化工原理复习题.docx
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化工原理复习题
第一章流体流动与输送机械
1.燃烧重油所得的燃烧气，经分析知其中含CO28.5％，O27.5％，N276％，H2O8％（体积％），试求此混合气体在温度500℃、压力101.3kPa时的密度。
解：
混合气体平均摩尔质量
MmyiMi
0.08544
0.075
32
0.76
280.081828.86103kg/mol∴
混合密度
m
pMm
101.3
10
3
28.86
103
0.455kg/m3
RT
8.31
（273
500）
2．已知20℃下水和乙醇的密度分别为998.2kg/m3和789kg/m3,试计算50％（质量％）乙醇水溶液的密度。
又知其实测值为935kg/m3，计算相对误差。
解：
乙醇水溶液的混合密度
1
a1
a2
0.5
0.5
m
1
2
998.2
789
m881.36kg/m3
相对误差：
m实
m
1
881.36
5.74%
100%
100%
m实
935
3．在大气压力为
101.3kPa的地区，某真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为85kPa。
若在大气压力为
90kPa的
地区，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时真空表的读数应为多少？
解：
p绝
pa
p真
pa'
p真'
p真
'
'
p真）
90（101.385）73.7kPa
pa
（pa
4．如附图所示，密闭容器中存有密度为900kg/m3的液体。
容器上方的压力表
读数为42kPa，又在液面下装一压力表，表中心线在测压口以上0.55m，其读数
为58kPa。
试计算液面到下方测压口的距离。
解：
液面下测压口处压力
pp0
gz
p1
gh
题4
附图
p1
gh
p0
p1
p0
h
（5842）103
z
g
g
0.552.36m
9009.81
5.如附图所示，敞口容器内盛有不互溶的油和水，油层和水层的厚度分别为
700mm
和600mm。
在容器底
部开孔与玻璃管相连。
已知油与水的密度分别为
800kg/m3和
1000kg/m3。
（1）计算玻璃管内水柱的高度；
（2）判断A与B、C与D点的压力是否相等。
解：
（1）容器底部压力
ppa
油gh1
水gh2
pa
水gh
h1
A
B
h2
C
D
油h1
水h2
800
h
油
h1
0.70.61.16m
h2
水
水
1000
题5
附图
（2）pA
pBpC
pD
10．硫酸流经由大小管组成的串联管路，其尺寸分别为φ76×4mm和φ57×3.5mm。
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:
764mm
ms
Vs
9
1831
16479kg/h
u1
Vs
9/3600
0.69m/s
0.785d2
0.785
0.0682
G1
u1
0.69
1831
1263.4kg/m2s
（2）小管:
573.5mm
质量流量不变
ms2
16479kg/h
u2
Vs
9/3600
1.27m/s
0.785d22
0.785
0.052
d1
2
682
m
s
u2
u1（
）
0.69（
）
或:
d2
50
G
2
u
2
1.27
1831
kg
/
m2
s
2325.4
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:
Z1g
p1
1u12
Z2g
p2
1u22
Wf
2
2
简化:
H
（1u22
Wf）/g
2
（1
1
20）
9.81
2.09m
2
1
题12附图
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40×103kg/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。
题17附图
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:
Z1g
p1
1u12
We
Z2g
p2
1u22
Wf
2
2
简化:
p1
We
Z2g
p2
1u22
Wf
2
We
p2
p1
1
2
Z2g
Wf
u2
2
ms
40
10
3
600
u2
3600
1.2m/s
0.785d2
0.785
0.142
We
（1.3
2.0）
106
1
1.2
2
30
9.81150
600
2
20．如附图所示，用泵将
20℃水从水池送至高位槽，槽内水面高出池内液面30m。
输送量为30m3/h，此
时管路的全部能量损失为
40J/kg。
设泵的效率为70％，试求泵所需的功率。
解:
在水池1面与高位槽
2面间列柏努力方程:
p1
1
2
We
p
2
1
2
Wf
Z1g
2
u1
Z2g
u
2
2
简化:
We
Z2g
Wf
30
9.81
40
334.3J/kg
Pe
ms
We
Vs
We
30
1000334.32.786kW
3600
P
Pe
2.786
3.98kW
0.7
第三章传热
1、某加热器外面包了一层厚为300mm的绝缘材料，该材料的导热系数为0.16W/（m℃），已测得该绝缘
层外缘温度为30℃，距加热器外壁250mm处为75℃，试求加热器外壁面温度为多少？
Q
t1
t2t2
t3
解：
b1
b2
A
1
2
t2
t3
b1
t2
7530
0.25
o
t1
b2
0.05
75
300C
1
0.16
2
0.16
2、某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成；
耐火砖b1=230mm，1=1.05W/（m·℃）
绝热砖b2=230mm，2=0.151W/（m·℃）
建筑砖b3=240mm，3=0.93W/（m·℃）
已知耐火砖内侧温度为1000℃，耐火砖与绝热砖界面处的温度为940℃，要求绝热砖与建筑砖界面处
的温度不得超过138℃，试求：
（1）绝热层需几块绝热砖；
（2）普通砖外侧温度为多少？
解：
（1）b2=?
