厚度相等而导热系数不同的绝热层，外层的平均直径为内层的2倍，其导热系数也为内层的2倍。若将两层材料互换而其他条件不变，试计算热阻的变化。说明在本题情况下，哪一种材料包扎在内层较为合适。解：由已知得，，，，导热系数大的材料在内时，导热系数小的材料在内时，，，即∴小的材料包扎在内层较为合适。9．在套管换热器中，用冷水将硝基苯从85℃冷却到35℃，硝基苯流量为2000kg/h，进出口温度分别为20℃和30℃，试求冷却水用量。假设换热器热损失可忽略。解：查得平均温度下，，由热量衡算式得：，即，得59 10、在一列管式换热器中，壳程有绝压为180kPa水蒸气冷凝，某种液体在管内流过，其流量为2000kg/h，进口温度为20℃，出口温度为70℃，平均温度下比热容为2.5kJ/kg·℃,试求蒸汽用量。假设换热器热损失可忽略，壳程蒸汽冷凝后排出的为饱和水。解：180kPa水蒸气的冷凝潜热，热损失可忽略11、在一套管换热器中，热流体由300℃降到200℃，冷流体由30℃升到150℃，试分别计算并流和逆流操作时的对数平均温度差。解：并流时热流体温度300℃200℃冷流体温度30℃150℃=270℃=50℃℃逆流时热流体温度300℃200℃冷流体温度150℃30℃=150℃=170℃℃12．在下列的列管式换热器中，冷流体在管内流过，由20℃加热到50℃，热流体在壳程流动，由100℃冷却到60℃，试求以下两种清况下的平均温度差。（1）壳方单程，管方四程。（2）壳方二程，管方四程。59 解：先按逆流计算，即而，（1）对于壳方单程、管方四程查图得，∴（2）对于壳方双程、管方四程查图得，∴13、在一套管换热器中，内管为的钢管，热水在内管内流动，热水流量为2500kg/h，进出口温度分别为90℃和50℃，冷水在环隙中流动，进出口温度分别为20℃和30℃.逆流操作，若已知基于管外表面积的总传热系数为1500w/℃。试求套管换热器的长度。假设换热器的热损失可忽略。解：逆流时热流体温度90℃50℃冷流体温度30℃20℃=30℃=60℃℃又14、在一套管换热器中，苯在管内流动，流量为3000kg/h，进出口温度分别为80℃和30℃，在平均温度下苯的比热容为1.9kJ/kg·℃,水在环隙中流动，进出口温度分别为15℃和30℃，逆流操作，若换热器的传热面积为2.5㎡，试求总传热系数。59 解：逆流操作热流体温度80℃30℃冷流体温度30℃15℃=50℃=15℃℃又℃)]15．用压力p=294kPa的饱和水蒸汽（只放出潜热）将对二甲苯由80℃加热到100℃，对二甲苯的流量为80,密度为860试求蒸汽用量。又当总传热系数时，求所需的传热面积。解：查表得绝对压力p=294kPa的饱和水蒸汽的气化潜热为2170kJ/kg，温度为133℃，二甲苯的平均比热容，设蒸汽用量为，则（1）（2），16、在一逆流操作的单程列管式换热器中用冷水将1.25kg/s的某液体（比热容为1.9kJ/kg·℃），从80℃冷却到30℃，水在管内流动，进出口温度分别为20℃和50℃，换热器的列管直径为，若已知管内、管外的对流系数分别为0.85、1.70kW/℃，试求换热器的传热面积。假设污垢热阻，管壁热阻及换热器的热损失均可忽略。59 解：逆流操作热流体温度80℃30℃冷流体温度50℃20℃=10℃=30℃℃又W/℃17、在列管式换热器中，用冷水冷却某油品，水在直径为的列管内流动，已知管内水侧对流传热系数为2000W/℃，管外油侧对流传热系数为250W/℃。该换热器使用一段时间后，管壁两侧均形成垢层，水侧垢层热阻为0.00025℃，油侧垢层热阻为0.0002℃。管壁导热系数为45W/℃.试求产生污垢热阻增加的百分数。解：根据题意可得：W/℃，W/℃，℃，℃，未产生污垢层时：（W/℃）产生污垢后：59 （W/℃）第四章蒸发1、已知25%NaCl水溶液在0.1MPa下沸点为107℃，在0.02MPa下沸点为65.8℃，试利用杜林规则计算在0.05MPa下的沸点。