化學(xué)工程基礎(chǔ)課堂練習(xí)

1、課堂練習(xí)11、粘度為1.2×10-3 pa·s，密度為1100 kg·m-3的某溶液，在一個(gè)外管為57 mm×3.5 mm，內(nèi)管為25 mm×2.5 mm所套裝而成的環(huán)形通道中流動(dòng)，其質(zhì)量流量為9.9×103 kg·h-1，試判斷溶液在環(huán)形導(dǎo)管中的流動(dòng)型態(tài)。解：已知: d=0.057-2×0.0035=0.05 m , =1.2×10-3 pa·s , =1100 kg·m-3, qm=9.9×103 kg·h-1,d=0.025 m,則當(dāng)量直徑 de=d-d=0.

2、025 m 體積流量qv=9.0 m3·h-1 u=1.70 m·s-1 re=3.9×104>4000 呈湍流。2、溫度為20 的水（密度為1000 kg·m-3，粘度為1.0×10-3 pa·s）流過長10.0 m，內(nèi)徑10.0 mm的導(dǎo)管。已知管中心水的流速為umax=0.09 m·s-1，試求：水通過上述導(dǎo)管引起的壓降。解：按umax計(jì)算雷諾數(shù)：(re)max=900<2000因此流型肯定為層流，且已知平均流速u=0.5 umax =0.5×0.09=0.045 m·s-1=hf= =

3、0.144 j·kg-1水流過的壓降為p=0.144´1000=144 pa。3、用離心泵從井中抽水送至水塔中（如圖），水塔通大氣，井和塔的液面均維持不變。已知抽水量為60 m3·h-1，輸水管道內(nèi)徑為125 mm，管路總長加上彎管、閥門、進(jìn)出口等局部阻力的當(dāng)量長度總共為200 m，水的密度為1000 kg·m-3，粘度為1.005×10-3 pa·s。(1)求泵所需的揚(yáng)程；(2)如泵的效率為70%，則泵的軸功率為多少？（注：取=0.184 re-0.2）解：(1)分別取井中水面與水塔液面為11和22截面，在其間列伯努利方程： +z1

4、+he=+z2+hfu1= u2=0 p1= p2=0 z2- z1=40 m 體積流量為qv時(shí)，水在管中的流速和雷諾數(shù)分別為u=1.36 m·s-1 re=1.69×105故摩擦系數(shù)為=0.184 re -0.2=0.184×(1.69×105)-0.2=1.66×10-2所以 hf =1.66×10-2××=2.5 m則泵所需的揚(yáng)程he = hf +40=2.5+40=42.5 m (2)泵的軸功率 n=9.93×103 w。4、某油槽供油系統(tǒng)的油溫維持在50 ，油的密度為890 kg·m-

5、3，粘度為0.187 pa·s，油槽液面和出油口通大氣，油槽液面至出油口垂直距離為6.83 m，管路總長200 m。油在管路內(nèi)作定態(tài)流動(dòng)，流速為1.2 m·s-1。若忽略局部阻力，求所用輸油管的管徑。選取油槽液面為11截面，出油口為22截面，并以22截面為基準(zhǔn)面。在11與22截面間列伯努利方程： gz1+= gz2+式中：p1=0(表壓)，p2=0(表壓)，z1=0，z2=6.83 m，u1=0，u2=1.2 m·s-1，則 z1=(1+)設(shè)流型為層流，則由上式可得： 6.83=1+解得：d=0.156 m驗(yàn)算：re=891 891<2000所以確屬層流，假

6、設(shè)正確。課堂練習(xí)21、某冷庫平壁面由厚度1=0.013 m的松木內(nèi)層（1=0.093 w·m1·k1）、厚度2=0.1 m的軟木中間層（2=0.046 w·m1·k1）和厚度3=0.076 m的混凝土外層（3=1.4 w·m1·k1）所組成。冷庫內(nèi)壁面溫度為255 k，混凝土外壁面溫度為297 k。各層接觸良好。試計(jì)算定態(tài)傳熱時(shí)，每平方米冷庫平壁面上的熱損失和松木內(nèi)層與軟木中間層交界面的（t2）。（1） 解：取a=1 m2計(jì)算，則：q =-17.7 w·m-2q為負(fù)值，表明熱量從冷庫壁外表面?zhèn)魅?。?） 定態(tài)傳熱時(shí)，各層相等

7、，則：q1=q =即：-17.7=解得：t2 k。2、在1 m長并流操作的套管式換熱器中, 用水冷卻油。水的進(jìn)口和出口溫度分別為20 和40 ; 油的進(jìn)口和出口溫度分別為150 和110 。現(xiàn)要求油的出口溫度降至90 , 油和水的進(jìn)口溫度、流量和物性均維持不變。若新設(shè)計(jì)的換熱器保持管徑不變管長應(yīng)增至多長方可滿足要求?解：(1)原有換熱器 =97 (亦即97 k) = =0.5 (2)新設(shè)計(jì)換熱器: = =0.5, 則=50 =76.4 (3)新設(shè)計(jì)換熱器的管長 原有換熱器: = 新設(shè)計(jì)換熱器: =k'a'= 兩式相比得: l' =1.9 m。3、 在逆流操作的列管式換熱

