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化工原理习题(含答案)

·流体流动部分

1.某储油罐中盛有密度为960 kg/m 3的重油(如附图所示),油面最高时离罐底9.5 m ,油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为760 mm 的孔,其中心距罐底1000 mm ,孔盖用14 mm 的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5×106 Pa ,问至少需要几个螺钉(大气压力为101.3×103 Pa )?

解:由流体静力学方程,距罐底1000 mm 处的流体压力为

[]

(绝压)Pa 10813.1Pa )0.15.9(81.9960103.10133?=-??+?=+=gh p p ρ

作用在孔盖上的总力为

N 10627.3N 76.04

π

103.10110813.1)(4233a ?????-==)-=(A p p F

每个螺钉所受力为

N 10093.6N 014.04

π

105.39321?=÷??=F

因此

)(个)695.5N 10093.610627.3341≈=??==F F n

化工原理习题(含答案)

化工原理习题(含答案)

2.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 ,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)Pa 101.165Pa 08.081.9136001.081.9100042汞3水A ?=??+??=+=gR gR p ρρ

(2)B 点的压力

()(表)

Pa 107.836Pa 5.081.91360010165.14

4

1

汞A B ?=??+?=+=gR p p ρ 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,

习题2附图

习题1

附图

指示液为水银,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p P A =P A

P + ρ水gh + ρ汞gR = P 0 P=p 0- ρ水gh - ρ汞gR

=(101.3×103-1000×9.8x0.8 - 13600×9.8×0.1) P=80.132kpa

4、如本题附图所示,高位槽内的水位高于地面7 m ,水从φ108 mm ×4 mm 的管道中流出,管路出口高于地面1.5 m 。已知水流经系统的能量损失可按∑h f =5.5u 2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 '截面处水的平均流速;(2)水的流量(m 3/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 2212

1b12b2f 1122p p gz u gz u h ρρ

++=+++∑(1)

式中z 1=7 m ,u b1~0,p 1=0(表压) z 2=1.5 m ,p 2=0(表压),u b2 =5.5 u 2 代入式(1)得

22b2b219.8179.81 1.5 5.52

u u ?=?++ m 0.3b =u

(2)水的流量(以m 3/h 计)

()h m 78.84s m 02355.0004.02018.04

14.30.3332

b2s ==?-??

==A u V 5、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,其上方压力为1.0133?105 Pa 。流体密度为800 kg/m 3。精馏塔进口处的塔内压力为1.21?105 Pa ,进料口高于储罐内的液面8 m ,输送管道直径为φ68 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-A A '和截面-B B '之间列柏努利方程式,得

22

1122

1e 2f 22

p u p u gZ W gZ h ρρ+++=+++∑

()s m 966.1s m 004.02068.0414.33600204πkg

J 700m 0.8Pa 1021.1Pa 100133.12

22f

1125251=?-?===

=≈=-?=?=∑d V

A V u h

u Z Z p p ;;;;()2

221

21e 21f

2

p p u u W g Z Z h ρ

--=

++-+∑

()()768.9W

W 17380020kg J 175kg J 704.7893.146.2kg

J 700.88.92966.1800100133.121.1e s e 25=??===+++=??

????+?++?-=W w N W e 6、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 f p ?=f h ρ∑

或f h ∑=f p ?/ρ=λ2

b 2

u L d

ρ

∑∑f1

f2h

h

=(

2

b1

b22112))()(u u d d λλ 式中21d d =2 ,b2b1

u u =(21d d

)2 =4

因此∑∑

f1

f2

h

h =221

(

)(2)(4)λλ=3212λλ

又由于25

.0Re

316.0=λ 12

λλ=(25021.)Re Re =(

0.251b12b2

)d u d u =(2×25041.)=(0.5)0.25=0.841 故

∑∑f1

f2h

h

=32×0.84=26.9

化工原理习题(含答案)

7、用泵将2×104 kg/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25.9×103 Pa 的真空度,高位槽液面上方为大气压。管道为φ76 mm ×4 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

22

b1b212

1e 2f 22u u p p gz W gz h ρρ+++=+++∑(1)

式中 z 1=0,z 2=17 m ,u b1≈0

m 43.1s m 1073

068.0785.036001024

242b2=????==

ρ

π

d w

u p 1=-25.9×103 Pa (表),p 2=0 (表) 将以上数据代入式(1),并整理得

2

b221

e 21

f ()2u p p W

g z z

h ρ

-=-+++∑

=9.81×17+24312.+1073

109.253

?+

f

h ∑=192.0+f

h ∑

其中

f

h ∑=(λ+

e

L L d

+∑+∑ζ)2

b22

u

=Re b du ρμ

=3

0.068 1.431073

0.6310

-???=1.656×105 0044.0=d e

根据Re 与e /d 值,查得λ=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): 0.43×2 m =0.86 m 标准弯头: 2.2×5 m =11 m

