化学工程基础课堂练习.doc

课堂练习11、粘度为1.210-3 Pas，密度为1100 kgm-3的某溶液，在一个外管为57 mm3.5 mm，内管为25 mm2.5 mm所套装而成的环形通道中流动，其质量流量为9.9103 kgh-1，试判断溶液在环形导管中的流动型态。解：已知: D=0.057-20.0035=0.05 m , =1.210-3 Pas , =1100 kgm-3, qm=9.9103 kgh-1,d=0.025 m,则当量直径 de=D-d=0.025 m 体积流量qV=9.0 m3h-1 u=1.70 ms-1 Re=3.91044000 呈湍流。2、温度为20 的水（密度为1000 kgm-3，粘度为1.010-3 Pas）流过长10.0 m，内径10.0 mm的导管。已知管中心水的流速为umax=0.09 ms-1，试求：水通过上述导管引起的压降。解：按umax计算雷诺数：(Re)max=9002000因此流型肯定为层流，且已知平均流速u=0.5 umax =0.50.09=0.045 ms-1=hf= =0.144 Jkg-1水流过的压降为p=0.1441000=144 Pa。3、用离心泵从井中抽水送至水塔中（如图），水塔通大气，井和塔的液面均维持不变。已知抽水量为60 m3h-1，输水管道内径为125 mm，管路总长加上弯管、阀门、进出口等局部阻力的当量长度总共为200 m，水的密度为1000 kgm-3，粘度为1.00510-3 Pas。(1)求泵所需的扬程；(2)如泵的效率为70%，则泵的轴功率为多少？（注：取=0.184 Re-0.2）解：(1)分别取井中水面与水塔液面为11和22截面，在其间列伯努利方程： +Z1+He=+Z2+Hfu1= u2=0 p1= p2=0 Z2- Z1=40 m 体积流量为qV时，水在管中的流速和雷诺数分别为u=1.36 ms-1 Re=1.69105故摩擦系数为=0.184 Re -0.2=0.184(1.69105)-0.2=1.6610-2所以 Hf =1.6610-2=2.5 m则泵所需的扬程He = Hf +40=2.5+40=42.5 m (2)泵的轴功率 N=9.93103 W。4、某油槽供油系统的油温维持在50 ，油的密度为890 kgm-3，粘度为0.187 Pas，油槽液面和出油口通大气，油槽液面至出油口垂直距离为6.83 m，管路总长200 m。油在管路内作定态流动，流速为1.2 ms-1。若忽略局部阻力，求所用输油管的管径。选取油槽液面为11截面，出油口为22截面，并以22截面为基准面。在11与22截面间列伯努利方程： gZ1+= gZ2+式中：p1=0(表压)，p2=0(表压)，Z1=0，Z2=6.83 m，u1=0，u2=1.2 ms-1，则 Z1=(1+)设流型为层流，则由上式可得： 6.83=1+解得：d=0.156 m验算：Re=891 891kY ,KY kY(3) 用水吸收氨的过程是气膜控制过程。因而液膜阻力可以略去。NA=kY (Y -Yi )= kX (Xi X) Yi =mXi =0.822Xi = 又Xi =Yi =5.1410-2Xi =6.2610-24、 在一填料塔中,在定态逆流操作下用水吸收空气中的丙酮。已知进入塔内的混合气中含丙酮的摩尔分数为0.060,其余为空气,进塔水中不含丙酮,出塔尾气中丙酮的摩尔分数为0.019,平衡关系式为Y*=1.68 X。若操作液气比qC/qB =2.0,填料层填充高度为1.2 m,试求:该填料层的气相传质单元高度。解： Y1 =0.0638 Y2 =0.0194 X1=(Y1-Y2)=0.0222 Y1 *=1.68X1=1.680.0222=0.0373 X2=0 Y2 *=0 Ym =0.0231 H0G =0.624 m课堂练习41、用一连续精馏装置，在常压下分离含苯的质量分数为0.31的苯-甲苯溶液。若要求塔顶产品中含苯的质量分数不低于0.98,塔底产品中含甲苯的质量分数不低于0.988,每小时处理量为8716 kg，操作回流比为2.5，试计算：(1) 塔顶及塔底产品的摩尔流量；(2) 精馏段上升蒸气的摩尔流量及回流液的摩尔流量。