解：经查表可得：水在常压、0.1MPa、0.02MPa、0.05MPa下的沸点分别为100℃、99℃、60.1℃、81.2℃，又由杜林规则可得：℃2、试计算密度为1200的溶液在蒸发时因液柱压头引起的温度差损失（已知蒸发器加热管底端以上液柱深度为2m，液面操作压强为20kPa(绝压)）。解：由静力学基本方程，得经查表20kPa下饱和蒸气温度为60.1℃，31.76kPa下饱和蒸气温度为68℃℃3、当二次蒸汽的压强为19.62kPa时，试计算24.24%NaCl水溶液的沸点升高值为多少？解：经查表：浓度为24.24%的NaCl水溶液在常压下的沸点为107℃59 ℃经查表可得19.62kPa时，水蒸气的饱和温度为T=60.1℃=333.25K，其潜热℃4、在传热面积为85㎡的单效蒸发器中，每小时蒸发1600kg浓度为10%的某种水溶液，原料液温度为30℃，蒸发操作的平均压强为100kPa，加热蒸汽总压为200kPa，已估计出有效温度差为12℃，试求完成液浓度。已知蒸发器的传热系数为900，热损失取为蒸发器传热量的5%，设溶液比热近似取为。解：1）、2）、3）、总传热量:4)、溶液沸点：5）、原料液由30℃泡点（108.2℃）所需有效热量6)、汽化过程所需有效热量7）、蒸发器热损失为：∵∴8）、∵59 ∴5、某真空蒸发器中每小时蒸发kg、浓度为8%的水溶液。原料液温度为75℃，蒸发室压强为40kPa（绝压），加热蒸汽绝对压强为200kPa。完成液浓度为42.5%，试求蒸发器的传热面积和加热蒸汽量。已知蒸发器的传热系数,热损失为总传热量的3%，并忽略静压效应，设溶液比热近似取为。解：水分蒸发量；查得40kPa（绝压）下水的沸点为75℃，汽化热为2312；200kPa（绝压）下水的沸点为120.2℃，汽化热为2205；查得101.3kPa（绝压）下水溶液的沸点为102℃，水的沸点为100℃∴校正次数∴溶液的沸点升高溶液的沸点为∵,∴传热面积59 第五章蒸馏1、已知苯—甲苯混合液中苯的质量分率为0.25，试求其摩尔分率和混合液的平均分子量。解：苯：甲苯：平均分子量：2、（1）含乙醇0.12（质量分数）的水溶液，其摩尔分率为多少？（2）乙醇—水恒沸物中乙醇含量为0.894（摩尔分率），其质量分率为多少？解：（1）（2）3、苯—甲苯混合液在压强为101.33kPa下的t-x-y图见本章图5-1，若混合液中苯初始组成为0.5（摩尔分率），试求：（1）该溶液的泡点温度及其瞬间平衡气相组成；（2）将该混合液加热到95℃时，试问溶液处于什么状态？各项组成为若干？（3）将该溶液加热到什么温度，才能使其全部气化为饱和蒸气，此时的蒸气组成为若干？解：（1）泡点为92℃，，（2）95℃溶液处于气液共存区，59 （3）将该溶液加热到98℃时，溶液全部气化为饱和蒸气。此时气相中轻组分含量为0.5。4、苯—甲苯混合液中苯的初始组分为0.4（摩尔分率，下同），若将其在一定总压下部分汽化，测得平衡液相组分为0.258，气相组成为0.455，试求该条件下的气液比。解：由题意可得：即设原料量F=1mol解得：,∴气液比5、某两组分理想溶液，在总压为26.7kPa下的泡点温度为45℃，试求气液平衡组成和物系的相对挥发度，设在45℃下，组分的饱和蒸气压为。解：根据泡点方程，得根据露点方程，得又由得气相中轻组分含量为0.94，重组分含量为0.06；液相中轻组分含量为0.84，重组分含量为0.16；物系的相对挥发度为3.02。6、在连续精馏塔中分离二硫化碳（A）和四氯化碳（B）混合液，原料液流量为1000kg/h，59 组成为0.30（组分A质量分数，下同），若要求釜残液组成不大于0.05，馏出液中二硫化碳回收率为90%，试求馏出液流量和组成(组分A的摩尔分率)。解：二硫化碳的分子质量为76kg/kmol，四氯化碳的分子质量为154kg/kmol，原料液组成（摩尔分率）为原料液的平均分子质量为原料液摩尔流量为釜残液组成为由全塔物料衡算可得：总物料：（1）易挥发组分A：（2）代入上式（2）得：解得：7、在常压连续精馏塔中分离某两组分理想溶液，原料液流量为300kmol/h，组成为0.35（易挥发组分的摩尔分率，下同），泡点进料。