化工原理课后答案.docx

1、化工原理课后答案3.在大气压力为101.3kPa的地区，一操作中的吸收塔内表压为 130 kPa。若在大气压力为75 kPa的高原地区操作吸收塔，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时表压的读数应为多少？解:pa p表 101.3 130 231.3KPa p绝 pa 231.3 75 1563.KPa1-6为测得某容器内的压力，米用如图所示的 U形压差计，指示液为水银。已知该液体密度为900kg/m3,h=0.8m,R=0.45m。试计算容器中液面上方的表压。p pgh pgh解.p pgR pgm313.6 10 9.81 0.45 900 9.81 0.860037.2 7063.2 5

2、2974 Pa 53kPa1-10 .硫酸流经由大小管组成的串联管路，其尺寸分别为 76X 4mni和57 X 3.5mm已知3 3硫酸的密度为1831 kg/m，体积流量为9m/h,试分别计算硫酸在大管和小管中的（1）质量 流量；（2）平均流速；（3）质量流速。解:（1）大管:76 4mm（2） 小管:57 3.5mm质量流量不变 ms2 16479 kg / h小1 2 68 2或: u2 5（） 0.69（ ） 1.27m/sd2 501-11 .如附图所示，用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽与反应器均与大气相通，且高位槽中液面恒定。现要求料液以 1m/s的流速在管内流动，设料液在管内

3、流动时的能量损失为20J/kg （不包括出口），试确定高位槽中的液面应比虹吸管的出口高出的距离。解:以高位槽液面为1-1 面，管出口内侧为2-2 面，在1-1 2-2 间列柏努力方程:1简化:H （丄u； Wf）/g21-14 .附图所示的是丙烯精馏塔的回流系统,槽回流至塔顶。丙烯贮槽液面恒定， 其液面上方的压力为 2.0MPa（表压），精馏塔内操作压 力为1.3MPa （表压）。塔内丙烯管出口处高出贮槽内液面 30m管内径为140mm丙烯密度 为600kg/m3。现要求输送量为 40X 103kg/h，管路的全部能量损失为 150J/kg （不包括出口 能量损失），试核算该过程是否需要泵。解

4、:在贮槽液面1-1 与回流管出口外侧 2-2 间列柏努力方程:简化:P1 We Z2g 匹-uf Wf2不需要泵，液体在压力差的作用下可自动回流至塔中1-16 .某一高位槽供水系统如附图所示，管子规格为力表的读数为78kPa。当阀门全幵时，压力表的读数为处的能量损失可以表示为 Wf u2J/kg （u为水在管试求：（1） 高位槽的液面高度；（2） 阀门全幵时水在管内的流量（ m/h ）。解:（1） 阀门全关，水静止 45X 2.5mm。当阀门全关时，压75 kPa，且此时水槽液面至压力表题16附图 阀门全幵:hJ内的流速）。在水槽1-1 面与压力表2-2 面间列柏努力方程简化:Z1gP21 2

5、2 U2Wf解之: u2 1.414m/s流量:Vsd2u2 0.785 0.042 1.414 1.776 10 3m3/s41-17 .附图所示的是冷冻盐水循环系统。 盐水的密度为1100 kg/m3，循环量为45 ni/h。管路的内径相同， 盐水从A流经两个换热器至 B的压头损失为9m由B题17附图流至a的压头损失为12m问:(1)若泵的效率为70%，则泵的轴功率为多少？(2)若A处压力表的读数为153kPa,则B处压力表的读数为多少?解:(1) 对于循环系统:(2) A B列柏努力方程:简化:-PA -Pb Zb hfABg gB处真空度为19656 Pa。1-23 .计算10C水以2

6、.7 X 10_3m/s的流量流过 57X 3.5mm长20m水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。(设管壁的粗糙度为0.5mm)3解:u 乞二 2.7 10 2 1.376m/s0.785d2 0.785 0.05210 C水物性:查得入0.0381-25 .如附图所示，用泵将贮槽中 20 C的水以40n1/h的流量输送至高位槽。两槽的液位恒定，且相差20m,输送管内径为100mm管子总长为80m (包括所有局部阻力的当量长 度)。已知水的密度为 998.2kg/m 3,粘度为1.005 X 10-3Pa- s,试计算泵所需的有效功率。 =0.240 z题23附图解:u -qV 3600

7、2 1.415m/snd2 0.785 0.124 /d=0.2/100=0. 002简化:We Z2g Wf1-28 .如附图所示，密度为 800 kg/m3、粘度为1.5 mPa s的液体，由敞口高位槽经 114X 4mm的钢管流入一密闭容器中，其压力为0.16MPa（表压），两槽的液位恒定。液体在管内的流速为1.5m/s，管路中闸阀为半幵，管 壁的相对粗糙度 d = 0.002，试计算两槽液面的 垂直距离 z。努力方程:简化:Zg 山 Wf由d 0.002 ,查得0.026管路中:进口0.590C弯头0.75半幵闸阀4.5出口121-31粘度为30cP、密度为900kg/m3的某油品自容

