化工原理作业题.docx
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化工原理作业题
化工原理作业题
时需Sr彳(3)管子上端空间的真空度p真【0-3】1000kg的电解液中含NaOH质量分数10、NaCI的质量分数10、出0的质量分数80,用真空蒸发器浓缩,食盐结晶分离后的浓缩液中含NaOH50、NaCI2、出048,均为质量分数。
试求:
(1)水分蒸发量;
(2)分离的食盐量;
(3)食盐分离后的浓缩液量。
在全过程中,溶液中的NaOH量保持一定。
解电1解液1000kg浓缩液中NaOH1000.l=100kgNaOH=0.5(质量分数)NaOH1000_0.l=100kgNaCl=0.02(质量分数)HO1000_0.8=800kgH2O=0.48(质量分数)在全过程中,溶液中NaOHt保持一定,为100kg浓缩液量为100/0.520__kg20__kg浓缩液中,水的含量为20__
_Q.48=96kg,故水的蒸发量为800-96=704kg浓缩液中NaCl的含量为20__
_0.02=4kg,故分离的NaCl量为100-4=96kg【1-2】某设备进、出口的表压分别为-12kPa和157kPa,当地大气压力为.3kPa。
试求此设备的进、出口的绝对压力及进、出的压力差各为多少帕。
进、出口的压力差p157(12)15712169kPa或p258.
389.
3169kPa【1-6】如习题1-6附图所示,有一端封闭的管子,装入若干水后,倒插入常温水槽中,管中水柱较水槽液面高出2m,当地大气压力为.2kPa。
试求:
(1)管子上端空间的绝对压力;
(2)管子上端空间的表压;
(3)管子上端空间的真空度;
(4)若将水换成四氯化碳,管中四氯化碳液柱较槽的液面高出多少米?
解管中水柱高出槽液面2m,h=2m水柱。
(1)管子上端空间的绝对压力p绝在水平面11"处的压力平衡,有P绝gh大气压力p绝20__
10009.81281580Pa(绝对压力)解进口绝对压力p进.31289.3kPa出口绝对压力p出.3157258.3kPa习题1-6附图
时磊忖呎
内管内径4内33.53.25227mm0.027m1150⑵管子上端空间的表压p表p绝-大气压力=8158020__
19620Pa
时磊忖呎
内管内径4内33.53.25227mm0.027m1150p真=-p表=-1962019620Pa⑷槽内为四氯化碳,管中液柱高度h"CCI4[1-10】常温的水在如习题1-10附图所示的管路中流动,为测量A、B两截面间U形管压差计,指示液为汞。
测压用的连接管中充满水。
试推导A、B两点的压力差p与液柱压力汁的读数R、尺之间的关系式。
解设测压前两U形压差计的水银液面,距输水管中心线的距离为H。
解液体故PAPBR1R2汞-卡9【1-13】如习题1-13附图所示的套管式换热器,其内管为管为60mm3.5mm。
内管中有密度为1150kg/m3、流量为5000kg/h的冷冻盐水流动。
内、外管之间的环隙有绝对压力为0.5MPa,进、出口平均温度为0C,流量为160kg/h的气体流动。
在标准状态下1150kg/m3两U形管的连接管中,充满空气。
若测压前两U形压差计的水银液面为同一高度,常温下四氯化碳的密度,从附录四查得为CCI41594kg/m_
3的压力差,安装了两个串联的在等压面22"处R1R1R2P2PAH2水gR1汞g2气gR2P"2PBH2~水gR2汞g33.5mm3.25mm,外因卩2P&ls;2,由上两式求得习题1-10附图
时磊忖呎
内管内径4内33.53.25227mm0.027m1150(0C,.325kPa),气体的密度为1.2kg/m3。
试求气体和盐水的流速。
时磊忖呎
内管内径4内33.53.25227mm0.027m1150液体质量流量qm5000kg/h,体积流量qv5000m7h
时磊论呎―习题1-15附图习题1-16附图流速U液qV5000/11502.11m/s22_d内3600_
002744气体质里流里qm160kg/h密度0.51063气1.25.92kg/m325体积流量1603/hqV5.92m/h流速u气160/5&t;25.67m/s3600_
0053200335241到2处的压头损失)解a0.5m/sd10.2m,d20.1m2di2u2u1-0.5
(2)2m/sd20.191m191mm另一计算法P12u1P22u2222P1P2u22u1220.52221.875[1-15】常温的水在如习题1-15附图所示的管路中流动。
在截面1处的流速为0.5m/s,管内径为20__mm,截面2处的管内径为100mm。
由于水的压力,截面产生1m高的水柱。
试计算在截面1与2之间所产生的水柱高度差h为多少(忽略从pP1P21.8751.87510001875Pa习题1-13附图习题1-14附图
(2)列管式换热器,外壳内径d20.5m,换热管外径d10.025m,根数n174根水的流量-0.0523.236.34103m3/s22.8m3/h4【1-29】试求下列换热器的管间隙空间的当量直径:
套管式换热器外管为219mm9mm,内管为114mm4mm;
⑵如习题1-29附图(b)所2P1U1g2g22U2U12P2U2g2g220520.191m2981匚P1P2hg计算液柱高度时,用后一方法简便。
【1-17】如习题1-17附图所示的常温下操作的水槽,下面的出水管直径为57mm3.5mm。
当出水阀全关闭时,压力表读数为30.4kPa。
而阀门开启后,压力表读数降至20.3kPa。
设压力表之前管路中的压头损失为0.5m水柱,试求水的流量为多少m3/h?
