化工原理课堂习题

1、第一章1. 密闭容器内盛有密度o为800kg/m3的油与密度H2O为1000kg/m3的水。已知油层高度h=0.3m， 容器下面装有开口水银压差计，用以测量油面上方压强，压差计上的度数R=0.4m，与大气相通的指示剂液面上灌有R=0.02m的水层。水银指示剂高侧液面与容器内液面间的垂直距离H=0.4m。试求容器内油面上压强pA。（4.63´104Pa（表压）2. 如图所示，在两个压强不同的密闭容器内，充满了密度为的液体，两容器的顶部及底部分别与两支规格不同的水银压差计相连，试推导两压差计上的度数R与H的关系。 3. 合成氨工业的碳化工段，在如附图所示的喷射泵中用稀氨水连续吸收氨气以制

2、备浓氨水。稀氨水进口管直径为57´3mm，其上压强表度数为1.5´105Pa。喷嘴内径为13mm，每小时处理的稀氨水为10000kg，其密度与清水接近，可取为1000kg/m3。稀氨水进口至喷嘴内侧的流动阻力可以忽略不计，试求稀氨水在喷嘴内侧的压强p2。（6.81´104Pa 真空度）4. 水在定态条件下以4m/s的速度进入直径由100mm逐渐扩大至200mm的渐扩管，于管道的1-1与2-2截面上各连一段开口玻璃管，水在玻璃管内分别升高h1及h2，若h1=100mm，试求h2为多少，设两测压口间的流动阻力可以忽略不计。（0.864m）5. 用离心泵将密度为1170

3、kg/m3的水溶液从开口储槽送至密闭高位槽中高位槽顶部的压强表度数为1.1´105Pa。两槽液面恒定，其间垂直距离为20m。已知流动系统中总摩擦阻力为180J/kg。试求泵应对每kg液体提供的轴功，泵的效率为0.65。（723.4J/kg）6. 某离心泵安装在高于井内水面5.5m的地面上，吸水量为40 m3/h。吸水管的尺寸为114´4mm，包括管路入口阻力的吸水管路上总能量损失为4.5J/kg。试求泵吸入口处的真空度。当地大气压为1.0133´105Pa。 （5.92´104Pa） 7. 直径D为2.8m的开口储水设备底部与直径do为57´3

4、mm的垂直管相连，设备内水面高于管子出口10m，若将管路上阀门打开，试求1小时内能放若干m3的水。水在流动过程中不包括管子出口阻力的全部摩擦阻力可用经验公式hf = 2´10-5G2计算，G为质量流量，（kg/m2.s）取水的密度为1000kg/m3。 （15.03m3）8. 每小时有2400m3的空气流入273´6.5mm无缝钢管内，气体进入管子的状态为：温度50 ºC、绝对压强1.2´105Pa 。空气的平均分子量为29kg/kmol, 试求空气在关内流动时的Re数值及流型。（Re =2.16´105，湍流）9. 套管换热器是用管件将两根不

5、同直径的管子连成同心圆套管，冷、热两流体分别在内管内和环隙通道内流过而进行热量交换，已知外管为57´3mm，内管为32´2.5mm的无缝钢管组成，每小时有1500kg的油品在环隙内流过与内管内的流体进行换热。已知油品的平均密度为850kg/m3、平均粘度为5´10-3Pa.s。试求油品在环隙通道中的流速及雷诺准数值。（0.396m/s，Re =1279）10. 用泵将开口储槽内密度为1060 kg/m3、粘度为1.1´10-3Pa.s的溶液在定态条件下送到蒸发器内，蒸发器内的真空表度数40kPa。溶液输送量为18m3/h。进蒸发器水平管中心线高于储槽液面

6、20m，管路直径为57´3mm，不包括管路进、出口损失的直观与管件当量长度之和为50m。取管路粗糙度为0.02mm。试求泵的轴功率，泵的效率为65%。 （2.024kW）11. 用泵自开口储槽将槽内溶液输送至塔顶经喷头喷洒至填料层上方。已知溶液输送量为97m3/h，操作条件下溶液的平均物性常数为：密度 =996 kg/m3、粘度=0.8´10-3Pa.s。输送管路与喷头连接处的表压至少为2´104Pa才能将溶液压出喷头均匀喷洒在填料层上。管路与喷头连接处的高于储槽液面20m。输送管路直径为140´4.5mm，直管总长度为150m，其上装有标准弯头6个、全

