化工原理习题含答案.docx

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化工原理习题含答案

-流体流动部分

1•某储油罐中盛有密度为960kg/m3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5m，油面上方与大气相通。

在罐侧壁的下部有一直径为760mm的孔，其中心距罐底1000mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。

若螺钉材料的工作压力为39.5x106Pa,问至少需要几个螺钉

（大气压力为101.3x103Pa）?

解：

由流体静力学方程，距罐底1000mm处的流体压力为

33、.

ppgh101.3109609.81（9.51.0）Pa1.81310Pa（绝压）

作用在孔盖上的总力为

F（pPa）A=（1.813103—101.3103）n0.76N=3.627104N

每个螺钉所受力为

n23

F139.510—0.014N6.09310N

因此

nFR3.6271046.093103N5.956（个）

—

■

灶

习题1附图

3、如本题附图所示，水在管道内流动。

为测量流体压力，在管道某截面处连接U管压差计,指示液为水银，读数R=100毫米，h=800mm。

为防止水银扩散至空气中，在水银液面上方充入少量水，其高度可忽略不计。

已知当地大气压为101.3KPa试求管路中心处流体的压力。

解：

设管路中心处流体的压力为p

5、如本题附图所示，用泵2将储罐1中的有机混合液送至精馏塔3的中部进行分离。

已知

储罐内液面维持恒定，其上方压力为1.0133105Pa。

流体密度为800kg/m。

精馏塔进口处

的塔内压力为1.21105Pa,进料口高于储罐内的液面8m，输送管道直径为068mm4

mm,进料量为20m3/h。

料液流经全部管道的能量损失为70J/kg，求泵的有效功率。

解：

在截面a-A和截面B-B之间列柏努利方程式，得

P1u1p2u2

gZ1WegZ2hf

2.461.9378.470Jkg175Jkg

NewsWe203600800173W768.9W

6、某液体以一定的质量流量在水平直圆管内作湍流流动。

若管长及液体物性不变，将管径

减至原来的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍？

Pf=

解：

流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时

hf=

Pf/=

Ub2

、2

=（—

）（-

■）

hf1

Ub1

式中d1=2，ub2=（鱼）2=4

d2山d2

因此—=（丄）

（2）（4）2=32」

hfi11

hf2

-=32X0.84=26.9

hf1

7、用泵将2x104kg/h的溶液自反应器送至高位槽（见本

题附图）。

反应器液面上方保持25.9x103Pa的真空度，

高位槽液面上方为大气压。

管道为76mmx4mm的钢

管，总长为35m，管线上有两个全开的闸阀、一个孔板流量计（局部阻力系数为4）、五个标准弯头。

反应器内

液面与管路出口的距离为17m。

若泵的效率为0.7，求泵

的轴功率。

（已知溶液的密度为1073kg/m3，黏度为

6.310-4Pas。

管壁绝对粗糙度可取为0.3mm。

）

解：

在反应器液面1-1与管路出口内侧截面2-2间列机械能衡算方程，以截面1-1,为基准水平面，得

Ub1PUb2P2

g乙=-％gz丁-hf

式中

Z1=0,z2=17m,ub仔0

w2104

Ub22—

_d236000.7850.06821073

（1）

1.43ms

p1=-25.9x103Pa俵）,p2=0（表）将以上数据代入式

（1），并整理得

Ub2P2P1.

