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2011-2012-1化工原理试题A


2011-2012(2)学期 化工原理(A)答案 [一]填空题(5 分,每空 0.5 分) 1. 引起自然对流的原因:(由于流体内部密度差而引起流体的流动)。 2.某套管换热器用管间饱和水蒸汽加热管内空气, 则此套管换热器的内壁温度应接近 (水蒸汽 )的温度。 3.溶解度很小的气体吸收过程,属于(液膜 )控制过程。对于该过程,欲强化传质 应设法提高 ( 液膜)传质系数。 4. 在

气体流量、气相进、出口组成和液相进口组成不变时,若减少吸收剂用量,则 传质推动力将( 减少 ) ,吸收过程的操作线将( 靠近 )平衡线,完成分离任 务所需的设备费用将( 增加 ) 。 5.对于一定的分离任务,最小回流比所需理论板为( 无穷多) 。 6 管路特性方程 H=A+BQ2 中,A 代表(单位重量流体需增加的位能和静压能) ,B 代表(管路系统的总能量损失) [二]单项选择题(5 分,每小题 1 分) 1.用孔板流量计测量流体时,随流量的增加,孔板前后的压差值将(A) A)增加 B)减少 C)不变

A) 增加

B) 减少

C) 不变 D) 不确定

5. 在逆流填料吸收塔中, 吸收因子 A>1 时, 若填料层高 h=∞, 则气液两相将于 ( A ) 达到平衡。 A)塔顶 B)塔底 C)塔内任意截面

[三] (22 分)如图 1 所示,每小时将 10m3 水用泵从开口贮槽送到开口高位槽,管 路直径为φ 57×3mm,全系统直管长度为 100m,其中装有一个全开闸阀、一个 全开截止阀、三个标准弯头、两个阻力可以不计的活接头。两槽液面恒定,其 间垂直距离为 20m。水的密度为 1000kg/m3。求:(1)泵的扬程(17 分);(2)泵的 效率为 70%的轴功率(5 分) 。已知:摩擦阻力系数λ =0.032;局部阻力系数ξ : 全开闸阀为 0.17, 全开截止阀为 6.0,90°标准弯头为 0.75,突然缩小 0.5,突 然扩大 1。

2. 某流体在圆形直管内强制对流,对流传热系数为?,现在任务变更,管内流速是 原来的 2 倍,已知 Re>10000,则管内?是原来的(C )倍。 A)0.574 B)1 C)1.741 图 1

3.在精馏操作中,若被分离物系的进料状态由气相变为液相,其它条件均不变时, 则提馏段操作线斜率 ( A )。 A)减小 B)增大 C)不变 D)变化不确定

10 3600 u? ? 1.36m/s 2 0.785? ?0.051?

(3 分)

4. 对一定操作条件下的填料塔,填料层高度增大,则 HOG ( C ) ,NOG ( A ) 。

2 2 在 1--1 与 2--2 间列伯努利方程: Z1 ? u1 ? p1 ? H e ? Z 2 ? u2 ? p2 ? ?h f 2 g ?g 2 g ?g Z1=0,P1(表压)=P2= 0,U1=0,U2≈0, Z2=20m (1 分) 2 2 ∑hf1-2=λ l/d×(u /2g)=0.032×100/0.051×1.36 /(2×9.8)=5.92m

(5 分) 2 2 ∑h’1-2=∑ξ (u /2g)=(0.17+6.0+3×0.75+1+0.5) ×1.36 /(2×9.8) =0.93m (5 分) 将以上各值代入伯努利方程式中,求得 He= Z2+∑hf1-2+∑h’1-2=20+5.92+0.93=26.85m (3 分) 3 Ne=He qvρ g =26.85×(10/3600)×10 ×9.81=730.91w (3 分) N N? e ? 则泵的轴功率为: N= Ne /η =730.91/0.70=1044.157 w (2 分) [四] (22 分)在一塔径为 800mm 的常压填料吸收塔内用清水吸收混合气体中的丙 酮(丙酮的摩尔质量为 58kg/kmol),已知填料层高度为 6m,在操作温度为 25℃ 时,混合气体处理量为 2000m /h, 其中含丙酮 5%(摩尔分数,下同)。若出塔混 合气体丙酮含量达到 0.263%, 1kg 出塔吸收液中含 61.2g 丙酮。操作条件下 汽液平衡关系为 Y =2.0X, 试求: (1)吸收剂的摩尔流率(10 分) ;(2) 气相总 传质单元高度 HOG(8 分) ; (3)气相总体积传质系数 Kya(2 分) ; (4)每小时 回收丙酮的质量(kg) (2 分) 。 可能用到的公式: NOG 解:(1) Y1 ?
* 3

S ? mV / L ? 2 ? 77.7/192.3=0.8081

NOG ? ?

