化工原理下计算题.doc

吸收1在一内径为0.8m、填料塔高度为4m的吸收塔中，用清水吸收混合气体中的溶质组分。吸收塔操作压强为101.33kPa、温度为20，混合气体积流量为1000 m3/h，进塔气相组成为0.05，出塔气相组成为0.01（均为摩尔分数）。吸收剂用量为96kmol/h。操作条件下相平衡关系为Y*=2X（X、Y为摩尔比），试求：（1）吸收剂用量为最小吸收剂用量的倍数；（2）气相体积吸收总系数KGa, kmol/(m3hkPa)解：（1）最小吸收剂用量可用下式计算：Lmin=V(Y1-Y2)/(Y1/m)-Y2其中：Y1=y1/(1-y1)=0.05/(1-0.05)=0.0526Y2=y2/(1-y2)=0.01/(1-0.01)=0.0101X2=0 m=2惰性气体摩尔流量为：V=（V/22.4）273/(273+t)(1- y1)=（1000/22.4）（273/293）(1-0.05)=39.5kmol/hLmin=39.5(0.0526-0.0101)/ (0.0526/2)-0=64 kmol/hL/ Lmin=96/64=1.5(2) Ky=V(Y1-Y2)/ZYm其中： =（3.14/4）0.82=0.502m2Z=4m Ym= (Y1-Y2)/ln(Y1/Y2)因出塔液相组成为：X1=（V /L）(Y1-Y2)+X2=（39.5/96）（0.0526-0.0101）+0=0.0175Y1=Y1-mX1=0.0526-20.0175=0.0176Y2=Y2-mX2=0.0101Ym=(0.0176-0.0101)/ln(0.0176/0.0101)=0.0135因Y1/Y2=0.0176/0.0101=1.742，Ym也可用算术平均值运算，即Ym=(Y1+Y2)/2=(0.0176+0.0101)/2=0.0139Ky=39.5（0.0526-0.0101）/（40.5020.0135）=61.9 kmol/(m3h)KG= Ky/P=61.9/101.33=0.611 kmol/(m3hkPa)2、在逆流操作的填料吸收塔中，用清水吸收混合气体中的溶质组分A。进塔气体组成为0.03（摩尔比），吸收率为99%，出塔液相组成为0.013（均为摩尔分数）。操作压强为101.33kPa、温度为27，操作条件下相平衡关系为Y=2X（X、Y为摩尔比）。已知单位塔截面上惰性气体流量为54 kmol/（m2h）,气相体积吸收总系数为0.95 kmol/(m3hkPa)，试求所需的填料塔高度。解：Z=HOGNOG=( V/Ky) (Y1-Y2) /Ym其中： Y1=0.03 Y2= Y1（1-A）=0.03（1-0.99）=0.0003X1=0.03 X2=0Ym=(Y1-mX1)-（Y2+ mX2)/ln(Y1-mX1)/( Y2- mX2)=(0.03-20.013)-（0.0003-0)/ln(0.03-20.013)/(0.0003-0)=0.00143Ky= KGP=0.95101.33=96.26 kmol/(m3h)V/=54 kmol/(m2h)则：Z=（54/96.26 ）（0.03-0.0003）/0.00143=11.7m 蒸馏1、在连续精馏塔中分离两组分理想溶液，原料液流量为100kmol/h，组成为0.3（摩尔分数），其中精馏段操作线和提馏段操作线分别为：y=0.714x+0.257 和y=1.686x-0.0343 试求：（1）馏出液组成和釜残液组成（2）精馏段下降液体流量，kmol/h；（3）进料热状况参数q。解：（1）求xD，xw馏出液组成可由精馏段操作线方程与对角线方程联立求得xD=0.257/(1-0.714)=0.899釜残液组成可由提馏段操作线方程与对角线方程联立求得xw=0.343/(1.686-1)= 0.05(2) 精馏段下降液体流量 L=RD由 R/（R+1）=0.714 得 R=2.5D+W=F=1000.899D+0.05W=1000.3解得 D=29.5 kmol/h， W=70.5 kmol/h故 L=RD=2.529.5=73.8 kmol/h （3）进料热状况参数qq线方程为 y= qx/(q-1)-xF/(q-1)=qx/(q-1)-0.3/(q-1)上式中的x,y可由两操作线方程联立求得0.714x+0.257=1.686x-0.0343解得： x=0.3将x=0.3代入操作线方程可得 y=0.7140.3+0.257=0.471将x,y值代入q线方程，可得q=1(泡点进料)2用板式精馏塔在常压下分离苯-甲苯溶液，塔顶为全凝液，塔釜间接蒸汽加热，平均相对挥发度为2.47。