馏出液组成为0.90釜残液组成为0.05，操作回流比为3.0，试求：（1）塔顶和塔底产品流量，kmol/h；（2）精馏段与提馏段的上升蒸气流量和下降液体流量，kmol/h。解：（1）由全塔物料衡算得：即解得：59 （2）由操作回流比3.0可知8、在连续精馏塔中分离两组分理想溶液，原料液流量为75kmol/h，泡点进料，若已知精馏段和提馏段操作线方程分别为，，试求：（1）精馏段和提馏段的下降液体流量，kmol/h；（2）精馏段和提馏段的上升蒸气流量；kmol/h。解：由操作线方程（a）可得,R=2.61又∵∴又∵是泡点进料，∴q=1由操作线方程（b）可得:(1)(2)由提馏段操作线方程与对角线联立得：，，即由已知条件知F=85kmol/h,由（1）、（2）式联立，得(3)又∵,将上述二式代入（3）得：∴59 ∴9、在常压连续精馏塔中，分离甲醇-水溶液。若原料液组成为0.45（甲醇摩尔分率）温度为30℃，试求进料热状态参数。已知进料泡点温度为75.3℃，操作条件下甲醇和水的汽化潜热分别为1055kJ/kg和2320kJ/kg，甲醇和水的比热容分别为2.68kJ/(kg·℃)和4.19kJ/(kg·℃)。解：甲醇的分子质量为32kg/kmol，水的分子质量为18kg/kmol。已知进料泡点温度为℃，℃，原料液的平均汽化潜热为：原料液的平均比热容为：℃进料热状态参数为：10、在连续精馏塔中分离两组分理想溶液，已知精馏段和提馏段操作线方程为，若原料液于露点温度下进入精馏塔中，试求原料液馏出液和釜残液的组成及回流比。解：由精馏段操作线方程；得露点进料线两操作线交点纵坐标为59 解之得因为为提馏段操作线上一点，所以将代入提馏段操作线方程，得。11、在连续精馏中分离两组份理想溶液，已知原料液组成位0.45（易挥发组分摩尔分率，下同），原料液流量100kmol/h，泡点进料，馏出液组成为0.90，釜残液组成为0.05，操作回流比为2.4。试写出精馏段操作线方程和提溜段操作线方程。解：由全塔物料衡算及一挥发组分物料衡算得(1)即(2)联立（1）（2）得出（1）精馏段操作线方程（2）提馏段操作线方程59 12、在连续精馏中分离两组份理想溶液，已知原料液组成位0.55（易挥发组分摩尔分率，下同），泡点进料，馏出液组成为0.90，操作回流比为2.5，物系的平均相对挥发度为3.0，塔顶为全凝器，试用逐板法计算求精馏段理论板数。解：由气液平衡方程得：由精馏操作线方程得：∵塔顶为全凝器，则由平衡方程得，即由操作线方程得，即由平衡方程得，即由操作线方程得，即由平衡方程得，即∵∴第三版为加料板，即精馏段理论板数为2。13、在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液，原料液组成为0.50（苯的摩尔分数，下同），气液混合物进料，其中液化率为1/3，若馏出液组成为0.95，釜残液组成为0.02，回流比为2.5，试求理论板数和适宜的进料位置。解：精馏段操作线方程为：此题的理论板数和适宜的进料位置可由图解法求得，见下图：59 由图可知所需理论板数为12（不包括再沸器），自塔顶往下的第6层为进料板。14、在常压连续精馏塔中分离甲醇-水溶液，原料液组成为0.4（甲醇的摩尔分率，下同），泡点进料。馏出液组成为0.95，釜残液组成为0.03，回流比为1.6，塔顶为全凝器，塔釜采用饱和蒸气直接加热，试求理论板数和适宜的进料位置。解：由题可知：精馏段操作线方程为：此题理论板数可由图解法求得，见下图：59 从图中可知，理论板数为7，自塔顶往下的第5层为进料板。15、在连续精馏塔中分离两组份理想溶液，原料液组成位0.35（易挥发组分得摩尔分率，下同），馏出液组成为0.9，物系的平均相对挥发度为2.0，回流比为最小回流比的1.4倍，试求以下两种情况下的操作回流比。（1）饱和液进料；（2）饱和蒸汽进料。