石油化学工程基础习题答案.doc 100页

'《石油化学工程基础》习题解答原书编著：李阳初王耀斌习题解答：郭成石油大学（华东）化学化工学院炼制系化工原理教研室第○章绪论 0-1某设备内的压力为，试用SI单位表示此压力。解：在SI单位制中，压力的单位为Pa由附录1可知，则0-2将的传热速率换算成以kW（千瓦）表示的传热速率。解：由0-3流体的体积流量为，试分别用、及表示。0-4空气在100℃时的比热为，试以SI单位表示。解：由附录1查得：0-5等于多少、和kW？0-6通用气体常数，将其单位换算成工程单位和SI单位。 第一章流体流动1-1已知油品的相对密度（即比重）为0.9，试求其密度和比容。解：1-2若将90kg密度为的油品与60kg密度为的油品混合，试求混合油的密度。解：混合后各油品的重量百分比：由得：1-3氢和氮混合气体中，氢的体积分率为0.75。求此混合气体在400K和的密度。解：混合气体平均分子量： 1-4如题图所示，用U形管压差计测定气体反应器进。出口处的压力，测得，，试求此反应器底部A和顶部B处的表压和绝压为多少。当地大气压力。解：A处的表压：A处的绝压：A、B处的压差：则B处的表压：B处的绝压：1-5用U形管压差计测定气体管路中某两点的压力差，压差计中的指示液为水，其密度为，压差计读数为500mm。试计算两点的压力差为多少。解：1-6为了放大所测气体压差的读数采用如图1-10所示的斜管压差计，。若压差计内装密度为的95%乙醇溶液，压差计读数R’为29mm。试计算压力差，分别用SI单位和工程单位表示。 1-7密度为的原油经过直径为的钢管流动，流速为，试求原油的体积流量、质量流量和质量流速。解：已知1-8比重为1.83的硫酸经由直径为和的管子串联管路，体积流量为。试分别求硫酸在两种直径管中的质量流量、流速和质量流速。解： 1-9如题图所示，从容器A用泵B将密度为油品输送到塔C顶部。容器内与塔顶的表压力如题图所示。管子规格为。油品的输送量为，输送管路的全部能量损失为，试求泵的有效功率。解：管内流体的流速：以容器A的液面为截面1，以塔C为截面2在1-2截面间列柏努利方程：得：1-10如题图所示，从敞口高位槽向精馏塔加料，高位槽液面维持不变，塔进料口处的压力为（表压）。原料液的密度为，管子直径，从高位槽至塔的进料口处的阻力损失为。试问要维持的加料量，高位槽中的液面须高出塔的进料口多少米？解：管内流体的流速： 以高位槽的液面为截面1，以进料管入口为截面2在1-2截面间列柏努利方程：得：1-11如题图所示为一由敞口高位槽的稳定供水系统，管径为。已知从高位槽液面至管出口处的能量损失为（u为管内流速）。试求水的流量为多少？欲使水量增加20%，应将高位槽水面升高多少米？解：以高位槽的液面为截面1，管出口为截面2在1-2截面间列柏努利方程：得：若使水量增大20%，则在1-2截面间列柏努利方程：得： 即需要将高位槽水面升高至10.64m。1-12如图所示，一油水分离器中的油水分界面借助于Π形管来维持和调节，有关尺寸如附图所示。油的密度为，水的密度为。试计算：⑴如阀1和阀2均全关闭时，油水分界面高度H为多少米？（忽略Π形管中的阻力损失）⑵如打开阀2时，H为多少米？（忽略Π形管中的阻力损失）⑶如水在Π形管中的流动阻力损失时，重新计算⑴和⑵的内容。解：⑴当阀1和阀2均全关闭时，以油水界面为截面1，以Π形管管顶为截面2。在1-2截面间列柏努利方程：式中：，（表压），，（表压），，代入式中：整理得：得：⑵打开阀2而不考虑阻力损失，以油水界面为截面1，以阀2为截面位。在1-3截面间列柏努利方程：式中：，（表压），，（表压），，代入式中： 整理得：得：⑶若考虑阻力损失：在⑴中阀1、2关闭时：得：在⑵中阀2打开时：得：1-1325℃的水以的流量在直径为的钢管中流动，试判断其流动型态。如换成密度为、粘度为387cP的油品以同样的流量流动，试判断其流动型态。解：25℃的水的，油品：1-14述所述的输送管路，管中的流量达到多少时，水由层流开始向湍流流动？如油品保持层流流动，其管中的最大流速为多少？ 解：对于水：由层流时得：对于油品：由层流时得：1-15水在的水平钢管中流动，温度为20℃，管长100m，水的质量流量为。求直管阻力损失为多少？分别以、和表示。（管壁绝对粗糙度取）解：20℃水的物性：，由查图1-28得：则1-16有一热交换器，外壳内径为300mm，内装有60根直径为的光滑管组成的管束。空气以的流量在管外平行流过，空气的平均温度为30℃ ，换热器长度为4m。试估算空气通过换热器时的压力降，以和表示。解：30℃空气的物性：，以光滑管形式来确定λ：则1-17用泵将密度为、粘度为80cP的燃料油通过直径为的钢管输送到油罐。管路的直径长度为520m,管路上有两个全开闸阀,6个90°标准弯头，油从油罐的侧面进入。当燃料油的流量为时，整个管路的能量损失和压力降为多少？解：管件的阻力系数：入口，出口 全开闸阀，90°标准弯头1-18如题图所示由高位槽通过管径的钢管（绝对粗糙度）向用户供水。水的温度为20℃，流量为。管线的直管长度为35m，管路上有一个全开闸阀，2个90°标准弯头。试求整个输送管路的压力损失和压力降。解：20℃水的物性：由查图1-28得管件的局部阻力系数：入口，出口全开闸阀，90°标准弯头1-19如题图所示为一输油管路。已知管路为的钢管，A、B间的直管长度为40m，其间有6个90° 标准弯头，油的密度和粘度分别为和。在A和B点的压力表读数分别为和。其他数据如附图所示。试计算管路中油的流量。解：在A、B截面间列柏努利方程：式中：，，，对于钢管取，则先假设在阻力平方区，由图1-28查得则可计算得：校验：按层流计算，将代入公式：整理得： 得：，假设成立即管路中油的流量：1-20用泵将20℃的液体苯从贮槽输送到反应器，经过排管，直管长度为42m，管路上有两个90°标准弯头，一个半开的闸阀。管路出口在贮槽液面以上12m。贮槽与大气相通，反应器在（表压）下操作。苯的流量为，试设计管径，并计算泵的有效功率。解：由表1-2取苯在管路中的流速为20℃下苯的物性：，由得由附录十九取管径为的钢管，则流体实际流速为取则查得局部阻力系数：入口，出口，90°标准弯头半开闸阀，在贮槽及反应器间列柏努利方程：式中：，，，， 1-21有一水平输送原油的管路，管径为，总长度为42km。原油的流量为，密度和粘度分别为和300cP，管路两端压差保持不变，试问：⑴在管路下游1/3处并联一条同样直径的管子时，原油输送量增到多少？⑵欲使原油流量增加50%，需并联多长的管子？解：⑴在管路下游1/3并联一条同样直径的管子时：并联前的由于流体的粘度较大，可假设并联管路后仍为层流根据并联管路特点，并联部分的管路阻力损失相等而即：由于管径及管长均相等，则有则并联后的总管流速为：由于管路两端点压差不变，则在并联前后的总阻力应保持不变并联前的阻力：并联后的阻力： 由于，则有即代入数据可得解得：检验：假设成立⑵若使原油流量增大50%，则，而由于管路两端点压差不变，则在并联前后的总阻力应保持不变并联前的阻力：并联后的阻力：由于，则有即代入数据可得即需并联28km的同样直径的管路。1-22如题图所示由敞口高位槽A分别向反应器B和吸收塔C稳定的供给20℃的软化水，反应器B内压力为，吸收塔C中真空度为73.5mmHg。总管路的规格为，长度为；从分支点至反应器B的管路规格为，长度为15m；从分支点至吸收塔C的管路规格为，长度为20m （以上管长均包括各自管路上的各种局部阻力的当量长度）。整个管道为无缝钢管，其粗糙度ε可取0.15mm。如果要求向反应器B供给水流量为，向吸收塔C供给水流量为，问高位槽液面至少高于地面多少？