7、开闸阀1个、当量长度与全开阀相当的流量计1个、le/d=70的摇板式单向阀1个。取管壁粗糙度为0.3mm。泵的效率为0.65，试求泵的轴功率。（12.08kW）12. 每小时将10m3常温的水用泵从开口储槽送至高位槽。管路的直径为57´3mm，全系统直管长度100m，其上装一个全开闸阀、一个全开截止阀、三个标准弯头、两个阻力可以忽略不计的活接头。两槽液面恒定，其间垂直距离为20m。取管壁粗糙度为0.25mm、水的密度为1000kg/m3、粘度为1´10-3Pa.s。试求： （1）泵的效率为70%时的轴功率；（1052W） （2）泵出口处装有压强表，测压口中心比高位槽液面低1

8、8m。测压口至高位槽的管路总长度为90m（包括一切阻力在内），求压强表度数；2.26´105Pa（3）泵入口处装有真空表，两侧压口中心的垂直距离为0.5m，其间阻力可以忽略不计，求真空表上度数。（0.343´105Pa）13. 如图所示，高位槽的水通过内径为100mm的塑料管向下作定态流动，塑料管可视为光滑管，已知液面比地面高8m，管子出口中心线比地面高2m。流动条件下水的密度为1000kg/m3、粘度为1´10-3Pa.s.不包括出口阻力在内的全系统的直管与管件当量长度之和为90m。试求： （1）水的流量；(V=81.7 m3/h) （2）若管子布局不变，只在出

9、口处新设置一个调节阀使流量减半，试求此时该阀的阻力系数和当量长度。（=40.22，le=240m） 14. 有一突然扩大垂直放置的短管，细管直径d1为100mm，突然扩大到d2为200mm的粗管。水以8m/s的速度从细管进入向下作定态流动。于突然扩大处前、后不远处安装一支水银压差计，两测压口中心线间的垂直距离h为1.5m，其间直管的摩擦阻力可以略去不计。突然扩大损失hf，e可用下式计算： hf，e=(1-A1/A2)2´u12/2 ，A1、A2分别为细管与粗管的截面积。试求：（1） 水由上向下流动时，压差计中指示剂液面那一侧高；（2） 压差计上指示剂读数。（R=97mm）15. 如图

10、所示，水以定态连续由输送管路送至开口高位槽，高位槽液面高于水平管路中心线3m。当阀门开度为1/2时，流量为36m3/h，压强表A和B上读数分别为5.9´104Pa及4.9´104Pa。现将阀门开大，压强表上读数6.87´104Pa。在阀门两种开度的情况下，流型都在阻力平方区。试求阀门开大以后下的数值： （1）水的流量；（V= 51m3/h） (2) 压强表A的读数。（pA= 8.88´104Pa，表压） 第二章1. 用离心泵将20°C 的水由敞口槽输送到某高位设备。泵前后分别装有真空表和压强表。在某流量下测得泵吸入管的动压头及压头损失之和为2m

11、，允许吸上真空度为5m，泵入口比储槽液面高2.5m，当地大气压为101.33kPa，试求： （1）真空表读数为若干Pa；(44150Pa) （2）若水温有20°C变为50°C，该泵能否正常工作？50°C水的饱和蒸汽压为1.5´104Pa，密度为980.5kg/m32. 有一管路系统如附图所示。已知输水量为40m3/h，输送管路均为80´2.5mm的钢管，泵的升扬高度（水位高度差）为30m，允许吸上真空度Hs=7.1m，吸入管路和压出管路的压头损失分别为1m和3m，水的密度为1000kg/m3，当地大气压为9.81´104Pa，试求：

