20-化学工程基础(习题课)-2013-5-22-2003.ppt

第二、三章习题讲解第二、三章习题讲解2-232-23：在二湍流流动的流体在套管换热器中进行换热，第一流体在二湍流流动的流体在套管换热器中进行换热，第一流体向管壁的传热系数向管壁的传热系数1=232.6 W/(m2 K)，管壁向第二流体的，管壁向第二流体的传热传热系数系数2=407 W/(m2 K)，试问在下述两种情况下传热系数各增加试问在下述两种情况下传热系数各增加多少倍（忽略管壁热阻）：多少倍（忽略管壁热阻）：（1 1）第一流体的流速增加）第一流体的流速增加1 1倍；倍；（2 2）第二流体的流速增加）第二流体的流速增加2 2倍，其他条件均不变。倍，其他条件均不变。解：圆形直管内湍流流动时的给热系数：解：圆形直管内湍流流动时的给热系数：由上式可知：由上式可知：（1 1）设各传热面面积相等，则：）设各传热面面积相等，则：已知已知u1=2u1，u0.8,则则：（2 2）已知已知u2=3u2，u0.8,则则：由计算可知，提高热阻较大一侧流体的流速对提高传热有利。由计算可知，提高热阻较大一侧流体的流速对提高传热有利。2-292-29：某溶液在套管换热器中与水逆流换热，溶液量为某溶液在套管换热器中与水逆流换热，溶液量为10001000 kg/h，走管外。溶液定压热容为，走管外。溶液定压热容为3 3.35 kJ/(kg K)，从，从150冷却到冷却到8080。冷却水走管内，。冷却水走管内，从从15加热到加热到6565，水的定压热容为，水的定压热容为4 4.19 kJ/(kg K)，内管尺寸，内管尺寸为为 25252.5 mm2.5 mm。（1 1）已知溶液的对流传热系数为）已知溶液的对流传热系数为10001000 W/(m2 K)，忽略管壁，忽略管壁热热阻，阻，求以求以传热传热管外表面管外表面为为基准的基准的传热传热系数和冷却水用量系数和冷却水用量；（2 2）该换热器使用）该换热器使用6 6个月后，由于水侧管子结垢，生产能力降低，个月后，由于水侧管子结垢，生产能力降低，如用水量不变，水的出口温度降为如用水量不变，水的出口温度降为6060，求污垢热阻；，求污垢热阻；（3 3）若希望溶液仍冷却到）若希望溶液仍冷却到80 80，将冷却水量提高，将冷却水量提高1 1倍，能否达到倍，能否达到要求？要求？解：（解：（1）水的定性温度：）水的定性温度：tm=(15+65)/2=40查表得查表得4040时水的物性参数：时水的物性参数：=992 kg/m3，=0.6338 W/(m K)，Cp=4.19 kJ/(kg K)，=65.610-5 Pa s；Pr=4.32冷却水的用量：冷却水的用量：qm冷冷=qm热热cp热热t热热/cp冷冷t冷冷=1000 3.35(150 80)/4.19(65 15)=1119kg/h忽略管壁忽略管壁热热阻和阻和污污垢垢热热阻，阻，则则：已知：已知：do25 mm;di=25-2.52=20 mm;u=1119/3600 9920.7850.022=1m/s Re=diu/=0.021992/65.610-5 =3.02104 104（湍流）（湍流）0.7 Pr=4.32 160 =65.610-5 Pa.s 2.010-3 Pa s 流体被加流体被加热热，取，取 n=0.4=0.023 (0.6338/0.02)(3.02104)0.84.320.4 =5022 W/(m2 K)（2 2）该换热器使用）该换热器使用6 6个月后，由于水侧管子结垢，生产能力个月后，由于水侧管子结垢，生产能力降低，如用水量不变，水的出口温度降为降低，如用水量不变，水的出口温度降为6060，求污垢热阻。，求污垢热阻。换热器开始使用时：换热器开始使用时：使用使用6 6个月后：个月后：qm冷冷 cp冷冷t冷冷=qm热热cp热热t热热t热热=qm冷冷 cp冷冷t冷冷/qm热热cp热热t热热=qm冷冷 cp冷冷t冷冷/qm热热cp热热 =1119 4.19(60 15)/10003.35=63使用使用6 6个月后，溶液的出口温个月后，溶液的出口温度度=150-63=87由于：由于：所以：所以：（3 3）若希望溶液仍冷却到）若希望溶液仍冷却到8080，将冷却水量提高，将冷却水量提高1 1倍，能倍，能否达到要求？