解：20℃水的物性：，以分支点为O点，则在OB段中的流速为：由查图1-28得则根据柏努利方程可得O点的总比能为：则在OC段中：由查图1-28得则根据柏努利方程可得O点的总比能为：取两个中较大者，即在总管中的流速： 由查图1-28得则在A与O间列柏努利方程：即高位槽距地面至少11.44m，此时OB段应适当关小阀门。1-23在的输送空气管道中心安装了一个皮托管，空气的温度为21℃，压力为1atm（绝压）。用一微差压差计测定压差，指示液为油和水，其密度分别为和。当压差计读数为50mm时，空气的质量流量为多少？解：21℃空气的物性：，压差计指示值：由皮托管测得的管中心流速：查图1-25得即1-24在直径的输送轻油管路上，安装了一个标准孔板流量计以测量轻油的流量。已知孔板孔径为60mm，在操作温度下轻油的密度为，运动粘度为 1cSt。当U形管压差计读数为1250mmH2O时，轻油的体积流量和质量流量各为多少？解：先假设为定值，由查图1-41得再由此查得，如上法计算后得，，再由此查得基本不变，则认为此即为管内的实际流速则1-25在输送空气管道上安装了一个孔径为75mm的标准孔板流量计，孔板前空气压力为，温度为25℃。问当U形管压差计读数为145mmH2O时，流经管道空气的质量流量为多少？解：25℃，1atm下空气的物性，则在下先假设为定值，由查图1-41得 在定值区，假设正确，则认为此即为管内的实际流速则1-26密度为，粘度为2cP的某溶液，通过的钢管流动，最大流量为，U形管压差计的读数R最大不超过400mmHg，试计算标准孔板流量计的孔板孔径。解：假设在极限点上，查图1-41得根据代入数据解得：校验：由查图1-41得再代入前式中求得 则再由查图1-41得，即选用孔径为55mm的标准孔板流量计。1-27转子流量计出厂时是以20℃和1atm条件下的空气进行标定的，现用来测定密度为的裂解气的流量，当读数为时，裂解气的流量为多少？解：20℃和1atm条件下的空气的第二章流体输送机械2-1用15℃的水进行某离心泵的性能实验，水的体积流量为，泵入口真空表读数为180mmHg，泵出口压力表读数为，轴功率为1.77kW。真空表与压力表间垂直距离为400mm，吸入管与排出管的直径分别为和。试求该流量下离心泵的压头和效率。解：15℃水的密度为以真空表位置为1截面，压力表位置为2截面(表压)（表压），在1、2截面间列柏努利方程： 2-2原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为的水溶液，水溶液的其它性质可视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个敞口容器的液面间的高度不变。试问：⑴泵的压头有无变化；⑵泵的出口压力表读数有无变化；⑶泵的轴功率有无变化。解：由于管路状况不变，泵前后敞口容器的液面差不变，而只是密度变化。⑴在两敞口容器液面间列柏努利方程：，因此泵的压头不变。⑵在泵的出口压力表与出口容器液面间列柏努利方程：，因此泵的出口压力表读数发生变化，其变化为：⑶轴功率： 因此泵的轴功率发生变化，其变化为：2-3某台离心泵在转速为时，输水量为，压头为20mH2O。现因马达损坏，用一转速为的电动机代用，问此时泵的流量、压头和轴功率将为多少？（泵的效率取60%）解：转速变化后，其他参数也相应变化。2-4在海拔1000m的高原上，使用一离心清水泵吸水，已知该泵吸入管路中的全部压头损失与速度头之和为6m水柱。今拟将该泵安装于水源水面之上3m处，问此泵能否正常操作？该处夏季水温为20℃，泵的允许吸上真空度为6.5m。解：海拔1000m处的大气压因此该泵不能正常操作。2-5用油泵从贮罐向反应器输送液态异丁烷。贮罐内异丁烷液面恒定，其上方的压力为（绝压）。泵位于贮罐液面以下1.5m处，吸入管路的全部压头损失为1.6m。异丁烷在输送条件下的密度为，饱和蒸汽压为。在泵的性能表上查得，在输送流量下泵的允许气蚀余量为3.5m。试确定该泵能否正常操作。解：该泵的允许安装高度为： 实际安装高度：因此该泵不能正常工作。2-6在某一车间，要求用离心泵将冷却水由凉水塔下的水池经换热器返回凉水塔，入凉水塔的管口比水池液面高10m，管口通大气，管路总长（包括当量长度）为400m，管子直径均为，换热器的压头损失为，在上述条件下摩擦系数取0.03，离心泵的特性参数如下表所示。试求：⑴管路特性曲线；⑵泵的工作点及其相应流量和压头。Q,00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008H,m2625.524.5232118.515.5128.5解：⑴在水池与凉水塔管口间列柏努利方程：式中：，，代入式中得：此即为管路特性曲线。⑵在坐标中描绘出管路特性曲线和泵特性曲线，两曲线的交点即为泵的工作点。从图中可求出泵的工作点为，。2-7有下列输送任务，试分别提出合适类型的泵： ⑴往空气压缩机的气缸中注油润滑；⑵输送番茄汁至装罐机；⑶输送带有粒状结晶的饱和盐溶液至过滤机；⑷将水送到冷却塔（塔高30m，水流量为）；⑸将洗衣粉浆液送到喷雾干燥器的喷头中（喷头内压力为100atm，流量为）；⑹配合pH控制器，将碱液按控制的流量加进参与化学反应的物流中。解：⑴齿轮泵、柱塞泵；⑵齿轮泵；⑶开式叶轮的耐腐蚀泵；⑷双吸离心水泵；⑸螺杆泵；⑹计量泵。2-8从水池向高位槽供水，要求供水量为，高位槽内压力为（表压），槽内水面与水池中的水面间的垂直距离为16m，吸入管和排出管中的压头损失分别为1m和2m。管路中的动压头可忽略不计。水温为25℃，当地大气压力为750mmHg。试选择合适的离心泵，并确定其安装高度。解：在水池与高位槽间列柏努利方程：式中：，，，，代入式中：查附录表20（P418），可选用2B31型水泵。从表中知该型水泵的允许吸上真空度则在750mmHg，25℃下的允许吸上真空度为： 则离心泵的允许安装高度为：则其实际安装高度也就是说该泵的安装高度最大为3.98m。或者也可选用3B33A型水泵，该型水泵的允许吸上真空度则在750mmHg25℃下的允许吸上真空度为：则离心泵的允许安装高度为：则其实际安装高度也就是说该泵的安装高度最大为4.68m。2-9其常压贮槽内盛有石油产品，其密度为，粘度小于20cSt，在贮存条件下的饱和蒸汽压为600mmHg。现将该油品以的流量送往表压为的设备内。输送管尺寸为的钢管。贮槽内液面维持恒定，从贮槽液面到设备入口处的高度为5m。吸入管与排除管的压头损失分别为1m和4m。试选择一台合适的泵，并确定其安装高度。当地大气压为760mmHg。解：在贮槽与设备间列柏努利方程： 式中：，，，，代入式中：查附录表20（P418），选用65Y-60B型油泵。其，，则其允许安装高度为：则其实际安装高度2-10将密度为的硝酸从贮酸槽输送到反应釜，流量为，贮酸槽内液面至反应釜入口之间的垂直距离为8m。反应釜内压力为(表压)，贮酸槽通大气，管路的压头损失为20m。试选择一台合适型号的离心泵，并估算泵的轴功率。解：在贮酸槽液面至与反应釜间列柏努利方程：式中：(表压)，(表压)，，，代入式中：查附录表20，选用F型耐腐蚀泵的40F-65型，其 则2-11某单动往复泵活塞的直径为160mm，冲程为200mm，现拟用该泵将密度为的某种液体从敞口贮槽输送到某设备内，要求的流量为，设备的液体入口处较贮槽液面高19.5m，设备内压力为(表压)，外界大气压力为736mmHg，管路的总压头损失为10.3m。当有15%的液体漏损和泵的总效率为72%时，试分别计算该泵的活塞每分钟往复次数与轴功率（忽略速度头）。解：往复泵理论流量而由得活塞的往复次数：在贮槽液面至与设备间列柏努利方程：式中：(表压)，(表压)，，，代入式中：2-12有一台双动往复泵，其冲程为300mm，活塞直径为180mm，活塞杆直径为50mm。