12、（1）泵出口压强表读数；（2.74´105Pa） （2）水泵的轴功率，该泵的效率为70%；5.29kW （3）泵能否正常工作？3. 用3B33型单级离心泵从绝压为8.829kPa的密闭容器中以30m3/h的 流 量抽送40 的清水。已知泵在该流量下的压头为35.6m，允许吸上真空度为7m，吸入管内径为75mm，压头损失为0.5m。试求该泵的允许安装高度。（泵至少安装在液面下3.29m）4. 一离心泵从某液位恒定的冷凝水箱内抽水。已知流量为65m3/h，允许吸上真空度为7.1m，吸入管内径为100mm，压头损失1m；冷凝水箱内的压强为7000Pa，箱内水为该压强下的饱和温度。求泵的最大

13、允许安装高度。（泵至少应安装在冷凝水箱液面下3.93m）5. 某离心泵的吸入管内径为200mm，流量为200m3/h，允许吸上真空度 6.2m，估计吸入管路压头损失为1m。试求：（1） 大气压强为101.33kPa的条件下，从敞口水池抽送20°C清水 时的安装高度，20°C水的密度为1000 kg/m3; (Hg= 5.37m)（2） 若同样管路系统安装在海拔2000 m的高原地区（相应的大气压 强为80kPa），从敞口水池抽送40°C的水时的安装高度。40°C水的密度992.2 kg/m3,蒸汽压为7375Pa。（Hg= 2.74m）6. 如图所示离心

14、泵吸入管内径为100mm，吸入管路总压头损失为12´ u2/2g (u为吸入管内水的流速，m/s)，泵入口处真空表读数为45.33kPa。试求：（1）吸入管内水的流量（Q = 36.74 m3/h）；（2）若在操作条件下泵的允许吸上真空度Hs= 5.1m，按图所示的安装位置该泵是否会发生气蚀现象。水的密度为1000kg/m37. 某离心泵在转速为1450 r/min时的特性列于附表中。这台水泵所在管 路的特性曲线方程为He = 23 + 0.008Qe2（Qe单位为L/s）。试求：（1）泵的供水量（Q = 45L/s）；(2) 若要将泵的供水量改为30 L/s,泵的转速应是多少？（n

15、 = 1208 r/min） 附 表Q（L/s） 0 10 20 30 40 50H（m） 46.3 47.8 47.5 45.6 41.4 36.38. 用一离心泵以45m3/h的流量将水从开口槽送到表压为2.453´105Pa的塔内。管子出口离水池液面15m，管路系统如图所示，泵高效区的性能参数列于附表中。已知管的内径为100mm，管线全长400m（包括所有的局部阻力的当量长度），水的粘度为1´10-3Pa.s，密度为1000kg/m3，水在管内的摩擦系数为0.025。试求：（1）管路的特性曲线（流量单位为m3/h）(He = 40 + 6.38´10-3Qe

16、2)；（2）泵在此管路系统的实际输送量（Qe = 49 m3/h）；（3）若用阀门将流量控制在45 m3/h, 计算多消耗的轴功率（N=0.791kW）。附 表 Q (m3/h) 30 45 60 70H (m) 62 57 50 44 (%) 54.4 63.5 66.3 649. 某离心泵在一定转速下的性能参数如附表所示，泵所在管路的特性曲 线方程为He = 20 + 0.02Qe2(Q的单位为L/s)，试求：（1）单台泵运转时的流量（Qe = 28L/s）；（2）两台泵并联流量增加的百分数（41.1%） 附 表Q（L/s） 0 10 20 25 30 H（m） 55 60 50.5 40

17、 30 10. 用离心泵从一敞口水槽向高位密闭容器送水。泵高效区的性能参数 列于附表。密闭容器内的压强为49.1kPa（表压），泵吸入口及排除管均为81´3mm的钢管，管路总长（包括所有局部阻力的当量长度）为85m，流体在管内流动的摩擦系数为0.02，泵的升扬高度为20m，水的密度为1000kg/m3, 粘度为1´10-3Pa.s。试求：（1）泵的流量及轴功率（Q = 50.5 m3/h, N=7.91kW）; (2)若此系统输送的液体的密度为1500kg/m3，泵的流量和轴功率又为若干？(Q=53 m3/h, H= 35.7m)。附 表 Q (m3/h) 30 40 50

