物料衡算
- 稳态
- 输入 = 输出
- 总物料衡算
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- 组分衡算
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- 蒸发器
- F·xF = P·xP, W = F − P
公式表、每个专题的关键方法步骤和 24 道练习题,完整解答附在最后。
每小时需向物流 1 加入多少物流 2,才能使混合产品含 25% 的糖?求 ṁ2。
蒸发器通过蒸出纯水来浓缩糖溶液。求产品流量 P,单位为 kg/h。
热乙醇在无热损失的逆流换热器中冷却水。求水的出口温度 tout。
热乙二醇混合液在换热器中加热水,该换热器将热流体放出热量的 10% 散失到环境中。求所需的水流量 ṁc。
270 g Ar在 400 kPa 和 65 °C 下占多少体积 V?按理想气体处理。
一定量的O₂从 400 kPa、5 L、30 °C 变化到 700 kPa 和 80 °C。求新的体积 V2。
6 g H2 与 32 g O2 按 2H2 + O2 → 2H2O 反应。最多能生成多少质量 m 的 H2O?
在反应 2H2 + O2 → 2H2O 中,24 g H2 完全反应(其他反应物过量),收集到 167.3 g H2O。求产率 Y。
将 1 mol/L 的 H₂ 和 1 mol/L 的 I₂ 放入容器中发生反应:H₂ + I₂ ⇌ 2HI,Kc = 49。求平衡浓度 [H2]。
PCl₅ 发生分解:PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂,在反应温度下 Kc = 0.05。容器中起始时只有 1.5 mol/L 的 PCl₅。求平衡浓度 [PCl5]。
将一块 50 g、温度为 120 °C 的锌块(c = 0.388 J/(g·°C))投入隔热杯中 100 g、温度为 21 °C 的水(c = 4.18 J/(g·°C))中。求末温 Tf。
利用标准生成焓,求 100 g C4H10(M = 58.12 g/mol)完全燃烧时放出的热量 q:2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l)。q 以正数表示。
一个零级反应的 k = 0.005 mol/(L·min),初始浓度为 0.5 mol/L。达到 90% 转化率需要多长时间?求 t。
某反应在 30 °C 时速率常数为 0.1 min⁻¹,活化能为 80 kJ/mol。求 60 °C 时的速率常数 k2。
一个液相一级反应须达到 70% 的转化率。在进料流量、速率常数和转化率都相同时,CSTR 的体积须是 PFR 的多少倍?求该比值 VCSTR/VPFR。
一个液相一级反应(k = 0.25 min⁻¹)在进料流量为 80 L/min 的 400 L CSTR 中进行。密度恒定,反应器处于稳态。求转化率 X,以百分比计。
一台逆流换热器传热 270 kW。 热流体从 85 冷却到 60 °C,冷流体从 30 加热到 75 °C。总传热系数为 1500 W/(m²·K)。求所需传热面积 A。
在一台传热面积为 2 m²、U = 1000 W/(m²·K) 的冷凝器中,蒸汽在管外以恒定的 105 °C 冷凝。冷却水(1.5 kg/s,cp = 4.18 kJ/(kg·K))以 15 °C 进入管内。求水的出口温度 Tc,out。
一面墙由 150 mm 的玻璃和 50 mm 的混凝土组成,面积为 12 m²。外表面温度为 17 °C 和 -11 °C。 求两层交界面处的温度 Ti。
由 50 mm 玻璃和 75 mm 砖组成的墙,将 21 °C 的房间与 -11 °C 的室外空气隔开。对流换热系数室内为 10 W/(m²·K),室外为 25 W/(m²·K),墙面积为 4 m²。 求墙内表面的温度 Ts。
水(ρ = 1000 kg/m³)以 1.6 m/s 的速度流过一根长 300 m、内径 150 mm 的水平管道。取达西摩擦系数 f = 0.025,g = 9.81 m/s²。求管道的压降 Δp,以 kPa 计。
一根长 150 m、内径 300 mm(达西摩擦系数 f = 0.022)的管道从敞口水池引出,以自由射流排入大气。局部损失包括一个直角进口(K = 0.5)、3 个弯头(每个 K = 0.3)和一个阀门(K = 5)。取 g = 9.81 m/s²。要使流量为 120 L/s,水池水面须比管道出口高多少 H?
