化学工艺学 潘鸿章版课后习题答案.docx
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化学工艺学潘鸿章版课后习题答案
第一章流体流动过程与输送机械习题
1.A地某化工厂的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为610,设备移至异地B操作时,若要求塔内维持相同的操作压强,真空表读数有何变化?
(A地平均大气压强为640,B地平均大气压强为760)
解:
A地:
B地:
2.在稳态流动系统中,水连续的由粗到细流经一个变径管路,粗管内径是细管的两倍,求细管内水的流速是粗管内的几倍。
解:
稳态流动
4.如图所示,一高位水池内径D为1.5(有效),池底连φ144mm×4mm的排水管,管路长330m、,总损失压头为6求管路出水口的体积流量。
解:
取出口管中心线为基准面,取高位水池1-1截面,管路出口处2-2截面。
5.如图所示,有一连续稳态流动管路系统,粗管截面积为细管截面积的5倍,在管路系统中去1、2、3、4、5五个截面(如图所示),1点截面处的平均流速为1,表压强为120KPa,泵的压头为8,输送的液体密度为1000,试计算:
(1)若不考虑管路阻力损失,求各点截面的位压头、静压头、动压头和总压头。
(2)若整个管路阻力所产生的压强降为2液柱,求5点截面的位压头、静压头、动压头和总压头。
解:
以地面为基准面(或以泵中心线为基准面都可以)
(1)由1-1截面可知
2-2截面
3-3截面
4-4截面
5-5截面
(2)
7.常压下,用泵将敞口容器中的油品以36的流量输送到敞口高位槽中,管出口在高位槽液面下,两槽的液面差为25,输送管为φ76mm×3mm,直管长度为100,各种管件的当量长度为150,摩擦粗力系数为0.023,泵的效率为60%,求泵的实际功率。
(油品的密度为960)
解:
基准面取低位槽页面
10.某离心泵以20℃的水进行性能测试,测得体积流量为720,泵出口压力表读数为0.4MPa(表压),泵入口处真空表读数为210mmHg,压力表和真空表之间的垂直距离为410mm,吸入管和压出管内径分别为350mm和300mm。
试求此泵产生的压头。
解:
第二章传热习题
1用100℃的水蒸气加热φ38mm×2.5mm钢管内的盐溶液,盐溶液的流量为500kg.h-1,比定压热容为2093.5J.kg-1.K-1,由20℃加热到50℃,α盐=930W.m-2.K-1,α蒸汽=5815w.m-2.K-1,钢管的λ=46.52w.m-1.K-1.求加热钢管多少米(以管外表面计算)。
设忽略热损失,可按平面壁考虑。
解:
盐溶液在热交换中无相态变化
2.采用传热面积为4.48m2的换热器进行溶剂苯和某水溶液间的逆流换热,苯的流量为3600kg.h-1,比定压热容为1.88kJ.Kg-1.K-1,由80℃冷却到50℃,水溶液由20℃加热到30℃,忽略热损失,求总传热系数K。
解:
忽略热损失:
3.有一厚度为480mm的普通砖墙,高温侧为200℃,在此温度下的导热系数为0.614W.m-1.K-1;低温侧为30℃,在此温度时的导热系数为0.52W.m-1.K-1。
试求单位时间通过单位传热面积(lm2)的热量为多少。
解:
4.为减少热损失,设备外壁包一层厚度为200mm均匀保温材料,导热系数为0.163W.m-1.K-1,保温材料外缘温度为30℃,为测量设备壁面温度,将温度计从外面插入保温层50mm,测得其温度为75℃,试计算设备外壁温度和单位时间每平方米保温层向外散失的热量。
解:
5.有φ=60mm×3mm的常压蒸气管(钢管),其导热系数为50W.m-1.K-1,外包40mm厚的石绵泥,其导热系数为0.12W.m-1.K-1。