Weg（z2乙）一--hf

ed0.0044

泵的轴功率为

式中P1=0（表）

136000.6

Z11.5m6.66m

1000

将以上各值代入式（a）,即

9.81X6.66=u^+39630+2.13ub2

21000

水的流量为Vs3600nd2ub36000.7850.123.13m3s1.43m3s

（2）闸阀全开时测压点处的压力在截面1-1，与管路出口内侧截面3-3，间列机械能衡算方程，并通过管中心线作基准平面，

得

Ub1Pi

gZa-Phf,1—3（c）

式中

Z1=6.66m,Z3=0,ub1=0,p1=p3

号0.025（-15）0.5毎4・賦

将以上数据代入式（c）,即

9.81X6.66=£+4.81ub2

解得ub3.13ms

再在截面1-1，与2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得

将以上数值代入上式，则

解得P2=3.30X104Pa（表压）

-蒸馏部分

0。

5（苯的摩尔分数，下同）的苯-甲苯混合液，其0。

95,釜液组成为0.05，试求

（1）馏出液流量及苯

的回收率

（2）保持馏出液组成0.95不变，馏出液最大可能流量。

解：

（I）悔出液的流量和紋的收爭

仏=gxlQ0%=50x095K100%=95%

们肿f10025

2）饰出液的钗大可能流莹

当和=100%时.获溥磴丸可能渡也即

1（X）x（>,5,

=kmol/h=52.63

0,95

2、在连续精馏塔中分离A、B两组分溶液。

原料液的处理量为100kmol/h，其组成为0.45

（易挥发组分A的摩尔分数，下同），饱和液体进料，要求馏出液中易挥发组分的回收率为

96%,釜液的组成为0.033。

试求

（1）馏出液的流量和组成；

（2）若操作回流比为2.65,写出精馏段的操作线方程；（3）提馏段的液相负荷。

解：

（1）馏出液的流量和组成

由全塔物料衡算，可得

qn,DxD0.96qn,FxF0.961000.45kmol/h43.2kmol/h

qn,wXw10.961000.45kmol/h1.8kmol/h

qn,W

kmol/h=54.55kmol/h

0.033

qn,Dqn,Fqn,w10054.55kmol/h=45.45kmol/h

43.2

45.45

0.9505

（2）精馏段操作线方程

RxD2.65

yxx

R1R13.65

0.9505

3.65

0.726x0.2604

（3）提馏段的液相负荷

qn,Lqn,Lqqn,FRqn,Dqn,F2.6545.45100kmol/h220.4kmol/h

3、在连续操作的精馏塔中分离两组分理想溶液。

原料液流量为50kmol/h,要求馏出液

中易挥发组分的收率为94%。

已知精馏段操作线方程为y=0.75x+0.238;q线方程为y=2-3x。

试求

（1）操作回流比及馏出液组成；

（2）进料热状况参数及原料的总组成；（3）两操作线

交点的坐标值Xq及yq；（4）提馏段操作线方程。

解：

（1）操作回流比及馏出液组成由题给条件，得

旦0.75及旦0.238R1R1

解得R=3,xd=0.952

（2）进料热状况参数及原料液组成由于

旦3及在2

q11q

解得q=0.75（气液混合进料），xf=0.5

（3）两操作线交点的坐标值xq及yq联立操作线及q线两方程，即

y0.75x0.238

y23x

解得xq=0.4699及yq=0.5903

（4）提馏段操作线方程其一般表达式为

qn,Lqn,W

yxxw

qn,Vqn,V

式中有关参数计算如下:

qn,D

Aqn,FXF

0.94500.5kmol/h24.68kmol/h

0.952

qn,Wqn,Fqn,D

5024.68kmol/h=25.32kmol/h

1Aqn,FXF

10.94500.5

qn,W

25.32

0.0592

qn,L

R%,D

qqn,F324.680.7550kmol/h=111.54kmol/h

qn,v

qn,L

qn,w111.5425.32kmol/h=86.22kmol/h

则

111.54

2532

x0.05921.294x0.01739

86.22

4、

11.庭常压连线提馆塔申，分需阳组分理想滚冰该粉累半场相才挥发/tA2.0,AlOOkmdJh,

造枠林狀态扣鋼=1’tSdi.tXiAWkniol/h.坠残潦组战为OXH（易捱发级分的卑1；分故）‘试求11）操作iUtt;

（2）由塔醴下一肆论灯恥U椰I成心

解：

本题为捷怖塔，即斥料由塔顶加人，因此该塔仪有提席段

（1）操作线方程此为提懈股揉作线方AG即

式中心二他严ICWkmM

（2）A下层塔坂下偉妁液相组版由于再沸器相当干一层理论坂、故

空j2xOrOl

V；===U.U19U

1+（tF—1鼻I+0.01

Vm与/w符含抹作关系、则

I.6f>7

才二心+0W67二OOI诩十山烦7“w

提畑塔的塔顶一般注有液相SJ流.

[（XJ40

=X’*0.01=）.667.1*-0.1X）67

6060

5、

14盘常压连斛幡塔申分硒组分理想湖I谗标的网眉对制成为2＜斥补液细4伪忑35U挥发组分曲阜尔孑熱下同），抱和簾％加杆,6M«a操作戋方程为尸吋血曲划，试求

（1）蕖作回爲it与技小回址出的比徂；口）芳塔顶第一放下障的液極a成为o•人

解：

（I）尺与尺価的比值由題潜条件’可打

缶°75

Alr=0.2（X/f1-I）=0.2>*4=O.S

对■饱和薩气进料*g=（LX|=0.35

他十Ml—几）035+2.5

（2）气柯戏弗里效率咒相默弗豐效率的足汇式为

式屮

\\0.75a,+0.20=0,75x0.7+0.20=0*725

将有关敕抵代入式（】）、得

1A雇常圧连粽精愴塔冉分咼苯一氟采淤合物.已务进料量为85kmol/lh组成为0.45（易葬发俎分的摩尔分做下同）’泡点进楸塔预饵出液的蛆成为Ug塔盧飪幾液红戎为皿匕操作阿滦比为邛”坯直黨用全毀熱抱点国汛苯、氯鼠的汽化接分別为311（5kJ/mDl和36,52kJMKJh水的比热寥为4JH7kJ/（kg<）,若冷却加通过全箴器温度升高15匸，加然義汽绝时压力为WtHFaC^和温度为15L7「汽化热为2IHkJ/kgl.试球冷却水和加热蒸汽的湍量…怨略组少汽化施随温度冏愛化*

解：

由龍给条件，呼求得塔沟的託棚费荷.即

对于酒点珂精钳戟和從冊毀毛相负荷相同.M

qnV=qnyr■（ff+1）"4Jx37.941unol/h=■170l7kmcl/h

（1）冷却水蔬董由于烽预恭的含蚤很禹，可袪纯苯计鼻，即

y1705x3（J.t»5x10'kJ/h=5.232kJ/l»

4187x15

kf/h=&33x104kg/h

（2）加热体汽流潢址液屮氯苯的令量很乩可按纯氮貳计算*即

0i严q“、耳=170.7x36.52xU0kJ4i=6,234kJ/h

6234x10^

2115

Pa=Pa

P+水gh+p汞gR=P

P=po-p水gh-p汞gR

=（101.3x103000x9.8x0.8

-13600x9.X0.1）

P=80.132kpa

4、如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7m，水从0108mmx4mm的管道中流出，

管路出口高于地面1.5m。

已知水流经系统的能量损失可按刀hf=5.5u*12计算，其中u为水在管内的平均流速（m/s）。

设流动为稳态，试计算

（1）A-A'截面处水的平均流速；

（2）水的流量（m3/h）。

解：

（1）A-A'截面处水的平均流速

在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程

12D12卩2.

gzUb1—gz2-Ub2一hf

（1）

式中Z1=7m,ub1〜0,p1=0（表压）

Z2=1.5m,p2=0（表压），Ub2=5.5u2

代入式

（1）得

122

9.8179.811.5一山25.5Ub2

（2）水的流量（以m3/h计）

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