Q
t1
t2
t2
t3
A
b1
b2
1
2
1000
940
940
138
0.23
273.9
b2
1.
05
0.151
b2
0.442m
230mm
则：
绝热层需两块绝热砖。
校核t2=?
940
t2
273.9
0.46
0.151
t2
105.6oC138oC
（2）t4=?
Q
t3t4
273.9
105.6t4
A
b3
0.24
3
0.93
t4
34.9oC
3、Φ50×5㎜的不锈钢管，导热系数λ1＝16Ｗ／（ｍ·Ｋ），外面包裹厚度为30mm导热系数λ２＝0.2W/（ｍ·Ｋ）
的石棉保温层。
若钢管的内表面温度为623Ｋ，保温层外表面温度为373Ｋ，试求每米管长的热损失及钢管
外表面的温度。
解：
已知钢管的内半径
r1
50
2
5
20mm
2
钢管的外半径r2
50
25mm
2
保温层的外半径
r3253055mm
根据式（3-12a），每米管长的热损失
Q
2
L（t1
t3）
习题3-3
附图
1
r2
1
r3
ln
ln
1
r1
2
r2
2
1
（623
373）
1570
397W
1
25
1
55
0.014
ln
ln
3.94
16
20
0.2
25
由于是定态热传导，故各层传导的热量应该相等，可得到钢管外表面的温度
t2。
t2
t1
Q
1
ln
r2
623
397
1
ln
25
622K
2
l
1
r1
21
16
20
16、每小时8000m3（标准状况）的空气在蒸汽加热器中从12℃被加热到42℃，压强为400kPa的饱和水蒸
气在管外冷凝。
若设备的热损失估计为热负荷的5%，试求该换热器的热负荷和蒸气用量。
解：
热量衡算：
Q1.05Q冷1.05ms2cp2（t2t1）
查得标准状况下的空气物性参数
ρ1.293kg/m3
cp1.005kJ/（kgoC）
饱和水蒸气的潜热
r
2138.5kJ/kg
400kPa
Q1.05Q冷1.05
8000
1.293
（4212）91kW
1.005
3600
Q
91
0.0426kg/s
蒸汽用量：
ms1
r
2138.5
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。
解：
由苯的定性温度
t
350
300
325K，查苯的物性参数
cp
1.84kJ/（kgoC）
2
由苯计算热负荷
Q
ms1
cp1
（
T2
）1.251.84（350
300）
115kW
T1
由冷却水的定性温度
t
290
320
305K，查水的物性参数
cp
4.18kJ/（kgoC）
2
Qms2
cp2
（t2
t1）
ms2
Q
115
cp2
（t2t1）
0.916kg/s
4.18（320290）
18、在一列管式换热器中，将某溶液自15℃加热至40℃，载热体从120℃降至60℃。
试计算换热器逆流和
并流时的冷、热流体平均温度差。
解：
（1）逆流时平均温度差为
120
60
tm逆
t1
t2
80
45
o
C
40
15
t1）
80
60.83
80
45
ln（
ln（
）
t2
45
并流：
tm并
t1
t2
10520
o
120
60
ln（
t1）
ln（105）
51.3C
15
40
t2
20
105
20
19、在一单壳程、四管程的列管式换热器中，用水冷却油。
冷却水在壳程流动，进出口温度分别为15℃和
32℃。
油的进、出口温度分别为100℃和40℃。
试求两流体间的温度差。
解：
先按逆流时计算，逆流时平均温度差为
t1
t2
68
25
43.0
o
C
100
40
tm逆
t1）
68
ln（
ln（
）
32
15
t2
25
68
25
tm'
折流时的对数平均温度差为
tm
逆
其中φf（R,P）
R
T1
T2
10040
3.53
t2
t1
32
15