否达到要求？qm u，冷却水量提高冷却水量提高1 1倍，则：倍，则：u=2u，u0.8：冷却水量提高冷却水量提高1 1倍：倍：t冷冷=qm热热cp热热t热热/qm冷冷 cp冷冷所以，冷却水量提高所以，冷却水量提高1倍后，水的出口温度倍后，水的出口温度 为为：15+（65-15）/2=40 ：所以，冷却水量提高所以，冷却水量提高1倍后，能达到要求。倍后，能达到要求。课堂作业：课堂作业：课堂作业：课堂作业：拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液，已知混合液进料流量为拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液，已知混合液进料流量为200 kmol/h200 kmol/h，其中含苯，其中含苯0.40.4（摩尔分率，下同）其余为甲苯。（摩尔分率，下同）其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯的含量不高于若规定塔底釜液中苯的含量不高于0.010.01，釜液的流量为，釜液的流量为120 120 kmol/hkmol/h。泡点进料，平均相对挥发度。泡点进料，平均相对挥发度=2.5=2.5，塔顶冷凝器为全，塔顶冷凝器为全凝器，操作回流比凝器，操作回流比R R=3.5=3.5，试确定：，试确定：（1）、）、精馏段操作线方程；精馏段操作线方程；（2）、提馏段操作线方程；）、提馏段操作线方程；（3）、精馏段内上升蒸气的流量）、精馏段内上升蒸气的流量V及下降液体的流量及下降液体的流量L；（4）、提馏段内上升蒸气的流量）、提馏段内上升蒸气的流量V及下降液体的流量及下降液体的流量L。已知：已知：F=200 kmol/h，xF=0.4；W=120 kmol/h，xW=0.01（1 1）根据全塔物料衡算：）根据全塔物料衡算：F=D+W D=F W=200 120=80 kmol/h（2 2）L L=RD=3.580=280 kmol/h 泡点进料，所以泡点进料，所以L L=L+F=280+200=480 kmol/h（3 3、4 4）V V=L+D=280+80=360 kmol/h 泡点进料，所以泡点进料，所以V V=V=360 kmol/h3-8：y-x图图上，相平衡上，相平衡线线和操作和操作线间线间1个个“阶阶梯梯”中水平中水平长长度的物理度的物理意意义义是什么？是什么？答答：其其物物理理意意义义是是：塔塔内内任任一一截截面面上上升升蒸蒸气气（或或液液相相回回流流液液）经过一个理论塔板时的组成变化。经过一个理论塔板时的组成变化。3-93-9：用连续精馏方法分离双组分理想混合液，原料液中含易挥发用连续精馏方法分离双组分理想混合液，原料液中含易挥发组分的摩尔分数为组分的摩尔分数为0.400.40，馏出液中含易挥发组分的摩尔分数为，馏出液中含易挥发组分的摩尔分数为0.950.95。溶液的相对平均挥发度为溶液的相对平均挥发度为2.82.8，最小回流比为，最小回流比为1.501.50，说明原料液的，说明原料液的进口热状况，求出进口热状况，求出q q值。值。解解题题思路：精思路：精馏馏段操作段操作线线、提、提馏馏段操作段操作线线和和进进料料线线三条直三条直线线交于一点。交于一点。该该点的坐点的坐标标均均满满足三足三线线方程。当方程。当R最小最小时时，该该点落在平衡点落在平衡线线上。所以上。所以该该点的坐点的坐标标也也满满足相平衡方程足相平衡方程已知：已知：xF=0.40；xD=0.95；=2.8；Rmin=1.50 相平衡方程相平衡方程:Rmin联联解上述两式，得：解上述两式，得：yq=0.327；xq=0.576 把把结结果果带带入入进进料料线线方程方程(q线线方程方程):解得：解得：0 q=0.707 1，进进料料为为气液混合物。气液混合物。