18、 60H (m) 45 41.6 37.5 30 (%) 55 62 64 59 第三章1. 在实验室中用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种颗粒的水悬浮液进行试验。在80 kPa的真空度下火的下列数据：过滤时间，（s） 60 600滤液体积，（L）2.5 8.5 试求：恒压过滤方程式中的过滤常数qe、K、e值 （qe = 2.955´10-3 m3/m2, K = 1.288´10-5 m2/s, e = 0.678 s） 2. 用一板框压滤机过滤某一悬浮液，每获1 m3滤液得滤饼0.05 m3。在 150kPa压强差下操作时，过滤常数K = 2.75´10-5

19、 m2/s，过滤介质阻力可略。滤饼为不可压缩。试求：（1） 若要求过滤1h获取0.6 m3的滤饼，所需的过滤面积（A=38.1 m2）；（2） 若选用的板框为正方形，其边长为0.81 m，使确定框数及框的厚度（n = 29，b = 0.032 m）；（3） 若操作压强差为300kPa时，求用该板框压滤机过滤1h所获得的滤液量（V =16.95 m3）。3. 用一台BMY40/810-25型板框压滤机恒压过滤某水悬浮液，悬浮液中固相质量分率为0.145，固相密度为2500kg/m3, 液相水的密度为1000kg/m3。测得每1m3滤饼烘干后的质量为1200kg。已知操作条件下的过滤常数K为2.5

20、´10-5 m2/s，qe为3.5´10-3 m3/m2。板框尺寸为810´810´25mm，共30个框，试求：（1） 过滤至滤框全部充满滤渣所需的时间及所得滤液得体积（V = 3.226 m3，q = 291s）；（2） 过滤完毕用0.5m3清水洗涤滤饼，求洗涤时间（qw= 347s）；（3） 若每次卸渣、重装等辅助时间为0.15h，求过滤机的生产能力（Q = 9.86m3滤液/h）。4. 某悬浮液在一台过滤面积为0.5 m2的板框压滤机中进行恒压过滤，1h 后得滤液15 m3，若过滤介质阻力可忽略不计。试求:(1) 其他情况不变，过滤0.5h所得滤液

21、量（V = 10.6 m3）；(2) 其他情况不变，过滤1.5h后，用1.2 m3水对滤饼进行洗涤，所需的洗涤时间（qw = 0.784 h）。5. 在一板框压滤机中恒压过滤某悬浮液，滤框尺寸为200´200´20mm，框数为20个，滤渣全部充满滤框所需时间为1.5 h。已知每获得1m3滤液可得滤渣0.04 m3。若洗水的粘度、洗水的表压分别与滤液得粘度、过滤的压强差相同。已知洗涤水的体积为滤液体积的10%，卸渣、重装的辅助时间为0.4 h。若过滤介质阻力可忽略不计。试求：板框过滤机的生产能力（Q = 0.129 m3滤液/h）。6. 某板框压滤机在恒压下过滤某种悬浮液，滤

22、饼不可压缩，且过滤介质阻力可以忽略。已知在某恒压下过滤此悬浮液时，2h后得滤液50 m3。试求：（1） 过滤1.5h后，用5m3清水在该恒压下洗涤滤饼，洗水性质与滤液性质相同，所需的洗涤时间（qw = 1.386 h）；（2） 当过滤压强差增加一倍时，欲得与（1）同样多的滤液，需要多少时间（q = 0.75 h）。7. 在实验室中对含CaCO3 15%（质量分率）的水悬浮液于60 kPa真空度下进行过滤，测得过滤常数为K= 5´10-6 m2/s，每获得1m3滤液生成的滤渣中含CaCO3 280kg。现拟采用转筒真空过滤机过滤上述悬浮液，转筒的直径为1.75m，长度为0.98m。操作

23、时转筒的转速为1r/min，转筒浸入料液中的角度为120°，操作条件下的真空度与试验相同。CaCO3的密度为2930 kg/m3，水的密度为1000 kg/m3。过滤介质的阻力可忽略不计。试求：（1） 以滤液体积流量表示的过滤机生产能力（Q = 3.23m3滤 液/h）;（2） 转筒表面滤饼的最终厚度（b = 6.81 mm）。8. 用一小型板框叶滤机对某悬浮液进行过滤试验，过滤压强差为150 kPa，测得过滤常数K为2.5´10-4 m2/s、qe = 0.02m3/m2。现拟用一转筒真空过滤机过滤该悬浮液，过滤介质与试验相同，操作真空度为60 kPa，转速为0.5 r/

