化工原理作业题

1、【03】1000kg 的电解液中含 NaOH质量分数 10%、NaCl 的质量分数 10、H O2的质量分数 80%用真空蒸发器浓缩 ,食盐结晶分别后的浓缩液中含 NaOH50NaCl2%HO 48%，均为质量分数。试求： （1）水分蒸发量；（2）分别的食盐量；（3)食2盐分别后的浓缩液量。在全过程中，溶液中的NaOH 量保持肯定。解电解液1000kg 浓缩液中NaOH10000。l=100kg NaOH =0.5（质量分数）NaOH10000。l=100kgNaCl =0.02(质量分数）HO10000。8=800kg H2O =0。48（质量分数）2,溶液中 NaOH,100kg100/0

2、.5200kg200kg ,水的含量为 2000.48=96kg, 故水的蒸发量为 80096=704kg浓缩液中 NaCl的含量为 2000.02=4kg, 故分别的 NaCl1004=96kg【12-12kPa 157kPa 101.3kPa.试求此设备的进、出口的确定压力及进、出的压力差各为多少帕.解 进口确定压力p进101.312 89.3 kPa出口确定压力p出101. 3157 258.3 kPa进、出口的压力差p 157（115712169kPa 或p 25.389.3169 kPa【16】如习题 16 附图所示，有一端封闭的管子，装入若干水后，倒插入常温水槽中,管中水柱较水槽液

3、面高出 2m,当地大气压力为101.2kPa （1）管子上端空间的确定压力； (2)管子上端空间的表压；（3）管子上端空间的真空度； (4）若将水换成四氯化碳，管中四氯化碳液柱较槽的液面高出多少米？解管中水柱高出槽液面 2m，h=2m 水柱。(1）管子上端空间的确定压力 p绝在水平面 11 处的压力平衡，有p gh 大气压力绝p1012001000.81281580 绝确定压力）(2）管子上端空间的表压 p表1-6 附图pp表-大气压力=81580101200 19620 Pa管子上端空间的真空度 p真p=-p真=-1962019620 Pa（4）槽内为四氯化碳，管中液柱高度h水h h水ccl

4、4常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为1594 kg / m3ccl4【1-10】常温的水在如习题 1-10 附图所示的管路中流淌，为测量 A、B 两截面间的压力差，安装了两个串联的 U 形管压差计， 指示液为汞。测压用的连接管中布满水 .两 U 形管的连接管中，布满空气。若测压前两 U 形压差计的水银液面为同一高度，试推导 A、B 两点的压力差 p 与液柱压力汁的读数 R、R 之12间的关系式。解设测压前两 U 形压差计的水银液面 ,距输水管中心线的H。22处p pH R g R R R gg112 2A21 汞2气p pH R g R g2B22水2 汞1-10 附图p p2,由上两式求得

5、p p (RAB1因 R )水气 g22汞2气水故p pR R- 水 gAB12 汞2 【1-13】如习题 113 附图所示的套管式换热器 ,33.5mm3.25mm，外管为60mm3.5mm。内管中有密度为 1150kg /m35000kg /h 的冷冻盐水流淌。内、外管之间的环隙有确定压力为 5MPa,进、出口平均温度为 ，流量为160kg /h 的气体流淌。在标准状态下(101.32kPa，气体的密度为 1.2kg /m3。试求气体和盐水的流速。解 1150 kg /m3内管内径 d内 33.53.252 27mm 0.027 m液体质量流量 qm5000kg /h,qV 5000115

6、0mhu液 V2.11m/ sqd23600q4 内0.02724气体质量流量 qm160 kg / h气0.51061.25.92kg /m3101325160体积流量 qV5.92mhu气3600160/5.920.0532 0.0335245.67 m/ s习题 113 附图习题 114 附图【115】常温的水在如习题 115 附图所示的管路中流淌。在截面1 处的流速为0.5m / s ,管内径为 200mm ，截面 2 处的管内径为 100mm 。由于水的压力，截面 1 处产生1m 高的水柱。试计算在截面 1 与2 之间所产生的水柱高度差 h 为多少（忽视从1 到2 处的压头损失）？u

7、 0.5m/ s1d 0.2m, d10.1mu u d 21 0.5(2)2 2m / s21d21212p u2 pu2121222p pu2 u222 0.5212 21 21.8752p p p121.875 1.87510001875Pap1875h g 0.191m 191mm10009.81习题1-15 附图习题 1-16 附图另一计算法1212pu2 pu21212g2gg2gp pu2 u222 0.52h 12 21 0.191mg2g 29.81计算液柱高度时，用后一方法简便 .【1-17 】如习题 117 附图所示的常温下操作的水槽， 下面的出水管直径为57mm3.5m

