化工原理作业内容答案.doc

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1、|3已知甲地区的平均大气压力为 85.3 kPa，乙地区的平均大气压力为 101.33 kPa，在 甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为 20 kPa。若改在乙地区操作，真空表的 读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？解：（1）设备内绝对压力绝压=大气压- 真空度= kPa 3 . 65 Pa 10 20 10 3 . 85 3 3 （2）真空表读数真空度=大气压- 绝压= kPa 03 . 36 Pa 10 3 . 65 10 33 . 101 3 3 5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 R 1 =500 mm，R 2 =80 mm，

2、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 R 3 =100 mm。试求 A 、B 两点的表压力。解：（1）A 点的压力 表 表 表 Pa 10 1.165 Pa 08 . 0 81 . 9 13600 1 . 0 81 . 9 1000 4 2 水 3 水 A gR gR p （2）B 点的压力 表 表 表 Pa 10 7.836 Pa 5 . 0 81 . 9 13600 10 165 . 1 4 4 1 水 A B gR p p 13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

3、持恒定，其上 方压力为 1.0133 10 5 Pa。流体密度为 800 kg/m 3 。精馏塔进口 处的塔内压力为 1.21 10 5 Pa，进料口高于储罐内的液面 8 m， 输送管道直径为 68 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 和截面 之间列柏努利方程式，得 - A A - B B 2 2 1 1 2 2 1 e 2 f 2 2 p u p u gZ W gZ h s m 966 . 1 s m 004 . 0 2 068 . 0 4 14 . 3 3600 20 4 kg J 70 0 m 0

4、 . 8 Pa 10 21 . 1 Pa 10 0133 . 1 2 2 2 f 1 1 2 5 2 5 1 d V A V u h u Z Z p p 表 表 表 表| 2 2 2 1 2 1 e 2 1 f 2 p p u u W g Z Z h 768.9W W 173 800 3600 20 kg J 175 kg J 70 4 . 78 93 . 1 46 . 2 kg J 70 0 . 8 8 . 9 2 966 . 1 800 10 0133 . 1 21 . 1 e s e 2 5 W w N W e 19用泵将 210 4 kg/h 的溶液自反应器送至高位槽（见本题附图） 。

5、反应器液面上方保持 25.910 3 Pa 的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为 76 mm4 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 。 ） 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（1） 2 2 b1 b2 1 2 1 e 2 f 2

6、 2 u u p p gz W gz h 式中 z 1 =0，z 2 =17 m ，u b1 0s m 43 . 1 s m 1073 068 . 0 785 . 0 3600 10 2 4 2 4 2 b2 d w up 1 =-25.910 3 Pa ( 表) ，p 2 =0 ( 表) 将以上数据代入式（1） ，并整理得2 b2 2 1 e 2 1 f ( ) 2 u p p W g z z h =9.8117+ + + =192.0+ 2 43 1 2 . 1073 10 9 . 25 3 f h f h 其中 =（ + + ） f h e L L d 2 b2 2 u= =1.6561

7、0 5 Re b du 3 0.068 1.43 1073 0.63 10 0044 . 0 d e|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： 2.25 m =11 m 故 =(0.03 +0.5+4) =25.74J/kg f h 35 0.86 11 0.068 kg J 2 43 . 1 2 于是 kg J 217.7 kg J 74 . 25 0 . 192 e W 泵的轴功率为= = =1.73kW s N e W / w W 7 . 0 3600 10 2 7 . 217 4 2

8、0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，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 。（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（m 3 ）？（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

9、L e /d 15，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（a ） 2 2 b1 b2 1 2 1 2 f 1 2 2 2 u u p p gz gz h 表 表 式中 p 1 =0(表) 表 表 表 Pa 39630 Pa 4 . 1 81 . 9 1000 4 . 0 81 . 9 13600 O H Hg 2 2 gR gR p u b2 =0，z 2 =0z 1 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

10、（b） 2 H O 1 Hg ( ) g z h gR 式中 h=1.5 m, R=0.6 m 将已知数据代入式（b）得 m 66 . 6 m 5 . 1 1000 6 . 0 13600 1 z|2 2 2 2 b b f,1-2 c b b 15 ( ) 2.13 (0.025 0.5) 2.13 2 0.1 2 u u L h u u d 将以上各值代入式（a ） ，即9.816.66= + +2.13 u b 22 b 2 u 1000 39630 解得 s m 13 . 3 b u 水的流量为 s m 43 . 1 s m 13 . 3 1 . 0 785 . 0 3600 4 36

