制藥化工原理課后習題答案

緒論

2.解:

atm.±=](p3

——=1.01325x1()5-^^=1

N-m-2N-m

Pam

L-atm-N-m

1.01325xl02

**N-m-2-J-m3

L-atm=l01325x1()2

以J?mol-1?K-1表示R的值

R=0.08206X1.01325X102J.mol'1.K”

=8.315J.mol'1.K'1

第一章流體流動

1.表壓=一真空度=-4.8Xl()4pa

絕壓=5.3X1(/pa

2.解：設右側(cè)水面到B'點高為h3,根據(jù)流體靜力學基本方程可知PB=PB'

則P油ghz=P水齦

夕油h2_820旭-m~3x600mm

492mm

。水1000吐加-3

h=hi+h3=892mm

3.解：正U型管水銀壓差計

由圖可知PA=PI+(X+RI)P水g

PB=P2+xP*g

VPi-P2=2.472kPa

-

PAPB=2.472kPA+P水gRi

又有PA=PCPC=PB+PHggRi

PHggRi=2.472kPa+P加gRi

2.472kPa

，&=0.0200m=20.00mm

(13600—1000)奴.〃尸x9.8Im-s-2

倒U型壓差計設右側(cè)管內(nèi)水銀高度為M

?.?指示流體為空氣，PC=PD

Pi=Pc+P水g(Rz+M)P2=PD+P水gM

._2.472kPa

0.2520/M=252.0mm

**2—lOOOZg?/x9.81X-S-2

4.(l)PB=-845.9Pa(表)

(2)RZ=0.178m

7.解：由公式“=上可得

A

Vs=uA=und2/4=0.8XnX(57-3.5X2)2X10-6=l.57X10-3m3/s

WS=VSP=1.57X10-3X1840=2.89kg/s

%

G=7=00=O.8xl84O=1472館/%2

8.解：由題可知：

1—I7截面:Pi=1.013X105Pau=0

以2—2'截面為基準水平面.?.zi=3m

2—2'截面：設管內(nèi)流速為uz2=0

3—3'截面：u,Z3=3m

4一4'截面：u,z4=3+0.5=3.5m

5—5'截面：u,Z5=3m

5

6—6'截面：u,Z6=2m,P6=1.013X10Pa

根據(jù)伯努利方程：We=0,Sh(=0

有gZ]+*=gZ6+++區(qū)

P2p

pI=P6u2/2=g(Z]—Z6尸9.8

七P、irP.,

有gZ]+二=gZ2+—+

P2p

5

9.8X3+1.013X10/l000=9.8+P2/l000

5

.,.P2=1.209X10Pa

P}112P3

gzx+—=gZi+—+—

P2p

5

1.013X10/1000=9.8+P3/1000

5

.,.P3=0,915X10Pa

Ru2P

gZ|+—=gZ4+—+—4

P2p

5

9.8X3+1.013X10/1000=9.8X3.5+9.8+P4/1000

5

.,.P4=0,866X10Pa

Ru2Ps

gZ|+—^gz+—+^

P52p

5

.?.P5=0,915X10Pa

3

9.(l)u=1.55m/sVh=10.95m/h

(2)Az=2.86m

A刀AT

解：N=—Ne

7

Ne=We.Ws

取釜內(nèi)液面為1一1'截面，高位槽內(nèi)液面為2—2'截面

根據(jù)伯努利方程：gz+&+江+=gZ2+&：+2+2怎

p22p

1一1'截面：zi=O,Pi=-2.5X10%表壓)，5=0

Wv

2—2'截面：Z2=15m,Pz=O(表壓)，u2=--

A=Jid2/4=0.25XJIX[(76—4X2)義10力2=3.63X10-3m2

2xlQ4

??u=5247.3m/h=1.46m/s

23.63x103x1050

Re=%=邠.0.L4"1050=173740>4000湍流

〃6x10-4

又e/d=0.3X10-3/68X10=4.41X103

查圖得入=0.029

%=/尤=0.029x^-xl^=22.7J/依

(d20.0682

查表13得，g全開閘閥=0.17;羋開截止閥=9.5,go,標準彎頭=0-75&is=0.5，出

：.hf'=(0.17+9.5+3X0.75+1.5)XI.4672=14.2J/kg

，Eh尸22.7+14.2=36.9J/kg

-2.5xl04gy1.462…

--------------l-l￥e-15g-l-------1-36.9

10502

We=208.87J/kg

Ne=208.87X2X1073600=1.16kW

N=1.16/0.7=1.66kW

12.解：1—1'：高位槽液面2—2'：出口管內(nèi)側(cè)

列伯努利方程gZI+4+"+他=gZ2+日+2+Z勿

p22p

Z2=0,zi=4m,Pi=P2=0(表)，ui=0,We=0

/.Shf+u22/2=4g

Shf=hf+hf,

"u2

7=X-----

fd2

查表1—3得，;半開截止的=9.5,90■標準浮頭=0.75

222

hf=￡&-u2/2=(9.5+0.75+0.5)Xu2/2=10.75Xu2/2

2

.w,,,202,___x.