8、m。当出水阀全关闭时，压力表读数为 30.4kPa 。而阀门开启后 ,压力表读数降至 20。3kPa。设压力表之前管路中的压头损失为 0。5m 水柱,试求水的流量为多m3/h ？解出水阀全关闭时，压力表读数 30。 4kPa（表压）能反映出水槽的水面距出水管的高度 hph 表 30.4103 3.1m阀门开启后，压力表读数 p2g1039.8120.3kPa(表压)从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速 u2pZ 2 +u+ Hp2221g2gfZ h 3.1m,H120.3103 0.5m水柱u2习题 1-17 附图3.120.5水的流量1039.81 29.81u 3

9、.23m/ sd 0.05m2qd2u V420.052 3.23 6.34103m3 / s 22.8 m3 / h4【129】试求下列换热器的管间隙空间的当量直径： (1）如习题 129 附图（a)所示，套管式换热器外 管为21mm9mm ，内管为114mm4mm （2)如习题 129附图（b)所示，列管式换热器外壳内径为 500mm, 25mm2mm 的管子 174 根。习题 1-29 附图解 （1)套管式换热器，内管外径 d10.114m ，外管内径 d2当量直径de d d20.2010.1140.087md2，换热管外径 1 (d2 nd2)当量直径d 4 4 2e(d1 (0.5

10、)2 174(0.025)2)0.51740.025 0.0291m21【1-33】如习题 1-33 附图所示，用离心泵从河边的吸水站将 20的河水送至水塔.水塔进水口到河水水面的垂直高度为 34.5m 。管路为 114mm4mm 的钢管，管长1800m，包括全部管路长度及管件的当量长度。若泵的流量为 30m3/ h ，试求水从泵获得的外加机械能为多少？钢管的相对粗糙度d 0.002。解 水在 20 998.2kg / m3 1.004103Pas l l 1800meqV流速30m3 / hq30/3600u Vd2 (0.106)20.9448m/ sRedu44 0.1060.94489

11、98.21.0041039.96104湍流习题 1-33 附图 0.0252摩擦阻力损失 hl leu2 0.0252 18000.94482 191J / kgfd20.1062以河水水面为基准面 ,从河水水面至水塔处的水管出口之间列伯努利方程。外加机械能W Z2gu22hf 34.59.81 0.944822191530 J / kg【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m 3的水溶液，其他性质可视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明（1)泵的压头（扬程 )有无变化;(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化;(3)泵的轴功率有无

12、变化。解 （1)液体密度增大，离心泵的压头 (扬程)不变。(见教材）（2）液体密度增大 ,则出口压力表读数将增大 . 增大,P q【210】用离心泵输送 80热水，今提出如下两种方案 (见习题 210 附图。若两方案的管路长度（包括局部阻力的当)相同,离心泵的汽蚀余量 h 2m 。试问这两种流程方案是否能完成输送任务？为什么？环境大气压力为 101.33kPa.VV将增大习题 2-10 附图解水在 80时饱和蒸气压 pV47.38kPa ，密度 971.8kg /m3,汽蚀余量 h 2m ,大气压力 p0最大允许安装高度为Hg允许p pV0VghHf(101.3347.38)103 2H9.8

13、13.66Hf第(2)方案的安装高度 Hg7mHg允许,不能完成输送任务。第(1)方案的安装高度 Hg 1m13.66HfHf 4.66m.【42】有一冷藏室，其保冷壁是由 30mm 厚的软木做成的。软木的热导率 =0。043W/（m ）.若外表面温度为 28，内表面温度为 3，试计算单位表面积的冷量损失。解t1 2 b 0.03m，则单位表面积的冷量损失为q t t 0.043328 35.8 W /m2b120.03【4-6】某工厂用 170mm5mm 的无缝钢管输送水蒸气。为了削减沿途的热损失 ,在管外包两层绝热材料 ,第一层为厚 30mm 的矿渣棉，其热导率为 0.065W /mK；其