3-113-11：设计精馏塔分离含设计精馏塔分离含60%60%的苯和甲苯的混合液，混合液的处理的苯和甲苯的混合液，混合液的处理量每小时量每小时2000 kg2000 kg，要求分离成含，要求分离成含97%97%的苯和的苯和96%96%（均为质量百分数，（均为质量百分数，下同）的甲苯，混合液在泡点下进料。试求：下同）的甲苯，混合液在泡点下进料。试求：（1 1）所得馏出液和残液的量；）所得馏出液和残液的量；（2 2）最小回流比；）最小回流比；（3 3）求当回流比为最小回流比的）求当回流比为最小回流比的2 2倍时的理论板数和加料位置。倍时的理论板数和加料位置。苯和甲苯的平衡数据如下：苯和甲苯的平衡数据如下：液相中苯的液相中苯的摩尔分数摩尔分数0.10.20.30.40.50.60.70.80.9气相中苯的气相中苯的摩尔分数摩尔分数0.220.3720.507 0.620.7130.791 0.857 0.912 0.959（4 4）如果理论级数保持（）如果理论级数保持（3 3）中所求得的数目不变，试问下列情况）中所求得的数目不变，试问下列情况下塔顶和塔底的组成各将发生什么变化？下塔顶和塔底的组成各将发生什么变化？(1)(1)加料液的浓度升高或加料液的浓度升高或降低；降低；(2)(2)加料位置上移或下移；加料位置上移或下移；(3)(3)回流增加或减少；回流增加或减少；(4)(4)回流比回流比减少到只有（减少到只有（2 2）中所求得的最小回流比的）中所求得的最小回流比的90%90%。（1）所得）所得馏馏出液出液D和残液的量和残液的量W解：解：M苯苯=78；M甲苯甲苯=92 F=(20000.6)/78+(20000.4)/92=24 kmol/h由全塔物料衡算由全塔物料衡算解得：解得：D=15.33 kmol/h；W=8.67 kmol/h（2）最小回流比）最小回流比Rmin泡点进料，泡点进料，q=1时，时，xq=xF=0.639由气液相平衡数据可求得：由气液相平衡数据可求得：yq=yF*=0.817（3）求当回流比）求当回流比为为最小回流比的最小回流比的2倍倍时时的理的理论论板数和加料位置。板数和加料位置。用逐板用逐板计计算法求解。先确定相平衡方程，必算法求解。先确定相平衡方程，必须须先求先求相相对对平均平均挥发挥发度度。液相中苯的液相中苯的摩尔分数摩尔分数0.10.20.30.40.50.60.70.80.9气相中苯的气相中苯的摩尔分数摩尔分数0.220.3720.507 0.620.7130.791 0.857 0.912 0.959相相对挥发对挥发度度 2.538 2.3692.402.447 2.484 2.523 2.568 2.591 2.599相相对挥发对挥发度度，可根据，可根据苯和甲苯的平衡数据求得。苯和甲苯的平衡数据求得。相相对对平均平均挥发挥发度：度：则则相平衡方程相平衡方程为为：取回流比取回流比R=2Rmin=20.88=1.76 L L=RD=1.7615.33=26.98 kmol/h泡点进料，所以泡点进料，所以L L=L+F=26.98+24=50.98 kmol/h计计算精算精馏馏段理段理论论塔板数。假定塔塔板数。假定塔顶顶采用全凝器，采用全凝器，则则：n=1，y1=xD=0.974 由相平衡关系式由相平衡关系式 x=y/(2.502-1.502y)得：得：x1=0.937 再由精再由精馏馏段操作段操作线线方程方程 yn+1=0.638xn+0.353 得得：y2=0.951 同理，依次得到：同理，依次得到：x2=0.883n=3，y3=0.916，x3=0.813 n=4，y4=0.872，x4=0.731n=5，y5=0.819，x5=0.644n=6，y6=0.764，x6=0.564 xF=0.639计计算提算提馏馏段理段理论论塔板数。塔板数。由精由精馏馏段操作段操作线线方程方程 ym+1=1.20 xm-0.009 得得：y2=0.951n=7，y7=0.668，x7=0.446 n=8，y8=0.526，x8=0.328n=9，y9=0.385，x9=0.200 n=10，y10=0.231，x10=0.107n=11，y11=0.119，x11=0.045 xW=0.047所以全塔需要理所以全塔需要理论论塔板数塔板数为为10块块（扣除塔釜），加料位置在第五和第六（扣除塔釜），加料位置在第五和第六块块塔板之塔板之间间。