8、器中, 用水冷卻液態(tài)化學(xué)制劑。水的進(jìn)口和出口溫度分別為25 和50 ; 制劑比定壓熱容為1.9 kj·kg-1·k-1, 密度為850 kg·m-3, 進(jìn)口和出口溫度分別為80 和40 。換熱器的列管由25 mm×2.5 mm鋼管組成。管程水一側(cè)和殼程制劑一側(cè)的傳熱膜系數(shù)分別為0.85 kw·m-2·k-1和1.70 kw·m-2·k-1。污垢熱阻可忽略不計(jì)。若傳熱面積為9 m2, 試求化學(xué)制劑的質(zhì)量流量。解： =21.6 k= =549 w·m-2·k-1 = = =1.4 kg·s

9、-1 =5.1×103 kg·h-14、 有一套管換熱器, 內(nèi)管通熱水, 溫度由58 降至45 。冷卻水以逆流的方式流過管間, 流量為2.0×10-2 m3·h-1, 溫度由15 升至45 。已知內(nèi)管外徑為100 mm, 長度為 1450 mm。冷卻水在此溫度范圍內(nèi)的平均密度為997 kg·m-3, 比熱容為4.187 kj·kg-1·k-1, 若熱損失可略而不計(jì), 試求以內(nèi)管外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)。解： k= 式中: =×997=5.54×10-3 kg·s-1 =45-15=30 , 亦

10、即=30 k =()=58-45=13 , 亦即=13 k =()=45-15=30 , 亦即=30 k =20.3 k a=×0.1×1.45=0.456 m2 由此可得: k= =75.2 w·m-2·k-1。課堂練習(xí)31、 在某吸收系統(tǒng)中，已知ky =3.8×10-1 mol·m-2·s-1, kx =12.5 mol·m-2·s-1平衡關(guān)系為y*=mx。當(dāng)m0.01時(shí)，求ky為多少？此氣體屬易溶還是難溶氣體？解：ky 0.38 mol·m-2·s-1kx 12.5 mol

11、83;m-2·s-1m0.01因?yàn)?+ =+ =2.632所以k y0.38 mol·m-2·s-1又因?yàn)閗 y ky0.38 mol·m-2·s-1所以該過程為氣相擴(kuò)散控制過程，該氣體為易溶氣體。2、在吸收塔中用清水逆流接觸吸收丙酮-空氣混合氣體中的丙酮。已知入塔混合氣中含丙酮的體積分?jǐn)?shù)為0.060, 出口溶液中丙酮的摩爾分?jǐn)?shù)為0.0305,混合氣體積流量為1.82×103 m3(標(biāo)準(zhǔn))·h-1,物系的平衡關(guān)系式為y*=1.68 x,若要求吸收率達(dá)97%時(shí),試問: (1) 水的最小用量為每小時(shí)多少千克？(2) 實(shí)際用水量為

12、最小用量的多少倍?解： (1) 水的最小用量 y1 = y2 =(1-0.97)y1 =(1-0.97)×6.38×10-2=1.91×10-3 x2 =0 x1 *= ()min= (qm,c )min=(fc )min×mc =1.63×fb ×mc =1.63×qv,0 (1-y1)22.4×mc =1.63×1.82×103(1-0.06)22.4×18 =2.24×103 kg·h-1(2) 水的實(shí)際用量與最小用量之比 fb (y1 -y2 )=fc (x

13、1 -x2 ) fc = =155 kmol·h-1 qm,c =fc ×mc =155×18=2.79×103 kg·h-1 =1.253、在壓強(qiáng)為101.3 kpa 溫度為20 下,用水吸收空氣中的氨,相平衡關(guān)系符合亨利定律,亨利常數(shù)為8.33×104 pa。在定常操作條件下,吸收塔中某一個(gè)橫截面上的氣相平均氨的摩爾比（比摩爾分?jǐn)?shù)）為0.12,液相平均氨的摩爾比（比摩爾分?jǐn)?shù)）為6.0×10-2,以為推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)膜系數(shù)ky =3.84×10-1 mol·m-2·s-1,以為推動(dòng)力的液相傳質(zhì)

14、膜系數(shù)kx =10.2 mol·m-2·s-1,試問: (1) 以為推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)為多大? (2) 此種吸收是液膜控制還是氣膜控制?(3) 該截面上與氣液界面處的氣液兩相濃度為多少?解：(1) 氣相總傳質(zhì)系數(shù) ky m=+則 ky =0.372 mol·m-2·s-1(2) 該過程為氣膜控制過程。因?yàn)閗x >>ky ,ky ky(3) 用水吸收氨的過程是氣膜控制過程。因而液膜阻力可以略去。na=ky (y -yi )= kx (xi x) yi =mxi =0.822xi = 又xi =yi =5.14×10-2xi =6.