Y ? mX 2 1 1 0.05263 ln[(1 ? S ) 1 ? S] ? ln[(1 ? 0.8081) ? 0.08081] 1? S Y2 ? mX 2 1 ? 0.8081 0.00263
(6 分)

1.5342 ? 8.0 1 ? 0.8081 Z V 77.7 kmol H OG ? ? 6 / 8 ? 0.75 ? ? KY ? ? ? 206.21( 3 ) 3.14 NOG KY ?? mh 0.75 ? ? 0.82 4 (2 分 ) (2 分 )

每小时回收丙酮的质量:
m ? LX1M ? 192.3 ? 0.0202 ? 58 ? 225.3(kg/h) (2 分 )

[五](23 分)用精馏塔分离某二元理想混合物 A 和 B,进料量为 80kmol/h,进料状 态为气液混合进料,液-气比为 1:1(摩尔比) ,其中易挥发组分 A 的摩尔分数为 0.5。 精馏塔塔顶采用全凝器且为泡点回流,塔釜使用蒸汽加热。已知塔内 A、B 间的平 均相对挥发度为 2.5, 塔顶馏出液 A 的摩尔分率为 0.95, 塔顶 A 组分的回收率为 95%, 塔顶回流比为最小回流比的 1.5 倍,试求: (1) 塔顶产品流量(3 分) (2) 塔釜产品流量和组成(5 分) (3) 最小回流比及回流比(5 分) (4) 精馏段操作线方程和提馏段操作线方程(10 分) 。 解:

Y ? mX 2 1 ? ln[(1 ? S ) 1 ? S ] ,S=mV/L。 1? S Y2 ? mX 2

5% 0.263% ? 0.05263, Y2 ? ? 0.002637 (2 分) 1 ? 5% 1 ? 0.263% 273.15 (1 ? 5%) V ? 2000 ? ? ? 77.7(Kmol/h) (3 分) 273.15 ? 25 22.4

61.2 / 58 1.055 X1 ? ? ? 0.0202 (100 ? 61.2) /18 52.156 2分 L ? V (Y1 ? Y2 ) / ( X1 ? X 2 ) ? 77.7 ? (0.05263 ? 0.002637) / 0.0202 ? 192.3(kmol/h)
(3 分)

(1) 依题,知: F=80 kmol/h;q=0.5;xF=0.5;α=2.5;xD=0.95;η=95%;

(1 分)

y?

??
依据塔顶回收率的定义:

D ? xD F ? xF ,

x R 2.2472 0.95 x? D ? x? ? 0.6920x ? 0.2926 (5 分) R ?1 R ? 1 2.2472 ? 1 2.2472 ? 1

提馏段操作线方程: 方法 1: 精馏段操作线方程与进料线方程的解,可求得 xq 和 yq: 将进料线方程 y=1-x 代入上式,求得 xq=0.4181(1 分) ,yq=0.5819(1 分) 提馏段的操作线方程过(xq,yq)和(xW,xW) ,则,斜率

则,D=ηFxF/xD=95%×80×0.5/0.95=40 kmol/h; (2 分) (2) 物料衡算: ?

?F ? D ? W ?80 ? 40 ? W (3 分) ?? ? FxF ? DxD ? WxW ?80*0.5 ? 40*0.95 ? WxW

W=40 kmol/h; (1 分) xW=0.05(1 分) (3) 进料线方程, y ?

y ? yW yq ? yW 0.5819 ? 0.05 =1.4450 (1 分) ? ? x ? xW xq ? xW 0.4181 ? 0.05
所以,提馏段的操作线方程

x q 0.5 0.5 x? F ? x? ? ? x ? 1 (1 分) q ?1 q ? 1 0.5 ? 1 0.5 ? 1

y ? 1.4450( x ? 0.05) ? 0.05 ? 1.4450x ? 0.0223 (3 分)
平衡线方程, y ?