若活塞每分钟往复55次，实验测得此泵在26.5分钟内，使一内径为3m的圆形贮槽的水位上升2.6m，试求泵的容积效率。解：往复泵的理论流量： 而实际流量：容积效率：2-13对一离心通风机进行性能测定的实验数据中，某组数据为：空气温度为20℃；风机出口处的表压为23mmH2O；入口处的真空度为15mmH2O，相应的送风量为；两测压截面间的垂直距离为200mm；吸入管与排出管的内径分别为300mm和250mm；通风机转速为，所需的轴功率为0.81kW。试求所对应的全风压和风机的效率。解：20℃的空气物性：，（真空度），(表压)忽略出口处之间的阻力损失，在两测压截面间列柏努利方程： 2-14要向某设备输送40℃的空气,所需风量为，已估计出按40℃空气计所需的全风压为1100mmH2O。试选择一合适的通风机。解：40℃空气，20℃空气若按20℃计，则风机风量为：全风压：因此可选9-1914D型。第三章沉降及过滤3-1尘粒的直径为10μm、密度为。求该尘粒在20℃空气中的沉降速度。解：20℃空气物性，假设沉降在斯托克斯区：校验在斯托克斯区假设成立，即颗粒的沉降速度为3-2求直径为1mm、密度为的玻璃球在20℃水中的沉降速度。解：20℃水的物性，假设沉降在斯托克斯区： 校验假设不成立，再假设在阿仑区：校验在阿仑区假设成立，即颗粒的沉降速度为或使用课本提供的公式即则校验在阿仑区假设成立，即颗粒的沉降速度为3-3用落球法测定液体的粘度。今将直径为6.25mm、密度为的钢球置于密度为的油内，并测得该钢球在6.35s的时间内下降25cm的距离。试计算此油的粘度。解：假设沉降在斯托克斯区：则 校验假设成立，即该液体的粘度为3.796Pa·S。3-4密度为的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降，试计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。解：20℃空气物性，斯托克斯公式适用范围为，即最大颗粒直径：牛顿公式适用范围为，即最小颗粒直径时3-5用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为，粘度为，流量为。粉尘的密度为。试求粉尘的临界直径。 解：对于降尘室：则假设沉降在斯托克斯区，则校验假设不成立，再假设在阿仑区：校验在阿仑区假设成立，即颗粒的临界直径为。或使用课本提供的公式即则校验在阿仑区假设成立，即颗粒的临界直径为。3-6今拟采用如图3-5所示的多层降尘室除去某气体中的密度为、直径 以上的球形微粒。气体在标准状态[0℃，1atm()]下的体积流量为，气体的平均温度为427℃，压力为1atm()，操作条件下气体的密度及粘度分别为及0.034cP。除尘室的长度为5m，宽度为1.8m，总高度为2.8m。试计算水平隔板间的距离h和层数n。解：假设沉降在斯托克斯区：假设成立方法一：由得：层数间距方法二：由得间距层数3-7今拟用宽4.5m、深0.8m的矩形槽从炼油厂废水中回收直径以上的油滴。在槽的出口端，除油后的水可不断从下部排出，而汇聚成层的油则从槽的顶部移去。油的密度为，水温为20℃。若废水的处理量为,求所需槽的长度L。解：20℃水的物性，假设沉降在斯托克斯区： 假设成立由得：3-8用如图3-10所示的旋风分离器从200℃、压力为的含尘空气中除尘。尘粒的密度为，旋风分离器的直径为0.65m,进口气速为。试求⑴气体处理量，(标准状态);⑵气体通过旋风分离器的压力降；⑶尘粒的分割直径。解：⑴对于如图3-10所示的直径为0.65的标准旋风分离器其他相应的尺寸为，换算成标准状况⑵对于如图3-10所示的标准旋风分离器其则压力降⑶标准旋风分离器的分割直径：3-9用板框压滤机对某种悬浮液在压力差为400mmHg(53320Pa)的条件下进行过滤实验，过滤面积为，所得实验数据如下： 过滤时间，S8.43884145滤液量，ml100300500700滤饼与滤液的体积比为，滤饼不可压缩。在过滤条件下滤液的粘度为3.4cP。试求过滤常数K与及滤饼的比阻γ。解：根据处理实验数据（结果如下表）：过滤时间，S8.43884145滤液量，ml100300500700q0.010.030.050.07840126716802071将与q值描绘在直角坐标图上可得一条直线，可求得直线的斜率和截距解得：,由得3-10对上题中的悬浮液用滤框边长为800mm的板框压滤机在相同的压力差下进行过滤，过滤1小时获得滤液。试求滤框的数目及其厚度。解：由上题已知：,根据过滤基本方程：代入数据： 整理方程：解方程得：滤框数目：滤框厚度=3-11某厂用板框压滤机在恒压条件下过滤一种胶质物料，滤框的空间尺寸为，有20个滤框。经过2小时过滤，滤框完全充满滤饼，并每平方米过滤面积得到滤液。卸饼、清理、组装等辅助时间为1.2小时，忽略过滤介质阻力，滤饼未洗涤。试计算：⑴该板框压滤机的生产能力；⑵过滤后用1/8滤液体积的洗涤水在同样压力差下进行横穿洗涤滤饼时的生产能力（洗涤水与滤液粘度相近）；⑶若当滤框的厚度减为25mm，其它条件不变，滤液仍用1/8滤液体积的洗涤水洗涤滤饼时的生产能力。解：⑴过滤面积⑵过滤终了速率：采用横穿洗涤的洗涤速率是过滤终了速率的1/4，即⑶若滤框的厚度减为25mm，其它条件不变时，q会减小 即过滤时间洗涤时间：3-12若转筒真空过滤机的浸没度为1/3，转速为，每小时获得滤液量为。已知过滤常数,。试求该过滤机的过滤面积。解：转筒真空过滤机生产能力：3-13有一转筒真空过滤机的转速为，每小时可获得滤液。若过滤介质的阻力可忽略不计，问每小时欲获得滤液时过滤机的转速应为多少？此时转筒表面滤饼的厚度为原来的多少倍？（过滤操作中真空度维持不变）解：转筒真空过滤机忽略介质阻力时，滤饼的厚度与每旋转一周的滤液量有关： 即转筒表面滤饼的厚度为原来的0.8倍第四章固体流态化及气力输送4-1在内径为1.2m的丙烯腈流化床反应器中，堆放了3.62吨磷钼酸铋催化剂，其颗粒密度为，堆积高度为5m，流化后床层高度为10m。试求：⑴固定床空隙率；⑵流化床空隙率；⑶流化床的压降。解：⑴固体颗粒体积：固定床层体积：固定床空隙率：⑵流化床层体积：流化床空隙率：⑶流化床压降：或：4-2流化床干燥器中待干燥物的颗粒直径为0.5mm，比重为1.4，静床高为0.3m。热空气在床中的平均温度为200℃。试求流化床的压降(mmH2O)，并求起始流化速度。为了简化计算，空气可假设为常压下干空气，待干燥物的颗粒可视为球形，可取为0.4。解：颗粒视为球形颗粒，即 20℃空气物性：，可用设在固定床时颗粒堆积的空隙率为0.3则流化床高床层压力降：4-3比重为0.9，粘度为的油品由下往上通过催化剂床层，床层由直径为0.1mm，比重为2.6的均匀球形颗粒所组成，流化点的空隙率为0.436，试求：⑴流化点的临界速度；⑵流化床能够存在的油品流速的上限。解：⑴可用⑵流化床能够存在的流速上限即为颗粒的沉降速度设为层流： 假设成立4-4平均直径为0.2mm的催化剂颗粒，在200℃的气流中流化，气体的物理性质可近似地视为与空气相同。颗粒的特性如下：密度；球形度；固定床空隙率；开始流化时空隙率。操作气速取为0.15mm颗粒带出速度的0.4倍，已估计出此时流化床的空隙率。试求：⑴起始流化速度；⑵操作气流速度；⑶流化数；⑷操作气速下每米流化床的压降；⑸膨胀比。解：⑴20℃空气物性：，可用⑵先求的颗粒的带出速度：先设为层流设为过渡流： 假设成立由于颗粒为非球形，需要校正，校正系数为：则操作气速⑶流化数：⑷每米流化床压力降：⑸膨胀比：4-5固体颗粒在内径为0.1m的管内作水平输送，在10m长的距离上，两端颗粒随气流运动均悬浮良好，求此10m长管路的压降。