化工原理習題(含答案)

1、流體流動部分 1某儲油罐中盛有密度為 960 kg/m 3的重油（如附圖所示） ，油面最高時離罐底 9.5 m，油 面上方與大氣相通。 在罐側壁的下部有一直徑為 760 mm 的孔， 其中心距罐底 1000 mm ，孔 蓋用 14 mm 的鋼制螺釘緊固。 若螺釘材料的工作壓力為× 106 Pa，問至少需要幾個螺釘 （大 氣壓力為× 103 Pa）解：由流體靜力學方程，距罐底 1000 mm 處的流體壓力為33p p gh 101.3 103 960 9.81 （9.5 1.0） Pa 1.813 103Pa（絕壓） 作用在孔蓋上的總力為F （p pa）A（1.813 103

2、101.3 103） 0.762N3.627 104 N4每個螺釘所受力為 2 3F1 39.5 100.0142N 6.093 103N14 因此習題 2 附圖n F F1 3.627 104 6.093 103 N 5.95 6（個）習題 1 附圖2如本題附圖所示，流化床反應器上裝有兩個U 管壓差計。讀數(shù)分別為 R1=500 mm，R2=80 mm，指示液為水銀。為防止水銀蒸氣向空間擴散，于右側的U 管與大氣連通的玻璃管內灌入一段水，其高度 R3=100 mm。試求 A、B 兩點的表壓力。解：（ 1）A 點的壓力pA水gR3汞gR2 1000 9.81 0.1 13600 9.81 0.0

3、8 Pa 1.165 104 Pa（表）2）B 點的壓力pB pA 汞 gR11.165 104 13600 9.81 0.5Pa 7.836 104 Pa（表）解：設管路中心處流體的壓力為PA=PA13600 ×）4、108 mm×4 mm hf=計算，其中 水的平均流速；如本題附圖所示，管路出口高于地面的管道中流出，u 為水在管內的平均流速（ m/s）。 2）水的流量（ m3/h）。解：（ 1） A- A'截面處水的平均流速 在高位槽水面與管路出口截面之間列機械能衡算方程 1ub21p1gz21ub22p2hf2 b122 b2fgz1（1） 式中代入式z1=7

4、 m，ub10，p1=0z2=1.5 m， p2=0（表壓）1）得表壓）2 ，ub2 = u29.81 7 9.811.5 1ub2225.5ub2高位槽內的水位高于地面 7 m，水從1.5 m。已知水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失可按 設流動為穩(wěn)態(tài)，試計算（ 1）A-A'截面處,得3、如本題附圖所示，水在管道內流動。為測量流體壓力，在管道某截面處連接 U 管壓差計， 指示液為水銀，讀數(shù) R=100 毫米， h=800mm 。為防止水銀擴散至空氣中，在水銀液面上方 充入少量水，其高度可忽略不計。已知當?shù)卮髿鈮簽樵嚽蠊苈分行奶幜黧w的壓力。P + 水gh + 汞gR = P0P=p0- 水gh - 汞

5、gR=（× 103-1000 ×P=水的流量（以ub 3.0m sm3/h 計）0.02355m3 s 84.78m3 h3.14 2Vs ub2A 3.0 0.018 2 0.004 2 s b2 45、如本題附圖所示，用泵 2將儲罐 1 中的有機混合液送至精餾塔 3的中部進行分離。已知 儲罐內液面維持恒定，其上方壓力為Pa。流體密度為 800 kg/m 3。精餾塔進口處的塔內壓力為 Pa，進料口高于儲罐內的液面 8 m，輸送管道直徑為 68 mm 4 mm，進料量為 20 m3/h。料液流經(jīng)全部管道的能量損失為70 J/kg，求泵的有效功率。解：在截面 A-A和截面 B

6、-B 之間列柏努利方程式，得22p1 u1 gZ1 We p2 u2 gZ2hf22u10；hf70J kgVV20 3600u2A23.14m s 1.966 m s2d20.068 2 0.004 24422Wep2p1 u2u1g Z2 Z1hf2p1 1.0133 10 5 Pa；p2 1.21 105 Pa；Z2 Z1 8.0m；We1.21 1.0133 10 58001.966229.8 8.0 70 J kg2.46 1.93 78.4 70 J kg 175J kg Ne wsWe 20 3600 800 173W 768.9W6、某液體以一定的質量流量在水平直圓管內作湍流流