在一次试验中,水泵以 16 m 的扬程输送 10 L/s 的水(ρ = 1000 kg/m³),轴输入功率为 2.2 kW。取 g = 9.81 m/s²。求水泵效率 η,以百分比计。
一台水泵把 12 L/s 的水(ρ = 1000 kg/m³)从敞口下游水池输送到水面高 6 m 的上游水箱。管道长 100 m,内径 100 mm,达西摩擦系数 f = 0.025;局部损失系数之和为 ΣK = 4(含进口和出口)。取 g = 9.81 m/s²。 水泵效率为 78%。求轴功率 Pshaft,以 kW 计。
答案: ṁ2 = 560 kg/h
稳态物料衡算:总量和每个组分都满足输入 = 输出。混合问题同时用到两者。
答案: P = 1615 kg/h
联结组分:只在一股物流中不变地通过的组分(这里是溶质)可直接关联各流量。其余由总衡算求出。
答案: tout = 102.6 °C
换热器能量衡算:无损失时 ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)。
答案: ṁc = 1.292 kg/s
有损失的能量衡算:放出热量 = 吸收热量 + 损失热量。
答案: V = 47.5 L
理想气体定律:PV = nRT,其中 n = m/M。
答案: V2 = 3.328 L
联合气体定律:对一定量的理想气体,P1V1/T1 = P2V2/T2。
答案: m = 36.04 g
化学计量:配平的方程式计的是粒子数,不是克数。用 n = m/M 把质量换算为物质的量,以方程式系数作为物质的量之比,再用 m = n·M 换算回质量。有两种反应物时,限量反应物是先耗尽、决定生成多少产物的那一种。
答案: Y = 78 %
化学计量:配平的方程式计的是粒子数,不是克数。用 n = m/M 把质量换算为物质的量,以方程式系数作为物质的量之比,再用 m = n·M 换算回质量。有两种反应物时,限量反应物是先耗尽、决定生成多少产物的那一种。
答案: [H2] = 0.2222 mol/L
化学平衡:对于 aA + bB ⇌ cC + dD,平衡常数为 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b),其中使用平衡时的浓度。ICE 表(起始、变化、平衡,即三段式)通过一个未知数 x(按化学计量数缩放)把起始量与平衡量联系起来。
答案: [PCl5] = 1.25 mol/L
化学平衡:对于 aA + bB ⇌ cC + dD,平衡常数为 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b),其中使用平衡时的浓度。ICE 表(起始、变化、平衡,即三段式)通过一个未知数 x(按化学计量数缩放)把起始量与平衡量联系起来。
答案: Tf = 25.39 °C
热量与焓:加热一种物质需要 q = m·c·ΔT。在量热计中,热物体放出的热量等于冷物体吸收的热量。反应的焓变可由生成焓求出:ΔH° = ΣΔH°f(生成物) − ΣΔH°f(反应物),每一项都乘以其化学计量数。
答案: q = 4951 kJ
热量与焓:加热一种物质需要 q = m·c·ΔT。在量热计中,热物体放出的热量等于冷物体吸收的热量。反应的焓变可由生成焓求出:ΔH° = ΣΔH°f(生成物) − ΣΔH°f(反应物),每一项都乘以其化学计量数。
答案: t = 90 min
Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).
