化工原理课后答案.docx
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化工原理课后答案
3.在大气压力为101.3kPa的地区,一操作中的吸收塔内表压为130kPa。
若在大气压力为75kPa的高原地区操作吸收塔,仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作,则此时表压的读数应为多少?
解:
p绝pap表101.3130231.3KPa
p表p绝pa231.3751563.KPa
1-6为测得某容器内的压力,采用如图所示的U形压差计,指示液为水银。
已知该液体密度为900kg/m3,h=0.8m,R=0.45m。
试计算容器中液面上方的表压。
pρghρ0gh
解:
pρ0gRρgm
13.6109.810.459009.810.8
60037.27063.252974Pa53kPa3
1-10.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1831kg/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
msqVρ9183116479kg/h
u1qV9/36000.69m/s0.785d20.7850.0682
G1u10.6918311263.4kg/m2s
(2)小管:
573.5mm
质量流量不变ms216479kg/hu2qV9/36001.27m/s20.785d20.7850.052
或:
u2u1(d1268)0.69()21.27m/sd250
2G2u21.2718312325.4kg/ms
1-11.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
p1p112u12Z2g2u2Wf22
12
1(120)9.812.09m2简化:
H(u2Wf)/g1-14.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。
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题14附图
p1p112u12WeZ2g2u2Wf22
WeZ2g
p2p1p212u2Wf2简化:
p1We
ms12u2Z2gWf2
u22401030.785d6001.2m/s20.7850.14
(1.32.0)10611.22309.81150We6002
721.6J/kg
不需要泵,液体在压力差的作用下可自动回流至塔中
1-16.某一高位槽供水系统如附图所示,管子规格为φ45×2.5mm。
当阀门全关时,压力表的读数为78kPa。
当阀门全开时,压力表的读数为75kPa,且此时水槽液面至压力表处的能量损失可以表示为WfuJ/kg(u为水在管内的流速)。
试求:
(1)高位槽的液面高度;
(2)阀门全开时水在管内的流量(m3/h)。
解:
(1)阀门全关,水静止
pgh题16附图2
p78103
h7.95mg1039.81
(2)阀门全开:
在水槽1-1’面与压力表2-2’面间列柏努力方程:
Z1gp1p112u12Z2g2u2Wf22
p212u2Wf2简化:
Z1g
75103122u2u27.959.8110002
解之:
u21.414m/s
流量:
Vs
4d2u20.7850.0421.4141.776103m3/s
36.39m/h
1-17.附图所示的是冷冻盐水循环系统。
盐水的密度为1100kg/m3,循环量为45m3/h。
管路的内径相同,盐水从A流经两个换热器至B的压头损失为9m,由B流至A的压头损失为12m,问:
(1)若泵的效率为70%,则泵的轴功率为多少?
(2)若A处压力表的读数为153kPa,则B处压力表的读数为多少?
解:
(1)对于循环系统:
Hehf91221mPeHeVsg21轴功率:
题17附图
11009.812.83kWPPe
2.834.04kW0.7
(2)AB列柏努力方程:
pAp1212uAZABuBZBhfABg2gg2g
pApBZBhfABgg简化:
153103pB11009.81(79)
pB19656pa(表)
B处真空度为19656Pa。
-1-23.计算10℃水以2.7×103m3/s的流量流过φ57×3.5mm、长20m水平钢管的能量
损失、压头损失及压力损失。
(设管壁的粗糙度为0.5mm)
Vs2.7103
1.376m/s解:
u0.785d20.7850.052
10℃水物性:
999.7kg/m3,
Re1.305103pasdu
0.05999.71.37645.271031.30510
0.50.01d50
查得λ0.038
lu2201.3762
0.03814.47J/kgWfλd20.052
hfWf/g1.475m