已知为饱和蒸汽进料，进料流量为150 kmol/h，进料组成为0.4（摩尔分数），操作回流比为4，塔顶馏出液中苯的回收率为0.97，塔釜采出液中甲苯的回收率为0.95，试求：（1）塔顶馏出液及塔釜采出液的组成；（2）精馏段及提馏段操作线方程；（3）回流比与最小回流比的比值；（4）若塔改为全回流操作，测得塔顶第一块板的气相默弗里板效率为0.6，全凝器冷凝液组成为0.98，求由塔顶第二块板上升的气相组成。 解： （1）XD和XW 分析：本题已知塔顶易挥发组分的回收率D及塔底难挥发组分的回收率W，将它们与物料衡算关系结合即可求出XD和XW由全塔易挥发组分物料衡算式可得： XF=（D/F）XD+（W/F）XW （a）由塔顶易挥发组分回收率定义式可得： D/F=D XF/ XD （b）由塔底难挥发组分回收率定义式可得： W/F=W（1- XF）/1- XW （c）把式（b）和式（c）代入式（a）得XF=D XF+W（1- XF）/1- XW XW即： 0.4=0.970.4+0.95（1-0.4）/1- XW XW解得 XW=0.0206因为 D/F=（XF- XW）/（XD- XW）=DXF/XD即 （0.4-0.0206）/（XD-0.0206）=0.970.4/ XD解得 XD=0.929（2） 求精馏段及提馏大操作线方程精馏段操作线方程 y=(R/R+1)x+ XD/（R+1）=(4/5)x+0.929/5=0.8x+0.1858因为饱和蒸汽进料q=0，所以yd= XF=0.4，把yd代入精馏段操作线方程得 0.4=0.8 Xd+0.1858解得 Xd=0.2678又由 （y- XW）/（X- XW）=（yd- XW）/（Xd - XW） 得 （y-0.0206）/（X-0.0206）=（0.4-0.0206）/（0.2678-0.0206）化简上式得提馏段操作线方程 y=1.535 x-0.011（3）求R/Rmin因为 q=0， ye= XF=0.4所以 Xe= ye/（-1）ye =0.4/（2.47-1.470.4）=0.2125则 Rmin= （XD- ye）/（ye- Xe）=（0.929-0.4）/（0.4-0.2125）=2.82 R/Rmin=4/2.82=1.42倍（4） 全回流操作时求y2。已知Emv,1=0.6，塔顶为全凝器所以y1= XD=0.98，全回流是操作线方程为yn+1=Xn，所以 y*1=X1/1+（-1）X1=y2/1+（-1）y2=2.47 y2/（1+1.47 y2）则Emv,1=（y1- y2）/（y*1- y2）=（0.98- y2）/2.47 y2/（1+1.47 y2）- y2=0.6整理上式得 y22+0.7507 y2-1.6667=0解得 y2=0.969， y2= -1.7198（舍去）所以 y2=0.969干燥1、在常压流化床干燥器中将颗粒状物料的含水量从0.18降到0.025（干基）。湿物料处理量为2000kg/h。已测得在流化状态下该物料的临界含水量为0.02，平衡含水量接近0。t0=30、=40%的空气经预热器升温至100（对应湿球温度为tw=33）后进入干燥器，废气湿度为0.027kg/kg绝干气。试求：（1）绝干空气消耗量；（2）预热器的传热量；（3）离开干燥器的废气温度及物料温度。假定空气在干燥器内为等焓过程。