解：（1）饱和液进料，线与平衡线的交点坐标（0.35，y）,∵平衡线方程为，∴将代入上述方程，得，即线与平衡线的交点坐标（）为（0.35，0.519），（2）饱和蒸汽进料，线与平衡线的交点坐标（，0.35）,∵平衡线方程为59 ，∴将代入上述方程，得，即线与平衡线的交点坐标（）为（0.212，0.35），16、在连续精馏塔中分离两组分理想溶液。塔顶采用全凝器。实验测得塔顶第一层塔板的单板效率为0.6。物系的平均相对挥发度为3.0，精馏段操作线方程为y=0.833x+0.15。试求离开塔顶第二层塔板的上升蒸气组成y2。解：其中：解得解得即：解得17．用一连续精馏塔分离含二硫化碳0.44的二硫化碳-四氯化碳混合液。原料在泡点下进料，原料液流量为4000kg/h，要求馏出液组成为0.98，釜液组成不大于0.09（以上均为摩尔分率）。回流比为2，全塔操作平均温度为61℃，空塔速度为0.8m/s,塔板间距为0.4m，全塔效率为59%。试求：（1）实际塔板层数；（2）两种产品的质量流量；（3）塔径；（4）塔的有效高度。常压下二硫化碳-四氯化碳溶液的平衡数据如下表常压下二硫化碳-四氯化碳溶液的平衡数据液相中摩尔分率气相中摩尔分率液相中摩尔分率气相中摩尔分率00.02960.061500.08230.15550.39080.53180.66300.63400.74700.829059 0.11060.15350.25800.26600.33250.49500.75740.86041.00.89700.93201.0解：原料液的平均分子量根据总物料衡算和易挥发组分衡算得，因为：泡点进料，，，精馏操作线截距。采用作图法得：,塔高m。又∵精馏段气体体积流量：塔径计算：59 18.在常压连续精馏塔中，分离苯-甲苯混合液，原料液流量为10000kg/h，组成为0.50（苯的摩尔分率，下同），泡点进料。馏出液组成为0.99，釜残液组成为0.01。操作回流比为2.0，泡点回流。塔底再沸器用绝压为200kPa的饱和蒸气加热，塔顶全凝器中冷却水的进、出口温度分别为25℃和35℃。试求：（1）再沸器的热负荷和加热蒸汽消耗量；（2）冷凝器的热负荷和冷却水消耗量。假设设备的热损失可忽略。苯的气化潜热为389kJ/kg，甲苯的气化潜热为360kJ/kg。解：原料液：，由物料衡算得：,代入数值得:。（1）再沸器热负荷：又∵，∴（2）冷却水用量：，消耗水量：∵∴第六章吸附吸收1、某种混合气中含有30%（体积）的，其余为空气。于1013kPa及30℃59 下用清水吸收其中，试求液相中的最大浓度。解：根据分压定律：2．每1000g水中含有18.7g氨，试计算氨的水溶液的摩尔浓度c、摩尔分率、及摩尔比。解：由题意得3、在一个大气压20℃时，氧气在水中的溶解度可用下式表示,式中p为气相中氧的分压；x为液相中氧的摩尔分数；试求在上述条件下氧在水中的最大溶解度。解：根据分压定律：4．常压下34℃的空气为水蒸气所饱和.试求:1）混合气体中空气的分压；59 2）混合气体中水蒸气的体积分率；（理想气体的体积分率等于摩尔分率）3）混合气体中水蒸气的摩尔比浓度。解：查饱和水蒸气表t=34℃（1）（2）体积分率（3）摩尔比浓度5、氨水的浓度为25%（质量分数），求氨对水的质量比和摩尔比。解：质量比：=0.333摩尔比：=0.3536．已知空气中N2和O2的质量分数分别为76.7%和23.3%，总压为一个大气压，求N2和O2的质量比和摩尔比。解：7、在逆流操作的吸收塔中，于一个大气压25℃下用清水吸收混合气体中的，将其浓度由2%降至0.1%（体积分率），该系数符合亨利定律，若取吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算操作液气比L/V及出口液相组成。解：气相中：59 8．在常压下用水吸收某低浓度气体，已知气膜系数kg=1.9kmol/（m2.h.）,液膜吸收系数为，溶解度系数H=0.0015kmol/m3.，试求气相体积吸收总系数KG及相平衡常数m，并指出控制该过程的膜层。解：（1）由题意可得：∴∴，∴控制过程的膜层为液层。