化工基础学习知识原理课后规范标准答案内容.doc

,. 3．在大气压力为101.3kPa的地区，一操作中的吸收塔内表压为130 kPa。若在大气压力为75 kPa的高原地区操作吸收塔，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时表压的读数应为多少？ 解： 1-6 为测得某容器内的压力，采用如图所示的U形压差计，指示液为水银。已知该液体密度为900kg/m3,h=0.8m,R=0.45m。试计算容器中液面上方的表压。 解： 1-10．硫酸流经由大小管组成的串联管路，其尺寸分别为φ764mm和φ573.5mm。已知硫酸的密度为1831 kg/m3，体积流量为9m3/h,试分别计算硫酸在大管和小管中的（1）质量流量；（2）平均流速；（3）质量流速。 解: (1) 大管: (2) 小管: 质量流量不变 或: 1-11． 如附图所示，用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽与反应器均与大气相通，且高位槽中液面恒定。现要求料液以1m/s的流速在管内流动，设料液在管内流动时的能量损失为20J/kg（不包括出口），试确定高位槽中的液面应比虹吸管的出口高出的距离。 解: 以高位槽液面为1-1’面,管出口内侧为2-2’面,在1-1’～ 2-2’间列柏努力方程: 简化: 题14 附图 1-14．附图所示的是丙烯精馏塔的回流系统，丙烯由贮槽回流至塔顶。丙烯贮槽液面恒定，其液面上方的压力为2.0MPa（表压），精馏塔内操作压力为1.3MPa（表压）。塔内丙烯管出口处高出贮槽内液面30m，管内径为140mm，丙烯密度为600kg/m3。现要求输送量为40103kg/h，管路的全部能量损失为150J/kg（不包括出口能量损失），试核算该过程是否需要泵。 解: 在贮槽液面1-1’与回流管出口外侧2-2’间列柏努力方程: 简化: 不需要泵,液体在压力差的作用下可自动回流至塔中 1 h 题16 附图 1-16．某一高位槽供水系统如附图所示，管子规格为φ452.5mm。当阀门全关时，压力表的读数为78kPa。当阀门全开时，压力表的读数为75 kPa，且此时水槽液面至压力表处的能量损失可以表示为J/kg（u为水在管内的流速）。试求： （1）高位槽的液面高度； （2）阀门全开时水在管内的流量（m3/h）。 解: (1) 阀门全关,水静止 (2) 阀门全开: 在水槽1-1’面与压力表2-2’面间列柏努力方程: 简化: 解之: 流量: 题17 附图 1-17．附图所示的是冷冻盐水循环系统。盐水的密度为1100 kg/m3，循环量为45 m3/h。管路的内径相同，盐水从A流经两个换热器至B的压头损失为9m，由B流至A的压头损失为12m，问： （1）若泵的效率为70％，则泵的轴功率为多少？ （2）若A处压力表的读数为153kPa，则B处压力表的读数为多少？ 解: (1) 对于循环系统: (2) 列柏努力方程: 简化: B处真空度为19656 Pa。 1-23．计算10℃水以2.710－3m3/s的流量流过φ573.5mm、长20m水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。（设管壁的粗糙度为0.5mm） 解: 10℃水物性: 查得 1-25．如附图所示，用泵将贮槽中20℃的水以40m3/h的流量输送至高位槽。两槽的液位恒定，且相差20m，输送管内径为100mm，管子总长为80m（包括所有局部阻力的当量长度）。已知水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.00510-3Pas，试计算泵所需的有效功率。ε=0.2 题23 附图 解: ε/d=0.2/100=0. 002 在贮槽1截面到高位槽2截面间列柏努力方程: 简化: 而: 题26 附图 1-28．如附图所示，密度为800 kg/m3、粘度为1.5 mPas 的液体，由敞口高位槽经φ1144mm的钢管流入一密闭容器中，其压力为0.16MPa（表压），两槽的液位恒定。