?x 2.5x 2.5x ? ? (1 分) 1 ? (? ? 1) x 1 ? (2.5 ? 1) x 1 ? 1.5x

方法:2: L=RD=2.25*40=90(kmol/h) (1 分) L’=L+q F=90+0.5*80=130(kmol/h) (1 分)

以上两方程的交点,就可求得最小回流比。

? 10-2 ? 解得 x= ? ,y=0.6126(1 分) ? 3 ? ? =0.3874(1 分) ? ?

V’=L’-W=130-40=90(kmol/h) (1 分)
y n ?1 ? Wx L? xn ? W V? V? 130 40 ? 0.05 ? xn ? 90 90 ? 1.4450x n ? 0.0223

即,xe=0.3874,ye=0.6126;
x ? ye 0.8 ? 0.6126 Rmin (1 分) ? D ? ? 0.5997 , Rmin ? 1.4981 , Rmin ? 1 xD ? xe 0.8 ? 0.3874
所以,R=1.5×Rmin=1.5×1.4981=2.2472 (1 分) (4) 精馏段操作线方程:

(2 分)

[六](23 分)用一单管程单壳程列管式换热器,将质量流量为 8000kg/h 的常压空气 于管程由 20℃加热到 85℃;该换热器装有φ 19×2 钢管 300 根,管长为 1m。要求 选用 110℃饱和蒸汽于壳程冷凝加热之,该温度下蒸汽的汽化潜热(相变热)为

2232kJ/kg 。若饱和蒸汽的表面传热系数 α 0=10000W/(m2· K) ,管材的热导率为 45
m 4? K / W , 壳 程 污 垢 热 阻 W/(m· K) , 管 程 污 垢 热 阻 Rd i ? 0.0 0 0
2

Re ?

Rd 0 ? 0.0002 m2 ? K / W 。 已 知 空 气 在 平 均 温 度 下 的 物 性 常 数 为

?d i ui Gd ? i i ? ? ?

qmc ? di 2 3600? 0.785? d i n

?

? 3.177?104 ? 104

? ? 1.2kg / m3

?2 , CP ? 1kJ /(kg ? K ) , ? ? 2.85?10 W /(m ? K ) ,

pr ?

cp?

?

? 0.6947
?
di Re 0.8 pr 0.4 ? 150.9W /(m 2 ? ?C )

? ? 1.98?10?5 Pa ? s ,不计热损失,试求:
(1) 加热蒸汽的消耗量为多少?(6 分) (2) 空气在管内的对流传热系数?(6 分) (3) 通过计算说明该换热器能否满足需要?(8 分) (4) 若将该换热器变为双管程,且仍采用 110 ?C 蒸汽加热,则空气的实际出口温 度为多少?(3 分) 解: (1)D=?

? i ? 0.023

(3)能否够用?

d 1 1 d0 b d0 1 ? ? Rdi 0 ? ? Rd 0 ? K ? i di d i ?w d m ?0
2 K=108 W /(m ? K )

?t m ?

Q ? qmc c pc (tc 2 ? tc1 ) ? Dr
D? qmc c pc (tc 2 ? tc1 ) r ?
8000 ? 1 ? (85 ? 20) ? 233 kg / h ? 0.0647 kg / s 2232

(110 ? 20 ) ? (110 ? 85) ? 50 .74 ?C 110 ? 20 ln 110 ? 85

Q ? KA?tm
A需 ? Q 1.444?105 ? ? 26.35m 2 K?t m 108? 50.74

Q ? qmc c pc (t c 2 ? t c1 ) ?

8000 ?1? (85 ? 20) ? 144 .4kW ? 1.444 ?10 5 W 3600

A实际 ? n?d0l ? 17.9m2 ? A需要
所以换热器不能满足要求。

(2)α i=?

(4)变双管程

? i ' ui ' ? ? 20.8 ? i ui
?i ' ? 262.73 W /(m2 ? ?C)
1 1 d0 d b d0 1 ? ? Rdi 0 ? ? Rd 0 ? K ' ? i ' di di ?w dm ?0

K ' ? 176 W /(m2 ? ?C )

Q' ? qmc c pc (tc 2 '?tc1 ) ? K ' A实际 ?tm '
(110 ? 20) ? (110 ? t c 2 ' ) 8000 ? 1 ? 103 ? (t c 2 '?20) ? 176? 17.9 ? 110 ? 20 3600 ln 110 ? t c 2 '

t c 2 ' ? 88?C


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