7、動。 若管長及液體物性不變， 將管徑 減至原來的 1/2，問因流動阻力而產(chǎn)生的能量損失為原來的多少倍解：流體在水平光滑直圓管中作湍流流動時pf=hf2或hf =pf /=L ubd2hf2 =2d1ub2 2()( 1)( b2 )2hf11d2ub1式中d1 =2 ，ub2 =(d1 )2 =4d2ub1d2因此hf2hf1=( 2 )(2)(4)12=32 21又由于0.3160.25Re2 =( Re1 )0.25 =(1Re2d1ub1 0.25 1 0.25dd21uubb12 )0.25 =(2× 41 )0.25=()故hf2 =32× =hf17、用泵將 2

8、×104 kg/h 的溶液自反應器送至高位槽 （見本 題附圖）。反應器液面上方保持× 103 Pa 的真空度，高位 槽液面上方為大氣壓。管道為 76 mm ×4 mm 的鋼管， 總長為 35 m，管線上有兩個全開的閘閥、一個孔板流量 計（局部阻力系數(shù)為 4）、五個標準彎頭。反應器內液面 與管路出口的距離為 17 m 。若泵的效率為，求泵的軸功 率。（已知溶液的密度為 1073 kg/m 3，黏度為 Pa s。管 壁絕對粗糙度可取為 0.3 mm 。）解：在反應器液面 1-1 與管路出口內側截面 2-2 間 列機械能衡算方程，以截面 1-1，為基準水平面，得gz12

9、u2b1 p1 We gz22 ub22p2hf式中z1=0，z2=17 m ， ub1 0w2104ub22m s 1.43m s2d 23600 0.785 0.0682 107341）p1=×103 Pa （表），p2=0 （表） 將以上數(shù)據(jù)代入式（ 1），并整理得2ub2 p2 p1We g（z2 z1） b2 2 1 hf2=×17+1.432+25.9 103 +1073hf =+hf其中Le+ d2ub22Re dub =0.068 1.43 1073=×1050.63 10 3e d 0.0044根據(jù) Re與 e/d 值，查得 =，并由教材可查得各

10、管件、閥門的當量長度分別為閘閥（全開） ： × 2 m =0.86 m標準彎頭：× 5 m =11 m235 0.86 11 1.432hf =×+4） J kg =kgf 0.068 2于是We 192.0泵的軸功率為Ns =We w/25.74 J kg 217.7 J kg217.71043600 0.7W=Pa（表壓）。（閘閥全開時 Le/d 2-2，的中心作（a）8、如本題附圖所示，貯槽內水位維持不變。槽的底部與 內徑為 100 mm 的鋼質放水管相連，管路上裝有一個閘 閥，距管路入口端 15 m 處安有以水銀為指示液的 U管壓 差計，其一臂與管道相連，

11、另一臂通大氣。壓差計連接 管內充滿了水，測壓點與管路出口端之間的直管長度為 20 m 。（1）當閘閥關閉時，測得 R=600 mm 、h=1500 mm； 當閘閥部分開啟時，測得 R=400 mm、 h=1400 mm。摩擦 系數(shù) 可取為， 管路入口處的局部阻力系數(shù)取為。 問每小 時從管中流出多少水（ m3）（2）當閘閥全開時， U 管壓差計測壓處的壓力為多少 15，摩擦系數(shù)仍可取。 ）解：（ 1）閘閥部分開啟時水的流量在貯槽水面 1-1，與測壓點處截面 2-2，間列機械能衡算方程，并通過截面 基準水平面，得22ub1p1ub2p2gz1b1 1gz2b22hf，1 222式中p1=0(表 )

12、p 2 Hg gRH2O gR13600 9.81 0.41000 9.81 1.4 Pa 39630Pa(表)當閘閥全關時， 水靜止不動， 根據(jù)流體靜力學基本方b）hf,1-2 ( dL2c)u2b22.13u2b(0.025 15 0.5) ub0.1 22.13ub2u b2=0 ， z2=0z1 可通過閘閥全關時的數(shù)據(jù)求取。 程知H2Og（z1 h） Hg gR 式中 h=1.5 m, R=0.6 m 將已知數(shù)據(jù)代入式（ b）得13600 0.6z11.5 m 6.66m1 1000將以上各值代入式（ a），即u 2 39630 2 × =ub + ub2解得2 1000 u