P
t2
t2
32
15
0.2
T1
t1
100
15
由图3-27（a）查得φ0.9
，故
tm0.9
43.038.7oC
20、在一内管为18010mm的套管式换热器中，管程中热水流量为3000kg/h，进、出口温度分别为为90℃
和60℃。
壳程中冷却水的进、出口温度分别为20℃和50℃，总传热系数为2000W/（m2℃）。
试求：
（1）冷
却水用量；
（2）逆流流动时的平均温度差及管子的长度；（3）并流流动时的平均温度差及管子的长度；
解：
（1）水的比热cp
4.186kJ/（kgoC）
ms1
cp1
（T1
T2）
ms2
cp2
（t2
t1）
ms2
ms1
cp1（T1
T2）
30004.186
（90
60）
cp2
（t2
t1）
4.186（5020）
3000kg/h
（2）逆流时平均温度差为
tm
40
40
90
60
2
40
℃
50
20
Qms1
cp1（T1
T2）KAtm
40
40
ms1
cp1
（T1
T2）
3000
4.186
10
3
（90
60）
1.31m2
A
K
tm
36002000
40
A1.31
l2.32m
d3.140.18
（3）并流时平均温度差为
tm逆
t
t
70
10
90
60
1
t1
2
30.8oC
ln（
）
ln（
70
20
50
t2
）
70
10
10
Qms1
cp1（T1
T2）KAtm
ms1
cp1
（T1
T2）
3000
4.186103
（9060）
1.71m
2
A
K
tm
36002000
30.6
A
1.71
3.03m
l
3.14
0.18
d
21、在一内管为252.5mm的套管式换热器中，CO2气体在管程流动，对流传热系数为40W/（m2℃）。
壳
程中冷却水的对流传热系数为3000W/（m2℃）。
试求：
（1）总传热系数；
（2）若管内CO2气体的对流传热系
数增大一倍，总传热系数增加多少；（3）若管外水的对流传热系数增大一倍，总传热系数增加多少；（以外
表面积计）
解：
d2
0.02m,d10.025m,dm0.0225m,b0.0025m
α2
40W/（m2
K）,α13000W/（m2K）
查得碳钢的导热系数
λ45W/（m
K）
取管内CO2侧污垢热阻Rs2=0.53
10-3（m2K/W）
管外水侧热阻Rs1=0.2110-3（m2K/W）
（1）总传热系数（以外表面积计）
1
1
Rs1
b
d1
Rs2
d1
1
d1
K1
1
dm
d2
2
d2
1
0.
21
10
3
0.0025
0.025
0.53
10
3
0.025
1
0.025
3000
45
0.0225
0.02
40
0.02
3.25
10
2m2
K/W
K1
30.7W/（m2
K）
（2）管内CO2气体的对流传热系数增大一倍，即
2=80W/（m2K）
1
1
b
d1
d1
1
d1
K1
1
Rs1
dm
Rs2d2
2d2
1
0.
21
10
3
0.0025
0.025
0.53
10
3
0.025
1
0.025
3000
45
0.0225
0.02
80
0.02
1.69
10
2（m2
K）/W
K1
59.2W/（m2
K）
K1K159.230.7100%92.8%
K130.7
总传热系数增加92.8%
（3）若管外水的对流传热系数增大一倍，1=6000W/（m2K）
1
1
b
d1
d1
1
d1
K1
1
Rs1
dm
Rs2d2
2d2
1
0.21
10
3
0.0025
0.025
0.53
10
3
0.025
1
0.025
6000
2（m2
45
0.0225
0.02
40
0.02
3.23
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