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960kg/m3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5m，油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为760mm的孔，其中心距罐底1000mm,孑L盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5X106Pa,问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3X103Pa）?解：由流体静力学方程，距罐底1000mm处的流体压力为p=p+pgh=【01.3xl03+960 x9.81x（9.51.0）!a=1.813xl03Pa（绝压）作用在孔盖上的总力为nF=(pp)A=1.813x103-101.3x103)x-x0.762N=3.627xl04N

2、a4每个螺钉所受力为nF=39.5x10 x一0.0142N=6.093x1N14因此2.R2=80mm，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=100mm。试求A、B两点的表压力。解：（1）A点的压力p=pgR+pgR=(1000 x9.81x0.1+13600 x9.81x0.08)Pa=1.165x104Pa(表)A水3汞22)B点的压力pB=Fa+P汞gR、=1.165x104+13600 x9.81x0.5a=7.836xl04Pa(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，指示液为水

3、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。解：设管路中心处流体的压力为pPA=PAP+P水gh+P汞gR=P0p=p。-p水gh-p汞gR=（101.3x103-1000 x9.8x0.8-13600 x9.8X0.1）P=80.132kpa4、如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7m，水从108mmX4mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5m。已知水流经系统的能量损失可按工hf=5.5u2计算，其中u为水在管内的平均流速（m/s）。设流动为稳态，试计算1）A-A截面

4、处水的平均流速；（2）水的流量（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得21p1gz+u2+-=gz+U212blp22b2（1）式中Z=7m，ub10,p1=0（表压）z2=1.5m，p2=0（表压），ub2=5.5U2代入式（1）得9.81x7=9.81x1.5+丄u2+5.5u22b2b2u=3.0msb（2）水的流量（以m3/h计）V=uA=3.0 x314x（0.0182x0.004=0.02355ms=84.78mhsb245、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

5、压力为1.0133x105Pa。流体密度为800kg/m3。精馏塔进口处的塔内压力为1.21x105Pa，进料口高于储罐内的液面8m，输送管道直径为68mmx4mm,进料量为20m3/h。料液流经全部管道的能量损失为70J/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，得厶+佯+gZ+W=厶+作+gZ+丫hP21ep22fp=1.0133x105Pa；p=1.21x105Pa；Z-Z=8.0m；-221Yh=70Jkgf2036006、An,d24ms=1.966m，sx(0.068-2x0.0044=44+g(z-z)+zhP221fW21-33)*込+9.8x8.0

6、+702800=(2.46+1.93+78.4+70)Jkg=175Jkg=wW=203600 x800 x173W=768.9We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Apf=PYhfYh=Ap/p=九ff工hXd=(乙hLpu2bd2f1du)(丁)2dub1式中因此又由于故d=2，爲=(牛)2=4dud22b1岂=(1)(2)(4)2=32A乙h九f110.316Re0.25=(-Re)0.25XRe12duM)o.25=(2X1)0.25=(0.5)

7、0.25=0.841du42b2工hf2-乙h=32X0.84=269f1gz+1u21）7、用泵将2X104kg/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25.9X103Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为Q76mmX4mm的钢管，总长为35m,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17m。若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。（已知溶液的密度为1073kg/m3,黏度为6.3x10-4Pa.s。管壁绝对粗糙度可取为0.3mm。）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

8、面1-1，为基准水平面，得式中Z1=0，Z2=17m，Ub严0wu=b2兀7d2p42x1043600 x0.785x0.0682x1073ms=1.43msp1=-25.9X103Pa（表），p2=0（表）将以上数据代入式（1），并整理得W=g(z-z)+绻+工he212Pf=9.81X17+1.432+25.9x103+工h=192.0+工h21073ff其中L+L乙hf=(+de+乙u2b2Re=1.656X105dup=0.068x1.43x10730.63x10-3e.d=0.0044根据Re与e/d值，查得入=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)：0.4

9、3X2m=0.86m标准弯头：2.2X5m=11m故Zh=(0.03X35+0.86+11+0.5+4)1432Jkg=25.74J/kgf0.0682于是W=(192.0+25.74)Jkg=217.7Jkge泵的轴功率为217.7x2x104N=Ww/n=W=1.73kWse3600 x0.78、如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15m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20m。(1)当闸阀关闭时，测得R=600mm、h=15

10、00mm；当闸阀部分开启时，测得R=400mm、h=1400mm。摩擦系数九可取为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L/d15，摩擦系数仍可取0.025。)解：(1)闸阀部分开启时水的流量在贮槽水面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TOC o 1-5 h zgz+U2i+冬=gz+绻+匕+工h(a)2P22Pfl-2式中p=0(表)p=PgR-PgR=(13600X9.81X0.4-1000 x9.81x1.4)Pa=

