化工原理习题含答案

1、流体流动部分1某储油罐中盛有密度为 960 kg/m 3的重油（如附图所示） ，油面最高时离罐底 9.5 m，油 面上方与大气相通。 在罐侧壁的下部有一直径为 760 mm 的孔， 其中心距罐底 1000 mm ，孔 盖用 14 mm 的钢制螺钉紧固。 若螺钉材料的工作压力为 39.5106 Pa，问至少需要几个螺钉 （大气压力为 101.3103 Pa）？解：由流体静力学方程，距罐底 1000 mm 处的流体压力为p p gh 101.3 103 960 9.81 （9.5 1.0） Pa 1.813 103Pa（绝压）作用在孔盖上的总力为F （p pa ）A（1.813 103101.3

2、103） 0.762 N3.627 104N4每个螺钉所受力为 2 3F1 39.5 100.0142N 6.093 103 N14因此n F F1 3.627 104 6.093 103 N 5.95 6（个）习题 2 附图习题 1 附图2如本题附图所示，流化床反应器上装有两个U 管压差计。读数分别为 R1=500 mm ，R2=80 mm，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=100 mm。试求 A、B 两点的表压力。解：（1）A 点的压力pA水 gR3汞 gR21000 9.810.1 13600 9.81 0.08 Pa 1

3、.165 104 Pa（表）（2）B 点的压力pBpA汞 gR11.165 104 136009.81 0.5Pa7.836 104 Pa（表）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，解：设管路中心处流体的压力为 pPA=PA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。P + 水 gh + 汞gR = P0P=p0- 水 gh - 汞 gR=(101.3 1-013000 9.8x0.8 - 1360

4、0 9.8 0.1 )P=80.132kpa4、如本题附图所示， 高位槽内的水位高于地面 7 m，水从108 mm4 mm 的管道中流出， 管路出口高于地面 1.5 m。已知水流经系统的能量损失可按hf=5.5u2 计算，其中 u 为水在1） A-A截面处水的平均流速； （ 2）水的,得管内的平均流速（ m/s）。设流动为稳态，试计算（ 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1 2 p11 2 p2（ 1）gz1ub1 1 gz2ub2 2hf （ 1）22式中 z1=7 m，ub1 0， p1=0（表压） z2=1.5 m，

5、 p2=0（表压）， ub2 =5.5 u2 代入式（ 1）得1 229.81 7 9.81 1.5 ub22 5.5ub222 b2b2ub 3.0m s（ 2）水的流量（以 m3/h 计）3.14 2 3 3Vs ub2A 3.0 0.018 2 0.004 2 0.02355m3 s 84.78m3 h45、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 1.0133 105 Pa。流体密度为 800 kg/m 3。精馏塔进口处 的塔内压力为 1.21 105 Pa，进料口高于储罐内的液面 8 m，输送管道直径为 6

6、8 mm 4 mm， 进料量为 20 m 3/h 。料液流经全部管道的能量损失为70 J/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22p1 u12 gZ1 We p2 u22 gZ2hf22u10；hf70J kgVV20 3600u2A23.14m s 1.966 m s2d20.068 2 0.004 24422Wep2p1 u2u1g Z2 Z1hf2p1 1.0133 10 5 Pa；p2 1.21 105 Pa；Z2 Z1 8.0m；We1.21 1.0133 10 58001.966229.8 8.0 70 J kg2.46 1.93 78.4

7、 70 J kg 175J kgNewsWe 20 3600 800 173W 768.9W6、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？ 解：流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时pf =hfhf =pf / =2 L ub d2hf2hf12 d112 )( dd12 )(ub2 )2ub1式中 d1 =2 ， ub2 =( d1 ) 2 =4 d2ub1 d2因此hf2 =( 2 )(2)(4) 2 =32 2hf11 1又由于0.316Re0.25Re1Re2)0.25 =(d1ub1 )

8、d2ub20.251 )0.25 =(0.5)40.25=0.841故hf2 =32 0.84=26.9hf17、用泵将 2104 kg/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 25.9103 Pa 的真空度， 高位槽液面上方为大气压。管道为 76 mm 4 mm 的钢 管，总长为 35 m ，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 17 m 。若泵的效率为 0.7，求泵 的轴功率。（已知溶液的密度为 1073 kg/m 3，黏度为 6.3 10-4 Pa s。管壁绝对粗糙度可取为 0.3 mm