11、00 3 3 2 b 2 s u d V（2）闸阀全开时测压点处的压力 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， 得（c） 2 2 b1 b3 3 1 1 3 f 1 3 2 2 u u p p gz gz h 表 表 式中 z 1 =6.66 m ，z 3 =0，u b1 =0，p 1 =p 3= 2 e b f,1 3 c ( ) 2 L L u h d 2 2 b b 35 0.025( 15) 0.5 4.81 0.1 2 u u 将以上数据代入式（c ） ，即 9.816.66= +4.81 u b 2 2 b 2 u 解得

12、s m 13 . 3 b u再在截面 1-1 ， 与 2-2 ， 间列机械能衡算方程，基平面同前，得（d） 2 2 b1 b2 1 2 1 2 f 1 2 2 2 u u p p gz gz h 表 表 式中 z 1 =6.66 m ，z 2 =0，u b1 0，u b2 =3.51 m/s ，p 1 =0（表压力） kg J 26.2 kg J 2 51 . 3 5 . 0 1 . 0 5 . 1 025 . 0 2 2 f,1 h 将以上数值代入上式，则2 . 26 1000 2 51 . 3 66 . 6 81 . 9 2 2 p 解得 p 2 =3.3010 4 Pa（表压） 第二章

13、流体输送机械 1用离心油泵将甲地油罐的油品送到乙地油罐。管路情况如本题附图所示。启动泵之 前 A、C 两压力表的读数相等。启动离心泵并将出口阀调至某开度时，输油量为 39 m 3 /h ， 此时泵的压头为 38 m 。已知输油管内径为 100 mm ，摩擦系数为 0.02；油品密度为 810 kg/m 3 。试求（1）管路特性方程；（2）输油管线的总长度（包括所有局部阻力当量长度） 。|解：（1）管路特性方程 甲、乙两地油罐液面分别取作 1-1 与 2-2 截面，以水平管轴线为基准面，在两截面之 间列柏努利方程，得到2 e e H K Bq 由于启动离心泵之前 p A =p C ,于是 =0

14、g p Z K 则 2 e e H Bq 又 m e 38 H H h 2 /m 5 =2.510 2h 2 /m 5 ) 39 /( 38 2 B 则 （q e 的单位为 m 3 /h ） 2 2 e e 2.5 10 H q （2）输油管线总长度 2 e 2 l l u H d g m/s=1.38 m/s 39 0.01 3600 4 u 于是 m=1960 m e 2 2 2 2 9.81 0.1 38 0.02 1.38 gdH l l u 2用离心泵（转速为 2900 r/min）进行性能参数测定实验。在某流量下泵入口真空表 和出口压力表的读数分别为 60 kPa 和 220 kP

15、a，两测压口之间垂直距离为 0.5 m，泵的轴功 率为 6.7 kW。泵吸入管和排出管内径均为 80 mm，吸入管中流动阻力可表达为 （u 1 为吸入管内水的流速，m/s） 。离心泵的安装高度为 2.5 m，实验是在 20 2 f,0 1 1 3.0 h u ，98.1 kPa 的条件下进行。试计算泵的流量、压头和效率。 解：（1）泵的流量 由水池液面和泵入口真空表所在截面之间列柏努利方程式（池中水面为基准面） ，得到 1 0 , 2 1 1 1 2 0 f h u p gZ 习题 1 附图|将有关数据代入上式并整理，得 48 . 35 81 . 9 5 . 2 1000 10 60 5 .

16、3 3 2 1 u m/s 184 . 3 1 u 则 m 3 /h=57.61 m 3 /h 2 ( 0.08 3.184 3600) 4 q (2) 泵的扬程 29.04m m 5 . 0 81 . 9 1000 10 ) 220 60 ( 3 0 2 1 h H H H (3) 泵的效率 =68% s 29.04 57.61 1000 9.81 100% 1000 3600 1000 6.7 Hq g P 在指定转速下，泵的性能参数为：q=57.61 m 3 /h H=29.04 m P=6.7 kW =68% 5用离心泵将真空精馏塔的釜残液送至常压贮罐。塔底液面上的绝对压力为 32.5

17、 kPa(即输送温度下溶液的饱和蒸汽压) 。已知：吸入管路压头损失为 1.46 m ，泵的必需气蚀 余量为 2.3 m ，该泵安装在塔内液面下 3.0 m 处。试核算该泵能否正常操作。 解：泵的允许安装高度为 a v g f,0 1 p p H NPSH H g 式中 0 g p p v a 则 -4.26m m 46 . 1 ) 5 . 0 3 . 2 ( g H 泵的允许安装位置应在塔内液面下 4.26m 处，实际安装高度为3.0m ，故泵在操作时 可能发生气蚀现象。为安全运行，离心泵应再下移 1.5 m。 8对于习题 7 的管路系统，若用两台规格相同的离心泵（单台泵的特性方程与习题 8

