化工原理作业汇总.docx

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化工原理作业汇总

化工原理上册

绪论

作业题

【0-1】从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI制。

（1）40℃时水的粘度μ=0.00656g（cm·s）

（2）某物质的比热容CP=0.21BTU/（lb·F）

（3）密度ρ＝1386kgf·s2/m4

（4）传热系数KG=24.2kmol/（m2·h·atm）

（5）表面张力σ＝71dyn/cm

（6）导热系数λ＝1kcal/（m·h·℃）

[答：

μ=6.56×10-4Pa·s；CP=0.8792kJ/（kg·℃）；ρ＝13600kg/m3；

KG=6.636×10-5kmol/（m2·s·kPa）；σ＝7.1×10-2N/m；λ＝1.163W/（m·℃）]

【0-2】清水在圆管内对管壁的强制湍流对流传热系数随温度的变化可用下面经验公式表示，即：

α＝150（1＋2.93×10-3T）u0.8d-0.2

式中α――对流传热系数，BTU/（ft2·h·F）；

T――热力学温度，K；

u――水的流速，ft/s；

d――圆管内径，in。

试将式中各物理量的单位换算为SI制，即α为W/（m2·K），T为K，u为m/s，d为m。

[答：

α＝1057（1＋2.93×10-3T）u0.8d-0.2]

第一章流体流动

1-1流体静力学基本方程式

1-1．在本题附图所示的贮油罐中盛有密度为960kg/m3的油品，油面高于罐底9.6m，油面上方为常压。

在罐侧壁的下部有一直径为760mm的圆孔，其中心距罐底800mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。

若螺钉材料的工作应力取为39.23×106Pa，问至少需要几个螺钉？

[答：

至少要7个]

1-2．某流化床反应器上装有两个U管压差计，如本题附图所示。

测得R1＝400mm，R2＝50mm指示液为水银。

为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3＝50mm。

试求A、B两处的表压强。

[答：

PA=7.16×103Pa（表压），PB=6.05×104Pa]

1-3.本题附图为远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。

已知两吹气管出口的距离H=1m，U管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820kg/m3。

试求当压差计读数R=68mm时，相界面与油层的吹气管出口距离h。

[答：

h=0.418m]

1-4.用本题附图中串联U管压差计测量蒸汽压，U管压差计的指示液为水银，两U管间的连接管内充满水。

已知水银面与基准面的垂直距离分别为：

h1=2.3m、h2=1.2m、h3=2.5m及h4=1.4m。

锅中水面与基准面间的垂直距离h5=3m。

大气压强Pa=99.3×103Pa。

试求锅炉上方水蒸气的压强P。

（分别以Pa和kgf/cm2来计量）。

[答：

P=3.64×105Pa=3.71kgf/cm2]

1-2流体在管内的流动

1-5．列管换热器的管束由121根φ25×2.5mm的钢管组成。

空气以9m/s速度在列管内流动。

空气在管内的平均温度为50℃、压强为196×103Pa（表压），当地大气压为98.7×103Pa。

试求：

（1）空气的质量流量；

（2）操作条件下空气的体积流量；（3）将

（2）的计算结果换算为标准状况下空气的体积流量。

[答：

（1）1.09kg/s；

（2）0.343m3/s；（3）0.84m3/s]

1-6．高位槽内的水面高于地面8m，水从108×4mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。

在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按Σhf=6.5u2计算，其中u为水在管内的流速，m/s。

试计算：

（1）A-A’截面处水的流速；

（2）水的流量，以m3/h计。

[答：

（1）2.9m/s；

（2）82m3/h]

1-7．20℃的水以2.5m/s的流速流经φ的水平管，此管以锥形管与另一53×3mm的水平管相连。

如本题附图所示，在锥形管两侧A、B处各插一垂直玻璃管以面察两截面的压强。

若水流经A、B两截面间的能量损失为1.5J/kg求两玻璃管的水面差（以mm计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。

[答：

88.6mm]

1-8．用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定。

各部分相对位置如本题附图所示。

管路的直径均为φ76×2.5mm在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.66×103Pa；水流经吸入管与排出管（不包括喷头）的能量损失可分别按Σhf,1=2u2与Σhf,2=10u2计算，由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速m/s。

排水管与喷头连接处的压强为98.07×103Pa（表压）。

试求泵的有效功率。

[答Ne=2.26kW]