13、b 3.13m s水的流量為 Vs 3600 d 2ub 3600 0.785 0.12 3.13m3 s 1.43m3 s4（2）閘閥全開時測壓點處的壓力在截面 1-1 ，與管路出口內側截面 3-3，間列機械能衡算方程，并通過管中心線作基準平面， 得22ub1 p1ub3 p3gz1b11 gz3b33 hf，13（c）式中12 32 f，13z1=6.66 m ， z3=0，u b1=0， p1=p3h （ LLehf,1 3 （d 將以上數(shù)據(jù)代入式（ c），即 22×=ub + ub2）u2b = 0.025（03.51 15） 0.52ub24.81ub2解得ub再在截面gz

14、123.13m s1-1，與 2-2 ，間列機械能衡算方程，基平面同前，22 ub1 p1ub2 p2gz2 2hf，12d）式中z1=6.66 m ，z2=0， u b10，ub2=3.51 m/s， p1=0（表壓力）hf,1 21.50.0250.10.523.521 J kg 26.2J kg則3.5129.81 6.662 1000 解得p2=×104 Pa（表壓）將以上數(shù)值代入上式，p226.2蒸餾部分0。 5（苯的摩爾分數(shù)，下同）的苯 - 甲苯混合液，其0。95，釜液組成為，試求（ 1）餾出液流量及苯的回1、在一連續(xù)精餾塔中分離苯的含量為流量為 100kmol/h 。已

15、知餾出液組成為收率（ 2）保持餾出液組成不變，餾出液最大可能流量。2、在連續(xù)精餾塔中分離 A、 B兩組分溶液。原料液的處理量為100 kmol/h ，其組成為（易揮發(fā)組分 A 的摩爾分數(shù)， 下同），飽和液體進料， 要求餾出液中易揮發(fā)組分的回收率為96，釜液的組成為。試求（ 1）餾出液的流量和組成； （ 2）若操作回流比為，寫出精餾段的操作 線方程；（3）提餾段的液相負荷。解：（ 1）餾出液的流量和組成由全塔物料衡算，可得qn,D xD0.96qn,FxF0.96 100 0.45kmol/h 43.2 kmol/hqn,W xW 1 0.96 100 0.45kmol/h 1.8 kmol/h

16、qn,Wkmol/h= kmol/h0.033qn,D qn,F qn,W100 54.55 kmol/h= kmol/hxD43.245.450.95052）精餾段操作線方程RxD2.65y x xR 1 R 1 3.650.95053.650.726x 0.26043）提餾段的液相負荷q n,Lqn,Lqqn,FRqn,Dqn,F2.65 45.45 100 kmol/h 220.4kmol/h3、在連續(xù)操作的精餾塔中分離兩組分理想溶液。原料液流量為 50 kmol/h ，要求餾出液中易揮發(fā)組分的收率為 94。已知精餾段操作線方程為 y = +；q 線方程為 y = 2-3x。試求（ 1）

17、 操作回流比及餾出液組成； （ 2）進料熱狀況參數(shù)及原料的總組成； （3）兩操作線交點的坐標值 xq及 yq；（ 4）提餾段操作線方程。 解：（ 1）操作回流比及餾出液組成由題給條件，得R 0.75 及 xD 0.238R 1 R 1解得R = 3，xD =（2）進料熱狀況參數(shù)及原料液組成由于q3 及 xF 2q 1 1 q解得q = （氣液混合進料） ， xF =（ 3）兩操作線交點的坐標值 xq 及 yq聯(lián)立操作線及 q 線兩方程，即y 0.75x 0.238y 2 3x 解得xq = 及 yq =（ 4）提餾段操作線方程其一般表達式為yxqn,Vqn,VxW式中有關參數(shù)計算如下：A qn,F xF0.9450 0.5qn,Dkmol/h24.68kmol/hxD0.952qn,Wqn,Fqn,D5024.68 kmol/h =kmol/hqn,Lqn,W1 A qn,F xF1 0.94 50 0.5xWqn,W25.320.0592qn,Vqn,Lqn,W111.54 25.32 kmol/h= kmol/h則111.5425.32yx 0.0592 1.294x0.0173986.2286.224、qn