（2）由得9、在20℃59 及101.3kPa下，用清水分离氨和空气的混合气体，，混合气中氨的分压为1330kPa，经处理后氨的分压下降到7Pa，混合气体的处理量为1020kg/h，操作条件下平衡关系为，若适宜吸收剂用量为最小用量的5倍时，求吸收剂用量。解：又因为所以10．用清水吸收含低浓度溶质A的混合气体，平衡关系服从享利定律。现已测得吸收塔某横截面上气相主体溶质A的分压为5，液相溶质A的摩尔分率为0.01,相平衡常数m为0.82,气膜吸收系数=2.58×10-5kmol/（m2.s），液膜吸收系数=3.85×10-3kmol/（m2.s）。塔的操作总压为101.3，试求：1）气相总吸收系数，并分析该吸收过程的控制因素。2）该塔横截面上的吸收速率。解：（1）由题意得：59 ∴∴该过程主要受气膜阻力所控制。（2）由题意得：∴11、在填料吸收塔中，用清水吸收甲醇-空气混合气体中的甲醇蒸气吸收操作，在常压及27℃下进行，此时，混合气流率为1200，塔底处空塔速度为0.4m/s，混合气中甲醇浓度为100g甲醇/空气，甲醇回收率为95%，体积吸收总系数为，在操作条件下气液平衡关系为。试计算在塔底溶液浓度为最大可能浓度的70%时，所需的填料层高度。解：混合气的摩尔流速为：59 ∴12．在内径为0.8m的常压填料吸收塔内，装有高5m的填料。操作温度为20℃。每小时处理1200氨-空气混合气体，其中氨的浓度为0.0132(摩尔分率).用清水做吸收剂,其用量为900。吸收效率为99.5%.已知操作条件下气液平衡关系符合享利定律,在20℃时,一组平衡数据为:液相浓度为1g()/100g(),相应的平衡气相中氨的分压为800.试求:1)享利系数及溶解度系数。2)气相体积吸收总系数。解：根据相平衡关系得59 ∴又∵根据物料衡算得：,∴∴∴而,∴又∵∴13.在27℃及101.3下,用水吸收混于空气中的甲醇蒸汽。甲醇在气—液两相中的浓度很低，平衡关系服从享利定律。已知溶解度系数H=1.995kmol/m3.kpa,气膜吸收分系数kg=1.55×10-5kmol/m2.s.kPa,液膜吸收分系数为,试求吸收总系数并算出气膜阻力在总阻力中所占的百分数。59 解：由得第七章萃取1、25℃时，醋酸（A）—庚醇—3（B）—水（S）的平衡数据如本题附表所示。试求：（1）在直角三角形相图上作出溶解度曲线及辅助曲线，在直角坐标图上作出分配曲线；（2）由50㎏醋酸、50㎏庚醇—3和100㎏水组成的混合液的坐标点位置。经过充分混合而静置分层后，确定平衡的两夜相的组成和量；（3）上述两液层中溶质A的分配系数及溶剂的选择性系数。溶解度曲线数据（质量百分数）醋酸（A）庚醇-3（B）水（S）醋酸（A）庚醇-3（B）水（S）03.58.619.324.430.741.445.846.547.596.493.087.274.367.758.639.326.724.120.43.63.54.26.47.910.719.327.529.432.148.547.542.736.729.324.519.614.97.10.012.87.53.71.91.10.90.70.60.50.438.745.053.661.469.674.679.784.592.499.6联结线数据（醋酸的质量分数）水层庚醇-3层水层庚醇-3层6.413.719.826.733.65.310.614.819.223.738.242.144.148.147.626.830.532.637.944.959 解：（1）溶解度曲线、辅助曲线和分配曲线见本题附图。（2）由,确定和点m的位置。由图读得两平衡液层的组成：水层（E层）：，，庚醇-3层（R层）：，，两液层的量由杠杆规则确定，,（3）分配系数选择性系数59 2、25℃下，用甲基异丁基甲酮MIBK从含丙酮40％（质量％，下同）的水溶液中萃取丙酮。原料液的流量为1500㎏/h。操作条件下的平衡数据见本题附表。