??~7-(1-1——+10.75)=4g

2a

2

化簡得(400X+11.75)XU2/2=39.2

20℃時口水=1.005

_dup3

入=f(Re)=f(U2)需試差Re==49.75W2X10

4

8

假設UoReX-uo

丁=0.01

1.5766300.0391.66

1.6796000.0391.66

1.66825880.03881.66

，截止閥半開時該輸水系統(tǒng)的Uo=1.66m/s

Vs=uA=1.66X0.25nX0.052=0.00326m3/s

.\Vs=11.73m3/h

第二章流體輸送設備

1、解：分別取離心泵的進、出口截面為1-1'截面和2-2'截面，由伯努力方程得:

2

Z,+^-+^-+H=Z2+

A，2

Pg2gPg2g-

+

Pg2g

其中，Z2-Z,=0.4m；=—1.9xl()4pa(表壓);P2=4.7xl(rPa(表壓);

〃i=〃2；”/j_2=0；20℃時水的密度。=998.2kg?m-3。

〃…4.7xl05+1.9xl04八八“一

=>H=0.4H-----------------------F0+0=50.34m

998.2x9.81

nN="^^50.34x70x998.2x9.81=L37xl()4w^135kw

773600x0.70

3、解：4-H/OT

SPgf

(l)20℃時：由附錄2及附錄7知，水的密度P=998.2kg-m-3,飽和蒸氣壓

pv=0.2335x104Pa。

9.81X1Q4-0.2335X1Q4

-3-2.5=4.28m

998.2x9.81

⑵85℃時：由附錄2及附錄7知，水的密度P=968.6kg-m.3,飽和蒸氣壓

P,=0.5788x105pa。

9.81X1Q4-0.5788X1Q5

一3—2.5=—L27m

二3968.6x9.81

4、解：〃=―/力—”

gpgf

6.6xl05-6.45xl05

-3.5-1.6

530x9.81

=-2.21m<-1.5m

故該泵不能正常工作。

22

P1-P\!M2-U\

6、解：〃c=Z2—4++

Pg2g

69xl4

^10+0+0+--°..=17m

1000x9.81

由于輸送介質(zhì)為水，結(jié)合2=100m3.h?和4=17m,查附錄21選IS100-80-125型泵,

主要性能參數(shù)為：。=100.卜1,"=20m,〃=2900r-min17=0.78,7V=7.0kW

故泵實際運行時的軸功率為N=7.0kW,其中因閥門調(diào)節(jié)所多消耗的功率為

一=3=(2。-⑺xl00xl000x9.81=]048W=L05kW

73600x0.78

第四章沉降與過濾

2、解：;%=bL限

V_36001

Ms=0.025m-s-

=>tc五一3600x40

片(2—p)g

設顆粒沉降位于層流區(qū)，故，/

18〃

18x2xl0-x0.025.

