化工原理习题含答案.docx

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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，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。

若螺钉材料的工作压力为39.5×106Pa，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3×103Pa）？

解：

由流体静力学方程，距罐底1000mm处的流体压力为

作用在孔盖上的总力为

每个螺钉所受力为

因此

习题2附图

习题1附图

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R1=500mm，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

（2）B点的压力

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

PA=PA

P+ρ水gh+ρ汞gR=P0

P=p0-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7m，水从φ108mm×4mm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∑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

（1）

式中z1=7m，ub1～0，p1=0（表压）

z2=1.5m，p2=0（表压），ub2=5.5u2

代入式

（1）得

（2）水的流量（以m3/h计）

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1.0133105Pa。

流体密度为800kg/m3。

精馏塔进口处的塔内压力为1.21105Pa，进料口高于储罐内的液面8m，输送管道直径为φ68mm4mm，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：

在截面和截面之间列柏努利方程式，得

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

=

或=/=

=（

式中=2，=（）2=4

因此==32

又由于

=（=（=（2×=（0.5）0.25=0.841

故=32×0.84=26.9

习题7附图

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

管道为76mm×4mm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6.310-4Pas。

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，以截面1-1，为基准水平面，得

（1）

式中z1=0，z2=17m，ub1≈0

p1=-25.9×103Pa（表），p2=0（表）

将以上数据代入式

（1），并整理得

=9.81×17+++=192.0+

其中=（++）

==1.656×105

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）：

0.43×2m=0.86m

标准弯头：

2.2×5m=11m

故=（0.03×+0.5+4）=25.74J/kg

于是

泵的轴功率为

===1.73kW

习题8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=1500mm；当闸阀部分开启时，测得R=400mm、h=1400mm。

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（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Le/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）

式中p1=0（表）

ub2=0，z2=0

z1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

（b）

式中h=1.5m,R=0.6m

将已知数据代入式（b）得

将以上各值代入式（a），即

9.81×6.66=++2.13ub2

解得

水的流量为

（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）

式中z1=6.66m，z3=0，ub1=0，p1=p3

=

将以上数据代入式（c），即

9.81×6.66=+4.81ub2

解得

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）

式中z1=6.66m，z2=0，ub10，ub2=3.51m/s，p1=0（表压力）

将以上数值代入上式，则

解得p2=3.30×104Pa（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。

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

kmol/h=54.55kmol/h

kmol/h=45.45kmol/h

（2）精馏段操作线方程

（3）提馏段的液相负荷

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50kmol/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xq及yq；（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

及

解得R=3，xD=0.952

（2）进料热状况参数及原料液组成由于

及

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

解得xq=0.4699及yq=0.5903

（4）提馏段操作线方程其一般表达式为

式中有关参数计算如下：

kmol/h=25.32kmol/h

kmol/h=111.54kmol/h

kmol/h=86.22kmol/h

则

4、

5、

6、