8、器 A流过内径40mm的管路进入容器B两容器均为敞口，液面视为不变。管路中有一阀 门，阀前管长50m,阀后管长20m （均包括所有 局部阻力的当量长度）。当阀门全关时，阀前后 的压力表读数分别为 8.83kPa和4.42kPa。现将 阀门打幵至1/4幵度，阀门阻力的当量长度为 30m试求：管路中油品的流量。解：阀关闭时流体静止，由静力学基本方程可得:3P1 Pa 8.83 10 “ZA 1 a 10mg 900 9.813P21 Pa 4.42 10 crnzb 5mg 900 9.81当阀打幵1 4幵度时，在AA与BB截面间列柏努利方程:其中:Pa Pb 0(表压)，ua ub则有(za Z

9、B)gWf -2le Ud 2(a)由于该油品的粘度较大,可设其流动为层流，则代入式(a)，有(ZaZB)g64 l le u2 32 (I le)ud2 d1校核:假设成立。u 432 (I油品的流量:阻力对管内流动的影阀门幵度减小时:(1)阀关小，阀门局下降。Z1gpAA (ZB)g0.042 900 (10 5) 9.81le) 32 30 10 3 (50 30 20)0.04 900 0.736 883.2 200030 10 3在11与AA2显然,阀关小后UA J，0.736 m/s响:部阻力增大，流速uj截面间列柏努利方程:Z1g空 Wf12,即流量I1d2U11)2PaT,即阀

10、前压力增加。(3)同理，在BB与22截面间列柏努利方程，可得:阀关小后UbJ, PbJ，即阀后压力减小。由此可得结论:(1)当阀门关小时，其局部阻力增大，将使管路中流量减小；(2)下游阻力的增大使上游压力增加；(3)上游阻力的增大使下游压力下降。可见，管路中任一处的变化，必将带来总体的变化，因此必须将管路系统当作整体考虑。1-36 .用离心泵将 20C水从水池送至敞口高位槽中，流程如附图所示，两槽液面差为 12m输送管为 57 X 3.5mm的钢管，吸入管路总长为20m,压出管路总长155m (包括所有局部阻力的当量长度)。用孔板流量计测量水流 20mm流量系数为0.61 , U形压差计的读数

11、为6 擦系数可取为0.02。试求：(1 )水流量，m/h ;(2)每kg水经过泵所获得的机械能。(3)泵入口处真空表的读数。解：(1) Vs CAc 2Rg( P P P(2)以水池液面为1 1面，高位槽液面为2 2面，在1 1 2 2面间列柏努利方程：而 Wf l -d2.331 10 32 1.19(3)以水池液面为10.785 0.051面，泵入口为3 3面，在1 1 3 3面间列柏努利方程:1-39 .在一定转速下测定某离心泵的性能，吸入管与压出管的内径分别为 70mn和50mm当流量为30 m3/h时，泵入口处真空表与出口处压力表的读数分别为 40kPa和215kPa,两测压口间的垂

12、直距离为 0.4m，轴功率为3.45kW。试计算泵的压头与效率。30/解：比 3600 2 2.166n 2 0.785 0.0724d1在泵进出口处列柏努力方程，忽略能量损失;=27.07m第二章 非均相物系分离1、试计算直径为30卩m的球形石英颗粒（其密度为 2650kg/ m 3）,在20C水中和20C常压空气中的自由沉降速度。 3解：已知 d=30y m p s=2650kg/m（1） 20C水 口=1.01 x 10-3Pa- s p =998kg/m3设沉降在滞流区，根据式（2-15 ）校核流型假设成立， ut=8.02 x 10“m/s为所求（2） 20C 常压空气 口 =1.8

13、1 x 10- Pa - s p =1.21kg/m设沉降在滞流区 校核流型：假设成立，ut=7.18 x 10-2m/s为所求。32、密度为2150kg/ m的烟灰球形颗粒在 20C空气中在层流沉降的最大颗粒直径是多 少？解：已知 p s=2150kg/m3查 20 C 空气 口 =1.81 x 10-5 Pa.s p =1.21kg/m3当Ret 虬 2时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径，根据式（ 2-15 ）并整理3、直径为10卩m的石英颗粒随20C的水作旋转运动，在旋转半径 R= 0.05m处的切向速度为12m/s,求该处的离心沉降速度和离心分离因数。解：已知 d=10u m R=0.

