化工原理作业答案.docx

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化工原理作业答案

3．已知甲地区的平均大气压力为85.3kPa，乙地区的平均大气压力为101.33kPa，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20kPa。

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=

（2）真空表读数

真空度=大气压-绝压=

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

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

19．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

20．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）

第二章流体输送机械

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39m3/h，此时泵的压头为38m。

已知输油管内径为100mm，摩擦系数为0.02；油品密度为810kg/m3。

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）。

习题1附图

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

由于启动离心泵之前pA=pC,于是

=0

则

又m

h2/m5=2.5×10–2h2/m5

则（qe的单位为m3/h）

（2）输油管线总长度

m/s=1.38m/s

于是m=1960m

2．用离心泵（转速为2900r/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60kPa和220kPa，两测压口之间垂直距离为0.5m，泵的轴功率为6.7kW。

泵吸入管和排出管内径均为80mm，吸入管中流动阻力可表达为（u1为吸入管内水的流速，m/s）。

离心泵的安装高度为2.5m，实验是在20℃，98.1kPa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

将有关数据代入上式并整理，得

m/s

则m3/h=57.61m3/h

（2）泵的扬程

（3）泵的效率

=68%

在指定转速下，泵的性能参数为：

q=57.61m3/hH=29.04mP=6.7kWη=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32.5kPa（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1.46m，泵的必需气蚀余量为2.3m，该泵安装在塔内液面下3.0m处。

试核算该泵能否正常操作。

解：

泵的允许安装高度为

式中

则

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1.5m。

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

解得：

q=5.54×10–3m3/s=19.95m3/h

（2）两台泵的串联

解得：

q=5.89×10–3m3/s=21.2m3/h

在本题条件下，两台泵串联可获得较大的输水量21.2m3/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5m，宽5m，高4.2m，固体杂质为球形颗粒，密度为3000kg/m3。

气体的处理量为3000（标准）m3/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1.06kg/m3，黏度为1.8×10-5Pa•s。

（2）若操作在420℃下进行，操作条件下的气体密度为0.5kg/m3，黏度为3.3×10-5Pa•s。

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：

设沉降在斯托克斯区，则：

核算流型：

原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为1.985×10-5m。

（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：

设沉降在斯托克斯区，则：

核算流型：

原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为4.132×10-5m。

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10μm，试确定降尘室内隔板的间距及层数。

解：

取隔板间距为h，令

则

（1）

10μm尘粒的沉降速度

由

（1）式计算h

∴

层数取18层

核算颗粒沉降雷诺数：

核算流体流型：

10．板框压滤机过滤某种水悬浮液，已知框的长×宽×高为810mm×810mm×42mm，总框数为10，滤饼体积与滤液体积比为=0.1，过滤10min，得滤液量为1.31m3，再过滤10min，共得滤液量为1.905m3，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45min，求该装置的生产能力（以得到的滤饼体积计）。

解：

（1）过滤面积

由恒压过滤方程式求过滤常数

联立解出，

恒压过滤方程式为

代入恒压过滤方程式求过滤时间

（2）生产能力

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K=5×10-5m2/s，qe=0.01m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比υ=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，求洗涤时间；（3）若每次卸渣、重装等全部辅助操作共需15min，求过滤机的生产能力（m3滤液/h）。

解：

（1）硅藻土，，可按不可压缩滤饼处理

，与无关

时，，

，

，

代入恒压过滤方程式求过滤时间

（2）洗涤

（3）生产能力

7．在一传热面积为25m2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28000kg/h，其温度由25℃升至38℃，平均比热容为4.17kJ/（kg·℃）。

有机溶液的温度由110℃降至65℃，平均比热容为1.72kJ/（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·℃）

求

有机物110→65

水38←25

————————————————

7240

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5m2，总传热系数为1400W/（m2·℃）；热水的初温为100℃，流量为5000kg/h；冷水的初温为20℃，流量为10000kg/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4.18kJ/（kg·℃），热损失可忽略不计。

解：

查图得

传热量

解出℃

解出℃