液体在管内的流速为1.5m/s，管路中闸阀为半开，管壁的相对粗糙度＝0.002，试计算两槽液面的垂直距离。 解: 在高位槽1截面到容器2截面间列柏努力方程: 简化: 由 ,查得 管路中: 进口 90℃弯头 2个 半开闸阀 出口 1-31粘度为30cP、密度为900kg/m3的某油品自容器A流过内径40mm的管路进入容器B 。两容器均为敞口，液面视为不变。管路中有一阀门，阀前管长50m，阀后管长20m（均包括所有局部阻力的当量长度）。当阀门全关时，阀前后的压力表读数分别为8.83kPa和4.42kPa。现将阀门打开至1/4开度，阀门阻力的当量长度为30m。试求：管路中油品的流量。 解：阀关闭时流体静止，由静力学基本方程可得： m m 当阀打开开度时，在A~A′与B~B′截面间列柏努利方程： 其中： (表压)， 则有 （a） 由于该油品的粘度较大，可设其流动为层流，则 代入式（a），有 m/s 校核： 假设成立。 油品的流量： 阻力对管内流动的影响： 阀门开度减小时： （1）阀关小，阀门局部阻力增大，流速u↓,即流量下降。 （2）在1~1与A~A截面间列柏努利方程： 简化得 或 显然，阀关小后uA↓，pA↑，即阀前压力增加。 （3）同理，在B~B′与2~2′截面间列柏努利方程，可得： 阀关小后uB↓，pB↓，即阀后压力减小。 由此可得结论： （1） 当阀门关小时，其局部阻力增大，将使管路中流量减小； （2） 下游阻力的增大使上游压力增加； （3） 上游阻力的增大使下游压力下降。 可见，管路中任一处的变化，必将带来总体的变化，因此必须将管路系统当作整体考虑。 题36 附图 12 1-36．用离心泵将20℃水从水池送至敞口高位槽中，流程如附图所示，两槽液面差为12m。输送管为φ573.5mm的钢管，吸入管路总长为20m，压出管路总长155ｍ（包括所有局部阻力的当量长度）。用孔板流量计测量水流量，孔径为20mm，流量系数为0.61，U形压差计的读数为６00mmHg。摩擦系数可取为0.02。试求： （1）水流量，m3/h； （2）每kg水经过泵所获得的机械能。 （3）泵入口处真空表的读数。 解：（1） （2）以水池液面为面，高位槽液面为面，在面间列柏努利方程： 简化: 而 其中： （3）以水池液面为面，泵入口为面，在面间列柏努利方程： 1-39．在一定转速下测定某离心泵的性能，吸入管与压出管的内径分别为70mm和50mm。当流量为30 m3/h时，泵入口处真空表与出口处压力表的读数分别为40kPa和215kPa，两测压口间的垂直距离为0.4m，轴功率为3.45kW。试计算泵的压头与效率。 解： 在泵进出口处列柏努力方程，忽略能量损失； =27.07m 第二章 非均相物系分离 1、试计算直径为30μm的球形石英颗粒（其密度为2650kg/ m3），在20℃水中和20℃常压空气中的自由沉降速度。 解：已知d=30μm、ρs=2650kg/m3 （1）20℃水 μ=1.0110-3Pas ρ=998kg/m3 设沉降在滞流区，根据式（2-15） 校核流型 假设成立， ut=8.0210-4m/s为所求 （2）20℃常压空气 μ=1.8110-5Pas ρ=1.21kg/m3 设沉降在滞流区 校核流型： 假设成立，ut=7.1810-2m/s为所求。 2、密度为2150kg/ m3的烟灰球形颗粒在20℃空气中在层流沉降的最大颗粒直径是多少？ 解：已知ρs=2150kg/m3 查20℃空气 μ=1.8110-5Pa.s ρ=1.21kg/m3 当时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径，根据式（2-15）并整理 所以 3、直径为10μm的石英颗粒随20℃的水作旋转运动，在旋转半径R＝0.05m处的切向速度为12m/s，，求该处的离心沉降速度和离心分离因数。 解：已知d=10μm、 R=0.05m 、 ui=12m/s 设沉降在滞流区，根据式（2-15）g改为ui/ R 即 校核流型 ur=0.0262m/s为所求。 