蒸气管内壁为110℃,石棉泥外壁为20℃。
试求每秒钟每米管路散失的热量。
解:
6.在φ100mm×5mm的钢管中有134℃的饱和水蒸气流动,若管外包有30mm厚玻璃棉,其导热系数为0.05W.m-1.K-1,,当外界气温为15℃时,若空气对保温层的给热系数为8W.m-1.K-1,忽略钢管内饱和水蒸气对钢管的给热系数和钢管壁很小的热阻,试求保温层外壁温度。
解:
稳态传热,保温层内的导热速率=保温层与空气的对流给热速率
7.反应釜的釜壁为钢板,厚5mm(λ=50W.m-1.K-1),黏附在内壁的污垢厚0.5mm(λ=50W.m-1.K-1)。
反应釜附有夹套,用饱和水蒸气加热。
釜体钢板外表面(与蒸汽接触)为150℃,内壁面130℃。
试求单位时间每平方米面积所传导的热量。
并与没有污垢层和釜体为不锈钢(有污垢)、铜(有污垢)的情况进行比较(设壁面温度不变)。
(其中不锈钢=14W.m-1.K-1;铜=400W.m-1.K-1)
解:
无污垢:
不锈钢有污垢:
铜有污垢:
8.用134.2℃的饱和水蒸气加热φ48mm×3mm钢管内的某溶剂,由20℃加热到75℃,溶剂的体积流量为6m3.h-1,,密度为1080kg.m-3,比定压热容为2.9kJ.Kg-1.K-1,求单位时间(每秒钟)消耗的蒸汽的量。
解:
9.在某一化工生产流程中,换热器采用一种高温流体来预热原料液,将原料由25℃预热到180℃;而高温流体经过换热,由300℃降至200℃。
试计算采用逆流操作与并流操作时的平均温度差,并进行比较。
解:
逆流:
并流:
10.列管式换热器由若千根长3m、外径25mm的钢管组成。
要求将流量为1.25kg.s-1流体从350℃冷却到300℃。
290℃的B流体在管内与A流体作逆流流动。
已知B侧和A侧的给热系数分别为0.85kW.m-2.K-1和1.70kW.M-2.K-1,管壁和污垢热阻可忽略。
若B流体出口温度为320℃,求所需管子的根数。
已知A的Cp=l.9kJ.Kg-1.K-1,ρ=880kg.m-3。
解:
12.用300kpa的饱和蒸汽(134℃)通人夹套式换热器夹套,使甲苯沸腾蒸发。
甲苯的沸点为110.6℃,汽化热为363.5kJ.Kg-1,,换热器的传热面积为1m2,每小时汽化200kg甲苯。
求换热器的总传热系数K。
如果换热器的热损失为换热量的10%,求每小时消耗多少千克饱和水蒸气。
解:
13.某单程列管式换热器内置直径为φ25mm×2.5mm的钢管柬。
操作过程中,苯在换热器的管内流动,流量为1.25kg.s-1,温度由80℃冷却到30℃;冷却水在管间与苯呈逆流流动,进口温度为20℃,出口温度为50℃,已知水侧和苯侧的给热系数分别为l400W.m-2.K-1和0.75W.m-2.K-1,污垢和换热器的热损失可以忽略,试求换热器的传热面积。
苯的平均比定压热容为l.9kJ.Kg-1.K-1,管壁材料的导热系数为45W.m-2.K-1。
解:
第四章习题
1.采用精馏操作分离正庚烷—正辛烷混合物,精馏塔的塔底压力为101.7kPa,塔顶压力为100.6kPa。
已知正庚烷(A)和正辛烷(B)的饱和蒸气压为
温度/℃
90
98.5
100
105
110
115
120
126
pA/kPa
78.5
101.3
106.0
121.6
139.3
158.9
182.2
—
pB/kPa
33.9
44.8
47.2
55.3
64.3
74.1
86.1
101.3
如果正庚烷—正辛烷混合物服从拉乌尔定律和道尔顿分压定律,试求:
(1)塔底温度分别为115℃和120℃时,塔底液体组成;
(2)塔顶温度分别为100℃和105℃时,塔顶馏出物组成。
解:
(1)
塔底:
115℃
120℃
(2)塔顶100℃