PfWfρ14465.7Pa
1-25.如附图所示,用泵将贮槽中20℃的水以40m3/h的流量输送至高位槽。
两槽的液位恒定,且相差20m,输送管内径为100mm,管子总长为80m(包括所有局部阻力的当量长度)。
已知水的密度为998.2kg/m3,粘度为1.005×10-3Pa·s,试计算泵所需的有效功率。
ε=0.2
qV1.415m/s解:
u20.7850.12d4
Reduρ0.1998.21.4151405422000μ1.005103
ε/d=0.2/100=0.002
题23附图
λ0.023
在贮槽1截面到高位槽2截面间列柏努力方程
:
Z1gp1p112u12WeZ2g2u2Wf22
简化:
WeZ2gWf
lleu2801.4152
0.02318.42J/kg而:
Wfλd20.12
We209.8118.42214.6J/kg
NeWemsWeVsρ214.62998.22380W2.4kW1-28.如附图所示,密度为800kg/m3、粘度为1.5mPa·s的液体,由敞口高位槽经φ114×4mm的钢管流入一密闭容器中,其压力为0.16MPa(表压),两槽的液位恒定。
液体在管内的流速为1.5m/s,管路中闸阀为半开,管壁的相对粗糙度d=0.002,试计算两槽液面的垂直距离z。
解:
在高位槽1截面到容器2截面间列柏努力方程:
Z1gp1p112u12Z2g2u2Wf22
p2Wf简化:
Zg
0.1068001.54Re8.481031.510
由du题26附图0.002,查得0.026
管路中:
进口0.5
90℃弯头0.752个
半开闸阀4.5
出口1
lu2301601.52
Wf()(0.0260.520.754.51)d20.1062
60.87J/kg
0.16106
Z(Wf)/g(60.87)/9.8126.6m800p2
1-31粘度为30cP、密度为900kg/m3的某油品自容器A流过内径40mm的管路进入容器B。
两容器均为敞口,液面视为不变。
管
路中有一阀门,阀前管长50m,阀后
管长20m(均包括所有局部阻力的当
量长度)。
当阀门全关时,阀前后的压
力表读数分别为8.83kPa和4.42kPa。
现将阀门打开至1/4开度,阀门阻力的
当量长度为30m。
试求:
管路中油品
的流量。
解:
阀关闭时流体静止,由静力学基
本方程可得:
p1pa8.83103
zA10mg9009.81
p21pa4.42103
zB5mg9009.81
当阀打开4开度时,在A~A′与B~B′截面间列柏努利方程:
zAg12pA12puAzBguBBWf22
其中:
pApB0(表压),uAuB0
则有lleu2
(zAzB)gWfd2
(a)
由于该油品的粘度较大,可设其流动为层流,则
6464Redu
64lleu232(lle)u代入式(a),有(zAzB)g
2dud2d
d2(zAzB)g0.042900(105)9.81u0.736m/s332(lle)323010(503020)
校核:
Re
假设成立。
油品的流量:
du0.049000.736883.2200030103
qVπ2du0.7850.0420.7369.244104m3/s3.328m3/h4
阻力对管内流动的影响:
阀门开度减小时:
(1)阀关小,阀门局部阻力增大,流速u↓,即流量下降。
(2)在1~1与A~A截面间列柏努利方程:
12p12pz1gu11zAguAAWf1A22
简化得z1g12pAuAWf1A2
l1u12或z1g
(1)d2pA
显然,阀关小后uA↓,pA↑,即阀前压力增加。
(3)同理,在B~B′与2~2′截面间列柏努利方程,可得:
阀关小后uB↓,pB↓,即阀后压力减小。
由此可得结论:
(1)当阀门关小时,其局部阻力增大,将使管路中流量减小;
(2)下游阻力的增大使上游压力增加;
(3)上游阻力的增大使下游压力下降。
可见,管路中任一处的变化,必将带来总体的变化,因此必须将管路系统当作整体考虑。
1-36.用离心泵将20℃水从水池送至敞口高位槽中,流程如附图所示,两槽液面差为12m。
输送管为φ57×3.5mm的钢管,吸入管路总长为20m,压出管路总长155m(包括所有局部阻力的当量长度)。
用孔板流量计测量水流量,孔径为20mm,流量系数为0.61,U形压差计的读数为600mmHg。
摩擦系数可取为0.02。
试求:
(1)水流量,m3/h;
(2)每kg水经过泵所获得的机械能。
(3)泵入口处真空表的读数。
解:
(1)VsC0A0
12题36附图2Rg(ρ0ρ)ρ
0.610.7850.02220.69.81(13600998.2)998.2
332.33110m8.39m3
(2)以水池液面为11面,高位槽液面为22面,在11~22面间列柏努
利方程:
p112p12u1Z1gWe2u2Z2gWfρ2ρ2
简化:
WeZgWf
lleu2
而Wfd2
Vs2.331103