24、min, 转筒的浸没度为1/3。若要求转筒真空过滤机的生产能力为5m3滤液/h。试求转筒真空过滤机的过滤面积。已知滤饼不可压缩。（A= 3.6 m2）9. 实验室用一片虑面积为0.1m2的滤叶对某种悬浮液进行实验，滤叶内部真空度为8×104Pa，测出qe为0.01m3/m2，qe为20s，且知每获1升滤液，便在滤叶表面积累1mm厚的滤渣，今选用板框过滤机在3.2×105 Pa的表压下过滤该悬浮液，所用过滤介质与实验相同，该压滤机滤框为正方形，其边长为810mm，框厚为42mm，共20个框，滤饼不可压缩。试求：（1）滤框完全充满滤饼所需的过滤时间（q = 0.67h）；（2）

25、 若滤饼洗涤与装卸时间为0.5h，求以滤液体积计的生产能力（Q = 4.71m3滤液/h）。10. 在板框压滤机中以300kPa的压强差过滤含钛白粉的水悬浮液。通过实验已测得过滤常数K= 4.5×10-5m2/s，qe= 0.01m3/m2,且每获得1L滤液得滤饼0.06 L。采用的正方形板框压滤机的尺寸为：滤框边长810 mm，框厚25 mm，共25个框。过滤推动力及所用滤布与试验时相同。试求：（1） 过滤至框内全部满滤饼后，用相当滤液量1/10的清水进行洗涤，求洗涤时间（qw = 807s）；（2） 若每次卸渣、重装等辅助时间为0.25h，求以滤饼体积计的过滤机的生产能力（Q =

26、 0.535 m3滤液/h）。 第四章1 初温为25、热容量流率Wcp为3.2×103W/的某种液体，在内径为33mm、平均壁温为80的圆管内湍流流动而被加热。测得管壁和液体间的对流传热系数1为4200W/(m2),每米管长的阻力损失为hf。现拟采用长与宽之比为5:1的矩形管代替圆管。若两种情况下液体的体积流量、流速、物性常数、入口温度、管壁温度和摩擦系数f均相同，试比较两种情况下每米管长的传热速率和阻力损失。（答：以Q、hf表示矩形管内参数，Q、hf表示圆管,Q/Q=1.57及hf/ hf =1.52）2 在列管换热器的壳方用120的饱和水蒸气加热管内流动的水溶液。溶液的流量为58

27、kg/s，进、出换热器的温度分别为25及40。在操作条件下溶液的平均比热容为3.7kJ/(kg)。换热器由144根25×2mm的钢管组成，列管外壁的平均温度为115。试求所需列管的最低长度。（计算时可忽略蒸汽侧污垢热阻和热损失。答：L=5.59m取6m。）3 乙醇-水精馏塔的底部装有釜式再沸器。再沸器的加热管为28×1.5mm、长2m的钢管。管内有130的饱和水蒸气冷凝放出潜热；液体在水平管束外沸腾，沸腾压强为115kPa，相应的沸点为103，其他物性常数可假定与水相同。试求：（1） 蒸汽冷凝和液体沸腾的传热系数i及0；（2） 基于管子外表面的总传热系数K0及热流密度q。计

28、算时可忽略管壁热阻、污垢热阻及热损失，并可当平壁处理。（答：0=1.44×104W/(m2)、i=1.44×104W/(m2)；K0=7220W/(m2)、q=1.95×105W/m2）4. 常压下的空气在列管换热器中由20被加热到100。列管直径 为25×2.5mm。试比较下面两种情况下基于管子外表面积的总传热系数K0，即： 空气在管内流动，水蒸气在管外冷凝； 空气在装有圆缺形折流挡板的管间流动，水蒸气在管内冷凝，管子为正三角形排列，管心距t为1.3倍管外径。 在两种情况下均可认为：空气速度为10m/s；蒸汽冷凝传热系数为11000W/(m2)；忽略管