已知数据如下：固体颗粒(视为球形颗粒)，；气体，，；固气比R=10。解：气管的压力损失4-6某气-固流化床反应器在623K、压强条件下操作。此时气体的粘度为，密度为，催化剂颗粒直径为0.45mm ，密度为。为确定其起始流化速度，现用该催化剂颗粒及30℃的空气进行流化实验，测得起始流化速度为，求操作状态下的起始流化速度。30℃下空气的粘度和密度分别为：，。解：由起始流化速度得即操作条件下起始流化速度为。第五章传热及换热设备5-1燃烧炉的平壁由两层组成，内壁为105mm厚的耐火砖[导热系数为1.05]，外层为215mm的普通砖[导热系数为0.93]。内、外壁温度分别为760℃和155℃。试计算通过每平方米炉壁的热损失及两层间的界面温度。解：在两平壁交界处：可解得界面温度：5-2某平壁炉的炉壁是用内层为120mm厚的某耐火材料和外层为230mm厚的普通建筑材料砌成的，两种材料的导热系数未知。已测得炉内壁温度为800℃，外侧壁面温度为113℃。为了减少热损失，在普通建筑材料外面又包一层厚度为50mm的石棉层[导热系数为0.15]，包扎后测得炉内壁温度为800℃，耐火材料与建筑材料交界面温度为 686℃，建筑材料与石棉交界面温度为405℃，石棉外侧面温度为77℃。试问包扎石棉后热损失比原来减少了多少？解：包扎石棉层后的热损失则有包扎石棉层前的热损失：所以绝对热损失所以相对热损失5-3燃烧炉的平壁由下列三种材料构成：耐火砖导热系数,厚度b=230mm;绝热砖导热系数；普通砖导热系数，厚度b=240mm。若耐火砖内侧温度为1000℃，耐火砖与绝热砖接触面最高温度为940℃，绝热砖与普通砖间的最高温度不超过138℃（假设每两种砖之间接触良好，界面上的温度相等）。试求：⑴绝热砖的厚度（绝热砖的尺寸为65×113×230mm）；⑵普通砖外侧的温度。解：⑴耐火砖的热通量根据稳定传热，绝热砖的热通量与耐火砖的热通量相等，即由此解得n=1.922≈2块即需要2块绝热砖，厚度为460mm才能达到要求的温度。⑵根据稳定传热，燃烧炉平壁的热通量与耐火砖的热通量相等，即 由此解得：即普通砖外侧的温度为34.9℃。5-4某工厂用一φ170×5mm的无缝钢管输送水蒸气。为了减少热损失，在管外包两层绝热材料：第一层为厚30mm的矿渣棉，其导热系数为0.065；第二层为厚30mm的石棉灰，其导热系数为0.21。管内壁温度为300℃，保温层外表面温度为40℃。管道长50m。试求该管道的散热量。解：已知：r1=80mmr2=85mmr3=115mmr4=145mmt1=300℃t4=40℃λ1=45λ2=0.065λ3=0.21根据圆筒壁传热量计算公式：5-5有一蒸汽管外径为25mm，为了减少热损失拟在管外包两层绝热材料，每层厚度均为25mm,两种材料的导热系数之比。试问哪一种材料包在内层更有效？(忽略金属热阻)解：如果将导热系数λ大者（即λ2）包在内侧，则有而如果将导热系数λ小者（即λ1）包在内侧，则有 将两者进行比较，则有前者的散热量大一些，因此将导热系数小的绝热材料放在内侧更好一些。5-6外径为100mm的蒸汽管，先包一层50mm厚的绝热材料[导热系数为0.06]，其外再包一层20mm厚的绝热材料[导热系数为0.075]。若第一绝热层的内表面温度为170℃，第二绝热层的外表面温度为38℃。试求每米管长的热损失和两绝热层界面的温度。解：根据圆筒壁传热量计算公式：由于稳定传热各层的传热量相等，则第一层圆筒壁的传热量为由此可解得：5-7水在φ38×1.5mm的管内流动，流速为1m/s，水的进、出口温度分别为15℃及80℃。试求水与管壁间的对流传热系数。解：在定性温度下水的物理性质为 湍流5-8空气以4m/s的流速通过直径为φ75.5×3.75mm的钢管，管长20m。空气的入口及出口温度分别为32℃及68℃。试计算空气与管内壁间的对流传热系数。如空气流速增加一倍，其它条件不变，对流传热系数为多少？解：在定性温度下空气的物理性质为：湍流当其他条件不变，空气流速增加一倍时，有所以5-9一列管换热器，其蒸汽在管间冷凝，冷却水在管内流动，其流速为0.25m/s，进出口温度分别为15℃及45℃，列管直径为φ25×2.5mm。试求水对管壁的对流传热系数。解：在定性温度下水的物理性质为 校正系数则5-10现用一蛇管换热器冷却某液体，该液体流量为3，进口温度和出口温度分别为50℃及20℃，在平均温度下该液体的密度为1200，粘度为，比热为3.77，导热系数为0.558。蛇管的直径为φ45×3.5mm，平均圈径为0.6m，液体在蛇管内流动。试求该液体的对流传热系数。解：湍流校正 5-11有一套管换热器，内管为φ25×1mm，外管为φ38×1.5mm。冷却水在环隙流动，以冷却管内的高温气体。水的进、出口温度分别为20℃及40℃。试求环隙内水的对流传热系数。（水的流量为1700kg/h）解：环隙的流通截面面积为在定性温度下水的物理性质为：流速当量直径5-12有一管式加热炉，对流室的管束由直径为φ127×6mm长度为11.5m的钢管组成，管子排列为直列。烟道气垂直流过管束，沿流动方向有21排管子，每排有4根管子，管心距为215mm。烟道气流过管束最窄处的速度为5m/s。已知在烟道气的进、出口平均温度下其运动粘度,导热系数,普兰特准数。试求烟道气通过管束的平均对流传热系数。解：查表5-6可得在第一列时: 则第一列的对流传热系数为：第二列以后则第二列的对流传热系数为：烟道气通过管束的平均对流传热系数：5-13油罐中装有蒸汽管以加热罐中的重油，重油的平均温度为20℃，蒸汽管外壁的温度为120℃，蒸汽管外径为60mm。在平均温度下重油的密度为900，比热为1.88，导热系数为0.175,运动粘度为,体积膨胀系数为。试求每小时每平方米蒸汽管对重油的传热量。解：设为自然对流传热：查表5-7，得，则对流传热系数 传热量5-14室内气温为20℃，有一垂直放置的平板，板高1m，平板温度为60℃。试计算单位面积平板上借自然对流散失的热量W。解：在定性温度下空气的物理性质为：体积膨胀系数查表5-7，得，则对流传热系数传热量5-15饱和温度为100℃的水蒸气在长为2m、外径为0.04m的单根直立圆管表面上冷凝。管外壁的平均温度为94℃。求每小时蒸汽的冷凝量。又若将管子水平放置时，每小时蒸汽的冷凝量为多少？解：100℃的饱和蒸汽的汽化潜热在定性温度下水的物理性质 ①当单管垂直放置时：设液膜为层流，则其对流传热系数为：由得检验为层流，假设正确。②当单管水平放置时：由得5-16在冷凝器中水蒸气在水平管束外面冷凝，水蒸气的饱和压力为4.41KPa（绝），管子外径为16mm，管长1m，管数为10，管子是错列的，每排有5根管子，即排成两排。管子外壁温度为15℃。试计算每小时水蒸气冷凝量。解：4.41kPa的饱和水蒸气，在定性温度下水的物理性质为： 设液膜为层流，则其对流传热系数为：由得5-17用冷水将油品从138℃冷却至93℃，油的流量为，水的进、出口温度为25℃及50℃。试求冷却水量。如将冷却水流量增加到，求冷却水的出口温度。[油品比热取]解：水的物性取,，且不随温度变化。由得如果水的流量为，即由得5-18在单管程和单壳程换热器中，用(绝)的饱和水蒸气将对二甲苯由80℃加热到110℃。对二甲苯流经管程，水蒸气在壳程冷凝。已知对二甲苯的流量为 ，密度为860。若设备的热损失为冷流体吸收热量的5%，试求该换热器的热负荷及蒸汽用量。解：(绝)的饱和水蒸气，对二甲苯在95℃下的比热为冷流体吸收的热量：此即为换热器的热负荷，即水蒸气放热根据得水蒸气用量：5-19炼油厂在一间壁式换热器内利用渣油废热加热原油。