15、26×10-24、 在一填料塔中,在定態(tài)逆流操作下用水吸收空氣中的丙酮。已知進(jìn)入塔內(nèi)的混合氣中含丙酮的摩爾分?jǐn)?shù)為0.060,其余為空氣,進(jìn)塔水中不含丙酮,出塔尾氣中丙酮的摩爾分?jǐn)?shù)為0.019,平衡關(guān)系式為y*=1.68 x。若操作液氣比qc/qb =2.0,填料層填充高度為1.2 m,試求:該填料層的氣相傳質(zhì)單元高度。解： y1 =0.0638 y2 =0.0194 x1=(y1-y2)=0.0222 y1 *=1.68x1=1.68×0.0222=0.0373 x2=0 y2 *=0 ym =0.0231 h0g =0.624 m課堂練習(xí)41、用一連續(xù)精餾裝置，在常壓下分

16、離含苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.31的苯-甲苯溶液。若要求塔頂產(chǎn)品中含苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.98,塔底產(chǎn)品中含甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.988,每小時(shí)處理量為8716 kg，操作回流比為2.5，試計(jì)算：(1) 塔頂及塔底產(chǎn)品的摩爾流量；(2) 精餾段上升蒸氣的摩爾流量及回流液的摩爾流量。解：（1）求fd 和 fw xf=0.346 xd=0.983 xw=0.0141 mf=0.346×78+(1-0.346)×92=87.16 ff=100 kmol·h-1 由全塔物料衡算： ff = fd+fw ff xf=fdxd+ fwxw 代入數(shù)值得：100= fd +fw 100

17、×0.3460.983 fd +0.0141fw 解得 fw =65.75 kmol·h-1=18.26 mol·s-1 fd=34.25 kmol·h-1=9.51 mol·s-1 (2) 求上升蒸氣的摩爾流量fv ； fv=fl+fd=r·fd+fd=(r+1)fd=(2.5+1)×9.51=33.30 mol·s-1 (3) 求回流液的摩爾流量fl ： fl=r·fd=2.5×9.51=23.78 mol·s-12、 已知苯-甲苯體系的相對(duì)揮發(fā)度=2.42。在全回流時(shí)，測得相鄰三

18、塊塔板上液體出口苯的摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.20,0.30,0.43試求中間一塊塔板以液相濃度差表示的單板效率。解： 依題意可知xn -1=0.43 , xn =0.30 , xn +1=0.20 因全回流yn =xn -1=0.43 又 yn *= 則0.43= xn*=0.238 =0.677=67.7%3、用連續(xù)精餾塔分離含苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.50,含甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.50的混合液,要求餾出液含苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.90,殘液含苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.10,泡點(diǎn)進(jìn)料,已知原料液進(jìn)料量為200 kmol·h-1,塔釜產(chǎn)生的蒸氣量為300 kmol·h-1。試求: (1) 餾出液及殘液量

19、的摩爾流量, kmol·h-1; (2) 精餾段操作線方程和提餾段操作線方程的具體表達(dá)式。解： (1) 解得 ff = fd+fw fd=100 kmol·h-1 ff xf=fdxd+ fwxw fw=100 kmol·h-1 (2) fv=fv'=300 kmol·h-1 fl+fd=fv 則fl=fv-fd=200 kmol·h-1 r=2 = =0.3 精餾段操作線方程為y=x+0.3 q=1 (泡點(diǎn)進(jìn)料) fl'=fl+ff=400 kmol·h-1 = = 提餾段操作線方程為:y=1.33x-0.033。4

20、、 某一連續(xù)精餾塔分離ab混合液，塔頂為全凝器。系統(tǒng)相對(duì)揮發(fā)度為2.4,精餾段操作線方程為：yn +1=0.75xn+0.15。若從第一塊板下降液體中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)為0.50,試求該塔板的單板效率。解： =0.75 r=3 =0.15 xd=0.60 塔頂為全凝器：y1=xd=0.60 y1*=0.706 y2=0.75x1+0.15=0.75×0.50+0.15=0.525 =0.41課堂練習(xí)51、 在活塞流反應(yīng)器（pfr）和全混流反應(yīng)器（cstr）中分別進(jìn)行同一簡單二級(jí)液相反應(yīng)，且初始體積流量qv,0和初始濃度ca,0均相同，若最終轉(zhuǎn)化率為50，求cstr的容積效率（vpfr/vcstr）。解：(-ra)=kca