化工原理作业.doc

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第一章流体流动

习题1附图

1、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32.23×106Pa,问至少需要几个螺钉?

答:

至少要8个

习题3附图

2、列管换热器的管束由121根25mm×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）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）0.843m3/s

习题4附图

3、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∑hf=6.5u2计算（不包括出口阻力损失），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

习题5附图

4、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.管路的直径为76mm×2.5mm,在操作条件下,泵入口处真空表的读数为24.66×103Pa；水流经吸入管与排水管（不包括喷头）的能量损失可分别按∑hf,1=2u2与∑hf,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:

（1）Ne=2.26kw

5.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245.2×103Pa时,B处的压强表读数为若干?

答:

（1）2.31kw

（2）6.2×104Pa（表压）

第二章流体输送机械

1、在用水测定离心泵性能实验中,当流量为26m3/h时,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侧压口间的垂直距离分别为0.4m,泵的进、出口管径相同,两侧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%

2、用3B33A型离心泵从敞口水槽中将70℃清水输送到它处,槽内液面恒定.输水量为35-45m3/h,在最大流量下吸入管路的压头损失为1m,液体在吸入管路中的动压头可忽略。

试求:

离心泵的允许安装高度.当地大气压为98.1kPa。

在输水量范围下泵的允许吸上真空度为6.4m和5.0m。

答:

Hg≈1.0m

3、用离心泵从敞口贮槽向密闭高位槽输送清水,两槽液面恒定。

输水量为40m3/h.两槽液面间垂直距离为12m,管径为102mm×4mm,管长（包括所有局部阻力的当量长度）为100m,密闭高位槽内的表压强为9.81×104Pa,流动在阻力平方区,摩擦系数为0.015。

试求:

（1）管路特性方程；

（2）泵的压头。

答:

（1）he=22＋1.689×104Qe（Qe的单位为m3/s）；

（2）H=24.1m

4.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＋1×105Qe2两式中的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

第三章非均相物系的分离

1、在底面积为402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s=3000kg/m3,操作条件下气体的密度=1.06kg/m3,黏度为2×10-5Pa×s。

试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。

答:

d=17.5m

2、用一多层降尘室出去炉气中的矿尘.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℃,黏度为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=82.7mmn=51

3、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过滤实验,滤叶内部真空度为500mmHg.过滤5min得滤液1L,又过滤5min得滤液0.6L.若在过滤5min,可再得滤液多少?

答:

可再得滤液0.473L

4、用叶滤机处理某种悬浮液,先以等速过滤20min,得滤液2m3.随即保持当时的压强差在过滤40min,问共得滤液多少（m3）?

若该叶滤机每次卸渣、重装等全部辅助操作共需20min,求滤液日产量.滤布阻力可忽略。

答:

V=4.472m3,日产滤液80.5m3

第四章传热

1、直径为60mm×3mm的钢管用30mm厚的软木包扎,其外有用100mm厚的保温灰包扎,以作为绝热层.现测得钢管外壁面温度为-110℃,绝热层外表面温度10℃,已知软木和保温灰的导热系数分别为0.043和0.07W/（m×℃）,试求每米管长的冷量损失量。

答:

=-25W/m

2、重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动,两种油的初温分别为243℃和128℃;终温分别为167℃和157℃.若维持两种油的流量和初温不变,而将两种流体改为逆流,试求此时流体的平均温度差及它门的终温.假设在两种流动情况下,流体的物性和总传热系数均不变化,换热器的热损失可以忽略。

答:

△tm=49.7℃

3、在逆流换热器中,用初温为20℃的水将1.25kg/s的液体（比热容为1.9kJ/（kg×℃）、密度为850kg/m3）,由80℃冷却到30℃.换热器的列管直径为25mm×2.5mm,水走管方.水侧和液体恻的对流传热系数分别为0.85kW/（m2×℃）,污垢热阻可忽略.若水的出口温度不能高于50℃,试求换热器的传热面积。

答:

S0=13.9m2

4、在一传热面积为50m2的单程管壳式换热器中,用水冷却某种溶液.两流体呈逆流流动.冷水的流量为33000kg/h,温度由20℃升至38℃.溶液的温度由110℃降至60℃.若换热器清洗后,在两流体的流量和进口温度不变的情况下,冷水出口温度增到45℃。