29、壁和污垢热阻。（答：K0=37.9W/(m2);K0=86.4W/(m2)）5. 用水冷凝套管换热器环隙间的水蒸气。换热器的内管为25×1.5mm的钢管（导热系数为45W/(m2），垂直放置。水在内管的速度为u m/s。在相隔半年的两个时间内分别测得基于内管外表面积的总传热系数为：新购进时 1/K0=0.00021+0.00027/u 0.8半年后 1/K0=0.000464+0.00027/u 0.8试计算： 当内管水的速度为2m/s时，水的对流传热系数i； 水蒸气的冷凝传热系数0； 使用半年后，污垢热阻占总热阻的百分数； 定性的讨论提高总传热系数的途径。(答：i=6448W/(m

30、2)；0=5660W/(m2)；41；清垢、套管水平放置提高0、加大管内水的流速以提高i、不凝气的排除。)6. 90的甲苯以1500kg/h的流量通过蛇管而被冷却至30。管外冷却水从15被加热到40。蛇管的直径为57×3.5mm、曲率半径为0.6m。水的对流传热系数为580W/(m2），管壁和垢层总热阻为0.0007m2/W。试确定基于外表面积的总传热系数K0和冷却水的用量。（答: K0=211W/(m2)、WC=1590kg/h）7. 机器油与原油在列管换热器内作逆流流动。两种油的初温分别为243及128；测得终温分别为155及162。若维持两种油品的初温及流量不变，而将流动改为并

31、流，试求平均温度差及两流体的终温。两种流动情况下的总传热系数及物性常数可视为不变。忽略热损失。(答：T2=167，t2=157.4,tm=42.5)8. 在管长为1m的冷却器中用12的冷水将油品从147冷却至97，冷水被加热至37，两流体并流流动。试计算： 欲使油品的出口温度降至77，管子需加长多少m； 在原换热器中若将两流体改为逆流流动，油品的出口温度。 在上述各种工况下，油品和水的流量、入口温度、物性常数均不变。忽略热损失。(答：加长0.86m; 95.)9. 在单管程单壳程列管换热器中，用120的饱和水蒸汽加热管内的有机液体。管内液体流速为0.5m/s，总流量为15000kg/h，温度由

32、20升至50，其比热容为1.76kJ/（kg），密度为858kg/m3.测得：有机液的对流传热系数为790W/（m2），蒸汽冷凝传热系数为1×104W/(m2),换热管的直径为25×2.5mm，管壁导热系数为45 W/（m2）。忽略污垢热阻及热损失。试计算：（1）总传热系数K0；（2）换热管的根数及长度。（答：（1）K0=573.4 W/(m2)；（2）n=30.91取31根，l=1.87m取2m。）10. 在传热面积S0为100m2再沸器内，用95的热水使50沸腾的有机液体气化为饱和蒸汽。当水在管内的速度为0.5m/s（相当于质量流量为1.3×105kg/h）时

33、，热水的出口温度为75.再沸器的列管直径为25×2mm，管壁两侧的污垢热阻均为0.0002 m2/W。试计算：（1）再沸器的总传热系数K0及两流体的对流传热系数i和o；（2）将再沸器清洗后，估计蒸汽气化量增大的百分数。假定：（1）可忽略管壁热阻及热损失； （2）清洗前后两流体的对流传热系数、两流体的物性常数及热水的入口温度均不变。（答：（1）K0=891 W/(m2)，i=3558 W/(m2)，o=2860 W/(m2)；（2）气化量增大39%。）11. 在单程列管换热器内，用110的饱和水蒸气将列管内的水从30加热到45。水流经换热器允许的压降为3.0kPa。列管直径为25×2mm、长为6m。换热器的热负荷为2500KW。试计算：（1）所需传热管的根数；（2）基于管子外表面积的总传热系数K0。计算时可假定管子为光滑管，摩擦系数可按柏拉修斯方程计算，即f = 0.3164/Re0.25（答（1）n=125根；（2）K0 = 588 W/(m2)）12. 30的空气在管内作