所以 6、有一过滤面积为0.093m2的小型板框压滤机，恒压过滤含有碳酸钙颗粒的水悬浮液。过滤时间为50秒时，共得到2.2710-3 m3的滤液；过滤时间为100秒时。共得到3.3510-3 m3的滤液。试求当过滤时间为200秒时，可得到多少滤液？ 解：已知A=0.093m2 、t1=50s 、V1=2.2710-3m3 、t2=100s 、V2=3.3510-3m3 、t3=200s 由于 根据式（2-38a） 联立解之：qe=4.1410-3 K=1.59610-5 因此 q3=0.0525 所以 V3=q3A=0.05250.093=4.8810-3m3 第三章 传热 1.有一加热器,为了减少热损失,在壁外面包一层绝热材料,厚度为300mm,导热系数为0.16w/(m.k),已测得绝热层外侧温度为30℃,在插入绝热层50mm处测得温度为75℃.试求加热器外壁面温度. 解：t21=75℃, t3=30℃,λ=0.16w/(m.k) 2. 设计一燃烧炉时拟采用三层砖围成其炉墙，其中最内层为耐火砖，中间层为绝热砖，最外层为普通砖。耐火砖和普通砖的厚度分别为0.5m和0.25m，三种砖的导热系数分别为1.02 W/(m℃)、0.14 W/(m℃)和0.92 W/(m℃)，已知耐火砖内侧为1000℃，普通砖外壁温度为35℃。试问绝热砖厚度至少为多少才能保证绝热砖内侧温度不超过940℃，普通砖内侧不超过138℃。 解： （a） 将t2=940℃代入上式，可解得b2=0.997m (b) 将t3=138C 解得b2=0.250m 将b2=0.250m代入(a)式解得：t2=814.4℃ 故选择绝热砖厚度为0.25m 3. mm的不锈钢管，热导率λ1=16W/mK；管外包厚30mm的石棉，热导率为λ2=0.25W/(mK)。若管内壁温度为350℃，保温层外壁温度为100℃，试计算每米管长的热损失及钢管外表面的温度； 解：这是通过两层圆筒壁的热传导问题，各层的半径如下 , 每米管长的热损失：W/m 6. 冷却水在f252.5mm、长度为2m的钢管中以1m/s的流速流动，其进出口温度分别20℃和50℃，试求管内壁对水的对流传热系数。 解：空气的定性温度：℃。在此温度查得水的物性数据如下： ，， m/s l/d=2/0.02=100 3-15载热体流量为1500kg/h，试计算各过程中载热体放出或得到的热量。（1）100℃的饱和蒸汽冷凝成100℃的水；（2）110℃的苯胺降温至10℃；（3）比热容为3.77kJ/(kgK)的NaOH溶液从370K冷却到290K；（4）常压下150℃的空气冷却至20℃；（5）压力为147.1kPa的饱和蒸汽冷凝，并降温至℃。 3-17在一套管式换热器中，用冷却水将1.25kg/s的苯由350K冷却至300K，冷却水进出口温度分别为290K和320K。试求冷却水消耗量。 3-18 在一列管式换热器中，将某液体自15℃加热至40℃，热载体从120℃降至60℃.试计算换热器中逆流和并流时冷热流体的平均温度差。 解：逆流 120 40 60 15 3-20在一内管为f252.5mm的套管式换热器中，管程中热水流量为3000kg/h，进出口温度分别为90℃和60℃；壳程中冷却水的进出口温度分别为20℃和50℃，以外表面为基准的总传热系数为2000W/(m2℃),试求：（1）冷却水的用量；（2）逆流流动时平均温度差及管子的长度；（3）并流流动时平均温度差及管子的长度。 吸收 2．向盛有一定量水的鼓泡吸收器中通入纯的CO2气体，经充分接触后，测得水中的CO2平衡浓度为2.87510－2kmol/m3，鼓泡器内总压为101.3kPa，水温30℃，溶液密度为1000 kg/m3。试求亨利系数E、溶解度系数H及相平衡常数m。 解： 查得30℃，水的 稀溶液： 5．用清水逆流吸收混合气中的氨，进入常压吸收塔的气体含氨6％（体积），吸收后气体出口中含氨0.4％（体积），溶液出口浓度为0.012（摩尔比），操作条件下相平衡关系为。试用气相摩尔比表示塔顶和塔底处吸收的推动力。 