试估算换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。

假设

（1）两种情况下，流体物性可视为不变，水的平均比热容可取为4.187kJ/（kg×℃）；

（2）可按平壁处理，两种工况下1和0分别相同；（3）忽略管壁热阻和热损失。

答：

∑Rs=1.925×10-3m2×℃/W

5、两平行的大平板放置在空气中，相距为5mm。

一平板的黑度为0.1，温度为350K；另一平板的黑度为0.05，温度为300K。

若将第一板加涂层，使其黑度变为0.025，试计算由此引起的传热量变化的百分率。

假设两板间对流传热可以忽略。

答：

2.5%

第一章（下册）蒸馏

1、在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四氯化碳所组成的混合液。

已知原料液流量为4000kg/h,组成为0.3（二硫化碳的质量分数，下同）。

若要求釜液的组成不大于0.05，馏出液回收率为88%。

试求馏出液的流量和组成，分别以摩尔流量和摩尔分数来表示。

答：

D=14.3kmol/h,xd=0.97

2、某连续精馏操作中，已知操作线方程为：

精馏段y=0.723x＋0.263;提馏段y=1.25x－0.0187若原料液于露点温度下进入精馏塔中，试求：

原料液、馏出液和釜残液的组成及回流比。

答：

R=2.61xd=0.95xw=0.0748xF=0.65

3、用一连续精馏塔分离由组分A、B所组成的理想混合液。

原料液中含有A0.44，馏出液中含有A0.957（以上均为摩尔分数）。

已知溶液的平均相对挥发度为2.5，最小回流比为1.63，试说明原料液的热状况，并求出q值。

答：

气液混合物q=2/3

4、在连续精馏塔中分离某组成为0.5（易挥发组分的摩尔分数，下同）的两组分理想溶液，原料液于泡点下进入塔内，塔顶采用分凝器和全凝器，分凝器向塔内提供回流液，其组成为0.88。

全凝器提供组成为0.95的合格产品。

塔顶馏出液中易挥发组分的回收率为96%。

若测得塔顶第一层板的液相组成为0.79，试求：

（1）操作回流比和最小回流比；

（1）若流出液量为100kmol/h，则原料液流量为多少？

答：

R=1.593Rmin=1.032F=198kmol/h

5、在常压连续精馏塔中分离两组分理想溶液。

原料液加热到泡点后从塔顶加入，原料液的组成为0.20（摩尔分数，下同）。

提馏塔由蒸馏釜和一块实际板构成。

现测得塔顶馏出液中易挥发组分的回收率为80%。

且馏出液的组成为0.28，物系的相对挥发度为2.5。

试求：

釜残液的组成和该层塔板的板效率（用气相表示）。

蒸馏釜可视为一层理论板。

答：

xw=0.094Emv=65.5%

第二章（下册）吸收

1、从手册中查得101.33kPa、25℃时，若100g水中含氨1g,则此溶液上方氨气平均分压为0.987kPa。

已知在此组成范围内溶液服从亨利定律，试求溶解度系数H（kmol/（m3×kPa））及相平衡常数m。

答：

H=0.590kmol/（m3×kPa）m=0.928

2、在101.33kPa、27℃下用水吸收混于空气中的甲醇蒸汽，甲醇在气、液两相中的组成都很低，平衡关系服从亨利定律。

已知溶解度系数H=1.955kmol/（m3×kPa），气膜吸收系数kG=1.55×10-5kmol/（m2×s×kPa）,液膜吸收系数kL=2.08×10-5kmol/（m2×s×kmol/m3）,试求总吸收系数KG,并计算气膜阻力在总阻力中所占的百分数。

答：

KG=1.122×10-5kmol/（m2×s×kPa）气膜阻力为总阻力的72.3%

3、.在逆流操作的吸收塔中，于101.33kPa、25℃下用清水吸收混合气体中的H2S,将其组成由2%降至0.1%（体积）。

该系统符合亨利定律。

亨利系数E=5.52×104kPa.若取吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算操作液气比及出口液相组成X1。

答：

=622X1=3.12×10-5=62.2X1’=3.12×10-4

4、.在101.325kPa下用水吸收混于空气中的氨。

已知氨的摩尔分数为0.1，混合气体于40℃下进入塔底，体积流量为0.556m3/s,空塔气速为1.2m/s。

吸收剂用量为理论最小用量的1.1倍，氨的吸收率为95%，且已估算出塔内气相体积吸收总系数KYa的平均值0.1112kmol/（m3×s）.在操作条件下的气液平衡关系为Y*=2.6X,试求塔径及填料层高度.

答：

D=0.77mZ=5.23m

5、在吸收塔中用清水吸收混合气体中的SO2，气体流量为5000m3（标准）/h，其中，SO2占10%，要求SO2的回收率为95%。

气、液逆流接触，在塔操作条件下SO2在两相间的平衡关系近似为Y*=26.7X.试求：

（1）若取用水量为最小用量的1.5倍，用水量应为多少？

（2）在上述条件下，用图解法求所需的理论塔板数（3）如仍用

（2）中求出的理论板数，而要求回收率从95%提高至98%，用水量应增加到多少？

答：

（1）L=7650kmol/h

（2）NT=5.5（3）L=9390kmol/h

6、在一逆流吸收塔中用三乙醇胺水溶液吸收混于气态烃中的H2S,进塔气相含H2S2.91（体积），要求吸收率不低于99%，操作温度300K，压强为101.33kPa平衡关系为Y*=2X，进塔液体为新鲜溶剂，出塔液体中H2S组成为0.013kmol（H2S）/kmol,（溶剂）。