14、次层为厚 30mm 的石棉灰，其热导率为 0.21W /mK。管内壁温度为 300，保温层外表面温度为 40.管路长 50m.试求该管路的散热量。解q 1t )4l1r1r1rln 2r11ln 3r2ln 4r332(30040)1ln851 ln1151 ln14545 80 0.06585 0.21 115284W /mQ q l 284501.42104Wl14.2 kW【494ms75.5mm3.75mm的钢管,5m为 32,出口温度为 68.(1）试计算空气与管壁间的对流传热系数。 （2）如空气流速增加一倍，其他条件均不变 ,对流传热系数又为多少 ?（3）若空气从管壁得到的热量为5

15、78W ，钢管内壁的平均温度为多少。解u 4m/ s, d 0.068m, l 5m, t1 2（1)对流传热系数 计算空气的平均温度 tm 3268502查得空气在 50时的物性数据 1.093kg / m3 ， 1.96105Pas, 2.83102W / (m), cpPr 698，空气被加热，Pr的指数n 4雷诺数1.005kJ /(kg)Re ldu50.06841.0931.9610573.560 1.52104 湍流d0.068对流传热系数 023Re8Pr4d2.83102 0.023(1.52104)0.8(0.698)0.4 18.4 W / (m2)0.068(2）空气流

16、速增加一倍，对流传热系数 为u0.820.8 u 18.411 32 W / (m2)(3）若空气从管壁得到的热量为 578W ，计算钢管内壁平均温度用式Q twt 计算钢管内壁的平均温度 t.mw已知空气进出口平均温度 tm在第（1）项中已计算出对流传热系数 18.4W / (m2)钢管内表面积为 A dl 0.06851.07m2钢管内壁平均温度 tt Q 5079.4wwA18.41.07T【416】用冷却水使流量为 2000kg / h 的硝基苯从 355K 冷却到 300K，冷却水由15升到 35，试求冷却水用量。若将冷却水的流量增加到 3.5m3 / h ，试求冷却水的出口温度。T

17、解硝基苯流量 q 2000kg / h ，平均温度T1 T 355300=327.5K, 比热容2m1c1.58kJ /kgKp1m22硝基苯的放热量 Q qcTm1 p11T 2 20001.58355300 48.3 kW3600(1） 冷却水用量计算平均温度 t 15352 =25tm22tcp24.179kJ /kg 997kg /m3Q48.33600qm2c(tp222080 kg /ht )4.179(3515)1qmqmv22.09 m3 /h（2） 用水量 qv23.5m3 / ht ？2,水出口温度 t2应降低.先假设水的比热容及密度不变。从上面的计算qv22t 成反比，故

18、12.09t 152, tt2 3.53515226.915水的平均温度 t 21 mcp224.182 kJ /kg 998kg /m3t QQ2 21cqp2 m2cqp2 v2t248.336004.1823.5998与假设相符 .【4-17】在一换热器中,用水使苯从 80冷却到 50，水从 15升到 35。试分别计算并流操作及逆流操作时的平均温度差.解 （1）并流操作 651512水 15t11212t并tln1t2 ln15t 65t115逆流操作 150t1/ t2 45/352 t2 tt t14535 40t 45t135逆22【4-20】有一套管式换热器，内管为 180mm1

19、0mm 的钢管，内管中有质量流量为3000kg / h 的热水，从 90冷却到 60。环隙中冷却水从 20升到 50.总传热系数K 2000W /(m2) :（1)冷却水用量；（2)并流流淌时的平均温度差及所需传热(3）逆流流淌时的平均温度差及所需传热面积。解 （1)冷却水用量 q计算m2T热水平均温度T T24.191kJ /(kg)m22p1t冷水平均温度t t4.174 kJ /(kg)m22p2热量衡算q4.174103502030004.19110390603.77108 Jhm2（2)并流q3012 kg /hm2T12冷水 t20t 50212 t12t 701030.8mln

20、7010Q3.77108 /3600传热面积A1.7 m2逆流m200030.8T1260 t 2021冷水t 40t12Q3.77108 / 3600tm传热面积A Ktm2000401.31 m2【425】有一套管式换热器，内管为 57mm3mm ，外管为 114mm4mm 。内管中有流量为 4000kg / h 的苯被加热，进口温度为 50，出口温度为 80。套管的环隙中有绝对压力为 200kPa的饱和水蒸气冷凝放热，冷凝的对流传热系数为 ) 。已知内管的内表面污垢热阻为 .(1)加热水蒸气用量；（2)管壁对苯的对流传热系数 ;(3）完成上述处理量所需套管的有效长度； (4）140kPa