18、相同）组合操作，试求可能的最大输水量。 解：本题旨在比较离心泵的并联和串联的效果。 （1）两台泵的并联 2 5 2 5 ) 2 ( 10 2 . 4 28 10 2 . 5 8 . 8 q q 解得： q=5.5410 3 m 3 /s=19.95 m 3 /h (2) 两台泵的串联 ) 10 2 . 4 28 ( 2 10 2 . 5 8 . 8 2 5 2 5 q q 解得： q=5.8910 3 m 3 /s=21.2 m 3 /h 在本题条件下，两台泵串联可获得较大的输水量 21.2 m 3 /h。 第三章 非均相混合物分离及固体流态化|2用降尘室除去气体中的固体杂质，降尘室长 5 m

19、 ，宽 5 m ，高 4.2 m，固体杂质为 球形颗粒，密度为 3000 kg/m 3 。气体的处理量为 3000（标准）m 3 /h。试求理论上能完全除 去的最小颗粒直径。 （1）若操作在 20 下进行，操作条件下的气体密度为 1.06 kg/m 3 ，黏度为 1.810 -5 Pas。 （2）若操作在 420 下进行，操作条件下的气体密度为 0.5 kg/m 3 ，黏度为 3.310 -5 Pas。 解：（1）在降尘室内能够完全沉降下来的最小颗粒的沉降速度为：s m 03577 . 0 s m 5 5 3600 273 20 273 3000 s v, t bl q u设沉降在斯托克斯区，

20、则：2 t ( ) 0.03577 18 s d g u 5 5 t s 18 18 1.8 10 0.03577 1.985 10 m 19.85m ( ) (3000 1.06) 9.81 u d g 核算流型：5 t t 5 1.985 10 0.03577 1.06 0.0418 1 1.8 10 du Re 原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为 1.98510 -5 m 。 （2）计算过程与（1）相同。完全能够沉降下来的最小颗粒的沉降速度为：s m 0846 . 0 s m 5 5 3600 273 420 273 3000 s v, t bl q u设沉降在斯托克斯区，则：

21、5 5 t s 18 18 3.3 10 0.0846 4.132 10 m 41.32m ( ) (3000 0.5) 9.81 u d g 核算流型：5 t t 5 4.132 10 0.0846 0.5 0.0529 1 3.3 10 du Re 原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为 4.13210 -5 m 。 3对 2 题中的降尘室与含尘气体，在 427 下操作，若需除去的最小颗粒粒径为 10 m，试确定降尘室内隔板的间距及层数。 解：取隔板间距为 h，令t L h u u 则 （1） t L h u u |s m 1017 . 0 s m 2 . 4 5 273 427 2

22、73 3600 3000 s v, bH q u 10 m 尘粒的沉降速度 s m 10 954 . 4 s m 10 31 . 3 18 81 . 9 5 . 0 3000 10 10 18 3 5 2 6 s 2 t g d u 由（1）式计算 h 0.244m m 10 954 . 4 1017 . 0 5 3 h 层数 取 18 层 2 . 17 244 . 0 2 . 4 h H n 0.233m m 18 2 . 4 18 H h核算颗粒沉降雷诺数：6 4 4 t t 5 10 10 4.954 10 0.5 e 7.5 10 1 3.3 10 du R 核算流体流型：e 5 2

23、2 5 0.233 ( ) 0.1017 0.5 5.233 686 2100 3.3 10 bh u d u b h Re 10板框压滤机过滤某种水悬浮液，已知框的长宽高为 810 mm810 mm42 mm， 总框数为 10，滤饼体积与滤液体积比为=0.1，过滤 10 min ，得滤液量为 1.31 m 3 ，再过滤 10 min，共得滤液量为 1.905 m 3 ，试求（1）滤框充满滤饼时所需过滤时间；（2）若洗涤 与辅助时间共 45 min，求该装置的生产能力(以得到的滤饼体积计)。 解：（1）过滤面积 2 2 m 122 . 13 10 2 81 . 0 A 由恒压过滤方程式求过滤常