9、。） 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gz12 ub1 22 p1 We gz2 u2b2p2hf（1）式中z1=0， z2=17 m， ub10w2104ub22m s 1.43m sd 23600 0.7850.068210734p1=-25.9103 Pa （表），p2=0 （表）Weg（z2z1）2ub22p2 p1hf其中Re=9.81 17+hf =（1.432+ 25.9 103 +1073LLe+0.068 1.43 10730.63 10hf =192.0+hf2ub22=1.656105将以上数据

10、代入式（ 1），并整理得e d 0.0044根据 Re与 e/d 值，查得 =0.03，并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为 闸阀（全开） ： 0.432 m =0.86 m标准弯头：2.2 5 m =11 m2故 hf =（0.03 35 0.86 11 +0.5+4） 1.43 J kg =25.74J/kgf 0.068 2于是 We 192.0 25.74 J kg 217.7 J kg泵的轴功率为217.7 2 104Ns =We w/ = W =1.73kW s e 3600 0.78、如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与 内径为 100 mm 的钢质放水管相连，

11、管路上装有一个闸阀， 距管路入口端 15 m 处安有以水银为指示液的 U管压差计， 其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计连接管内充 满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为20 m。习题 8 附图（1）当闸阀关闭时，测得 R=600 mm、h=1500 mm ；当 闸阀部分开启时，测得 R=400 mm 、h=1400 mm 。摩擦系 数 可取为 0.025 ，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。问每小时从管中流出多少水（ m3）？2）当闸阀全开时， U 管压差计测压处的压力为多少Pa（表压）。（闸阀全开时 Le/d 15 ， 摩擦系数仍可取 0.025。）解：（1）闸阀部分开启时水的流量

12、在贮槽水面 1-1，与测压点处截面 2-2， 间列机械能衡算方程，并通过截面2-2，的中心作基准水平面，得2ub1 p1gz1gz222ub22p2hf，12 （ a）式中 p1=0(表 )p2HggRH2OgR 13600 9.81 0.4 1000 9.81 1.4 Pa 39630Pa(表)ub2=0， z2 =0z1 可通过闸阀全关时的数据求取。 当闸阀全关时， 水静止不动， 根据流体静力学基本方程知H2 O g(z1 h)HggR (b) 式中 h=1.5 m, R=0.6 m 将已知数据代入式（ b）得13600 0.66.66m1.5 m1000hf,1-2( d2c) ub 2

13、.13u2b (0.025 c 2 b15 0.5) ub 2.13ub20.1 2 b解得 ub3.13m s396301000+2.13 ub2将以上各值代入式（ a），即29.816.66= ub +2水的流量为 Vs 3600 d 2ub 3600 0.785 0.12 3.13 m3 s 1.43 m 3 s4（2）闸阀全开时测压点处的压力2ub20.5 b4.81ub22b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，2ub1p12ub3gz1gz3232式中z1 =6.66 m，z3=0，LLehf,13(e3d得p3hf，13 (c

14、)ub1=0，p1=p3ub235) b = 0.025( 15)20.1将以上数据代入式（ c），即9.816.66= ub +4.81 ub22解得 ub 3.13m s再在截面 1-1 ，与 2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得 22ub1p1ub2p2 （ d）gz12b11gz22b22hf，12 （d）式中 z1 =6.66 m ， z2=0， ub1 0， ub2=3.51 m/s ， p1=0（表压力）hf,1 20.02510.510.523.5122J kg26.2J kg将以上数值代入上式，则23.512 p29.81 6.66 2 26.22 1000解得 p2=

15、3.30 104 Pa（表压）1、在一连续精馏塔中分离苯的含量为 流量为 100kmol/h 。已知馏出液组成为蒸馏部分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。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100 kmol/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

16、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,D xD0.96qn,FxF0.96 100 0.45kmol/h 43.2 kmol/hqn,W xW1 0.96 100 0.45kmol/h 1.8 kmol/hqn,Wkmol/h=54.55 kmol/hn,W 0.033qn,D qn,F qn,W100 54.55 kmol/h=45.45 kmol/h43.2 xD0.950545.45 2）精馏段操作线方程RxD2.65 0.9505y x D x 0.726x 0.2604 R 1 R 1 3.65 3.653）提馏段的液相负

17、荷q n,L qn,L qqn,F Rqn,Dqn,F2.65 45.45 100 kmol/h 220.4kmol/h3、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 50 kmol/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R 0.75 及 xD0.238R 1 R 1解得 R = 3，xD = 0.952（2）进料热状况参数及原料液组成由于q 3 及 xF 2q 1 1 q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y 0.75x 0.238y 2 3x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,Wy xxWqn,Vqn,V式中有关参数计算如