14、05m、 Ui=12m/s设沉降在滞流区，根据式（2-15 ） g改为Ui/ R即校核流型Ur=0.0262m/s 为所求。2 2所以 Kc 9 12 294Rg 0.05 9.816、有一过滤面积为0.093m2的小型板框压滤机，恒压过滤含有碳酸钙颗粒的水悬浮液。过滤时间为50秒时，共得到2.27 X 10-3 m3的滤液；过滤时间为100秒时。共得到3.35 X3 310- m的滤液。试求当过滤时间为 200秒时，可得到多少滤液？ 2 3 3 3 3解：已知 A=0.093m、t1=50s、V=2.27 X 10-m、t2=100s、匕=3.35 X 10-m 13=200s3V1 2.2

15、7 10 3由于 q1 24.41 10A 0.093根据式（2-38a）联立解之：qe=4.14 X 10-3 K =1.596 X 10-5因此 q； 2 4.14 10 3q3 200 1.596 10 5q3=0.0525所以 V=q3A=0.0525 X 0.093=4.88 X 10-3m第三章 传热1.有一加热器，为了减少热损失，在壁外面包一层绝热材料，厚度为300mm导热系数为0.16w/（m.k）,已测得绝热层外侧温度为 30C,在插入绝热层50mn处测得温度为75C.试求加热器外壁面温度.解：t21=75 C , t3=30 C，入=0.16w/(m.k)2.设计一燃烧炉时

16、拟采用三层砖围成其炉墙，其中最内层为耐火砖，中间层为绝热砖，最外层为普通砖。耐火砖和普通砖的厚度分别为 0.5m和0.25m，三种砖的导热系数分别为 1.02 W/(m )、0.14 W/(m )和0.92W/(m)，已知耐火砖内侧为 1000 C，普通砖外壁温度为 35 C。试问绝热砖厚度至少为多少才能保证绝热砖内侧温度不超过940C，普通砖内侧不超过 138 C。将t2=940C代入上式，可解得 b2=0.997m将 ta=138oC 解得 b2=0.250m将 b2=0.250m 代入(a)式解得：t2=814.4C故选择绝热砖厚度为 0.25m3. 50 5 mm勺不锈钢管，热导率入

17、1=16W/m- K;管外包厚 30mnB勺石棉，热导率为入2=0.25W/(m - K)。若管内壁温度为350 C,保温层外壁温度为100C，试计算每米管长的热损失及钢管外表面的温度；解：这是通过两层圆筒壁的热传导问题，各层的半径如下管内半径r1 20mm 0.02m ,管外半径225mm 0.025m每米管长的热损失：Q2 MXt3)2 3.14 (350100) 397 W/ml 丄lnr21 . 3In1 , 25 1In! VV/111In兰1h 216 20 0.22256.冷却水在252.5mm、长度为2m的钢管中以1m/s的流速流动，其进出口温度分别20 C和50C，试求管内壁

18、对水的对流传热系数。解：空气的定性温度：t 竺旦 35 C。在此温度查得水的物性数据如下：2Cp 4.174kJ/kg K，入 62.57 10 W/m K， 口 7.28 10 5Pa s p 994kg/mu 1 m/sl/d=2/0.02=1003-15载热体流量为1500kg/h，试计算各过程中载热体放出或得到的热量。 (1) 100C的饱和蒸汽冷凝成100C的水；(2) 110C的苯胺降温至10C； ( 3)比热容为3.77kJ/(kg - K)的NaOH溶液从370K冷却到290K；4）常压下150C的空气冷却至20C；（5）压力为147.1kPa 的饱和蒸汽冷凝，并降温至C3-1

19、7在一套管式换热器中， 用冷却水将1.25kg/s的苯由350K冷却至300K，冷却水进出口 温度分别为290K和320K。试求冷却水消耗量。3-18在一列管式换热器中， 将某液体自15C加热至40C，热载体从120C降至60C.试计算换热器中逆流和并流时冷 热流体的平均温度差。解：逆流为90C和60C ;壳程中冷却水的进出口温度分别为 20C和50 C，以外表面为基准的总传2热系数为2000W/（m C ）,试求：（1）冷却水的用量；（2）逆流流动时平均温度差及管子的长度；（3）并流流动时平均温度差及管子的长度。吸收2.向盛有一定量水的鼓泡吸收器中通入纯的 CO气体，经充分接触后，测得水中的

20、CO平衡浓度为2.875 x 102kmol/m3，鼓泡器内总压为101.3kPa，水温30C，溶液密度为1000 kg/m3。试求亨利系数E、溶解度系数H及相平衡常数m 解:查得30C，水的ps 4.2kPa稀溶液：c 1000 55.56kmol/m 3M s 185.用清水逆流吸收混合气中的氨， 进入常压吸收塔的气体含氨 6% （体积），吸收后气体出口中含氨0.4 % （体积），溶液出口浓度为 0.012 （摩尔比），操作条件下相平衡关系为Y* 2.52X。试用气相摩尔比表示塔顶和塔底处吸收的推动力。解：塔顶： Y2 Y2 Y2* 0.00402 0.00402塔底： Y Y Y* 0.