21、 。这时,苯出口温度有何变化？应为多少度（设苯的对流传热系数值不变，平均温度差可用算术平均值计算）解 苯 t1q4000kg/hm2 2平 均 温 度 tm 8065, c2p21840J / (kg K)，热负荷Q qc(tm2 p2t ) 4000184080561330 W13600(1） 水蒸气用量 qm1p 200kPa,T 120.2,r 2205 kJ / kgq Q 61330 0.0278kg /s 100 kg /hm1r2205103（2） 苯的对流传热系数 832kg /m3, 0.38mPas, 0.13 Wm K4000u0.654 m/s36008320.0512

22、4Redu0.0510.6548320.38103 7.3104 湍流苯被加热 n 0.4Pr c 184038103p0.13p5.38 023 Re8Pr04（3)l0.023 0.130.0513104).88 893 W / m2K104W /2, 1 893Wm2K, R1 0.0004m2 K /W以管内表面积 A1为基准111K 111R 1 d11 1 0.051 621 W /(m2K)d1d128931040.057t T t11120.250 70.2,t2T t2t 70.240.255.2m2QA1.8 m2Kt62155.2mA1.8 0.05111.2 m水蒸气确

23、定压力 p 140kPa 时，苯的出口温度 t2。 400036001840t2=6211.8 22 【54】 l00g 水中溶解lg NH3，查得 20NH3的平衡分压为 798Pa.此稀溶液的气液相平衡关系听从亨利定律，试求亨利系数 E（单位为kPa 、溶解度系数 H单位为kmol /m3kPa) 和相平衡常数m.总压为100kPa .解 液相中NH3的摩尔分数x 1/170.01051/17100/18气相中NH3的平衡分压P0798 kPa亨利系数 n1103 /17液相中NH3的浓度c 0.581kmolm3V101103 /998.2溶解度系数H c / p* 0.581/0.79

24、8 0.728kmol /(m3 kPa)NH的摩尔分数 x 1/170105317100/18气相的平衡摩尔分数* pp 79100相平衡常数m y* 0.7980.76x1000.0105或 E / p 76/1000.76【5-6NH3 1。5的空气-NH3 20下用水吸取其中的NH3 总203kPa。NH3 在水中的溶解度听从亨利定律。在操作温度下的亨利系数E 80kPa 。试kmolNHm3 溶液。3解 气相中NH3y 0.015p 203kPa，气相中NH3p*A py 2030.015kPa（1）p* Ex 计算p 相平衡的液相中NH3 的摩尔分数为p*2030.015x A 0

25、.0381E80NH 水溶液的总浓度c 998.2kmol /m33M18s水溶液中NH3的最大浓度 cA cx 998.20381182.11kmolNH3/ m3溶液（2) p*A cA 计算HE 80kPa,H 998.2s=0693 kmol/(m3kPa)EM8018sc p* H (2030.015)0.693 2.11 kmol NHAA3/m3 溶液【59】CO2 50kPa 的混合气体,CO2 浓度为0.01kmol /m3的水溶液和CO2 浓度为 0.05kmolm3 的水溶液接触。 物系温度均为 25, 气液相平衡关系p* 1.662105xkPa .试求上述两种状况下两

26、相的推动力（分别以气相分压力差和液相浓度差表示，并说明C2在两种状况下属于吸取还是解吸。解 温度t 25，水的密度为s997kg /m3混合气中CO2 p 50kPas水溶液的总浓度c 97skmol / m3水溶液M18s（1) 以气相分压差表示的吸取推动力2液相中CO c2A0.01kmol COm3水溶液20.01液相中CO2 x cA /c 997/18=1.805104与液相平衡的气相平衡分压为p* 1.662105x 1.662105 1.805104 30kPa气相分压差表示的推动力 p p p*503020kPa （吸取）2 液相中CO 的浓度c 0.05kmolm3 水溶液2

27、A0.052液相中CO 的摩尔分数x c/c 2A997/18与液相平衡的气相平衡分压为 9.027104p* 1.662105x 1.662105 9.027104 150kPa气相分压差表示的推动力 p p*p 15050100kPa(解吸)（2) 以液相浓度差表示的吸取推动力与气相CO 分压p 50kPa 平衡的液相组成为2p501.6621051.662105平衡的液相浓度2液相中CO 的浓度c2A0.01kmol CO2/ m3水溶液液相浓度差表示的推动力为c c* cAA0.010.00666kmolm3(吸取）2液相中CO 的浓度c0.05 kmol CO /m3 水溶液2A2液