答案: k2 = 1.743 min⁻¹
反应速率:一级反应 −dC/dt = kC,所以 C = C₀·e−kt,半衰期 ln 2/k 与浓度无关。二级反应 1/C = 1/C₀ + kt。速率常数随温度按阿伦尼乌斯公式增大:k = A·e−Ea/(RT)。
答案: VCSTR/VPFR = 1.938
稳态下理想反应器中的一级反应(−rA = k·CA),空时 τ = V/Q。CSTR 是全混的,因此整个体积都在较低的出口浓度下反应:τ = X/(k·(1 − X)),CA = CA0/(1 + k·τ)。在 PFR 中,每一薄层流体都像一个小间歇反应器那样反应:τ = ln(1/(1 − X))/k,CA = CA0·e−k·τ。达到相同转化率时,CSTR 所需体积总是大于 PFR。
转化率高时差距迅速增大。
答案: X = 55.56 %
稳态下理想反应器中的一级反应(−rA = k·CA),空时 τ = V/Q。CSTR 是全混的,因此整个体积都在较低的出口浓度下反应:τ = X/(k·(1 − X)),CA = CA0/(1 + k·τ)。在 PFR 中,每一薄层流体都像一个小间歇反应器那样反应:τ = ln(1/(1 − X))/k,CA = CA0·e−k·τ。达到相同转化率时,CSTR 所需体积总是大于 PFR。
答案: A = 9.888 m²
对数平均温差法 (LMTD):两股流体之间的温差沿换热器变化,因此传热方程使用其对数平均值:Q̇ = U·A·ΔTlm,其中 ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂),ΔT₁ 和 ΔT₂ 为两端温差。进出口温度相同时,逆流的 ΔTlm 大于并流。
逆流时,热流体入口对着冷流体出口,热流体出口对着冷流体入口。
答案: Tc,out = 39.58 °C
LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.
取 ΔT₁ = Ts − Tc,in,ΔT₂ = Ts − Tc,out,则 ΔT₁ − ΔT₂ 等于水的温升,所以温升被约去。
传递的热量:Q̇ = 154.1 kW。
答案: Ti = −5.791 °C
热阻:通过串联各层的稳态热流类似于通过串联电阻的电流:Q̇ = ΔT/ΣR,导热层 R = L/(kA),对流表面 R = 1/(hA)。各层的温降与其热阻成正比。
第一层中温度下降 Q̇·R₁。
答案: Ts = 10.2 °C
热阻:通过串联各层的稳态热流类似于通过串联电阻的电流:Q̇ = ΔT/ΣR,导热层 R = L/(kA),对流表面 R = 1/(hA)。各层的温降与其热阻成正比。
答案: Δp = 64 kPa
管流:雷诺数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ 用于区分层流(Re 约低于 2000)和湍流(约高于 4000)。沿管道的摩擦造成达西–魏斯巴赫水头损失 hf = f·(L/D)·V²/(2g)。管件、阀门、进口和出口带来局部损失 hm = ΣK·V²/(2g)。在两个敞口水池液面之间,能量方程给出 Δz = hf + hm,其中包含出口损失 K = 1。
管道水平且流速不变,所以能量方程简化为 Δp = ρ·g·hf。
答案: H = 2.703 m
管流:雷诺数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ 用于区分层流(Re 约低于 2000)和湍流(约高于 4000)。沿管道的摩擦造成达西–魏斯巴赫水头损失 hf = f·(L/D)·V²/(2g)。管件、阀门、进口和出口带来局部损失 hm = ΣK·V²/(2g)。在两个敞口水池液面之间,能量方程给出 Δz = hf + hm,其中包含出口损失 K = 1。
出口射流仍带有速度水头;它不是损失,但必须由水头提供。
答案: η = 71.35 %
水泵功率:传给水的功率是水功率 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp。由于水泵有损失,轴必须输入更多功率:Pshaft = Ph/ηpump,电动机取用 Pel = Pshaft/ηmotor。泵扬程 H 由能量方程求得:静扬程 + 压力水头 + 全部沿程和局部损失。
答案: Pshaft = 1.426 kW
水泵功率:传给水的功率是水功率 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp。由于水泵有损失,轴必须输入更多功率:Pshaft = Ph/ηpump,电动机取用 Pel = Pshaft/ηmotor。泵扬程 H 由能量方程求得:静扬程 + 压力水头 + 全部沿程和局部损失。
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