105℃
2.设正庚烷—正辛烷混合物可视为理想混合液,根据上题所给数据,计算在101.3kPa下气液平衡组成,并分别绘出t-x-y相图和y-x相图。
3.求不同温度下正庚烷与正辛烷的相对挥发度,用平均挥发度求平衡时的气相组成y与液相组成x的关系,并与前题的计算绪果进行比较。
4.在连续精馏塔内每小时精馏含乙醇10%(质量分数,下同)的水溶液2000kg。
要求塔顶馏出液中乙醇含量为96%,塔底斧液中含乙醇2%,保持回流比R=4,试求回流量。
解:
5.已知连续精馏塔操作线方程为
精馏段y=0.723x+0.263
提馏段y=1.25x-0.0187
若泡点进料,试求原料液、馏出液及塔底釜液的组成及回流比。
解:
原料液是精馏段与提馏段交点,精馏段y=0.723x+0.263
提馏段y=1.25x-0.0187解得xF=0.534
精馏段:
解得R=2.61,xD=0.95
6.原料液于泡点下进料,组成xF=0.6,流量为152kmol.h-1。
相对挥发度α=3。
要求xD=0.9,xw=0.02,R=1。
试求:
(l)精馏塔顶、塔底产品的流量及塔顶轻组分的回收率;
(2)最小回流比Rmin;(3)离开第三块理论板的液相组成。
解:
(1)
(2)泡点进料q=1书126图,129图
(3)逐板计算方法
解x3=0.51
7.常压下连续精馏塔中分离甲醇水溶液,已知XF=0.4,精馏段和提馏段的操作线方程分别为
y=0.63x+0.361
y=1.805x–0.00966
试求q值和回流比。
解:
精馏段操作线,提馏段操作线,q线交于一点,
y=0.63x+0.361
y=1.805x–0.00966解得xd=0.3146,yd=0.5582
带入
答:
略。
8.将含苯0.5(摩尔分数,下同)的苯-甲苯混合液,在连续精馏塔中分离。
要求塔顶回收99.5℅的苯,釜液中含苯小于0.02。
饱和液体进料,回流比R=3.0,相对挥发度α=2.45。
试求理论塔板数。
若全塔效率为60℅,试求实际塔板数。
解:
泡点进料q=1,
teamworkn.协作;配合书131页吉利兰图:
查
第五章化学反应器习题
1在间歇釜式反应器内进行A→B的液相一级不可逆反应,反应速率方程为rA=kcA,已知反应在162℃的等温下进行,k=0.8h-1,试求转化率达到97%时所需的反应时间。
解:
对一级反应:
2在间歇釜式反应器内进行某反应,其动力学方程为rA=0.35cA2[kmol•m-3•s-1],当A的初始浓度分别为1kmol•m-3和4kmol•m-3时,计算A的残余浓度降低到0.01kmol•m-3时所需反应时间。
解:
对二级反应:
3醋酐的水解反应为
(CH3CO)2O+H2O=2CH3COOH
已知醋酐的浓度低时,此反应可视为假一级反应。
在l5℃时的反应速率rA=0.0806cA[mol•L-1•min-l],式中cA为醋酐的浓度。
若使用间歇釜式反应器,每天处理溶液量为25m3,每批料用于装、卸料等的辅助时间为25min,装料系数为0.7,要求醋酐的转化率为99%,试求反应釜的容积。
解:
对间歇反应器中的一级反应:
4在间歇釜式反应器中分别进行一级反应和二级反应,试计算转化率从0提高到90%与从90%提高到99%所需反应时间之比。
解:
对一级反应:
0-90%
0-99%
90%-99%
对二级反应:
0-90%0%-99%
90%-99%
5用醋酸和丁醇合成醋酸丁酯的反应为
CH3COOH+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2O
反应在间歇釜式反应器内进行,反应
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