1.19其中:
u220.785d0.7850.05
2201.192
49.7JWf0.020.052
We129.8149.7167.4J
(3)以水池液面为11面,泵入口为33面,在11~33面间列柏努利方程:
p12p112u1Z1g3u3Z3gWfρ2ρ2
Z10,u10,Z31.5m,u31.19m/s
l12201.192Wfλd2u0.020.0525.66J/Kg
p1p312u3Z3gWfρ2
1.192
1.59.815.6621.023J/kg2
p1p321.0239.8120.6kPa
1-39.在一定转速下测定某离心泵的性能,吸入管与压出管的内径分别为70mm和50mm。
当流量为30m3/h时,泵入口处真空表与出口处压力表的读数分别为40kPa和215kPa,两测压口间的垂直距离为0.4m,轴功率为3.45kW。
试计算泵的压头与效率。
qV2.166解:
u120.7850.072d14
u24.2460.7850.052在泵进出口处列柏努力方程,忽略能量损失;
p1p1212u1Z1He2u2Z2g2gg2g
p2p112(u2u12)Zg2gHe
(21540)103122(4.2462.116)0.4329.81109.81
=27.07m
NeQHρgη
1039.8127.072.213kWNe2.213100%100%64.1%N3.45
第二章非均相物系分离
1、试计算直径为30μm的球形石英颗粒(其密度为2650kg/m3),在20℃水中和20℃常压空气中的自由沉降速度。
解:
已知d=30μm、ρs=2650kg/m3
(1)20℃水μ=1.01×10-3Pa·sρ=998kg/m3
设沉降在滞流区,根据式(2-15)
d2(s)g(30106)2(2650998)9.814ut8.0210m/s318181.0110
校核流型
Retdut
301068.02104998242.3810(10~2)31.0110
假设成立,ut=8.02×10-4m/s为所求
(2)20℃常压空气μ=1.81×10-5Pa·sρ=1.21kg/m3
设沉降在滞流区
d2(s)g(30106)2(26501.21)9.812ut7.1810m/s518181.8110
校核流型:
Retdut
301067.181021.210.144(104~2)51.8110
假设成立,ut=7.18×10-2m/s为所求。
2、密度为2150kg/m3的烟灰球形颗粒在20℃空气中在层流沉降的最大颗粒直径是多少?
解:
已知ρs=2150kg/m3
查20℃空气μ=1.81×10-5Pa.sρ=1.21kg/m3当Retdut
2时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径,根据式(2-15)并整理
d3(s)gdut2所以218
d36236(1.81105)27.73105m77.3μm(s)g(21501.21)9.811.21
3、直径为10μm的石英颗粒随20℃的水作旋转运动,在旋转半径R=0.05m处的切向速度为12m/s,,求该处的离心沉降速度和离心分离因数。
解:
已知d=10μm、R=0.05m、ui=12m/s
设沉降在滞流区,根据式(2-15)g改为ui/R即
d2(s)ui21010(2650998)122
ur0.0262m/s2.62cm/s318R0.05181.0110
校核流型
Retdur
1050.02629980.259(104~2)31.0110
ur=0.0262m/s为所求。
ui2122
所以Kc294Rg0.059.81
6、有一过滤面积为0.093m2的小型板框压滤机,恒压过滤含有碳酸钙颗粒的水悬浮液。
过滤时间为50秒时,共得到2.27×10-3m3的滤液;过滤时间为100秒时。
共得到3.35×10-3m3的滤液。
试求当过滤时间为200秒时,可得到多少滤液?
解:
已知A=0.093m2、t1=50s、V1=2.27×10-3m3、t2=100s、V2=3.35×10-3m3、t3=200s
V12.27103
24.41103由于q1A0.093
V23.35103
36.02103q2A0.093
根据式(2-38a)
q12
2qeq1Kt1
q2qeq2Kt222(24.41103)2224.41103qe50K(36.0210)236.0210qe100K323
联立解之:
qe=4.14×10-3K=1.596×10-5
因此q324.1410q32001.59610
q3=0.0525
所以V3=q3A=0.0525×0.093=4.88×10-3m3235
第三章传热
1.有一加热器,为了减少热损失,在壁外面包一层绝热材料,厚度为300mm,导热系数为
0.16w/(m.k),已测得绝热层外侧温度为30℃,在插入绝热层50mm处测得温度为75℃.试求加热器外壁面温度.
