化工原理作业.doc

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32.23106 Pa ,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25mm2.5mm的钢管组成.空气以9 m/s 速度在列管内流动.空气在管内的平均温度为50,压强为196103 Pa (表压),当地大气压为98.7103 Pa。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)0.843 m3/s 习题4 附图3、高位槽内的水面高于地面8m ,水从1084 mm 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)2.9 m/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76mm2.5mm ,在操作条件下,泵入口处真空表的读数为24.66103 Pa；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98.07103 Pa(表压)。试求泵的有效功率。答: (1) Ne=2.26kw5. 本题附图所示为冷冻盐水循环系统.盐水的密度为1 100kg/m3,循环量为36 m3/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49 J/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245.2103 Pa时, B处的压强表读数为若干? 答: (1)2.31kw (2) 6.2104Pa(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26 m3/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2 900 r/min.若真空表和压强表两侧压口间的垂直距离分别为0.4 m ,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98.1 kPa。在输水量范围下泵的允许吸上真空度为6.4m和5.0m。答:Hg1.0m3、 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102mm4mm ,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9.81104Pa ,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 =221.689104 Qe (Qe的单位为m3/s)； (2)H=24.1 m4.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=251106 Q2 管路特性曲线方程可近似表示为 He =101105 Qe2 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3 600 m3/h ,固体的密度s=3 000 kg/m3 ,操作条件下气体的密度=1.06 kg/m3 , 黏度为210-5 Pas 。试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。答:d=17.5m2、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4 000 kg/m3 .除尘室长4.1 m、宽 1.8m、高4.2m ,气体温度为427,黏度为3.410-5 Pas ,密度为0.5 kg/m3。若每小时的炉气量为2 160标准m3，试确定降尘室内隔板的间距及层数。答:h=82.7mm n=513、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500 mmHg.过滤5min得滤液1L,又过滤5min得滤液0.6 L .若在过滤5min ,可再得滤液多少?答:可再得滤液0.473 L4、用叶滤机处理某种悬浮液,先以等速过滤20 min ,得滤液 2m3 .随即保持当时的压强差在过滤 40 min ,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20 min ,求滤液日产量.滤布阻力可忽略。答: V=4.472 m3 ,日产滤液80.5 m3第四章 传热1、直径为60mm3mm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0.07 W/(m) ,试求每米管长的冷量损失量。答: = -25 W/m2、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=49.73、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850 kg/m3 ),由80冷却到30.换热器的列管直径为25mm2.5mm ,水走管方.水侧和液体恻的对流传热系数分别为0.85 kW/(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=13.9 m24、在一传热面积为50 m2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33 000kg/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4.187 kJ/(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=1.92510-3 m2 /W5、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=0.972、某连续精馏操作中，已知操作线方程为：精馏段y=0.723x0.263;提馏段y=1.25x0.0187 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=2.61 xd=0.95 xw=0.0748 xF=0.653、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A 0.44 ，馏出液中含有A 0.957（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=2/34、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=1.593 Rmin=1.032 F=198 kmol/h5、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=0.094 Emv=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0.987 kPa。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/(m3kPa)）及相平衡常数m。答：H=0.590 kmol/(m3kPa) m=0.9282、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=1.955 kmol/(m3kPa)，气膜吸收系数kG=1.5510-5 kmol/(m2skPa), 液膜吸收系数kL=2.0810-5 kmol/(m2skmol/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=1.12210-5 kmol/(m2skPa) 气膜阻力为总阻力的72.3%3、.在逆流操作的吸收塔中，于101.33 kPa、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=5.52104 kPa .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：=622 X1=3.1210-5 =62.2 X1=3.1210-44、.在101.325 kPa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0.556 m3/s,空塔气速为1.2 m/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KY a的平均值0.1112 kmol/(m3s).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=0.77m Z=5.23m5、在吸收塔中用清水吸收混合气体中的SO2，气体流量为5 000 m3（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=7650 kmol/h （2）NT=5.5 （3）L=9390 kmol/h6、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H2S 2.91（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0.015 kmol/(m2s)，气相体积吸收总系数为0.000 395 kmol/(m2skPa)，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=0.27 yB=0.01 E=126kgR相: xA=0.20 xB=0.74 R=74kg （3）kA=1.35 =1002、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=1283 kg （2）R=807 kg （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1 500kg/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=760 kg/h， （2）R2=1020 kg/h x2=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=7.97 kPa （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