21、064 0.03024 0.0347.在温度为20C、总压为101.3kPa的条件下，SO与空气混合气缓慢地沿着某碱溶液的液 面流过，空气不溶于某碱溶液。 SO透过1mm厚的静止空气层扩散到某碱溶液中，混合气体中SO的摩尔分率为0.2，SO到达某碱溶液液面上立即被吸收，故相界面上 SO的浓度可忽略不计。已知温度20C时，SO在空气中的扩散系数为 0.18cm7s。试求SO的传质速率为多 少？解: SQ通过静止空气层扩散到某碱溶液液面属单向扩散，可用式DpN A （ pA1 Pa2 ）。RTzpBm已知：SO在空气中的扩散系数 D=0.18cm2/s=1.8 x 10-5H/s扩散距离z=1mm

22、=0.001m气相总压 p=101.3kPa气相主体中溶质 SO的分压pA1=pyA1=101.3 x 0.2=20.27kPa气液界面上SO的分压pA2=0所以，气相主体中空气（惰性组分）的分压 pB1=p- Pa1=101.3 20.27=81.06kPa气液界面上的空气（惰性组分）的分压 pB2=p Pa2=101.3 0=101.3kPa空气在气相主体和界面上分压的对数平均值为：代入式 Na d（Pai Pa2）,得RTzpBm5= 空（20.27 0）8.314 293 0.001 90.8=1.67 x 104kmol/（m2 s）10.用20C的清水逆流吸收氨一空气混合气中的氨，

23、已知混合气体温度为 20C，总压为101.3 kPa，其中氨的分压为1.0133 kPa，要求混合气体处理量为 773ni/h，水吸收混合气中氨的吸收率为99%。在操作条件下物系的平衡关系为 丫* 0.757X，若吸收剂用量为最小用的2倍，试求（1）塔内每小时所需清水的量为多少 kg ? （ 2）塔底液相浓度（用摩尔分数表示）解：(1)丫 Pa 1.0133 0.01pB 101.3 1.0133实际吸收剂用量L=2Lmin=2 X 23.8=47.6kmol/h=856.8 kg/h(2)X = X2+V (Y1-Y) /L=0+31.8(0.01 0.0001) 0.006647.611.

24、在一填料吸收塔内，用清水逆流吸收混合气体中的有害组分 A已知进塔混合气体中组分A的浓度为0.04 （摩尔分数，下同），出塔尾气中A的浓度为0.005，出塔水溶液中组分A的浓度为0.012，操作条件下气液平衡关系为 丫* 2.5X。试求操作液气比是最小液气比的倍数？ 解:12 .用SO2含量为1.1X 10-3（摩尔分数）的水溶液吸收含 SO2为0.09 （摩尔分数）的混合气中的 SO2。已知进塔吸收剂流量为37800kg/h，混合气流量为100kmol/h，要求SO2的吸收率为80%。在吸收操作条件下，系统的平衡 关系为丫 17.8X，求气相总传质单元数。37800解： 吸收剂流量L 2100

25、kmol/h18/(m2 s)的清水逆流吸收混合气中丙酮，要求的丙酮的吸收率为 98.8%。已知操作压力为 100 kPa,在操作条件下亨利系数为1.77 kPa,气相总体积吸收系数为 KYa 0.0231kmol/(m 3 s)。试用吸收因数法求填料呈高度？解：已知丫， 里 002 0.021 y 1 0.026-3试计算压力为 101.3KPa时，苯-甲苯混合液在 96 C时的气液平衡组成，已知 96 C, PA*=160.52KPa,PB*=65.66KPa。P= Pa*xa+ P b* xb101.3KPa =160.52 xa +65.66(1- x a)xa=0.376PYa= P

26、a*xa yA=0.5966-6在一连续操作的精馏塔中，某混合液流量为 5000 kg/h，其中轻组分含量为 0.3 (摩尔分数)，要求流出液轻组分回收率为0.88,釜液中轻组分含量不高于 0.05，试求塔顶流出液的摩尔 流量和摩尔分数。已知 Ma=114 kg /kmol, Mb=128 kg / kmol.6-7在一连续操作的精馏塔中分离苯 -氯仿混合液要求流出液轻组分含量为 0.96 (摩尔分数)的苯，进料量为75kmol/h ,进料量中苯的含量为 0.45.残夜中苯的含量为 0.1, R=3.0，泡点进料，试求：(1)从冷凝器回流至塔顶 的回流液量和自塔釜上升的 蒸汽摩尔流量；写出精馏段、提馏段操作线方程。6-8某连续精馏塔，泡点进料，已知操作线方程，精馏段y=0.8x+0.172,提馏段方程y=1.3x-0.018. 试求：原料液、馏出液、釜液组成及回流比。