试求：（1）欲在单级萃取装置中获得最大组成的萃取液时，萃取剂的用量为若干㎏/h；（2）若将（1）求得的萃取剂用量分作两等份进行两级错流萃取，则最终萃余相的组成和流量为若干；（3）比较（1）、（2）两种操作方式中丙酮的萃出率（即回收率）。25℃时丙酮-水-甲基异丁基甲酮MIBK的平衡数据（均为质量百分数）丙酮（A）水（B）MIBK(S)丙酮（A）水（B）MIBK(S)04.618.924.428.937.643.247.048.52.22.33.94.65.57.810.714.818.897.893.177.271.065.654.646.138.232.748.546.642.630.920.93.7024.132.845.064.175.994.298.027.420.612.45.03.22.12.025℃时丙酮-水-甲基异丁基甲酮MIBK的联结线数据（均为质量百分数）水层中的丙酮MIBK层中的丙酮水层中的丙酮MIBK层中的丙酮5.5811.8315.3510.6618.025.529.532.036.04042.545.559 20.623.830.535.338.041.547.048.0解：（1）过点S作溶解度曲线的切线交AB与点，切点为E，点即为萃取液最大组成点，由辅助曲线找出R点，连接ER交FS于M点，即为和点。由杠杆规则得：∴（2），，∴由杠杆规则得：，∴，由此确定出点，用试差法找出两点，∵由杠杆规则得：连接SR，，由杠杆规则得：，∴，由此确定点，用试差法找出两点，由杠杆规则得：，由图读出组成（3）方式（一），由杠杆规则得：59 ∴方式（二），∴相同的萃取剂用量多级错流萃取比单级萃取效果好。3、在多级错流接触萃取装置中，以水作萃取剂从含乙醛6％（质量%，下同）的乙醛-甲苯混合液中提取乙醛。原料液的流量为120㎏/h，要求最终萃余相中乙醛的含量不大于0.5%，每级中水的用量均为25㎏/h。操作条件下，水和甲苯可视作完全不互溶，以乙醛的质量比组成表示的平衡关系为：Y=2.2X试求所需的理论级数（作图法和解析法）解：，操作线斜率为将原料液及要求的乙醛浓度由质量分率换算成质量比59 ，(一)作图法由平衡关系在直角坐标系中作出分配曲线，过点作斜率为-4.5的直线，交平衡线OE于，自作垂线，交X轴于，通过再作斜率为-4.5的直线，交平衡线OE于，以此类推，直至萃余相的浓度低于所需要的，由图可知理论级数为7。(二)解析法∵，，∴，第一级萃取，解得;同理可求得，，，，。∴所求的理论级数为7。59 4、以水为萃取剂从丙酮与醋酸乙酯的混合液中提取丙酮。原料液的流量为2000㎏/h，其中丙酮的含量为40%（质量%，下同），要求最终萃余相中丙酮的含量不大于6%，拟采用多级逆流萃取装置，操作溶剂比（S/F）=0.9.试求：（1）所需的理论级数；（2）萃取液的组成和流量；操作条件下的平衡数据见本题附表。平衡数据萃取相（质量%）萃余相（质量%）丙酮（A）醋酸乙酯（B）水（S）丙酮（A）醋酸乙酯（B）水（S）03.26.09.512.814.817.521.226.47.48.38.08.39.29.810.211.815.092.688.586.082.278.075.472.367.058.604.89.413.516.620.022.427.832.696.391.085.680.577.273.070.062.051.03.54.25.06.06.27.07.610.213.259 解：（1）由平衡数据画出溶解度曲线和辅助曲线，由丙酮的含量40%确定出F点，由操作溶剂比确定出M点，依在相图上定出，连接并延长与溶解度曲线交于,此点即为最终萃取相组成点，联结点与F，点S与，延长两条线交于点Δ。由辅助曲线得出,联结为第一级；联结交溶解度曲线于，联结为第二级；依次作图，当，故所需理论级数为5。（2）联结的延长线与AB边相交于，此点即为最终萃取液的组成，由图读得。由杠杆规则计算萃取液的流量，第八章干燥1、已知湿气的总压为101.3kPa，水蒸气分压为5kPa，试求：59 (1)空气的湿度；（2）湿空气的饱和温度。