若渣油进、出口温度分别为300℃及200℃，原油进、出口温度分别为25℃和175℃。试分别计算两流体作并流流动、逆流流动及折流（单壳程和双管程）流动时的平均温差，并讨论计算结果。解：①并流时：②逆流时：③单壳程、双管程折流时： 查图5-23中a得则从计算中可以看出，在三种情况下，逆流温差最大，折流次之，并流最小，因此完成传热任务所需要的传热面积是并流最大而逆流最小。5-20在间壁式换热器中，用水将某有机溶剂由80℃冷却到35℃，冷却水的进口温度为30℃，出口温度不能低于35℃。试确定两种流体应该采用的流向（即并流还是逆流），并计算其平均温差。解：由题中给出的水和有机溶剂的进出口条件可以判断出只能采用逆流操作5-21甲苯和水通过套管换热器进行换热，甲苯在内管中流动，水在环隙中流动，两流体呈逆流流动。甲苯流量，进、出口温度分别为80℃及50℃；水的进、出口温度分别为15℃及30℃。换热面积为2.5m2。试问传热系数为多少？解：甲苯在定性温度下的比热则换热器传热量：甲苯和水逆流传热的对数平均温差： 根据传热速率方程：则5-22在列管式换热器中，用冷却水冷却煤油。水在直径为φ19×2mm的钢管内流动。已知水的对流传热系数为，煤油的对流传热系数为。换热器使用一段时间后，间壁两侧均有污垢生成。水侧污垢热阻为，油侧污垢热阻为。管壁的导热系数为。试求：⑴以管子外表面积为基准的传热系数；⑵产生污垢后热阻增加的百分数。解：⑴以管子外表面积为基准：则⑵在产生污垢前的热阻为：即因此污垢产生后的热阻增加的百分率： 5-23一套管换热器，管内流体的对流传热系数为，环隙流体的对流传热系数为。已知两流体均在湍流情况下进行传热，套管直径为φ25×1mm。试问⑴当管内流体流速增加一倍，⑵当管外流体流速增加一倍，其它条件不变时，上述两种情况下的传热系数分别增加多少？（忽略管壁热阻和污垢热阻）解：条件未改变时的总传热系数：⑴当管内流体流速增加一倍时：根据公式可知管内对流传热系数变为总传热系数为：换热器的传热系数增加率:⑵当管外流体流速增加一倍时，管内对流传热系数变为总传热系数为：换热器的传热系数增加率: 如果以管内表面为基准：则，⑴⑵5-24在一套管换热器中，用饱和水蒸气将在管内作湍流流动的空气加热，此时的传热系数近似等于空气的对流传热系数。当空气流量增加一倍，而空气的进、出口温度仍然不变，问该套管换热器的长度应增加百分之几？解：由于用蒸汽加热空气，控制热阻在管内的空气一侧，即有当空气的流量增加一倍时有而空气的进出口温度不变，即则换热器长度之比即换热器的长度应增加14.87%。5-25在间壁换热器中，用初温为30℃的原油来冷却重油，使重油的温度从180℃降至120℃。重油和原油的流量分别为及，重油和原油的比热分别为及。两流体呈逆流流动。传热系数为。求原油的最终温度和传热面积。若两流体呈并流流动，传热系数不变，试问传热面积为多少？解：换热器的热负荷为：可解得由此可求出逆流流动时换热器的对数平均温差： 根据传热速率方程：则并流流动时换热器的对数平均温差：根据传热速率方程：则5-26拟用196.2kPa的饱和水蒸气，将流量为(标准状况)的空气由20℃加热到90℃。现有一台单程列管换热器，内有φ25×2.5mm的钢管271根，管长1.5m。蒸汽在管外冷凝[其对流传热系数可取]，空气在管内流动，两侧污垢热阻及管壁热阻可忽略不计，试核算该换热器能否完成上述传热任务。解：在定性温度下空气的物理性质为： 已知196.2KPa的饱和水蒸气的温度为120℃，则传热温差为所需的传热面积为而换热器所能提供的传热面积为：此换热器能够完成任务。5-27某工厂需要一台列管式换热器，将苯精馏塔顶蒸汽经冷凝后的液体苯从80.1℃冷却到35℃，苯的流量为。冷却剂为水，其进口温度为30℃，出口温度取38℃。试选择一台适宜型号的列管式换热器。解：在定性温度下水的物理性质为： 苯在定性温度下水的物理性质为:换热器的热负荷：逆流操作下的传热平均温差：按单壳程偶数管程查图5-23中a得则估算传热面积：由表5-9查得，则传热面积为采用浮头式换热器即B型；确定管数：水走管程，取，则可由水的流量计算管数：由得若取管长为6m，则管程数取为4，则可初选换热器的型号为FB-800-180-16-4。第六章管式加热炉 6-1两块相互平行的黑体长方形平板,其尺寸为1×2m，间距1m。如两平板的表面温度分别为727℃及227℃，试计算两平板间的辐射换热量。解：对于黑体：两平行板的角系数φ可由图6-5查得φ=0.21两平板间的辐射换热量：6-2两极大平行平面进行辐射传热，已知黑度分别为0.3、0.8，若在两平面间放置一极大的抛光铝遮热板（黑度为0.04），试计算传热量减少的百分数。解：在无遮热板时两平行平面间的辐射传热量：当加入遮热板后，在稳定传热时有由可得 即辐射传热量减少了93.18%。6-3两块平行放置的平板，表面1，2的温度分别为527℃及27℃，板的黑度均为0.8，板间距离远小于板的宽度和高度，试求：⑴各板的本身辐射；⑵各板的有效辐射，投入辐射，反射辐射；⑶两板间单位面积上的辐射换热量。解：⑴板1的本身辐射：板2的本身辐射：⑵板的有效辐射：由得即解方程组得：或另一方法：由得投入辐射： 反射辐射：板1：板2：⑶两板间的辐射换热量，即净辐射量：6-4用热电偶测量管道中热空气流的温度，热电偶的读数为200℃，管道内壁温度为100℃，热电偶热端的黑度为0.8。已知由空气至热电偶热端的对流传热膜系数为，试求由于热电偶与管壁之间的辐射传热而引起的测量误差，空气流的真实温度。并讨论减少误差的途径。解：热电偶的热端既与热空气进行对流传热，又与管内壁进行辐射换热，当热电偶的读数稳定时，上述两个热量达到平衡，即热电偶与热空气的对流传热：热电偶与管壁的辐射传热：其中式中下标1为热电偶，2为管壁误差： 如果在热电偶外加一遮热罩，可以减少测量误差。6-5平均温度为150℃的油品在的钢管中流动，大气温度为10℃。设油品对管壁的对流传热系数为，管壁热阻和污垢热阻可忽略不计，试求此时每米管长的热损失。又若管外包一层厚20mm，导热系数为的玻璃布，热损失将减少多少？解：忽略管壁热阻及污垢热阻，则管内、外壁温度相等，设其均为在未加玻璃布时：令,则整理方程得：解方程得：，则热损失：如果包一层玻璃布时：令，则方程为整理方程得：解方程得：,则热损失：热损失减少量： 6-6某燃料油比重，含硫1.4%（质量），试求其低发热值和理论空气用量。解：燃料油的族组成：6-7已知燃料气的组成如下，试求其低发热值及理论空气用量。组分H2SCO2H2N2O2CH4C2H6体积%4.20.649.5911.91.428.0111.09组分C2H4C3H8C3H6C4H10C4H8C5H10体积%2.129.659.404.397.250.36解：由表6-3（P217）可查得各种气体的体积低发热值：组分H2SCO2H2N2O2CH4C2H6体积%4.20.649.5911.91.428.0111.09体积低发热值kJ/Nm323384011096003571163584理论空气用量Nm3/Nm37.1402.38009.5216.66组分C2H4C3H8C3H6C4H10C4H8C5H10体积%2.129.659.404.397.250.36体积低发热值kJ/Nm3594729103486411109281113719138378理论空气用量Nm3/Nm314.2823.822.4230.9428.5635.7 6-8如将天然气甲烷作为加热炉的燃料，试求当过剩空气为1.25时，甲烷完全燃烧后烟气的分析组成及干基组成（体积%）。