解：（1）求Fd 和 Fw xf=0.346 xd=0.983 xw=0.0141 Mf=0.34678+(1-0.346)92=87.16 Ff=100 kmolh-1 由全塔物料衡算： Ff = Fd+Fw Ff xf=Fdxd+ Fwxw 代入数值得：100= Fd +Fw 1000.3460.983 Fd +0.0141Fw 解得 Fw =65.75 kmolh-1=18.26 mols-1 Fd=34.25 kmolh-1=9.51 mols-1 (2) 求上升蒸气的摩尔流量FV ； FV=FL+Fd=RFd+Fd=(R+1)Fd=(2.5+1)9.51=33.30 mols-1 (3) 求回流液的摩尔流量FL ： FL=RFd=2.59.51=23.78 mols-12、 已知苯-甲苯体系的相对挥发度=2.42。在全回流时，测得相邻三块塔板上液体出口苯的摩尔分数分别为0.20,0.30,0.43试求中间一块塔板以液相浓度差表示的单板效率。解： 依题意可知xn -1=0.43 , xn =0.30 , xn +1=0.20 因全回流yn =xn -1=0.43 又 yn *= 则0.43= xn*=0.238 =0.677=67.7%3、用连续精馏塔分离含苯的摩尔分数为0.50,含甲苯的摩尔分数为0.50的混合液,要求馏出液含苯的摩尔分数为0.90,残液含苯的摩尔分数为0.10,泡点进料,已知原料液进料量为200 kmolh-1,塔釜产生的蒸气量为300 kmolh-1。试求: (1) 馏出液及残液量的摩尔流量, kmolh-1; (2) 精馏段操作线方程和提馏段操作线方程的具体表达式。解： (1) 解得 Ff = Fd+Fw Fd=100 kmolh-1 Ff xf=Fdxd+ Fwxw Fw=100 kmolh-1 (2) FV=FV=300 kmolh-1 FL+Fd=FV 则FL=FV-Fd=200 kmolh-1 R=2 = =0.3 精馏段操作线方程为y=x+0.3 q=1 (泡点进料) FL=FL+Ff=400 kmolh-1 = = 提馏段操作线方程为:y=1.33x-0.033。4、 某一连续精馏塔分离AB混合液，塔顶为全凝器。系统相对挥发度为2.4,精馏段操作线方程为：yn +1=0.75xn+0.15。若从第一块板下降液体中易挥发组分的摩尔分数为0.50,试求该塔板的单板效率。解： =0.75 R=3 =0.15 xd=0.60 塔顶为全凝器：y1=xd=0.60 y1*=0.706 y2=0.75x1+0.15=0.750.50+0.15=0.525 =0.41课堂练习51、 在活塞流反应器（PFR）和全混流反应器（CSTR）中分别进行同一简单二级液相反应，且初始体积流量qV,0和初始浓度cA,0均相同，若最终转化率为50，求CSTR的容积效率（VPFR/VCSTR）。解：(-rA)=kcA2 VPFR=qV ,0cA,0=qV ,0cA,0=VCSTR=qV ,0=两式相比得容积效率 =1-xA=1-0.5=0.52、在全混流反应器中进行二级不可逆反应AR，反应速度方程为(-rA)=kc，转化率为50。如果改用体积相同的活塞流反应器（PFR）操作，其余条件保持不变，问转化率为多少？解：对于CSTR：kcA,0=2改用PFR后，依=cA,0积分得： kcA,0=2 xA=0.6673、在两个体积相等的串联组合全混流反应器中进行液相一级反应，AB+R若物料的体积流量qV,0=0.01 m3s-1，反应速度常数k=0.23 s-1，试求转化率达95时，所需反应器的总体积。解： xA=1- ,k=0.23 s-1 0.95=1-()21=15.1 s反应器的总容积V=21 qV,0=215.10.01=0.3 m34、醋酐按下式水解为醋酸：(CH3CO)2O+H2O2CH3COOH A B C当醋酐浓度很低时，可按拟一级反应(-rA)=kcA处理。在288 K时，测得反应速度常数k=1.3410-3 s-1。现设计一活塞流反应器，每天处理14.4 m3醋酐稀水溶液，并要求醋酐最终转化率xA,f=0.9,试问：反应器有效容积为多少？解： =cA,0=cA,0 =1.718103 s V=qV ,0=1.718103=0.286 m311