1-3流体的流动现象

1-9.本题附图所示为冷冻盐水循环系统。

盐水的密度为1100kg/m3，循环量为36m3/h。

管路的直径相同，盐水由A流经两个换热器而至B的能量损失为98.1J/kg，由B流至A的能量损失为49J/kg，试计算：

（1）若泵的效率为70％时，泵的轴功率为若干kW？

（2）若A处的压强表读数为若干Pa？

 [答：

（1）2.31kW；

（2）6.2×104Pa（表压）]

1-10.在实验室中，用玻璃管输送20℃的70％醋酸。

管内径为1.5cm，流量为10kg/min。

用SI和物理单位各算一次雷诺准数，并指出流型。

[答：

Re=5.66×103]

1-11.用压缩空气将密度为1100kg/m3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液面维持恒定。

管路直径均为φ60×3.5mm，其它尺寸见本题附图。

各管段的能量损失为

，

。

两压差计中的指示液均为水银。

试求当R1=45mm，h=200mm时：

（1）压缩空气的压强p1为若干？

（2）U管压差计读数R2为多少？

[答：

（1）1.23×105Pa（表压）；

（2）630mm]

（提示：

U形管压差计读数R1表示了BC段的能量损失，即

）

1-4流体在直管内的流动阻力

1-12.在本题附图所示的实验装置中，于异径水平管段两截面间连一倒置U管压差计，以测量两截面之间的压强差。

当水的流量为10800kg/h时，U管压差计读数R为100mm。

粗、细管的直径分别为60×3.5mm与φ42×3mm。

计算：

（1）1kg水流经两截面间的能量损失；

（2）与该能量损失相当的压强降为若干Pa？

[答：

（1）4.41J/kg；

（2）4.41×103Pa]

1-13.密度为850kg/m3、粘度为8×10-3Pa·s的液体在内径为14mm的钢管内流动，溶液的流速为1m/s。

试计算：

（1）雷诺准数，并指出属于何种流型；

（2）局部速度等于平均速度处与管轴的距离；（3）该管路为水平管，若上游压强为147×103Pa，液体流经多长的管子其压强才下降到127.5×103Pa？

[答：

（1）1.49×103；

（2）4.95mm；（3）14.93m]

1-14.每小时将2×104kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽（见本题附图）。

反应器液面上方保持26.7×103Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压强。

管道为φ76×4mm的钢管，总长为50m，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15m。

若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。

溶液的密度为1073kg/m3，粘度为6.3×10-4Pa·s。

管壁绝对粗糙度ε可取为0.3mm。

[答：

1.63kW]

1-15.从设备送出的废气中含有少量可溶物质，在放空之前令其通过一个洗涤器，以回收这些物质进行综合利用，并避免环境污染。

气体流量为3600m3/h（在操作条件下），其物理性质与50℃的空气基本相同。

如本题附图所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的U管压差计，其读数为30mm。

输入管与放空管的内径均为250mm，管长与管件、阀门的当量长度之和为50m（不包括进、出塔及管出口阻力），放空口与鼓风机进口的垂直距离为20m，已估计气体通过塔内填料层的压强降为1.96×103Pa。

管壁的绝对粗糙度ε可取为0.15mm，大气压强为101.33×103Pa。

求鼓风机的有效功率。

[答：

3.09kW]

1-5管路计算

1-16．10℃的水以500L/min的流量过一根长为300m的水平管，管壁的绝对粗糙度为0.05mm。

有6m的压头可供克服流动的摩擦阻力，试求管径的最小尺寸。

[答:

90.4mrn]

1-17．在两座尺寸相同的吸收塔内，各填充不同的填料，并以相同的管路并联组合。

每条管上均装有闸阀，两支路的管长均为5m（包括除了闸阀以外的管件局部阻力的当量长度），管内径为200mm。

通过填料层的能量损失可分别折算为5u21与4u22，式中u为气体在管内的流速m/s。

气体在支管内流动的摩擦系数λ＝0.02。

管路的气体总流量为0.3m3/s。

试求

（1）当两阀全开时，两塔的通气量；

（2）附图中AB的能量损失。

[答：

（1）Vs1=0.142/s，Vs2=0.158m3/h；

（2）108.6J/㎏]

1-18．用离心泵将200C水经总管分别送至A、B容器内，总管流量为89m3/h，总管直径为φ127×5mm。

原出口压强表读数为1.93×103Pa，容器B内水面上方表压为1kgf/cm2。

总管的流动阻力可忽略，各设备间的相对位置如本题附图所示。

试求：

（1）离心泵的有效压头He；

（2）两支管的压头损失

。

[答

（1）17.94m；

（2）

m，

m]