解：根据燃烧反应：由此可知气完全燃烧时需要，即实际空气用量：如果认为烟气中只有，则有组分CH4O2N2CO2H2O∑燃烧前12.59.40012.9燃烧后00.59.41212.9分析组成%3.87672.8687.75215.504100干基组成%4.58786.2399.17401006-9由20根，长10m的管子排成双排管，管心距S1为管外径的2倍，管排一面受辐射，一面受反射。试求：⑴管排总的当量冷平面面积；⑵第一排管的总当量冷平面面积；⑶第二排管的总当量冷平面面积；⑷第一排管直接辐射的当量冷平面面积；⑸第二排管直接辐射的当量冷平面面积。解：20根管呈双排错列，则管排的冷平面面积：角系数由P224图6-25可查得各种情况下的角系数：⑴管排总的当量冷平面面积： 由查图6-25中A线，得角系数⑵第一排管的当量冷平面面积：由查图6-25中c线，得角系数⑶第二排管的当量冷平面面积：由查图6-25中E线，得角系数⑷第一排管接受直接辐射的当量冷平面面积：由查图6-25中D线，得角系数⑸第二排管接受直接辐射的当量冷平面面积：由查图6-25中F线，得角系数6-10已知某圆筒炉辐射室的尺寸如下：炉膛直径5518mm，高12.68m；辐射管，管心距为304mm，有效长度为12m，共计52根，两路并联，单排排列。对流室最下一排管径及管心距与辐射管相同，计8根，管长2748mm，如油品出对流室的温度为290℃，要求出辐射室的温度为370℃，气化率为0.3（质量）。油品的流量为，，K=12，燃料气的密度为，其用量为，燃料的低发热值为，试求当过剩空气系数为1.3时，辐射室出口的烟气温度及辐射管表面热强度及辐射室的热效率。并讨论辐射室能否完成加热任务？解：⑴辐射室的热负荷：其中：e=0.3 ⑵当量冷平面面积：辐射管：查图6-25中B线由得遮蔽管：⑶有效辐射面积与当量冷平面面积之比：炉膛总面积：有效反射面面积：反射面与辐射面面积的比值：⑷烟气黑度：已知空气过剩系数，由图6-26（P225）查得的分压：由表6-4（P225）查得烟气的平均辐射长度：由于烟气温度未知，因此需要先假设一个烟气温度。设,查图6-27（P226）得烟气黑度为⑸总辐射交换因素F：由图6-28（P227），根据， 可查得F=0.603⑹辐射室热平衡：根据其中热损失烟气带走的热量损失：由图6-23（P219）中，可查得辐射室的热效率：辐射段总吸热量：⑺辐射室烟气出口温度：已知原料辐射室温度为290℃，出辐射室温度为370℃则管壁温度可估算为根据图6-24（P223），取的曲线在图上定出A点：，再假设，由上面的方法可求出：，F=0.587，在图上定出B点：， 在图中连接A、B两点与相交，可得交点坐标，⑻辐射室的热效率：由可计算得，F=0.587，⑼辐射管表面热强度：⑽能否完成任务：辐射室能满足要求第七章蒸馏7-1试根据表7-1所列出的苯-甲苯的饱和蒸汽压与温度的数据，作出总压为101.3kPa下苯-甲苯混合溶液的t-x-y相图及x-y相图。设此溶液服从拉乌尔定律。解：由表7-1可得各温度下苯-甲苯的气液平衡数据：温度℃80.185.090.0100.0105.0110.0110.6液相组成1.0000.7810.5870.2580.1300.01680.000气相组成1.0000.9010.7700.4560.2620.0390.000 7-2试根据上题的t-x-y图，对含苯的摩尔分率为0.40的苯-甲苯混合气体，计算：⑴气体开始冷凝的温度及此时冷凝液的组成；⑵若将气相冷凝，冷却至100℃，物系的相态及各相组成；⑶将全部气相刚好冷凝下来的温度及此时液相及气相的瞬间组成。解：在t-x-y相图中可求解：⑴开始冷凝温度为103℃，冷凝液组成；⑵冷却至100℃时，物系为气液混合物，液相组成为，气相组成为；⑶全部冷凝时温度为96℃，液相组成，气相组成。7-3已知某精馏塔塔顶气相的温度为82℃，使用全凝器时，其馏出液的摩尔组成为含苯0.95及甲苯0.05，试求该塔塔顶的操作压力。苯及甲苯的饱和蒸汽压可按下述安托万公式计算，即：式中t----系统的温度，℃；po----饱和蒸汽压，mmHg;A、B、C----物系的安托万常数，无因次。苯及甲苯的安托万常数如下表：组分ABC 苯6.897401206.350220.237甲苯6.953341343.943219.377解：苯的饱和蒸汽压：甲苯的饱和蒸汽压：蒸汽在塔顶全凝，则冷凝液的组成为塔顶气相组成，即在82℃时安托万公式计算出苯、甲苯饱和蒸汽压为：由露点方程：得即塔顶的操作压力为746.876mmHg(绝压)。7-4在总压为13.33kPa时，乙苯-苯乙烯物系的相平衡数据（摩尔分率）如下表：t℃80.7280.1579.3378.6477.8676.9876.1975.0574.25x0.0910.1410.2350.3190.4120.5220.6190.7640.887y0.1440.2110.3240.4150.5110.6110.6990.8140.914试计算各温度下的相对挥发度及在题中给定温度范围的平均相对挥发度，并写出以相对挥发度表示的相平衡关系式：解：由可计算出各温度下的相对挥发度，计算结果见下表：t℃80.7280.1579.3378.6477.8676.9876.1975.0574.25x0.0910.1410.2350.3190.4120.5220.6190.7640.887y0.1440.2110.3240.4150.5110.6110.6990.8140.914α1.6801.6291.5601.5141.4911.4381.4291.3521.354则算术平均值相平衡关系式：则几何平均值相平衡关系式： 7-5甲醇（A）-水（B）的蒸汽压数据及101.3kPa下的气液相平衡数据列表如下，试分析这一混合溶液是否可以看作理想溶液。t，℃64.570758090100101.3123.3149.6180.4252.6349.82431.238.547.370.1101.3x00.020.060.10.20.30.4y00.1340.3040.4180.5780.6650.729x0.50.60.70.80.90.951y0.7790.8250.870.9150.9580.9791解：方法一：假设为理想状态时，求其气液浓度：t，℃64.570758090100101.3123.3149.6180.4252.6349.82431.238.547.370.1101.3x10.7610.5650.4060.1710y10.9260.8350.7230.4260将理想假设的气液浓度与实测气液浓度描绘在同一张坐标图上可以看出两者的差异较大，因此该混合溶液不能被看作理想溶液。方法二：由可计算出各温度下的相对挥发度，计算结果见下表：x00.020.060.10.20.30.4y00.1340.3040.4180.5780.6650.729α07.5826.8436.4644.2994.6324.035x0.50.60.70.80.90.951y0.7790.8250.870.9150.9580.9791α3.5253.1432.8682.6912.5342.454----从数据中可以看出，α在不同温度下差异较大，因此不能作为理想溶液处理。 7-6在101.3kPa下对含苯（摩尔分率）的苯-甲苯溶液进行简单蒸馏，求馏出总量的1/3时的釜液及馏出液组成为多少？又如将上述溶液以闪蒸的方式汽化总量的1/3时，其气、液相组成各是多少？并作比较。解：简单蒸馏时：作为理想溶液的苯-甲苯溶液的通过试差可解得：假设馏出液组成为x3，根据物料衡算有：即用简单蒸馏馏出总量的1/3时的釜液组成为0.3114，馏出液组成为0.577。闪蒸时：根据物料衡算方程：①根据相平衡方程：②联立两方程： 即用闪蒸汽化总量的1/3时的气相组成为0.544，液相组成为0.3278。