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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130kPa。

若在大气压

力为75kPa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:

pap表101.3130231.3KPap绝pa231.3751563.KPa

1-6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。

ppghpgh

解.ppgRpgm

13.6109.810.459009.810.8

60037.27063.252974Pa53kPa

1-10.硫酸流经由大小管组成的串联管路，其尺寸分别为©76X4mni和©57X3.5mm已知

硫酸的密度为1831kg/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:

764mm

（2）小管:

573.5mm

质量流量不变ms216479kg/h

小12682

或:

u25（」）0.69（）1.27m/s

d250

1-11.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:

简化:

H（丄u；Wf）/g

1-14.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40X103kg/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:

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:

■P1WeZ2g匹-ufWf

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Wfu2J/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

当阀门全关时，压

75kPa，且此时水槽液面至压力表

题16附图

⑵阀门全幵:

—

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:

Z1g

2U2

解之:

u21.414m/s

流量:

d2u20.7850.0421.4141.776103m3/s

1-17.附图所示的是冷冻盐水循环系统。

盐水的密

度为1100kg/m3，循环量为45ni/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）AB列柏努力方程:

简化:

-PA-PbZbhfAB

B处真空度为19656Pa。

1-23.计算10C水以2.7X10_3m/s的流量流过©57X3.5mm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）

解:

u乞二2.71021.376m/s

0.785d20.7850.052

10C水物性:

查得入0.038

1-25.如附图所示，用泵将贮槽中20C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/m3,粘度为1.005X10-3Pa-s,试计算泵所需的有效功率。

£=0.2

40z

题23附图

解:

u-qV360021.415m/s

nd20.7850.12

£/d=0.2/100=0.002

简化:

WeZ2gWf

1-28.如附图所示，密度为800kg/m3、粘度为1.5mPa•s的液体，由敞口高位槽经

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

d0.002,查得

0.026

管路中:

进口

0.5

C弯头

0.75

半幵闸阀

4.5

出口

1-31粘度为30cP、密度为900kg/m3的某油品自容器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:

P1Pa8.8310“

ZA1a10m

g9009.81

P21Pa4.4210crn

zb5m

g9009.81

当阀打幵14幵度时，在A〜A与B〜B

截面间列柏努利方程:

其中:

PaPb0（表压），uaub

则有

（zaZB）g

Wf-

leU

（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

（Za

ZB）g

64lleu232（Ile）u

d"2d1

校核:

假设成立。

32（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。

Z1g

A（

ZB）g

0.042900（105）9.81

le）3230103（503020）

0.049000.736883.22000

30103

在1~1与A~A

显然,

阀关小后

UAJ，

0.736m/s

响:

部阻力增大，流速uj

截面间列柏努利方程:

Z1g

•空Wf1

即流量

1）2

PaT,即阀前压力增加。

（3）同理，在B~B与2~2'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©57X3.5mm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）VsC°Ac2Rg（PP

（2）以水池液面为11面，高位槽液面为22面，在11~22面间列柏努利方

程：

而Wfl-

2.331103

21.19

（3）以水池液面为1

0.7850.05

1面，泵入口为33面，在11~33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30m3/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％360022.166

n20.7850.072

4d1

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/m3）,在20C水中和20C

常压空气中的自由沉降速度。

解：

已知d=30ymps=2650kg/m

（1）20C水口=1.01x10-3Pa-sp=998kg/m3

设沉降在滞流区，根据式（2-15）

校核流型

假设成立，ut=8.02x10“m/s为所求

（2）20C常压空气口=1.81x10-Pa-sp=1.21kg/m

设沉降在滞流区校核流型：

假设成立，ut=7.18x10-2m/s为所求。

2、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ps=2150kg/m3

查20C空气口=1.81x10-5Pa.sp=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=10umR=0.05m、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。

所以Kc912294

Rg0.059.81

6、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2.27X10-3m3的滤液；过滤时间为100秒时。

共得到3.35X

10-m的滤液。

试求当过滤时间为200秒时，可得到多少滤液？

23333

解：

已知A=0.093m、t1=50s、V=2.27X10-m、t2=100s、匕=3.35X10-m>13=200s

V12.27103

由于q1—24.4110

A0.093

根据式（2-38a）

联立解之：

qe=4.14X10-3K=1.596X10-5

因此q；24.14103q32001.596105

q3=0.0525

所以V=q3A=0.0525X0.093=4.88X10-3m

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=75C,t3=30C，入=0.16w/（m.k）

2.设计一燃烧炉时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1.02W/（m•）、0.14W/（m•）和0.92

W/（m），已知耐火砖内侧为1000C，普通砖外壁温度为35C。

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138C。

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0.25m

3.505mm勺不锈钢管，热导率入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350C,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r120mm0.02m,

管外半径「2

25mm0.025m

每米管长的热损失：

2MX

t3）

23.14（350

100）397W/m

l丄

lnr2

1.「3

1,251

VV/111

In兰

「1

h「2

16200.22

6.冷却水在25

2.5mm

、长度为2m

的钢管中以1m/s的流速流动，其进出口温度分别

20C和50C，试求管内壁对水的对流传热系数。

解：

空气的定性温度：

t竺旦35C。

在此温度查得水的物性数据如下：

Cp4.174kJ/kgK，入62.5710W/mK，口7.28105Pasp994kg/m

u1m/s

l/d=2/0.02=100

3-15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C

3-17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50C，以外表面为基准的总传

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CO平衡

浓度为2.875x10「2kmol/m3，鼓泡器内总压为101.3kPa，水温30C，溶液密度为1000kg/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ps4.2kPa

稀溶液：

c100055.56kmol/m3

Ms18

5.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：

Y2Y2Y2*0.004020.00402

塔底：

YYY*0.0640.030240.034

7.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

NA（pA1Pa2）。

RTzpBm

已知：

SO在空气中的扩散系数D=0.18cm2/s=1.8x10-5H/s

扩散距离z=1mm=0.001m气相总压p=101.3kPa

气相主体中溶质SO的分压pA1=pyA1=101.3x0.2=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Nad^（PaiPa2）,得

RTzpBm

=—空（20.270）

8.3142930.00190.8

=1.67x104kmol/（m2•s）

10.用20C的清水逆流吸收氨一空气混合气中的氨，已知混合气体温度为20C，总压为

101.3kPa，其中氨的分压为1.0133kPa，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Pa1.01330.01

pB101.31.0133

实际吸收剂用量

L=2Lmin=2X23.8=47.6kmol/h

=856.8kg/h

（2）

X=X2+V（Y1-Y）/L=0+31.8（0.010.0001）0.0066

47.6

11.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1.1X10-3（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L2100kmol/h

/（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100kPa,在操作条件下

亨利系数为1.77kPa,气相总体积吸收系数为KYa0.0231kmol/（m3s）。

试用吸收因数法求填料呈高度？

解：

已知丫，里0020.02

1y10.02

6-3试计算压力为101.3KPa时，苯-甲苯混合液在96C时的气液平衡组成，已知96C,PA*=160.52KPa,

PB*=65.66KPa。

P=Pa*xa+Pb*xb

101.3KPa=160.52xa+65.66（1-xa）

xa=0.376

PYa=Pa*xayA=0.596

6-6在一连续操作的精馏塔中，某混合液流量为5000kg/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=114kg/

kmol,Mb=128kg/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75

kmol/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。

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