已知单位塔截面积上单位时间流过的惰性气体量为0.015kmol/（m2×s），气相体积吸收总系数为0.000395kmol/（m2×s×kPa），求所需填料层高度。

答：

z=7.8m

第四章（下册）液-液萃取

1、25℃醋酸（A）—庚醇-3（B）—水（S）的平衡数据如本题附表所示。

试求：

（1）在直角三角形相图上绘出溶解度曲线及辅助曲线，在直角坐标系上绘出分配曲线。

（2）由50kg醋酸、50kg庚醇-3和100kg水组成的混合液的坐标点的位置。

混合液经过充分混合而静置分层后，确定平衡的两液层的组成和质量。

（3）上述两液层的分配系数kA及选择性系数。

（4）从上述混合液中蒸出多少公斤水方能成为均相混合液？

答：

（2）混合液组成：

25%A，25%B，50%S，E相：

yA=0.27yB=0.01E=126kg

R相:

xA=0.20xB=0.74R=74kg（3）kA=1.35=100

2、在单级萃取装置中，用纯水萃取含醋酸30%（质量分数，下同）的醋酸—庚醇-3混合液100kg，要求萃余相中醋酸组成不大于10%。

操作条件下的平衡数据见习题1。

试求：

（1）水的用量为若干公斤？

（2）萃余相的量及醋酸的萃余率（即萃余相中的醋酸占原料液中醋酸的百分数）。

答：

（1）S=1283kg

（2）R=807kg（3）萃余率=26.9%

3、在25℃下，用甲异丁基甲酮（MIBK）从含丙酮40%（质量分数）的水溶液中萃取丙酮。

原料液的流量为1500kg/h，试求：

（1）当要求在单级萃取装置中获得最大组成的萃取液时，萃取剂的用量为若干（kg/h）？

（2）若将

（1）求得的萃取剂的用量分作两等份进行两级错流萃取，试求最终萃余相的流量和组成。

（3）比较

（1）

（2）两种操作方式中丙酮的回收率（即萃出率）操作条件下的平衡数据见本题附表。

答：

（1）S=760kg/h，

（2）R2=1020kg/hx2=0.18（3）级A=59.4%两极错流A=69.4%

第五章（下册）干燥

1、已知湿空气的总压强为50kPa，温度为60℃，相对湿度为40%试求：

（1）湿空气中水汽的分压；

（2）湿度；（3）湿空气的密度。

答：

（1）p=7.97kPa

（2）=0.118kg/kg绝干气，（3）H=0.493kg/m3湿空气

2、干球温度为20℃，湿度为0.009kg水/kg绝干空气的湿空气通过预热器加热到50℃后，在送至常压干燥器中，离开干燥器时空气的相对湿度为80%，若空气在干燥器中经历等焓干燥过程，试求：

（1）1m3原湿空气在预热过程中焓的变化；

（2）1m3原湿空气在干燥器中获得的水分量。

答：

（1）I/VH=36.9kg/m3湿空气

（2）0.0107kg/m3原湿空气

3、干球温度to=26℃，湿球温度two=23℃的新鲜空气，预热到t1=95℃后送至连续逆流干燥器内，离开干燥器时温度为t2=85℃。

湿物料初始状态为：

温度1=25℃、含水量w1=1.5%;终了时状态为：

温度2=34.5℃、含水量w2=0.2%。

每小时有9200kg湿物料加入干燥器内。

绝干物料的比热容cs=1.84kJ/（kg绝干料×℃），干燥器无输送装置，热损失为580kJ/kg汽化的水分。

试求：

（1）单位时间内获得的产品质量；

（2）写出干燥过程的操作线方程，在H-I图上画出操作线；（3）单位时间内消耗的新鲜空气的质量；（4）干燥器的热效率。

答：

（1）G2=9080kg干燥产品/h

（2）H2＋0.000555I2=0.093（3）L0=17400kg新鲜空气/h（4）=27018%

4、某湿物料经过5.5h进行恒定干燥操作，物料含水量由X1=0.35kg/kg绝干料降至X2=0.1g/kg绝干料。

若在相同条件下，要求将物料含水量由X1=0.35kg/kg绝干料降至

X2‘=0.05kg/kg绝干料。

试求在新的情况下的干燥时间。

物料临界含水量Xe=0.15kg/kg绝干料平衡含水量X*=0.04kg/kg绝干料。

假设在降速阶段中干燥速率与物料的自由含水量（X-X*

）成正比。

答：

=9.57h

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