比较简单蒸馏和闪蒸两种蒸馏方式：闪蒸为一次气液相平衡，简单蒸馏为多次气液相平衡。7-7在101.3kPa下，使含苯（摩尔分率）的苯-甲苯混合气相，在一部分冷凝器中将气相量的1/3冷凝为饱和液相。试求气、液相的组成是多少？定性说明若冷凝量增加时，气、液相组成将如何变化？解：冷凝气相量的1/3时，根据物料衡算方程：和相平衡方程：带入数据联立方程得整理方程得：解方程得若冷凝量增加时，从相图中可以看出，气相组成增大，液相组成亦增大。7-8在常压下，经连续精馏塔分离含甲醇0.4（摩尔分率，下同）的甲醇-水溶液。若原料流量为，塔顶产品组成为0.95，塔底产品组成为0.04，回流比为2.5。试求塔顶产品、塔底产品的流量及精馏段内液相、气相流量。认为塔内气、液相符合恒摩尔流假设。解：已知，,,列全塔物料衡算方程：带入数据： 解得：精馏段气、液相流量：7-9每小时将15000kg含苯40%的苯-甲苯溶液，在连续精馏塔中进行分离。操作压力为101.3kPa，要求馏出液回收原料中97.1%的苯，釜液中含苯不超过2%（以上均为质量%）。苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。⑴试求馏出液和釜液的流量及组成，用及摩尔分率表示；⑵若回流比为2.12，试求精馏段操作线方程，并指出斜率及截距各为多少？⑶若进料为泡点液体，试求提馏段操作线，并写出斜率及截距各为多少？解：先将质量分率化为摩尔分率：进料：塔底：进料摩尔数：⑴由于则列全塔物料衡算方程：带入数据：解得：塔顶组成：⑵精馏段操作线方程：方程的斜率为0.6795，截距为0.2999。 ⑶进料为泡点进料q=1，则：提馏段操作线方程：方程的斜率为1.381，截距为-0.008955。7-10在一连续精馏塔中，已知精馏段操作线方程为，q线方程为：。试求：⑴回流比；⑵馏出液组成xD；⑶当进料组成时，适宜进料板上液相组成为多少？⑷进料热状况q值为多少？（组成均为摩尔分率）解：⑴根据所给精馏段操作线方程将其与方程式对应则有可解得：R=3⑵根据可得:⑶进料位置即为精馏段操作线与q线的交点，即：解方程得：即加料板上的适宜的液相组成为0.362。⑷已知q线方程为，根据则有：可解得7-11 某精馏塔内有两块理论板，塔顶装有全凝器，塔底装有再沸器（见题图）。原料为氨和水蒸气的混合物，其中氨的浓度为0.001（摩尔分率），原料在两块理论板中间进入塔内，塔顶气相在全凝器中冷凝至饱和液体，其中一部分作为塔顶产品，一部分作为塔顶回流。塔底液体在再沸器中部分气化，其中气相返回塔底，液相则作为塔底残液从再沸器抽出。已知：进料为饱和气相，塔底回流量L=1.3F，由再沸器返回塔底的气相量V’=0.6F，相平衡关系为。试求：⑴从每块理论板流下的液体量；⑵塔顶及塔底产物的组成。解：⑴根据恒摩尔流假设理论：在第一块理论板上:在第二块理论板上：即各层理论板上流下的量都是1.3F。⑵塔顶组成：根据相平衡在第一块理论板处列物料衡算方程：整理方程得：①在第二块理论板处列物料衡算方程： 整理方程得：②在塔底部分列物料衡算方程：整理方程得：③联立①②③得：,,塔顶或由总物料衡算：带入数据：解得：7-12拟设计一连续精馏塔处理某二元混合物。原料为气液相摩尔数相等的气液两相混合物，进料组成为0.500（轻组分摩尔分率，下同），相对挥发度为2。试计算以下两种情况下的最小回流比。⑴馏出液组成为0.930；⑵馏出液组成为0.758。解：已知，则可得出相平衡方程：q线方程：q线与相平衡线相交，交点为，则联立两方程可解得具有最小回流比时的精馏段操作线即点与点的连线，此时有⑴当时， ⑵当时，7-13用常压连续精馏塔分离含苯为0.4的苯-甲苯混合物。进料为气相量占1/3（摩尔分率）的气液两相混合物。要求塔顶馏出液中含苯为0.95（以上均为质量分率）。相对挥发度为2.5。试求：⑴原料中气相及液相的组成；⑵最小回流比。解：先将质量分率化为摩尔分率：进料：塔底：相平衡方程：⑴根据相平衡方程及物料衡算可求出进料的气液组成：可解得：⑵由于，则q线方程为：q线与相平衡线的交点：可解得：则最小回流比 7-14若例7-7的精馏塔在常压下操作，在题示范围内，可取平均相对挥发度为，泡点液体进料，回流比R=4。试求精馏段和提馏段各需要多少块理论塔板？解:,,,,,相平衡方程：作图，从图中得精馏段3.9块，提馏段5.6块（包括塔釜）。7-15以简捷计算法解上题。解：已知,,,,,相平衡方程：用简捷算法求理论塔板数：由于q=1，即，代入相平衡方程得则最小回流比根据吉立兰方程：由 得精馏段：即精馏段理论塔板为3.33块，提馏段为4.68块。或7-16为测定塔内某种塔板的效率，在常压下对苯-甲苯物系进行全回流精馏。待操作稳定后，测得相邻三层塔板的液体组成分别为：,,。从这三个数据可以得到什么结果？解：对于全回流操作，操作线方程为则相应的:气相单板效率：由平衡方程：得各液相组成的平衡气相组成为： 则板效率：液相单板效率：由得则各气相组成的平衡液相组成为：则板效率：从结果中可以看出，对于同一块塔板来说其液相和气相默弗里板效率并不一定相等；对于不同塔板来说其液相或气相默弗里板效率也并不一定相等。7-17在常压下，用有8块塔板的泡罩塔对含甲醇0.4（摩尔分率，下同）的甲醇-水混合物进行连续精馏。塔顶产品及塔釜残液中甲醇组成分别为：0.93和0.01。若回流比为2，进料为泡点液体。试求全塔效率。甲醇-水的相平衡数据见题7-5。解：由图7-5的平衡数据做相图，画梯级图求理论塔板：已知：，，，由图中得理论板为5.5块（不包括塔釜） 全塔效率：7-18在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合物。原料中含苯0.40(质量分率，下同)，要求塔顶产品中含苯0.97，塔底产品中含苯0.02。原料流量为1500kg/h。回流比为3.5。试求：⑴塔顶及塔底产品的流量kmol/h；⑵求下列各进料状态下所需的理论塔板数及适宜进料位置。①泡点液体进料；②20℃的过冷液体进料；③进料中气体量占2/3（摩尔比）的气液两相进料。解：先将质量分率化为摩尔分率：进料：塔顶：塔底：进料摩尔数：⑴列全塔物料衡算方程：带入数据：解得：⑵用简捷算法求理论塔板数： ①泡点进料，q=1，则根据吉立兰方程：由得精馏段：②20℃过冷液体：已知在操作条件下，原料液的比热原料液的汽化潜热：根据吉立兰方程：精馏段： ③的气液两相进料，则根据吉立兰方程：精馏段：也可以用图解法计算：①可得全塔理论板为10.5块（不包括塔釜），进料位置在5.6块。②可得全塔理论板为10.0块（不包括塔釜），进料位置在5.0块。③可得全塔理论板为12.5块（不包括塔釜），进料位置在6.3块。 7-19正庚烷-乙苯混合物中所含有正庚烷为0.42（摩尔分率，下同）。在101.3kPa下进行连续精馏，要求塔顶产品中含正庚烷0.97，塔底产品中含乙苯0.99。进料量为5000kg/h，回流比为2.5。试计算饱和液体进料时：⑴所需的理论塔板数；⑵冷凝器及再沸器的热负荷。101.3kPa下正庚烷-乙苯的气-液相平衡关系t，℃xyt，℃xy136.200110.80.4870.729129.50.080.233106.20.6510.834122.90.1850.428103.00.7780.904119.70.2510.514100.20.9140.963116.00.3350.60898.51.0001.000塔顶条件下各组分的汽化潜热分别为：正庚烷31717kJ/kmol；乙苯36008kJ/kmol。操作条件下各组分的液相平均比热分别为：正庚烷217.3kJ/(kmol·K)；乙苯181.7kJ/(kmol·K)。