解：（1）由题意可得：（2）由I-H图可得：湿空气的饱和温度为32℃。2、已知湿空气的干球温度为30℃，相对温度为40%，空气总压为101.3kPa，试求：（1）空气的湿度；（2）空气的饱和湿度；（3）空气的水蒸气分压；（4）空气的露点；（5）空气的湿比容；（6）空气的湿比热容；（7）空气的焓。解：30℃时（1）（2）（3）空气的水蒸气分压为（4）℃（5）（6）（7）I=603、利用I-H图填充下列表的空白。露点/℃59 干球温度/℃湿球温度/℃湿度/（kg水/kg干空气）相对湿度/%焓/(kJ/kg绝干气)水气分压/kPa20180.01370552.01530260.02070803.02440290.02140933.22550350.033401355.03360360.030371404.7304、空气的总压为101.3kPa，干球温度为20℃，湿球温度为15℃，该空气在预热器中预热至60℃以后，送入一干燥器中，若空气在干燥器中经历等焓干燥过程，离开干燥器时，相对湿度为75%。试求：（1）新鲜空气的湿度、露点、相对湿度、焓、水蒸气分压：（2）离开预热器空气的湿度、焓及100的新鲜空气经预热后增加的热量；（3）离开干燥器的废气的温度、焓、露点温度；（4）100的新鲜空气在干燥器中所蒸发的水分量。解：（1）由已知条件中℃，℃，由H-I图得出其余各参数：①湿度H：由A点沿等H线向下交水平辅助轴于C点，读得；②露点：由A点沿等H线向下与饱和空气线交于D点，由过D点的等温线在纵轴上读得℃；③相对湿度：读得；④焓I：过A点作等I线的平行线交于左端，纵轴于E点，读得；⑤59 水蒸气分压：由A点沿等H线向下交水蒸气分压线于B点，在图右端纵坐标上读得；（2）离开预热器空气的湿度H不变，即绝干空气的量为：（3）等焓过程，所以I不变。即℃，℃，（4）5、一连续干燥器每小时干燥湿物料的量为1500kg，使其含水量45%降到3%（均为湿基含水量）试计算除去的水分量。解：6、某干燥器的水分蒸发量为400kg/h，所处理的湿物料的含水量为45%，求：（1）当湿物料的量为1200kg/h时，产品中的含水量；（2）当所得产品量为600kg/h时，产品中的含水量（湿基含水量）。解：（1）59 （2）7、在去湿设备中将空气的部分水蒸气除去，操作压强为101.3kPa，空气进口温度为293K，空气中水蒸气分压为6.7kPa，出口处水蒸气分压为1.33kPa，试计算100的空气所除去的水分量。解：℃下，8、某干燥器湿物料的处理量为120kg/h，湿基含水量为12%，干燥产品湿基含水量为2%，进干燥器的空气流量为600kg/h，温度为85℃，相对湿度为10%，求物料水分蒸发量和空气出干燥器时的湿度。解：（1）绝干物料为：（2）由℃，查I-H图可得：59 绝干空气的质量为9、某常压干燥器其生产能力为6000kg干物料/h，现将物料从含水量5%干燥至0.5%，已知湿物料的进口温度为25℃，出口温度为65℃，新鲜空气温度为20℃，进干燥器温度为120℃，湿度为0.007kg水/kg干空气，出干燥器温度为80℃，试计算干空气的消耗量和空气离开干燥器的湿度。解：设干空气的消耗量为L，进入干燥器的空气的湿度为H，物料的干基含水量为，离开干燥器的空气的湿度为，物料的干基含水量为，则绝干物料的量为由进入干燥器的温度℃，湿度湿过程则由℃，59 将℃，℃，℃，65℃代入（1）式得由干燥过程物料平衡可得：可得：10、某气流干燥器湿物料的处理量为1.2kg/s，使其含水量由12%降至25%，空气初始温度为25℃，湿度为0.006kg水/kg干空气，空气由预热器预热至140℃进入干燥器，出干燥器温度为80℃，试求预热器需提供的热量及干燥器量的热效率。解：干燥过程59 11.在恒定干燥条件下，将湿物料由干基含水量0.33干燥至0.09，共需干燥时间7h。若继续干燥至0.07，再需多少时间？已知物料的临界含水量为0.16，平衡含水量为0.05。已知;;;;求：解：由已知条件知，可求得24.8所以4.6559 59'