解:
t21=75℃,t3=30℃,λ=0.16w/(m.k)
t1t2t2t3b1b2
λλ
t17575300.250.05
0.160.16
t145575300℃q
2.设计一燃烧炉时拟采用三层砖围成其炉墙,其中最内层为耐火砖,中间层为绝热砖,最外层为普通砖。
耐火砖和普通砖的厚度分别为0.5m和0.25m,三种砖的导热系数分别为1.02W/(m·℃)、0.14W/(m·℃)和0.92W/(m·℃),已知耐火砖内侧为1000℃,普通砖外壁温度为35℃。
试问绝热砖厚度至少为多少才能保证绝热砖内侧温度不超过940℃,普通砖内侧不超过138℃。
解:
q1000t2t1t4tt10003512b20.5b1b1b2b30.50.251.021.020.140.921123(a)
将t2=940℃代入上式,可解得b2=0.997m
qt35ttt1t4100035334b20.25b3b1b2b30.50.250.921.020.140.921233(b)
将t3=138ºC解得b2=0.250m
将b2=0.250m代入(a)式解得:
t2=814.4℃
故选择绝热砖厚度为0.25m
3.505mm的不锈钢管,热导率λ1=16W/m·K;管外包厚30mm的石棉,热导率为λ2=0.25W/(m·K)。
若管内壁温度为350℃,保温层外壁温度为100℃,试计算每米管长的热损失及钢管外表面的温度;
解:
这是通过两层圆筒壁的热传导问题,各层的半径如下
管内半径r120mm0.02m,管外半径r225mm0.025m
管外半径保温层厚度r
30.0250.030.055m
每米管长的热损失:
2π(t1t3)Q23.14(350100)397W/mllnlnln2ln3
λ1r1λ2r216200.2225
2π(t1t3)Q23llnlnλ1r1λ2r2
ttt1t2359t2t100232
22
lnlnlnlnλ1r1λ1r116200.2225
t2349℃
6.冷却水在252.5mm、长度为2m的钢管中以1m/s的流速流动,其进出口温度分别20℃和50℃,试求管内壁对水的对流传热系数。
解:
空气的定性温度:
t205035℃。
在此温度查得水的物性数据如下:
2
cp4.174kJ/kgK
ρ994kg/m3
u1m/s,λ62.57102W/mK,μ7.28105Pas
Reduρ0.0219942730710000μ72.8105
Prcpμ
λ4.87l/d=2/0.02=100
λ0.80.462.57102
0.8α0.RePr0.023273074.870.4
d0.02
0.719535401.884788W/(m2℃)
3-15载热体流量为1500kg/h,试计算各过程中载热体放出或得到的热量。
(1)100℃的饱和蒸汽冷凝成100℃的水;
(2)110℃的苯胺降温至10℃;(3)比热容为3.77kJ/(kg·K)的NaOH溶液从370K冷却到290K;(4)常压下150℃的空气冷却至20℃;(5)压力为147.1kPa的饱和蒸汽冷凝,并降温至℃。
1500kg/s,r2258kJ/kg3600
1500Qqmr2258941kW3600
383283
(2)Tm333Kcp2.19kJ/(kgK)2
1500Qqmcp(T1T2)2.19(383283)91.3kW3600
(2)NaOHcp3.77kJ/(kgK)
(1)qm
15003.77(370290)126kW3600
20150(4)tm85℃cp1.009kJ/(kg℃)2
1500Qqmcp(t1t2)1.009(15020)54.7kW3600
(5)p147.1kPats111℃,r2230kJ/kgQqmcp(T1T2)
t250℃
cp4.2kJ/(kg℃)
Qqm[rcp(t1t2)]1500(22304.261)1035.9kW.
3600tm1115080.5℃2
3-17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。
350300325Kcp11.83kJ/(kgK)2
Qqm1cp1(T1T2)1.251.83(350300)114.3kW解:
Tm
290320305℃cp4.174kJ/(kg℃)2
Q114.3qm0.91kg/scp2(t1t2)4.17430tm
3-18在一列管式换热器中,将某液体自15℃加热至40℃,热载体从120℃降至60℃.试计算换热器中逆流和并流时冷热流体的平均温度差。
解:
逆流
解:
逆流:
t11204080℃,t2601545℃
tmt1t280453560.8℃t1800.5753lnlnt245
t1t2105208551.3℃11.658lnlnt220并流t112015105℃,t2604020℃tm
3-20在一内管为252.5mm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90℃和60℃;壳程中冷却水的进出口温度分别为20℃和50℃,以外表面为基准的总
2传热系数为
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- 化工 原理 课后 答案