解：⑴可用作图法求理论塔板数：已知，，，，作图可得出理论塔板数为9块（包括塔釜）见上页。简捷算法：t，℃xyαt，℃xyα136.200---110.80.4870.7292.834129.50.080.2333.493106.20.6510.8342.693122.90.1850.4283.296103.00.7780.9042.533 119.70.2510.5143.156100.20.9140.9632.449116.00.3350.6083.07998.51.0001.000--得根据吉立兰方程：由得⑵由物料衡算方程求塔顶塔底流量：带入数据：解得：冷凝器热负荷：再沸器热负荷：7-20在精馏塔的操作中，若进料量及塔底再沸器热负荷不变，而进料组成 因故降低，试分析塔顶产品组成如何变化？可采取什么措施使不变？解：若进料量及塔底再沸器热负荷不变，而降低，由于塔设备一定，即塔板数不变，则由相图中可看出降低。若要提高可采用增大回流比R，降低进料口位置。7-21有A、B、C、D四种组分组成的理想溶液，其中A、B两种组分含量少且挥发度相近，D具有腐蚀性。试设计合理的精馏流程使其分离开（简述理由）。解：应首先从塔底将具有腐蚀性的D分出，减少其对后继设备的腐蚀。再将易分离的C从塔底分离，最后分离含量少且挥发度相近的A和B，这样可以减少高塔的塔径。7-22某液相混合物的组成为：苯0.50、甲苯0.25、邻二甲苯0.25（均为摩尔分率）。若在101.3kPa下其气、液相平衡温度为95℃，试分别用相平衡常数法及相挥发度法计算与液相组成相平衡的气相组成。可近似认为该物系为理想物系。95℃时各组分的饱和蒸汽压数据如下表：解：⑴相平衡常数法：组分苯甲苯邻二甲苯饱和蒸汽压，kPa159.9563.3122.13则根据，在泡点下与液相组成相平衡的气相组成： ⑵用相对挥发度法：由得：7-23三组分混合液在下面条件下进行精馏：泡点进料、进料量为，塔顶馏出物及釜液流量分别为及。求该精馏塔的最少理论塔板数。操作条件下的有关数据如下表（组成为摩尔分率）：组成XFXDαi310.300.90420.300.095230.400.0051解：各组分在各处的组成：123Σ进料量0.300.300.401进料组成0.300.300.401.00塔顶量0.270.02850.00150.3塔顶组成0.900.0950.0051.00塔底量0.030.27150.39850.7塔底组成0.0430.3880.5691.00如以1为轻关键组分，3为重关键组分，则如以1为轻关键组分，2为重关键组分，则 7-24在上题中以组分1为轻关键组分，组分2为重关键组分。试用恩德伍德公式计算达到上述分离要求时的最小回流比。解：用恩德伍德公式计算最小回流比，以1为轻关键组分，2为重关键组分，则，，，根据恩德伍德公式代入数据：在间试差，得(或)代入得7-25某石油馏分的组成如下表，现将该石油馏分进行常压精馏，要求塔顶产品中n-C7的组成不超过0.004（摩尔分率，下同），塔底产品中n-C6的组成不超过0.004。试计算塔顶产品及塔底产品中各组分的组成为多少？组分n-C4n-C5n-C6nC7nC8nC9nC10摩尔分率0.2130.1440.1080.1420.1950.1410.057解：以nC7为重关键组分，nC6为轻关键组分，进行清晰分割计算。（以100mol做为进料基准量）nC4nC5nC6nC7nC8nC9nC10Σ进料量21.314.410.814.219.514.15.7100进料组成0.2130.1440.1080.1420.1950.1410.0571.0塔顶量21.314.410.8-0.004W0.004D000D塔顶组成000 塔底量000.004W14.2-0.004D19.514.15.7W塔底组成000.262根据和D+W=F=100得D=45.47W=53.53。计算结果列表如下：nC4nC5nC6nC7nC8nC9nC10Σ进料量21.314.410.814.219.514.15.7100进料组成0.2130.1440.1080.1420.1950.1410.0571.000塔顶量21.314.410.580.1900046.47塔顶组成0.4580.3100.2280.0040001.000塔底量000.2114.0219.514.15.753.53塔底组成000.0040.2620.3640.2630.1060.9997-26试简要说明为何在原油蒸馏塔中，恒摩尔流假设完全不成立？答：原油是一个复杂的混合物，各组分之间的性质差异较大，即为非理想物系。即使在同一物系中，分子量也可以有很大的差异，它们之间的汽化潜热相差很多，这使得恒摩尔流假设在原油蒸馏塔中完全不适用。第八章吸收8-1100克纯水中含有2克，试以摩尔比表示该水溶液中的组成。解：水的摩尔数：的摩尔数：摩尔比：8-2含3%（体积）的混合气体，在填料塔中为水所吸收。试求氨溶液的最大浓度。塔内绝对压力为。在操作条件下，气液平衡关系为，式中：p—气相中的氨的分压，；x—液相中氨的摩尔分率。解： 则8-3于、27℃下用混于空气中的甲醇蒸汽。甲醇在气液两相中的浓度很低，平衡关系服从亨利定律。已知溶解度系数，气膜吸收系数，液膜吸收系数。试求吸收总系数和气膜阻力在总阻力中所占的分率。解：气膜阻力：气膜阻力所占分率：8-420℃的水与氮气逆流接触以脱除水中的氧气。塔底入口的氮气中含氧0.1%（体积），设气液两相在塔底达到平衡，平衡关系服从亨利定律。求下列两种情况下水离开塔底时的最低含氧量。以水表示。⑴操作压强为（绝压）；⑵操作压强为（绝压）。解：20℃时氧溶于水时的亨利系数⑴根据得： ⑵根据得：8-5某逆流吸收塔塔底排出液中含溶质（摩尔分率），进口气体中含溶质2.5%（体积），操作压强为。气液平衡关系为。现将操作压强由增至，试问塔底推动力及各增加至原来的多少倍？解：由，则在下则推动力则推动力当压力增大时，m发生变化气液平衡关系改变为则推动力则推动力8-6在逆流操作的吸收塔中，、24℃下用清水吸收混合气中的，将其浓度由2%降至0.1%（体积百分数）。该系统符合亨利定律，亨利系数。若取吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算操作液气比及出口液相组成。解：由于气体浓度较低，因此用X、Y近似取代x、y。 因此认为：出口液相组成由物料衡算获得：8-7在20℃及下，用清水分离氨和空气中的混合气体。混合气体中氨的分压为，经处理后氨的分压下降至。混合气体的处理量为。操作条件下平衡关系为。若适宜吸收剂量为最小用量的5倍，求吸收剂用量。解： 8-8在某填料吸收塔中，用清水处理含的混合气体。进塔气体中含18%（质量），其余为惰性气体。混合气的平均分子质量可取为28。吸收剂用量比最小用量大65%，若每小时从混合气体中吸收的。在操作条件下气液平衡关系为。试计算每小时吸收剂用量为多少？解：化为体积：8-9在常压填料吸收塔中，以清水吸收焦炉气中的氨气。标准状况下，焦炉气中的氨的浓度为，流量为。要求回收率不低于99%，若吸收剂用量为最小用量的1.5倍。混合气进塔的温度为30℃，空塔速度为。操作条件下平衡关系为。气体体积吸收系数。试分别用对数平均推动力法及数学分析法求总传质单元数及填料层高度。解：操作条件下气体流量： ①对数平均推动力法：②数学分析法：8-10用煤油从苯蒸汽与空气的混合物中吸收苯，要求回收99%。入塔的混合气体中含苯2%，入塔的煤油中含苯0.02%。溶剂用量为最小用量的1.5倍。操作温度50℃，压力 。相平衡关系为，气体体积吸收系数，入塔气体的摩尔流率为。求填料层高度。解：①对数平均推动力法：②数学分析法： '