故f h ∑=(0.03×350.8611

0.068

+++0.5+4)kg J 243.12=25.74J/kg

于是()kg J 217.7kg J 74.250.192e =+=W 泵的轴功率为

s N =e W η/w =W 7

.036001027.2174

???=1.73kW

习题7附图

8、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λ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

22b1b21212f 12

22u u p p gz gz h ρρ

++=+++∑,

-(a ) 式中p 1=0(表)

()(表)Pa 39630Pa 4.181.910004.081.913600O H Hg 22=??-??=-=gR gR p ρρ

u b2=0,z 2=0

z 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 2

H O 1Hg ()g z h gR ρρ+=(b )

式中h =1.5 m, R =0.6 m 将已知数据代入式(b )得

m 66.6m 5.110006.0136001=??

? ??-?=z

222

2b b f,1-2

c b b 15() 2.13(0.0250.5) 2.1320.12

u u L h u u d λζ∑=+==?+=

将以上各值代入式(a ),即 9.81×6.66=2

b 2

u +

1000

39630

+2.13 u b 2 解得s m 13.3b =u 水的流量为()m 43.1s m 13.31.0785.036004

π3600

332b 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

22b1b331

13f 13

22u u p p gz gz h ρρ

++=+++∑,-(c ) 式中z 1=6.66 m ,z 3=0,u b1=0,p 1=p 3

2e b f,13c ()2L L u h d λζ-+∑∑=+=2

2

b b 350.025(15)0.5 4.810.12

u u ??++=????

习题8附图

将以上数据代入式(c ),即 9.81×6.66=2

b 2

u +4.81 u b 2

解得s m 13.3b =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

22

b1b21212f 12

22u u p p gz gz h ρρ

++=+++∑,

-(d ) 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 26.2kg J 251

.35.01.05.1025.02

2

f,1=??

? ??+=∑-h

将以上数值代入上式,则

2.261000

251.366.681.922

++=?p

解得p 2=3.30×104 Pa (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。

化工原理习题(含答案)

2、在连续精馏塔中分离A 、B 两组分溶液。原料液的处理量为100 kmol/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

kmol/h 43.2kmol/h 45.010096.096.0F F n,D D n,=??==x q x q

()kmol/h

1.8kmol/h 45.010096.01W W n,=??-=x q

kmol/h=54.55 kmol/h kmol/h=45.45 kmol/h 9505.045

.452

.43D ==

x (2)精馏段操作线方程

2604.0726.065

.39505.065.365.211D +=+=+++=

x x R x x R R y (3)提馏段的液相负荷

()kmol/h 4.202kmol/h 10045.4565.2F n,D n,F n,L n,L n,=+?=+=+='q Rq qq q q

3、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50 kmol/h ,要求馏出液

中易挥发组分的收率为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 q 及y q ;(4)提馏段操作线方程。

解:(1)操作回流比及馏出液组成由题给条件,得

75.01

=+R R

238.01D =+R x 解得 R = 3,x D = 0.952

(2)进料热状况参数及原料液组成由于

及21F =-q

x 解得 q = 0.75(气液混合进料),x F = 0.5

(3)两操作线交点的坐标值x q 及y q 联立操作线及q 线两方程,即

238.075.0+=x y 解得x q = 0.4699及y q = 0.5903

(4)提馏段操作线方程其一般表达式为

W V n,W n,V n,L n,x q q x q q y '

'

'-

'=

'

式中有关参数计算如下:

kmol/h

68.24kmol/h 952

.05.05094.0D F F n,A D n,=??==x x q q ηkmol/h = 25.32 kmol/h

()()0592.032

.255

.05094.011W

n,F F n,A W =??-=-=

q x q x η

kmol/h =111.54 kmol/h

n,W 1.8

0.033

q =

()n,D n,F n,W 10054.55q q q =-=-31q

q =--23y x =-()n,W n,F n,D 5024.68q q q =-=-()n,L n,D n,F 324.680.7550q Rq qq '=+=?+?

化工原理习题(含答案)

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kmol/h = 86.22 kmol/h

4、

5、

()

n,V n,L n,W

111.5425.32

q q q

''

=-=-

111.5425.32

0.0592 1.2940.01739

86.2286.22

y x x

''

=-?=-

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6、

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