1-19．用效率为80%的齿轮泵将粘稠的液体从敞口槽送至密闭容器内，两者液面均维持恒定，容器顶部压强表的读数为30×103Pa。

用旁路调节流量，其流程如本题附图所示。

主管流量为14m3/h，管径为φ66×3mm，管长为80m（包括所有局部阻力的当量长度）。

旁路的流量为5m3/h，管径为φ32×2.5mm，管长为20m（包括除了阀门外的所有局部阻力的当量长度）。

两管路的流型相同，忽略贮槽液面至分支点O之间的能量损失。

被输送液体的粘度为50mPa·s，密度为1100kg/m3。

试计算

（1）泵的轴功率；

（2）旁路阀门的阻力系数。

[答：

（1）10.0877kW；

（2）8.01]

1-6流量测量

1-20．在φ38×2.5mm的管路上装有标准孔板流量计，孔板的孔径为16.4mm，管中流动的是20℃的甲苯，采用角接取压法，用U管压差计测量孔板两测的压强差，以水银为指示液，测压连接管中充满甲苯。

现测得U管压差计的读数为600mm，试计算管中甲苯的流量为若干kg/h？

[答：

5427kg/h]

1-21．用φ57×3.5mm的钢管输送80℃的热水（其饱和蒸汽压为47.37kPa、密度为971kg/m3、粘度为0.3565mPa·s），管路中装一标准孔板流量计，用U形管汞柱压差计测压强差（角接取压法），要求水的流量范围是10~20m3/h，孔板上游压强为101.33kPa（表压）。

试计算：

（1）U形管压差计的最大量程Rmax；

（2）孔径d0；

（3）为克服孔板永久压强降所消耗的功率。

当地大气压强为101.33kPa。

[答：

（1）1.254m；

（2）d0=25.5mm；（3）Ne=616W]

1-22．某转子流量计，出厂时用标准状况下的空气进行标定，其刻度范围10~50m3/h，试计算：

（1）用该流量计测定20℃的CO2流量，其体积流量范围为若干？

（2）用该流量计测定20℃的NH3气流量，其体积流量范围为若干？

（3）现欲将CO2的测量上限保持在50m3/h应对转子作何简单加工？

当地的大气压为101.33kPa。

[答：

（1）8.4~42.0m3/h；

（2）13.5~67.6m3/h；（3）顶端面积削小使AR2=1.19AR1]

第二章流体输送机械

知识点2-1离心泵的工作原理及性能参数

【2-1】在用水测定离心泵性能的实验中，当流量为26m3/h时，离心泵出口处压强表和入口处真空表的读数分别为152kPa和24.7kPa，轴功率为2.45kW，转速为2900r/min。

若真空表和压强表两测压口间的垂直距离为0.4m，泵的进、出口管径相同，两测压口间管路流动阻力可忽略不计。

试计算该泵的效率，并列出该效率下泵的性能。

[答：

泵的效率为53.1％，其它性能略]

【2-2】如本题附图所示的输水系统，管路直径为φ80×2mm，当流量为26m3/h时，吸入管路的能量损失为6J/kg，排出管路的压头损失为0.8m，压强表读数为245kPa，吸入管轴线到U形管汞面的垂直距离h=0.5m，当地大气压强为98.1kPa，试计算：

（1）泵的升扬高度与扬程；

（2）泵的轴功率（η=70%）；

（3）泵吸入口压差计读数R。

[答：

（1）ΔZ=24.9m,H=30.84m;

（2）N=4.32kW;（3）R=0.3573m]

2-2离心泵在管路中的运行

【2-3】用某离心泵以40m3/h的流量将贮水池中65℃的热水输送到凉水塔顶，并经喷头喷出而落入凉水池中，以达到冷却的目的。

已知在进水喷头之前需要维持49kPa的表压强，喷头入口较热水池水面高6m。

吸入管路和排出管路中压头损失分别为1m和3m，管路中的动压头可以忽略不计。

试选用合适的离心泵，并确定泵的安装高度。

当地大气压按101.33kPa计。

[答：

泵的型号为IS80-65-125型（n=2900r/min）或3B19型水泵，安装高度约为2.5m]

【2-4】常压贮槽内盛有石油产品，其密度为760kg/m3，粘度小于20cSt，在贮存条件下饱和蒸汽压为80kPa，现拟用65Y-60B型油泵将此油品以15m3/h的流量送往表压为177kPa的设备内。

贮槽液面恒定，设备的油品入口比贮槽液面高5m，吸入管路和排出管路的全部压头损失分别为1m和4m。

试核算该泵是否合用。

若油泵位于贮槽液面以下1.2m处，问此泵能否正常操作？

当地大气压按101.33kPa计。

[答：

合用；能正常操作]