28、相浓度差表示的推动力为c cAc*A 0.050.01666 0.0333kmol / m3（解吸）【5-15,用清水在总压0.1MPa 20条件下吸取混合气体中的CO2,20.1%（摩尔分数).20CO2 水溶液的亨利系数E 144MPa.吸取剂用量为最小用量的12 1气比L/G及溶液出口组成X1(试求总压改为MPaL/G X .1解 （1）p 0.1MPa时L/G及X1yY y0.02 0.02041, Y 0.001，X011 y110.0222m E / p 144/0.11440LYY1Y0.020410.001 1369minY /m X10.02041/14400L 1.2 L

29、G1.213691643minXXY 0 0.020410.0011.1810-512L121643(2）p 1MPaL /G及X1m E / p 141144(L /G) 0.020410.001136.9min0.02041/ 144L/G 1.2(L/G)min1.2136.9164.30.020410.001X1164.3 1.18104从上述计算结果可知,0。1MPa 1MPa，溶液出口组成从1.18105 增加到1.18104。【5-16】用煤油从苯蒸气与空气的混合物中回收苯,要求回收 99。入塔的混合气中含2(摩尔分数);0.02(摩尔分数).1.5 倍，操作50100kPa Y

30、*0.36X K a 0015kmo(m3s).入塔混合气单位塔截面上的摩尔流量为0.015kmo(m2s)Y塔的填料层高度,气相总传质单元数用对数平均推动力法及吸取因数法的计算式计算.解 （1)气相总传质单元高度H计算OGG入塔混合气的流量=0.015 kmol(m2s)y 0.02,K1a 0.015 kmolm3s惰性气体流量 01510200147kmol(m2s)1OGG 0014798 a0.015Y（2) 气相总传质单元数H计算OGyY 1y11 y1 020204回收率 0.98Y Y21= 0.020410.99= 2.04104x 0.0002,X2 x 0.00022NO

31、G 11L LY Y0.02040.0002041.51.521.50.536GmG 0.36X* Xmin120.6720.05670.0002L0.5361mG Y mXmG Nln1 12 OG1 mGLY mXL2210.02040.360.0002 0.67210.672 0.0002040.360.000212 对数平均推动力法计算NOGLY Y12GX XY12YX XY 1212L/G0.00020.02040.0002040.03790.536Y* mX1 0.360.0379 0.0136Y* mX2 0.360.0002 0.000072Y Y1 Y* 0.02040.0

32、136 6.81031Y Y2 Y* 0.204103 0.072103 0.1321032YY Y16.8103 0.1321031.69103mYln1Y2ln6.80.132Y2N1 YY2 0.02040.00020412OGYm1.69103（3)填料层高度Z 计算Z HNOGOG 0.981211.8m【68】由正庚烷与正辛烷组成的溶液在常压连续精馏塔内进行分别。原料的流量为5000kg/h,其中正庚烷的质量分数为 0。3。要求馏出液中能回收原料中 88%的正庚烷，釜液中正庚烷的质量分数不超过 0.05.试求馏出液与釜液的摩尔流量,及馏出液中正庚烷的摩尔分数。解先将质量流量换算为摩

33、尔流量，质量分数换算为摩尔分数,再作物料衡算。(C H716) MA100kg /kmol , (C H818) M114kg /kmol .B0.3x1000.328F0.3 0.7100 1140.05x100W0.050.95100 1140.0566原料的平均摩尔质量为1000.32811410.328109.4kg / kmol 109.4xF 0.328(摩尔分数xW 0.0566(摩尔分数）F 45.7kmol/h ，代入馏出液采出率计算式WD xF xWD 0.3280.05661FxxDW45.7x0.0566D并代入馏出液中正庚烷的回收率表达式DxD 0.88FxDxD45.70.3282F由式（1)与式(2）求得馏出液流量 D 13.9kmol /h ，馏出液中正庚烷的摩尔分数X0.948。D釜液流量W F D 45.713.931.8kmol /h【611】在一连续操作的精馏塔中分别苯-甲苯溶液。进料量为100kmol / h ，进料中苯的组成为0.4馏出液中苯的组成为9（摩尔分数组成为04(摩尔分数，回流比R 3。试求从冷凝器回流入塔顶的回流液摩尔流量以及从塔釜上升的蒸气摩尔流量. FDW 0.04，馏