nd.=175xl05m

一。)g(3000-1.06)x9.81

核算流型及「誓=⑦—產(chǎn)優(yōu)=0S3<2

故假設成立，即顆粒沉降位于層流區(qū)。因此，可完全除去的最小顆粒直徑為1.75乂10-5m。

3、解：在操作溫度下，氣體量點=^^><273+427=L54m3.s-i=5538.5m3-hT

3600273

設8Hm顆粒沉降位于層流區(qū)，則

62

戊(Ps-p)g_(8xl0-)x(4000-0.5)x9.81_3,

-"-葉?1X1VIII,b

18〃18x3.4x10-5

1.54

由七=NhLu=>NA=51層（需50塊隔板）

lc1.8x4.Ix4.1xlO-3

H42

=h=—=—^―=0.082m

N51

_8X10-6X4.1X1Q-3X0.5

核算流型Re=4.8x10-4<2

t〃—3.4x10-5

故假設成立，得降塵室內(nèi)隔板間距和層數(shù)分別為0.082m和51層。

注：此題原始數(shù)據(jù)有點問題。在該組數(shù)據(jù)下，氣流在降塵室內(nèi)已達到湍流。

5、解：根據(jù)恒壓過濾方程/2+2匕/=口27得

J(1X10-3)2+2^X(1X10-3)=^X(0.1)2X5X60

[(1.6xIO?>+2匕x(1.6xKT?)=長x(0.x10x60

nR=7X10Yn?；A：=8xl0*7m2-s-1

由下式可算得，15min收集到的總濾液量，即

V2+2x(7xl0-4)xr=(8xl0-7)x(0.1)2xl5x60

n『=2.07x10-3

故再過5min所得的濾液量/P=2.07x1O--1.6x10/=0.47x1O'=0.47L

6、解：(1)過濾面積/=0.8『x2x38=49.86m2

濾框總?cè)莘e=8仔x0.025x38=0.623m3

濾餅充滿濾框時濾液體積V=?空=7.79m3

0.08

y779

過濾終了時4=7=不雨=0156m3.m-2

恒壓過濾方程I?+2q?q=KT

=>0.1562+2x0.01x0.156=5xl0-5r

=T=550s

8(4+心)%_8x(0.156+0.01)x0.1x7.79=包6s

（2）洗滌時間7w

~KA-5x10-5-49.86'

，八八3600rv3600x7.79x0.083

(J)U=----------------=----------------------------=1,2mh-'

r+rw+rD550+416+15x60

（4）由于s=0,故K，=K署尸=2K。所以，由/+2以,=長7可知

T'=0.5r==275s

2

第五章傳熱

2.某燃燒爐的平壁由三種材料構成。最內(nèi)層為耐火磚，厚度b1=200mm,導熱系數(shù)

11

A.1=1.07W-m--℃-;中間層為絕熱磚，厚度b2=100mm,導熱系數(shù)入2=0.14W.m".℃」；最外層

為普通鋼板，厚度b3=6mm,導熱系數(shù)九3=45W.m,℃L已知爐內(nèi)壁表面溫度力=1000℃,鋼

板外表面溫度t4=30。。試計算：（1）通過燃燒爐平壁的熱通量；（2）耐火磚與絕熱磚以及絕

熱磚與普通鋼板之間的界面溫度。假設各層接觸良好。

1000-30

解:（皿］。一14=1076.2(%”2)

34+3+幺0.20.10.006

L07+---------1-----------

4否40.1445

(2)4=%=%=的

產(chǎn)，/2=-？!(—)+/,=1000-1076.2x-^-=798.8℃

41.07

＞，(2=(―)+^2=798.8-1076.2x-=30.1℃

2

b242、/20.14

3.在直徑為帆9x4.5mm的蒸汽管道外包扎有兩層絕熱材料。已知管壁材料的導熱系數(shù)為

45W-m-1-℃-1；內(nèi)層絕熱材料的厚度為40mm,導熱系數(shù)為0.07W-m，℃」；外層絕熱材料的

厚度為20mm,導熱系數(shù)為0.15W.m±°cL現(xiàn)測得蒸汽管的內(nèi)壁溫度為180℃,最外層絕熱

材料的外表面溫度為50ro試計算每米管長的熱損失及兩絕熱層間的界面溫度。

解：4=180°C,。=50°C,4=40機機，4=44.5mm,r3=84.5/M/M,r4=104.5mm

Q=2乃」口)=_____2x3.14x(180-50)

L1,r1,r1,r1.吟+—n0.08451,0.1045

一In—2+——In—34-——In—A——xln-------------1------x--l-n

444々44450.040.070.04450.150.0845

816.4

=77.16(%/⑼

0.0024+9.16+1.42

Q=Ql=Q2=Q}

g=2乎-”4=67.45℃

L—ln^

Ar3

4.蒸汽管道外包扎有兩層導熱系數(shù)不同而厚度相同的絕熱層。已知外層的平均直徑和導熱系

數(shù)均為內(nèi)層的兩倍。現(xiàn)保持其他條件不變，而將兩絕熱層的材料互換，試問：（1）每米管長

的熱損失是原來的多少倍？（2）在本題條件下，哪一種材料包扎在內(nèi)層較為合適？

解：設管道半徑為x,絕熱層厚度b

x+26+x+b3x+b,-

-----------=2x----=>b=2x

22

rx=x+b=3x,r2=x+2b=5x

4—24

(1)互換前F=I2必72必7

1.477叫

,11G1.3x1.5x

In—+—In——In—十——In

Ax4八4x22|3x

2兀Nt27tz

互換后L887力1A

1,r.1i々113x15x1

——In—+—In=In—十—Itn

%X4024x43x

=1.275倍

（2）幾小的包在內(nèi)層較好

5.水在套管式換熱器的內(nèi)管中流動。已知內(nèi)管的直徑為（|）25x2.5mm,長度為6m；水的流量為

2m3-h-',溫度由15℃升高至35℃,試計算管壁對水的對流傳熱系數(shù)。若水的流量下降為

（Un/hL則管壁對水的對流傳熱系數(shù)又為多少？

解：由題意可得，定性溫度/="笆=25℃,查附表得水的物性參數(shù)為

2

之=60.89、10-2%.加-1?左t,=902.75xlO^Pi/-5,Pr=6.22

(1)“=----------------=1.77/w?st

3600x；x(0.02)2

Re=如=0.02x1.77x1?00=3§*]04>](湍流)