11、39630Pa(表)HgH2Oub2=0，z2=0Z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Pg(z+h)=PgR(b)H2O1Hg式中h=1.5m,R=0.6m将已知数据代入式(b)得/13600 x0.6一1.5m=6.66m丿工h=（九L+匚）=2.13u2=（0.025x-15+0.5）=2.13u2f,1-2dc2b0.12b将以上各值代入式（a）,即9-81X666=专+册+2-13制解得u=3.13msbn水的流量为V=3600d2us4b=600 x0.785x0.12x3.133.s=1.43m3；s(2)闸阀全开时测压点处的压力在截面1

12、-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得u2p年+孑+P*=gZ3+咯+黑+Sh2Pf，13c）式中Z1=6.66m，Z3=0，ub1=0，p1=p3Zh=（九L+ELe+C）Ub2=f,i-3dc20.025（並+15）+0.50.1=4.81u22b将以上数据代入式(C),即9.81X6.66=U2+4.81U2bb2解得u=3.13msb再在截面1-1，与2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得式中u2pu2pgz+-bi+-=gz+br+-+Zh12P22Pf，l-2Z=6.66m,z2=0,ub1-0,%=3.51m/s,p1=0（表压力）d）

13、Zhf,1-20.02515+0.50.1丿3.5122Jkg=26.2J；kg将以上数值代入上式,则9.81x6.66=+-+26.221000解得p2=3.30X104Pa（表压）蒸馏部分1、在一连续精馏塔中分离苯的含量为0。5(苯的摩尔分数,下同)的苯-甲苯混合液,其流量为100kmol/h。已知馏出液组成为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。缽二(I)愉出液的臨量彌弦的收率华n二彳af_kmol/h=50kinol/li心一几，0.95-0.0Irt.I）叭二-9n.FHOO%=7K,UO%=95%(2)镰

14、出液的最大可能漉量当?7a=100%时，董得鼠尢可能流量，即9n.DmatK=心=0.95kr，1/h=5163blld/h2、在连续精馏塔中分离A、B两组分溶液。原料液的处理量为100kmol/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qxn,DD=0.96qx=0.96x100 x0.45kmol/h=43.2kmol/hn,FFqxn,WW=(0.

15、96)x100 x0.45kmol/h=1.8kmol/hq=n,W0.0331.8kmol/h=54.55kmol/hq=qq=(10054.55)kmol/h=45.45kmol/hn,Dn,Fn,W43.2x=0.9505D45.452)精馏段操作线方程Rx2.650.9505y=x+D=x+=0.726x+0.2604R+1R+13.653.653)提馏段的液相负荷q=q+qq=Rq+q=(2.65x45.45+100Icmol/h=220.4kmol/hn,Ln,Ln,Fn,Dn,F3、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50kmol/h,要求馏出液中易挥发组分的收率

16、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x及y；（4）提馏段操作线方程。qq解：（1）操作回流比及馏出液组成由题给条件,得爲=75及Rd=0238解得R=3，xD=0.9522）进料热状况参数及原料液组成由于解得解得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=23xx=0.4699及y=0.5903qq4）提馏段操作线方程其一般表达式为jqWy=xnWxqqWn,Vn

17、,V式中有关参数计算如下：耳qx094x50 x05q=-Ufa=-kmol/h=24.68kmol/hn,Dx0.952Dq=q-q=(50-24.68)kmol/h=25.32kmol/hn,Wn,Fn,Dx=WTU一.94)x50 x5=0.0592Aqn,W25.32q=Rq+qq=(3x24.68+0.75x50)kmol/h=111.54kmol/hn,Lrn,Dn,Fq=q-q=(111.54-25.32)kmol/h=86.22kmol/hn,Vrn,Ln,W111542532贝yy=丄x-53-x0.0592=1.294x-0.0173986.2286.224、IL虚常压连魏

18、提馆愍収分喜西组令理憩伞减该諭累平均赫也发度为2几斥料逾址量分血畑血!、选件热狀态赛鞍沪人愉出涼就量为6畑瓯盖战涼组成为(WI(易挥发组芬的厚尔分数),试求按作线方程；4)由坯肉鼓下一展理论址下駅勺浪村统戌解：木舰为提懈塔,即恵料由塔戏加入,固此该塔仅有提馆段(1)操作线方程此为提恸段按作线方程，即式申g“二的訂=lOOkmolZh-虬卜-1;,(=(10()-60)kmol/h=40kmol/h/=-V-x0.01=1+667y-0W676060(2)最下层塔皈下降的液相纽成由干再沸器相当于一层理论扳，故=0.0198(XX2x0,011+(yq=U.35=UJ772儿_0艾化卡01片)035+25(1035)OS-()5,35-n1772=2.6(142W4kl52（2）气相默弗里效率气相默弗里效率的定义式为式屮V,=xy=0.8y2=0.75a,+0.20-0J5x0.7+020=0.7251+(空-1)州2.40.7l+L5x0.7=0.8537将有关數据代入式（【）.得弘飞蔦1需严皿5仆6、IU在常压连维特懾塔內分爲苯氯苯罷令琢.已扣进料量为85kmo】/h,纽成为045（易挥发紅#的摩尔分数：下同），泡点进料塔顶恸出液芮红咸为0.99,塔羸筆厳液组成为UD