【2-5】欲用例2-2附图所示的管路系统测定离心泵的汽蚀性能参数，则需要在泵的吸入管路中安装调节阀门。

适当调节泵的吸入和排出管路上两阀门的开度，可使吸入管阻力增大而管内流量保持不变。

若离心泵的吸入管直径为100mm，排出管直径为50mm，孔板流量计孔口直径为35mm，测得流量计压差计读数为0.85mHg，吸入口真空表读数为550mmHg时，离心泵恰发生汽蚀现象，试求该流量下泵的允许汽蚀余量和允许吸上真空度。

已知水温为20℃，当地大气压为760mmHg。

[答：

NSPH=2.45m；允许吸上真空度为7.48m]

【2-6】用水对某离心泵做实验，得到下列各实验数据：

Q/（L/min）

0

100

200

300

400

500

H/m

37.2

38

37

34.5

31.8

28.5

若泵送液体的管路系统：

管径为￠76×4mm、长为355m（包括局部阻力的当量长度），吸入和排出空间为常压设备，两者液面间垂直距离为4.8m，摩擦系数可取为0.03。

试求该泵在运转时的流量。

若排出空间为密闭容器，其内表压为129.5kPa，再求此时泵的流量。

被输送液体的性质与水的相似。

[答：

泵的流量分别为400L/min，310L/min]

【2-7】用两台离心泵从水池向高位槽送水，单台泵的特性曲线方程为H=25-1×106Q2,管路特性曲线方程可近似表示为He=10+1×105Qe2,两式中Q的单位为m3/s，H的单位为m。

试问两泵如何组合才能使输液量大？

（输水过程为定态流动）

[答：

并联组合输送量大；Q=0.00655m3/s]

2-3其它流体输送机械

【2-8】现采用一台三效单动往复泵，将敞口贮罐中密度为1250kg/m3的液体输送到表压力为1.28×106kPa的塔内，贮罐液面比塔入口低10m，管路系统的总压头损失为2m。

已知泵的活塞直径为70mm，冲程为225mm，往复次数为2001/min，泵的总效率和容积效率分别为0.9和0.95。

试求泵的实际流量、压头和轴功率。

[答：

Q=0.494m3/min;H=116.4m;N=13.05kW]

【2-9】已知空气的最大输送量为14500kg/h，在最大风量下输送系统所需的风压为1600Pa（以风机进口状态计）。

由于工艺条件的要求，风机进口与温度为40℃、真空度为196Pa的设备连接。

试选合适的离心通风机。

当地大气压力为93.3kPa。

[答：

通风机型号为4-72-11No.8c]

【2-10】15℃的空气直接由大气进入风机再通过内径为800mm的水平管道送到炉底，炉底的表压为10.8kPa。

空气输送量为20000m3/h（进口状态计），管长为100mm（包括局部阻力的当量长度），管壁的绝对粗糙度可取为0.3mm。

现库存一台离心通风机，其性能如下表所示。

核算此风机是否合用？

当地大气压为101.33kPa。

转速/（r/min）

风压/Pa

风量/（m3/h）

1450

12650

21800

[答：

合用]

【2-11】某单级双缸双动空气压缩机，活塞直径为300mm，冲程为200mm，往复次数为4801/min。

压缩机的吸气压力为9.807×104Pa，排气压力为34.32×104Pa。

试计算该压缩机的排气量和轴功率。

假设气缸的余隙系数为8％，排气系数为容积系数的85％，绝热总效率为0.7。

空气的绝热指数为1.4。

[答：

Vmin=20.39m3/min；N=71.9kW]

【2-12】用三级压缩将20℃的空气从98.07×103kPa压缩到62.8×105Pa，设中间冷却器能把送到后一级的空气冷却到20℃，各级压缩比相等。

试求：

（1）在各级的活塞冲程及往复次数相同情况下，各级气缸直径的比。

（2）三级压缩所消耗的理论功（按绝热过程考虑，空气绝热指数为1.4，并以1kg计）。

[答：

各级气缸直径比为16:

4:

1，W=428.8kJ]

第三章机械分离及固体流态化

3-1颗粒及颗粒床层的特性

4-1．取颗粒试样1000g，作筛分分析，所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。

[答：

da=0.345㎜]

习题4-1附表

筛号

筛孔尺寸,mm

截流量,g

筛号

筛孔尺寸,mm

截流量,g

10

14

20

28

35

48

1.651

1.168

0.833

0.589

0.417

0.295

0

40.0

80.0

160

260

220

65

100

150

200

270

0.208

0.147

0.104

0.074

0.053

120

60.0

30.0

20.0

10.0

共计500

4－2．在截面积为1m2的圆筒中，分段填充直径分别为0.5mm及5mm的球形颗粒各0.5m高，20℃的空气从下向上通过固定床层，空塔速度为0.1m/s。

假设床层空间均匀分割成边长等于球粒直径的方格，每一方格放置一个球粒，试计算:

（1）两段床层的空隙率ε和比表面积ab；

（2）空气流经整个床层的压降

Pa。

[答：

（1）ε=0.4764；ab细=6283m2/m3；ab粗=628.3m2/m3；

=452.9+9.1=462Pa]

3-2沉降分离

3-3．密度为2650kg/m3的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降，计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。

[答：

dmax=57.4μm，dmin=1513μm]

3-4．在底面积为40m2的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。

气体的处理量为3600m3/h，固体的密度ρs＝3000kg/m3,操作条件下气体的密度ρ＝1.06kg/m3，粘度为2×10-5Pa·s。

试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。

[答：

d=17.5μm]

3-5．用一多层除尘室除去炉气中的矿尘。

矿尘最小粒径为8m，密度为4000kg/m3。

除尘室长4.1m，宽1.8m，高4.2m，气体温度为427℃，粘度为3.4×10-5Pa·s，密度为0.5kg/m3。

若每小时的炉气量为2160标准m3，试确定降尘室内隔板的间距及层数。

[答：

h=80.8mm，n=51]

3-6．已知含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m3，气体流量为1000m3/h、粘度为3.6×10-5Pa·s、密度为0.674kg/m3，采用如图3-7所示的标准型旋风分离器进行除尘。

若分离器圆筒直径为0.4m，试估算其临界粒径、分割粒径及压力降。

[答：

dc=8.04μm，d50=5.73μm，Δp=520Pa]

3-7．某旋风分离器出口气体含尘量为0.7×10-3kg/标准m3，气体流量为5000标准m3/h，每小时捕集下来的灰尘量为21.5kg。

出口气体中的灰尘粒度分布及捕集下来的灰尘粒度分布测定结果列于本题附表中：

习题3-7附表

粒径范围/μm

0～5

5～10

10～20

20～30

30～40

40～50

＞50

在出口灰尘中所占地质量分率,%

16

25

29

20

7

2

1

在捕集的灰尘中所占地质量分率,%

4.4

11

26.6

20

18.7

11.3

3

试求：

（1）除尘效率；

（2）绘出该旋风分离器的粒级效率曲线。

（提示：

作di～ηp,i曲线）

[答：

（1）η0＝86％；

（2）略]

3-3过滤分离

3-8．在实验室用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种颗粒在水中的悬浮液进行实验，滤叶内部真空度为500mmHg。

过滤5min得滤液0.6L。

若再过滤5min，可得滤液多少？

[答：

可再得滤液0.473L]

3-9．以小型板框压滤机对碳酸钙颗粒在水中的悬浮液进行过滤实验，测得数据列于本题附表中：

已知过滤面积为0.093m2，试求：

（1）过滤压力差101.1kPa时的过滤常数K、qe及；

（2）滤饼的压缩性指数s；（3）若滤布阻力不变，试写出此滤浆在过滤压力差196.2kPa时的过滤方程式。

习题2附表

过滤压强差Δp/kPa

过滤时间θ/s

滤液体积V/m3

103.0

50

2.27×10-3

660

9.10×10-3

343.4

17.1

2.27×10-3

233

9.10×10-3

[答：

（1）K=1.572×10-5m2/s，qe=3.91×10-3m3/m2，θe=0.971s；

（2）s=0.153；（3）过滤方程式为：

（q+3.544×10-2）2=2.714×10-5（θ+0.463）]

3-10．用一台BMS50/810-25型板框压滤机过滤某悬浮液，悬浮液中固相质量分率为0.139，固相密度为2200kg/m3，液相为水。

每1m3滤饼中含500kg水，其余全为固相。

已知操作条件下的过滤常数K=2.72×10-5m2/s，qe=3.45×10-3m3/m2，滤框尺寸为810×810×25，共38个框。

试求：

（1）过滤至滤框内全部充满滤渣所需的时间及所得的滤液体积；

（2）过滤完毕用0.8m2清水洗涤滤饼，求洗涤时间。

洗水温度及表压与滤浆的相同。

[答：

（1）θ=249s；V=3.935m3；

（2）θW=389s；]

3-11．在3×105Pa的压力差下对钛白粉在水中的悬浮液进行过滤实验，测得过滤常数K=5×10-5m2/s，qe=0.01m3/m2，又测得滤饼体积与滤液体