〃902.75x1O-6

X0.7<Pr<120,3=2=300〉60,〃=0.4(被力口熱)

40.02

Nu=0.023Re08Pr04=0.023x(3.9xl04)08x6.2204224.96

z2224.96x60.89x10",..一27T

a.=Nu,—=------------------=68o48o.n9u%m-k

'di0.02

n4

(2)當匕=0.4%3/〃時，u'=-------------=0.354加yT

3600x-x(0.02)2

Re，=@但=0.02x0.354xl?00=78427Vj0000(過渡流)

〃902.75x10-6

Nu'=0.023Re08Pr04=0.023x(7842.7)°x6.220-4=62.34

,262.34x60.89xl0-2,_

NAru?—=-----------------=1897.9%-m22-kl

d.0.02

/=]一皿=1一6x105=094

7Re18(7842.7)1*'

%=%/=1897.9x0.94=1784.W?加々.女“

9.試計算：(1)120C的飽和水蒸氣冷凝為120C的水時所放出的熱量。(2)120C的飽和水蒸

氣冷凝為60℃的水時所放出的熱量。(3)常壓下，空氣由20℃升溫至80℃時所吸收的熱量。

解：質(zhì)量流量w均取lkg/s

⑴當/=120℃,y=22Q5kJ/kg

。=少=1x2205=2205(極)

(2)120℃蒸汽->60℃水

3

7=90°C,Cp=4.208xlO

3

Q=w/I20+wC/,(l20-60)=2205xl0+lx4.208x1O'x60=2457.48(左％)

(3)空氣20℃->80°

7=50°C,g=1.005x103

3

Q=wCp(80-20)=1x1.005xl0x60=60.3(4%)

10.在列管式換熱器中用水冷卻油。已知換熱管的直徑為M9x2mm,管壁的導熱系數(shù)入=45

W.m".℃i；水在管內(nèi)流動，對流傳熱系數(shù)5=3500\￥皿2。仁1；油在管間流動，對流傳熱系數(shù)

21242

ao=250W-m-.℃-；水側(cè)的污垢熱阻R^.SxlO^m.油側(cè)的污垢熱阻Rso=1.8x10m-

℃.W-'o試計算：(1)以管外表面為基準的總傳熱系數(shù)。(2)因污垢熱阻而使總傳熱系數(shù)下降

的百分數(shù)。

解：(1)；=-L+R.,+)?)+4,g+_L今

k°幾dmdi%4

0.0020.0190.01910.019

—+1.8x10+-----x-----+2.5x10-4x_____+_____x_____

250450.0170.01535000.015

=0.0049

k。=203.74

(2)污垢前-4=—+--^+—^=0.0044

a

koo/d“,%&

k：=226.68

226.68-203.74

;-=1v.1Z/O

kg---------226.68

12.苯在逆流換熱器內(nèi)流動，流量為2000kg-h-',溫度由70c下降至30C。已知換熱器的傳

熱面積為6m2,熱損失可忽略不計；總傳熱系數(shù)為300W.m2oc"；冷卻介質(zhì)為20℃的水，定

壓比熱為4.18kJ-kgJC"。試計算：(1)冷卻水的出口溫度；(2)冷卻水的消耗量,以m3h-'

表示。

解：(1)2=wG區(qū)一。)=&F)=kSMm

Q(2000/3600)x1.79x103x(70-30)3.98x10；,—

A4/,,,=—=------------------------------------------=-------------22.11C

kS300x61800

70°C~30°C

t2^-20℃

70-t210℃

△t、—Zz(70—4)—1060—4

M,22.11

In70^

A/21010

%=286。

⑵0=x4.178x(28.6-20)

wpc=3984kg1h

13.在逆流換熱器內(nèi)，用20℃的水將流量為4500kg-h-'的液體由80C冷卻至30℃。已知換熱

管由直徑為(|)25x2.5mm的鋼管組成；液體走殼程，對流傳熱系數(shù)為1700亞皿之父」，定壓比

熱為L9kJ.kg.℃",密度為850kg.m%水走管程，對流傳熱系數(shù)為850W.m-2，C」。若水的出

口溫度不超過50℃,換熱器的熱損失及污垢熱阻均可忽略不計，試計算換熱器的傳熱面積。

解：Q=yVhCph(T}-T2)=koSoAtm

若九取45W”|.(T

1_16did。

----------------1----------------1--------------

k°a。2dm%&

10.00250.02510.025

------------1-----------------X------------------1----------X-------------=2.12x107