解： 塔顶： 塔底： 7.在温度为20℃、总压为101.3kPa的条件下，SO2与空气混合气缓慢地沿着某碱溶液的液面流过，空气不溶于某碱溶液。SO2透过1mm厚的静止空气层扩散到某碱溶液中，混合气体中SO2的摩尔分率为0.2，SO2到达某碱溶液液面上立即被吸收，故相界面上SO2的浓度可忽略不计。已知温度20℃时，SO2在空气中的扩散系数为0.18cm2/s。试求SO2的传质速率为多少？ 解 : SO2通过静止空气层扩散到某碱溶液液面属单向扩散，可用式。 已知：SO2在空气中的扩散系数D=0.18cm2/s=1.810-5m2/s 扩散距离z=1mm=0.001m，气相总压p=101.3kPa 气相主体中溶质SO2的分压pA1=pyA1=101.30.2=20.27kPa 气液界面上SO2的分压pA2=0 所以，气相主体中空气（惰性组分）的分压pB1=p－pA1=101.3－20.27=81.06kPa 气液界面上的空气（惰性组分）的分压pB2=p－pA2=101.3－0=101.3kPa 空气在气相主体和界面上分压的对数平均值为： = 代入式，得 = =1.6710-4kmol/(m2s) 10． 用20℃的清水逆流吸收氨－空气混合气中的氨，已知混合气体温度为20℃，总压为101.3 kPa，其中氨的分压为1.0133 kPa，要求混合气体处理量为773m3/h，水吸收混合气中氨的吸收率为99％。在操作条件下物系的平衡关系为，若吸收剂用量为最小用的2倍，试求（1）塔内每小时所需清水的量为多少kg？（2）塔底液相浓度（用摩尔分数表示）。 解： （1） 实际吸收剂用量L=2Lmin=223.8=47.6kmol/h ＝856.8 kg/h （2） X1 = X2+V（Y1-Y2）/L=0+ 11．在一填料吸收塔内，用清水逆流吸收混合气体中的有害组分A，已知进塔混合气体中组分A的浓度为0.04（摩尔分数，下同），出塔尾气中A的浓度为0.005，出塔水溶液中组分A的浓度为0.012，操作条件下气液平衡关系为。试求操作液气比是最小液气比的倍数？ 解： 12．用SO2含量为1.110-3(摩尔分数)的水溶液吸收含SO2为0.09（摩尔分数）的混合气中的SO2。已知进塔吸收剂流量为 37800kg/h，混合气流量为100kmol/h，要求SO2的吸收率为80%。在吸收操作条件下，系统的平衡关系为，求气相总传质单元数。 解： 吸收剂流量 惰性气体流量 13．空气中含丙酮2%（体积分数）的混合气以0.024kmol /(m2s)的流速进入一填料塔，今用流速为0.065 kmol /(m2s)的清水逆流吸收混合气中丙酮，要求的丙酮的吸收率为98.8％。已知操作压力为100 kPa, 在操作条件下亨利系数为1.77 kPa,气相总体积吸收系数为。试用吸收因数法求填料呈高度？ 解：已知 6-3试计算压力为101.3KPa时，苯-甲苯混合液在96℃时的气液平衡组成，已知96℃，PA*=160.52KPa, PB*=65.66KPa。 P= PA*xA+ PB* xB 101.3KPa=160.52 xA +65.66(1- xA) xA=0.376 PyA= PA*xA yA=0.596 6-6在一连续操作的精馏塔中，某混合液流量为5000 kg/h，其中轻组分含量为0.3（摩尔分数），要求流出液轻组分回收率为0.88，釜液中轻组分含量不高于0.05，试求塔顶流出液的摩尔流量和摩尔分数。已知MA=114 kg / kmol, MB=128 kg / kmol. 6-7在一连续操作的精馏塔中分离苯-氯仿混合液要求流出液轻组分含量为0.96（摩尔分数）的苯，进料量为75 kmol/h，进料量中苯的含量为0.45.残夜中苯的含量为0.1，R=3.0，泡点进料，试求：（1）从冷凝器回流至塔顶的回流液量和自塔釜上升的 蒸汽摩尔流量；写出精馏段、提馏段操作线方程。 6-8某连续精馏塔，泡点进料，已知操作线方程，精馏段y=0.8x+0.172,提馏段方程y=1.3x-0.018.试求：原料液、馏出液、釜液组成及回流比。