30下水的饱和蒸气压为4.242kPa解：（1）绝干空气消耗量H1=H0=0.622ps/(P-ps)=0.6220.44.242/(101.33-0.44.242)=0.0106kg/kg 绝干气G=G1/(1+X1)=2000/(1+0.18)=1695kg/hL=G(X1- X2)/( H2- H1)=1695(0.18-0.025)/(0.027-0.0106)=16020kg/h（2）预热器的传热量I0=(1.01+1.88H0)t0+2490H0 =(1.01+1.880.0106)30+24900.0106=57.3kJ/kg绝干气I1=(1.01+1.88H0)t1+2490H0 =(1.01+1.880.0106)100+24900.0106=129.4 kJ/kg绝干气则 Qp=L(I1-I0)=16020(129.4-57.3)=11.55105kJ/h=320.8kW或 Qp=L(1.01+1.88H0)（t0-t1） =320.8 kW(3) 废气温度及物料出口温度对于等焓干燥过程，符合下列关系：(1.01+1.88 H2) t2+2490 H2=I1(1.01+1.880.027)t2+24900.027=129.4解得 t2=58.2在恒速干燥阶段，物料表面温度t等于空气的湿球温度tw=33。2、在常压绝热干燥器中将1500kg湿物料从原始含水量18%降到1.5%（均匀湿基）。t0=25、H0=0.010kg/kg绝干气的空气在预热器中升温至90后进入干燥器，离开干燥器空气的温度为50。试求：（1）完成上述干燥任务所需空气量；（2）预热器中加热蒸汽消耗量（蒸汽的相变热为2205kJ/kg，忽略预热器损失）；（3）干燥系统的热效率；（4）通过恒定条件下的干燥测得，物料的临界含水量Xc=0.10kg/kg绝干料，平衡含水量X*=0.01kg/kg绝干料;已知干燥面积为48m2，恒速阶段的干燥速率Uc=2.2kg/(m2h),假定降速阶段干燥速率与自由含水量（X-X*）呈直线关系，则所需干燥时间为若干。解：（1）所需空气量GC=G1(1-1)=1500(1-0.18)=1230kgX1=1/(1-1)=18/(100-18)=0.2195X2=1.5/(100-1.5)=0.01523W=GC(X1-X2)=1230(0.2195-0.01523)=251.3kgL=W/(H2-H1) (1)由I1=I2(1.01+1.880.01)90+24900.01=(1.01+1.88 H2)50+2490 H2解得 H2=0.02593kg/kg绝干气将有关数值代入式（1），得L=251.3/（0.02593-0.01）=1.578104kg/kg绝干气Lw=L(1+H0)=1.578104(1+0.01)=1.594104kg新鲜气（2）预热器中加热蒸汽消耗量Qp=L(1.01+1.88 H0)(t1-t0)=1.578104(1.01+1.880.01)(90-25)=1.055106kJ加热蒸汽消耗量为Wh=Qp/r=1.055106/2205=478.6kg（3）干燥系统的热效率=W(2490+1.88t2)/Qp=251.3(2490+1.8850)/1.055106=0.6157=61.57%(4)干燥时间T=GC(X1- Xc)+( Xc- X*)ln( Xc- X*)/( X2- X*)/SUc=1230(0.2195-0.10)+(0.10-0.01)ln(0.10-0.01)/(0.01523-0.01)/(482.2)=4.375 h3、在常压绝热干燥器中用热空气干燥某种湿物料。空气的有关参数为：温度为25、湿度为0.009kg/kg绝干气，在预热器中升温至t1后进入干燥器离开干燥器的温度为50、湿度为0.03 kg/kg绝干气。湿物料进出干燥器的干基含水量分别为0.25及0.025 kg/kg绝干料，干燥产品量为0.5kg/s。试计算：（1）新鲜空气用量；（2）预热器的传热量；（3）空气进入干燥器的温度；（4）若被干燥物料为热敏性物质，空气进入干燥器的温度不允许超过75，试定性分析对原干燥流程应如何改进？