24、数 K V 60 10 122 . 13 31 . 1 2 31 . 1 2 e 2 K V 60 20 122 . 13 905 . 1 2 905 . 1 2 e 2 联立解出 ， 3 e m 1376 . 0 V /s m 10 010 . 2 2 5 K 恒压过滤方程式为 3 2 10 3461 2752 . 0 V V 3 3 c m 2756 . 0 m 10 042 . 0 81 . 0 81 . 0 V 3 m 756 . 2 v V V c 代入恒压过滤方程式求过滤时间 min 23 . 40 s 2414 s 10 461 . 3 / 756 . 2 2752 . 0 75

25、6 . 2 3 2 （2）生产能力|/h m 206 . 0 /s m 10 823 . 4 /s m 60 45 2414 2756 . 0 3 3 5 3 D w c V Q 11在 Pa 压力下对硅藻土在水中的悬浮液进行过滤试验，测得过滤常数 3 10 67 K=510 -5 m 2 /s ，q e =0.01 m 3 /m 2 ，滤饼体积与滤液体积之比 =0.08。现拟用有 38 个框的 BMY50/810-25 型板框压滤机在 Pa 压力下过滤上述悬浮液。试求：（1）过滤至滤 3 10 134 框内部全部充满滤渣所需的时间；（2）过滤完毕以相当于滤液量 1/10 的清水洗涤滤饼， 求

26、洗涤时间；（3）若每次卸渣、重装等全部辅助操作共需 15 min ，求过滤机的生产能力 （m 3 滤液/h） 。 解：（1）硅藻土， ，可按不可压缩滤饼处理 01 . 0 s ， 与 无关 p k K 2 e q p 时， ， Pa 10 134 3 p /s m 10 1 2 4 K 2 3 e /m m 01 . 0 q ， 3 3 2 c m 6233 . 0 m 38 025 . 0 81 . 0 V 2 2 2 m 86 . 49 m 81 . 0 2 38 A ， 3 3 c m 791 . 7 m 08 . 0 6233 . 0 v V V 2 3 2 3 /m m 1563 .

27、 0 /m m 86 . 49 791 . 7 q 代入恒压过滤方程式求过滤时间 4 2 10 1563 . 0 01 . 0 2 1563 . 0 s 6 . 275 （2）洗涤 3 w m 7791 . 0 1 . 0 V V s m 10 748 . 3 s m 01 . 0 1563 . 0 8 86 . 49 10 8 8 4 1 3 3 3 4 e e 2 E W q q KA V V KA d dV d dV s 9 . 207 s 003748 . 0 7791 . 0 / W W W d dV V （3）生产能力 /h m 27 . 20 /h m 3600 / 60 15

28、9 . 207 6 . 275 7913 . 7 3 3 D W V Q 7在一传热面积为25 m 2 的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶液。冷却水的 流量为28 000kg/h，其温度由25 升至38 ，平均比热容为4.17 kJ/(kg)。有机溶液 的温度由110 降至65 ，平均比热容为1.72 kJ/(kg )。两流体在换热器中呈逆流流 动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处 理量。解： kJ/(kg) p,c 4.17 C c p,c 2 1 ( ) Q W C t t | W 10 22 . 4 W 25 38 10 17 . 4 3600

29、 28000 5 3 求 m t 有机物 110 65水 38 25 72 40 t C 4 . 54 C 40 72 ln 40 72 m t C m W 3 . 310 C m W 4 . 54 25 10 22 . 4 2 2 5 K h kg 10 963 . 1 s kg 452 . 5 s kg 65 110 10 72 . 1 10 22 . 4 4 3 5 2 1 h h K T T c Q W p 12在一单程管壳式换热器中，管外热水被管内冷水所冷却。已知换热器的传热 面积为5 m 2 ，总传热系数为1 400 W/(m 2 ) ；热水的初温为100 ，流量为5 000 kg

30、/h； 冷水的初温为20 ，流量为10 000 kg/h 。试计算热水和冷水的出口温度及传热量。设 水的平均比热容为4.18 kJ/(kg ) ，热损失可忽略不计。解： C W 5806 C W 10 18 . 4 3600 5000 3 h h p c WC W 11611 C W 10 18 . 4 3600 10000 3 c c p c W5 . 0 11611 6 . 5805 max min R C C Cmin min 1400 5 ( ) 1.21 5805.6 KA NTU C 查图得 0.575 传热量 min 1 1 ( ) Q C T t W 10 67 . 2 W 20 100 6 . 5805 575 . 0 5 1 2 2 1 1 100 0.575 100 20 T T T T t 解出 2 54 T 2 1 2 R 1 2 20 0.5 100 54 t t t C T T 解出 2 43 t