1700450.02258500.02

￡=471.6

(80-50)-(30-20)

18.20

,80-50

In

30-20

^5°^X1.9X103X(80-30)

s.3600=13.8/

kA、

第八章精儲

2.解：本題中，正戊烷為易發(fā)組分，以A表示，正己烷為難揮發(fā)組分，以B表示。

⑴"『靠=2.945

際"^^=。45。

xB=0.55

pA°xA_159.16x0.45

yyB=0.293

Ap101.3

ax,j_2.945x0.45

或者為=0.707

1+9-1)/-1+1.945x0.45

3.解：(1)正戊烷用A表示正己烷為B表示

進料液的平均摩爾質(zhì)量M==04x72+0.6x86=80.4kg/kmol

進料量F=如"=62.19kmol/h

80.4

己知xD—0.98xF—0.4

,Dx/曰八FXV\0.97x62.19x0.4_....

由ri=—>n=97%得。=—UF=----------------------=24.62kmol/h

FXFXD0.98

由F=D+W得W=F-D=62.19-24.62=37.57kmol/h

⑵根據(jù)見尸=。方+畋匹得

Fx-DX62.19x0.4-24.62x0.98…

x―邑P--------n=----------------------------------=0.02

wW37.57

5.解:原題改為y=0.5x+0.15

(1)由精偏段操作線方程y=0.75x+0.2075可知

R

------=0.75解得R=3

R+1

⑵由操作線方程可得二*=0.2075將R=3代入

R+1

得=0.83

(3)由進料方程y=0.5x+1.5得

」二=0.5=>q=T,過熱蒸汽進料

q—i

(4)由進料方程可知一上=0.15將q=-1代入得以=0.3

6.解：⑴進料的平均摩爾質(zhì)量打=2玉陽=04x72+0.6義86=80.4版加wo/

進料量F=型竺=62.19kmol/h

80.4

己知》0=0.98xw-0.03xF-0.4

FX-DX[)+Wx

根據(jù)Fw

F=D+W

62.19x0.4=0.98D+0.03W

得:

62.19=D+W

解得：D=24.22kmol/h

W=37.97kmol/h

(2)精微段操作線方程

Rx+Xd

yn+/1~R+\n

R+\

2.50.98

---Xn+---=0.714x,,+0.28

2.5+12.5+1

斜率為0.714截距為0.28

(3)塔內(nèi)第二塊塔板上升蒸氣組成

已知：乃=工0=0.98

ax,

由氣液平衡方程％=

l+(d-l)xt

0.98=R解得X/=0.942

由操作線方程得：

y2=0.714^+0.28=0.714x0.942+0.28=0.953

(4)提儲段操作線方程

已知Z=AD=2.92x24.22=70.72kmol/h

F=62.19kmol/h

W=37.97kmol/h=0.03

泡點進料q=l

提微段操作線方程：

L+qF,W

y'n+，~L+qF-WXm~L+qF-WX'V

70.72+62.19,37.97八小

=--------------------x'----------------------x0.03

70.72+62.19-37.97m70.72+62.19-37.97

=1.4x?/-0.012

斜率為1.4,截距為-0.012

(5)精儲段內(nèi)上升蒸氣及下降液體的流量

V=(7?+1)。=3.5x24.22=84.77?。防

L=RD=2.5x24.22=60.55kmol/h

(6)提偏段內(nèi)上升蒸氣及下降液體的流量

U=L+qF=60.55+62.19=122.74kmol/h

V'=V=S4Jlkmol/h

8.解：

最小回流比此而=忙匕

居一％

泡點進料：x=xF=0.4

,:叫2.5x04

=0.625

l+(a-l)Xq14-1.5x0.4

0.96-0.625_0.335

R15

nun=-0.625-0.4-0.225-

R=±=2

R”“K1.5

第十一章干燥

L解：（1）已知10L3kPa,40℃時,水的飽和蒸氣壓區(qū)=7.377人Rz

等數(shù)=°e2*而筌濠%=°領92飯水汽絕干氣

H

⑵vH=(0,772+1.244HJX與能

=60.772+1.244x0.0092)x牙。=0.898/M3/飯絕干氣

「、\+H1+0.0092……/3

(3)p?=-----=---------=1.124kg/m

丫"V"0.898

(4)g=1.01+1.884