化工原理期末考试试题及答案

40℃t ℃q 213

45℃

80℃

120℃

1．（20分）有立式列管式换热器，其规格如下：管数30根、管长3 m 、管径由25×2.5 mm ，为单管程。今拟采用此换热器冷凝冷却CS 2饱和蒸汽，从饱和温度46℃冷却到10℃，CS 2走管外，其流量为250 kg ／h ，其冷凝潜热为356 kJ/kg ，液体CS 2的比热为1.05 kJ ／(kg ·℃)；水走管内与CS 2成总体逆流流动，冷却水进出口温度分别为5℃和30℃。已知CS 2冷凝和冷却时传热系数(以外表面积为基准)分别为K 1= 232.6和K 2= l16.8 W/(m 2·℃)，问此换热器是否适用?

1. 解：CS 2冷凝的热负荷：Q 冷凝＝250×356＝89000kJ/h ＝24.72 KW

CS 2冷却的热负荷：Q 冷凝＝250×1.05×（46－10）＝9450kJ/h ＝2.6 KW 总热负荷Q 为：Q ＝24.7＋2.63＝27.3 KW

冷却水用量q m2为：q m2＝ 27.3 ＝0.261kg/s ＝940kg/h

4.187×(30-5)

设冷却水进入冷却段的温度为t k ，则有：0.261×4.187×（t k －5）＝2.6KW 解之得：t k ＝7.38℃，则：（5分）

冷凝段对数平均温差：Δt m ＝ （46－30

）＝25.67℃ ln 所需传热面积：A 冷凝＝24.7/232.6×10－3×25.67＝4.14m 2，（5分）

冷却段对数平均温差：Δtm ＝ （46－－5）＝16.45℃

ln （5分） 所需传热面积：A 冷却＝2.6/116.8×10－3×16.45＝1.35m 2，

冷凝、冷却共需传热面积：ΣA i ＝4.14＋1.35＝5.49m 2，

换热器实际传热面积为：A 0＝30×3.14×0.025×3＝7.065>ΣA i ，所以适宜使用。（5分）

２．（20分）某列管换热器由多根Φ25×2.5mm 的钢管组成，将流量为15×103kg/h 由20℃加热到55℃,苯在管中的流速为0.5m/s ，加热剂为130℃的饱和水蒸汽在管外冷凝，其汽化潜热为2178kJ/kg ，苯的比热容cp 为1.76kJ/kg·K ,密度ρ为858kg/m 3，粘度μ为0.52×10-3Pa·s，导热系数λ为0.148W/m·K，热损失、管壁热阻及污垢热阻均忽略不计，蒸汽冷凝时的对流传热系数α为10×104 W/m 2·K。试求：

（1）水蒸汽用量（kg/h ）；（4分）

（2）总传热系数K （以管外表面积为准）；（7分）

（3）换热器所需管子根数n 及单根管子长度L 。（9分）

5． 穿过三层平壁的稳定导热过程，如图所示，试比较第一层热阻R 1与第二、三层热阻 R 2 、R 3 的大小：（ B ）。 A R 1 >(R 2+R 3 ) B R 1 =R 2 +R 3 C R 1 <( R 2 + R 3) D 无法比较

6． 在直径为d 的圆管外包覆厚度为δ的保温层(导热系数为λ)，保温层外壁的对流传热系数为α。若d<λ/α，则对单位管长而言（ C ）。

A 当δ=λ/α-d/2时，热损失最小；

B 当λ/α=d+2δ时，热损失最大；

C 当δ=λ/α-d/2时，热损失最大；

D 包上保温层后热损失总比原来不包时小。

3. 在长为m L ，高为m H 的降尘室中，颗粒的沉降速度为t u ，气体通过降尘室的水平流速为

u ，则颗粒能在降尘室分离的条件是（ 3. D ）。 A

t m m u H u L //? B u H u L m t m //? C u H u L m t m //≥ D t m m u H u L //≥

2. 解：1）q m1

热负荷 )(1222t t c q p m Q -*= =15×103×1.76×（55-20）

=9.24×105 KJ/h

h kg r

Q q m 2.42421781024.951=?== （4分） 2) K

苯侧的α： 10000165001052.058.85.002.0Re 3>=???==-μρ

du

18.6148.01052.01076.13

3=???==-λu c p p r 流体被加热，

4.0=n 4

.08.04.08.018.61650002.0148.0023.0Pr Re 023.0??==∴d λα =834.3 w/m 2℃

基于外表面积：6632025834110000111112120=?+=+=d d K ααw/m 2℃ （7分）

3）L 及n

由传热基本方程：m t KA Q ?=、

m t K Q A ?= 4.915513020130ln )55130()20130(=-----=

?m t ℃ 24.436004.9166310001024.95????=∴A m 2

nu d q v 24π= 313600

5.002.0485810154232=?????==ππu d

q n v

(根)

Ln d A 0

π= m L 82.1

31025.024.4

=?

?=

π

（9分）

1．（20分）在常压精馏塔内分离某两组分理想溶液。已知进料量为100kmol/h ，进料组成为0.5（摩尔分率，下同），馏出液组成为0.98，进料为泡点进料；塔顶采用全凝器，泡点回流，操作回流比为最小回流比的1.8倍。在本题范围内，汽液平衡方程为： ，汽相默弗里板效率为0.5。若要求轻组分收率为98％，试计算：

（1）釜残液组成；（5分）

（2）精馏段操作线方程；（5分）

（3）从塔顶向下第一层实际板下降的液相组成。（10分）

1. 解：（1）由题给条件

解得 kmol/h

由全塔物料衡算方程：

联立得

（5分）

（2）先计算

，由

泡点进料

由气液平衡方程

精馏段操作线方程为

（5分）

（3）由汽相默弗里板效率定义，第一层实际板的汽相默弗里板效率为

（1）

塔顶为全凝器

由气液平衡方程，得

（2）

由精馏段操作线方程，得

（3）

将（2）、（3）式代入（1）式，得

解得（10分）