化工原理期末考试试题及答案

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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 X 2.5 mm,为单管程。今拟采用此换热器冷凝冷却CS2饱和蒸汽,从饱

和温度46C冷却到10C, CS2走管外,其流量为250 kg/h,其冷凝潜热为356 kJ/kg,

液体CS2的比热为1.05 kJ/(kg「C );水走管内与CS2成总体逆流流动,冷却水进出口温度分别为5C和30C。已知CS2冷凝和冷却时传热系数(以外表面积为基准)

分别为K i= 232.6和K2= 116.8 W/(m2 C ),问此换热器是否适用?

1.解:CS2冷凝的热负荷:Q 冷凝=250 X 356= 89000kJ/h= 24.72 KW

CS 冷却的热负荷:Q 冷凝=250X 1.05X (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

4.187X (30-5)

设冷却水进入冷却段的温度为t k,则有:0.261X 4.187X (t k — 5) =

2.6KW 解之得:t k = 7.38C,贝U:(5分)

冷凝段对数平均温差:△ t m= (46— 30)—(46— 7.38) =

25.67C

ln 46 — 30

46— 7.38

所需传热面积:A 冷凝=24.7/232.6X 10 — 3X25.67= 4.14m2, (5分)

冷却段对数平均温差:△ tm=(46 — 7.38)—( 10— 5)

=16.45C

ln 46— 7.38 (5 分)

10— 5

2

所需传热面积:A 冷却=2.6/116.8X 10— 3X 16.45= 1.35m,

冷凝、冷却共需传热面积:工A i = 4.14+ 1.35= 5.49m2,

换热器实际传热面积为:A0= 30X 3.14X 0.025X 3= 7.065>2 A i,所以适宜使用。(5分)

2.(20分)某列管

换热器由多根①25X 2.5m m的钢管组成,将流量为15X 103kg/h 由20C加热到55C ,苯在管中的流速为0.5m/s,加热剂为130C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1.76 kJ/kg •K,密度p 为858kg/m3,粘度卩为0.52 X 10-3Pa- s,导热系数入为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a为10X 104

w/m・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 o(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R1与第

三层热阻R2、R的大小:(B )o

A R1 >(R 2+R )

B R 1 =R2 +R3

C R1 <( R 2 + R a)

D 无法比较

40C

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

A当S = X / a -d/2时,热损失最小;B 当入/ a =d+2S时,热损失最大;C当3 =入/ a -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Lm,高为Hm的降尘室中,颗粒的沉降速度为

2) K Ut,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 L m / U H m / U t L m/U t H m/U

C L m / U t — H m / u L m/U — H m/U t

2.解:1) q mi

热负荷

q m1 = q m/ C p2(t2 5)

=15X 103x 1.76X( 55-20)

5 =9.24X 10 KJ/h

5

9.24 10

2178

= 424.2kg h

(4 分)

Re

du£

苯侧的〉:0 02 疋0 5 城8 58

05警=16500 10000

0.52 10

C p U P r

3 _3

1.76 10 0.52 10 __

6.18

流体被加热,n= °.4

0.148

0.8 0.4

"=0.023 —Re Pr

d

=834.3 w/m

0.148 0.8 0.4 = 0.023 16500 6.18

0.02

2°C

基于外表面积:

1

1 .丄d

:0 : 2 d2

1

663

1 1 25

----- + ---- x——w/m 2C

(7分)

3) L 及 n

由传热基本方程:

(130_20)_(130_55)

,130-20

In 130-55

9.2^10^1000

A 4.24

663 汉91.4 汉3600

-91.4

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:.「一 ’■'',汽相默弗里板效率为0.5 o 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)

联立得 '

(2) 先计算‘―一,由

□ = ■儿

泡点进料1 :

由气液平衡方程

=0.58x^143=0.58x0.5+0.43=0.72

0 .72- .05

只 瞌=11x1.182=2.128

精馏段操作线方程为 R xn _ 2128

0.98

V ---- X + ----- - -------- x + -------

(5分)

严[L 陆+0.313

(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

q v

q v

d 2

nu 4

n = 兀,2 d u 4

3

15 10

858

=31

A -二d o Ln

2

— 0.022

0.5 3600 4 4.24

L = 二 0.025 31

二 1.82m

(9 分)

1.解:(1)由题给条件

Ay

力=—^-X100% = SS% -^^-400% = 98%

100 xo J 解得 kmol/h 由全塔物料衡算方程:

F 二 DW

- Dx D * JKt 甫

_ F X F

- D X D

JDO X OJ-JO X O.98 _NN ^

X BF ------------------ -- -------------------------

(5

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