（4 4）如果理论级数保持（）如果理论级数保持（3 3）中所求得的数目不变，试问下列情况）中所求得的数目不变，试问下列情况下塔顶和塔底的组成各将发生什么变化？下塔顶和塔底的组成各将发生什么变化？(1)(1)加料液的浓度升高或加料液的浓度升高或降低；降低；(2)(2)加料位置上移或下移；加料位置上移或下移；(3)(3)回流增加或减少；回流增加或减少；(4)(4)回流比回流比减少到只有（减少到只有（2 2）中所求得的最小回流比的）中所求得的最小回流比的90%90%。答：（答：（1）加料液的苯浓度升高，塔顶和塔底苯的浓度均升高。加料液的苯浓度升高，塔顶和塔底苯的浓度均升高。加料液的苯浓度降低，塔顶和塔底苯的浓度均降低。加料液的苯浓度降低，塔顶和塔底苯的浓度均降低。（2 2）加料位置上移，精馏段塔板数减少，分离能力降低，塔顶加料位置上移，精馏段塔板数减少，分离能力降低，塔顶苯的浓度降低。提馏段塔板数增加，分离能力增加，塔底苯的苯的浓度降低。提馏段塔板数增加，分离能力增加，塔底苯的浓度降低。同理，加料位置下移，塔顶和塔底苯的浓度均升高。浓度降低。同理，加料位置下移，塔顶和塔底苯的浓度均升高。(3)(3)回流增加，精馏段操作线斜率增大，传质推动力增大，塔顶回流增加，精馏段操作线斜率增大，传质推动力增大，塔顶苯的浓度均升高。提馏段操作线斜率减小，传质推动力增大，苯的浓度均升高。提馏段操作线斜率减小，传质推动力增大，塔底苯的浓度降低。回流减少，分离能力降低，塔顶苯的浓度塔底苯的浓度降低。回流减少，分离能力降低，塔顶苯的浓度升高降低，塔底苯的浓度均升高。升高降低，塔底苯的浓度均升高。答：（答：（4）回流比减少到比最小回流比）回流比减少到比最小回流比还还要低，操作要低，操作线线和和q线线的的交点就落在平衡交点就落在平衡线线之外，精之外，精馏馏塔无法按原塔无法按原设计设计要求要求进进行。即塔行。即塔顶顶和塔底和塔底产产品无法达到品无法达到设计设计要求，要求，塔顶苯的浓度升高降低，塔塔顶苯的浓度升高降低，塔底苯的浓度均升高。底苯的浓度均升高。（4 4）如果理论级数保持（）如果理论级数保持（3 3）中所求得的数目不变，试问下列情况）中所求得的数目不变，试问下列情况下塔顶和塔底的组成各将发生什么变化？下塔顶和塔底的组成各将发生什么变化？(1)(1)加料液的浓度升高或加料液的浓度升高或降低；降低；(2)(2)加料位置上移或下移；加料位置上移或下移；(3)(3)回流增加或减少；回流增加或减少；(4)(4)回流比回流比减少到只有（减少到只有（2 2）中所求得的最小回流比的）中所求得的最小回流比的90%90%。3-153-15：某厂欲用常压连续精馏塔分离苯和甲苯的混合液，原料混某厂欲用常压连续精馏塔分离苯和甲苯的混合液，原料混合液中含苯合液中含苯44%44%，要求塔顶产品含苯，要求塔顶产品含苯97.4%97.4%，塔釜产品中含苯不大于，塔釜产品中含苯不大于2.35%2.35%（均为摩尔百分数）。进料为饱和液体，塔顶采用全凝器。（均为摩尔百分数）。进料为饱和液体，塔顶采用全凝器。已知操作条件下塔顶的相对挥发度为已知操作条件下塔顶的相对挥发度为2.62.6，塔釜的相对挥发度为，塔釜的相对挥发度为2.462.46，进料的相对挥发度为，进料的相对挥发度为2.442.44，试用简捷算法确定完成该分离任，试用简捷算法确定完成该分离任务所需理论塔板数及加料位置。务所需理论塔板数及加料位置。泡点进料泡点进料q=1时，时，xq=xF已知：已知：xF=0.44；xD=0.974；xW=0.0235 F=2.44；D=2.6；W=2.46适宜回流比：适宜回流比：取回流比取回流比R=1.5Rmin=1.51.46=2.19 查吉利兰图得：查吉利兰图得：求精馏段塔板数：求精馏段塔板数：所需理所需理论论塔板数塔板数为为14.2块块，加，加料板料板为为从塔从塔顶顶向下数第八向下数第八块块。