解：（1）新鲜空气用量LWG=G2/（1+X2）=0.5/（1+0.025）=0.4878 kg/sW=G（X1- X2）=0.4878（0.25-0.025）=0.1098 kg/sL=W/（H2-H1）=0.1098/（0.03-0.009）=5.23 kg绝干气/sLW=L（1+H0）=5.23（1+0.009）=5.28kg新鲜空气/s（2）预热器的热负荷QPQP=L（I1-I0）对于绝热干燥器有I1= I2，由题给条件I2和I0均可求得，即I0=（1.01+1.88 H0）t0+2490H0 =(1.01+1.880.009)25+24900.009=48.1 kJ/kg绝干气同理 I2=（1.01+1.88 H2）t2+2490H2 =（1.01+1.880.03)50+24900.03=128.0 kJ/kg绝干气则 QP=（128-48.1）5.23=418.0Kw（3）空气进入干燥器的温度t1 t1由I1反求，理想干燥器的I1=I2，即（1.01+1.88H1）t1+2490H1=128.0解得 t1=102.8t1也可根据 QP求算，即L（1.01+1.88 H0）（t1-t0）=418.0解得 t1=102.8（2）对原流程的改进采用部分废气循环流程来调节t1不高于75。1. 解：在贮槽液面1-1和高位液面2-2间列柏努利方程式，并以1-1为基准面，可得： We=gZ+p/+u2/2+hfZ=12m u=0 p=0(表压)hf=（l+le/d）+ u2/2U=VS/A=2.01510-3/0.7850.0382=1.778m/sRe= du/=0.0381.7781260/110-3=8.51104(湍流)=0.3164/ Re0.25=0.3164/(8.51104)0.25=0.0185hf=(0.018550/0.038)+1.5 1.7782/2=40.85J/ kgWe=129.81+40.85=158.5 J/ kgwS=VS=2.0151031260=2.54 kg/sN= We wS/=158.52.54/0.6=671W=0.671KW 2 解： 由总传热速率方程知：Q=K0S0 Tm Q= Wc CPc(t 2- t 1) Wc=VS=53800/3600=11.78 kg/sQ =11.78 2103(80-60)=4.17105wS0=nd0L=3680.0196=131.7 m2tm= Q/ K0S0=4.17105/110131.7=32.5tm=t1+t2/2=(T-60)+(T-80)/2=32.5解得 T=102.5验算 t2/t1=（102.5-60）/（102.5-80）=1.822 合理3 解：（1） 由精馏段操作线方程y=0.8x+0.19知：R/R+=0.8 得 R=4 XD/R+1=0.19 得XD=0.95由回收率定义DXD/FXF=0.9故 塔顶产品流量D=0.91000.5/0.95=47.37kmol/h塔底 W=F-D=100-47.37=52.63 kmol/h（2）精馏段上升蒸汽量V为：V=（R+1）D=（4+1）47.37=236.9 kmol/h提馏大上升蒸汽量V 因饱和液体进料（q=1）故 V=V=236.9 kmol/h 4 解： （1） 适宜吸收剂用量L Lmin（X1- X2） 其中 X1=Y1/m=0.013/0.75=0.0173 X2=0 Lmin=35（0.013-0.000067）/0.0173=26.2 kmol/h L=2 Lmin=226.2=52.4 kmol/h=52.418=943 kg/h（2） 气相总传质单元数NOG=1/(1-S)ln(1-S)(Y1-mX1)/ (Y2-mX2)+S其中 S=mV/L=0.7535/52.4=0.5NOG=1/1-0.5ln(1-0.5)0.013/0.000067+0.5=9.165 解： （1）蒸发水分量W W= Gc(X1- X2)Gc= G1(1- w1)=0.278(1-0.4)=0.1668 kg/sX1= w1/1- w1=0.4/1-0.4=0.6667X2= w2/1- w2=0.05/1-0.05=0.05263W=0.1668(0.6667-0.05263)=0.1024 kg/s (2) 新鲜空气用量L 绝干空气用量为：L=W/（H2-H1） =0.1024/（0.0335-0.0062）=3.751 kg/sL=L（1+ H1）=3.751（1+0.0062）=3.774 kg/s10