解出水阀全关闭时,压力表读数30.
4kPa(表压)能反映出水槽的水面距出水管的高度h330.410103981up表hg阀门开启后,压力表读数p220.3kPa(表压)3.1m从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程,以求出水管的流速U22乙竺+竺+g2gHfZih3.1m,Hf0.5m水柱20.31031039.813.23m/sd2U20.529.810.05m.2qVdU24
(1)如习题1-29附图⑻所示,示,列管式换热器外壳内径为1内暂外管f科管述惟体徉1解
(1)套管式换热器,内管外径d10.114m,外管内径d20.201m当量直径ded2d10.2010.1140.087m习题1-29附图500mm,列管为25mm2mm的管子174根。
时磊1VCT亦-以河水水面为基准面,从河水水面至水塔处的水管出口之间列伯努利方程。
【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m3的水溶液,其他性质可视为与水相同。
若管路状况不变,泵前后两个开口容器的液面间的高度不变,试说明:
(1)泵的压头(扬程)有无变化;
(2)若在泵出口装一压力表,其读数有无变化;
(3)泵的轴功率有无变化。
解
(1)液体密度增大,离心泵的压头(扬程)不变。
(见教材)
(2)液体密度增大,则出口压力表读数将增大。
(3)液体密度增大,则轴功率PqVgH将增大【2-10】用离心泵输送80C热水,今提出如下两种方案(见习题2-10附图)。
若两方案的管路长度(包括局部阻力的当量长度)相同,离心泵的汽蚀余量h2m。
试问这两种流程方案是否能完成输送任务?
为什么?
环境大气压力为.33kPa。
当量直径de22(d2ndi)4「-(d2ndi)(0.5)2174(0.025)2~0.51740.025~0.0291m【1-33】如习题1-33附图所示,用离心泵从河边的吸水站将20C的河水送至水塔。
水塔进水口到河水水面的垂直高度为34.5m。
管路为114mm4mm的钢管,管长1800m,包括全部管路长度及管件的当量长度。
若泵的流量为30m3/h,试求水从泵获得的外加机械能为多少?
钢管的相对粗糙度-0.002。
d解水在20C时998.2kg/m3,1.004103Pas流量qV30m?
/h流速uqV30/36000.9448m/sd24-(0.106)2duRe0.1060.9448998.249.9610湍流31.00410摩擦阻力损失hf22」u_
00252竺吗_
d2"0.1062191J/kg外加机械能Z2ghf34.59.8120.94482191530J/kgd0.106m,lle1800m查得0.0252习题1-33附图习题2-10附图
解水在80C时饱和蒸气压pV47.38kPa,最大允许安装高度为其保冷壁是由30mm厚的软木做成的。
软木的热导率入=0.043W/(m•C)。
若外表面温度为28C,内表面温度为3C,试计算单位表面积的冷量损失。
解已知13C,t228C,=0.043W/(mC),b0.03m,则单位表面积的冷量损失为0.0432qt1t232835.8W/mb0.03【4-6】某工厂用170mm5mm的无缝钢管输送水蒸气。
为了减少沿途的热损失,30mm的矿渣棉,其热导率为0.065W/(mK);第二层为厚30mm的石棉灰,其热导率为0.21W/(mK)。
管内壁温度为300C,保温层密度971.8kg/m3,汽蚀余量h2m,大气压力p0.33kPaHg允许=』hgHf3(.3347.38)10?
9718981Hf3.66Hf第
(2)方案的安装高度Hg7m,大于Hg允许,不能完成输送任务。
第
(1)方案的安装高度Hg1mLI_
右13.66HfHf4.66m水柱时可以用。
【4-2】有一冷藏室,在管外包两层绝热材料,第一层为厚外表面温度为40C。
管路长50m。
试求该管路的散热量。
2(tlt4)丄In空-lnE丄In_
1r12r23^31851111I----In45800.065850.21284W/mqi284501.42104W【4-9】空气以4m/s的流速通过75.5mm3.75mm的钢管,管长5m。
空气入口温度为32C,出口温度为68C。
(1)试计算空气与管壁间的对流传热系数。
(2)如空气流速增加一倍,其他条件均不变,对流传热系数又为多少?
(3)若空气从管壁得到的热量为578W,钢管内壁的平均温度为多少。
解已知u4m/s,d0.068m,l5m,b32C,t268C
(1)对流传热系数计算2(30040)Q14.2kW145ln115厶
Cp11.58kJ/kgK20_1.5835530048.3kW3600空气的平均温度3268tmh查得空气在50C时的物性数据31.093kg/m,1.96105Pas,2OO2.8310W/(m°C),cp1.005kJ/(kg°C)Pr0.698,雷诺数空气被加热,Pr的指数n04du0.06841.093Re1.961051.52104湍流对流传热系数扌爲73・5600.023-Ref4d2831020.023(1.520.068(0.698)0"418.4W/(m2C)
(2)空气流速增加一倍,对流传热系数0.8u""为082.
132W/(m2C)⑶若空气从管壁得到的热量为578W,计算钢管内壁平均温度用式Q(twtm)计算钢管内壁的平均温度tw。
已知空气进出口平均温度tm50C在第
(1)项中已计算出对流传热系数18.4W/(m2C)2钢管内表面积为Adl0.06851.07m钢管内壁平均温度twtw-5057879.4CA18.41.07【4-16】用冷却水使流量为20_kg/h的硝基苯从355K冷却到300K,冷却水由15C升到35C,试求冷却水用量。
若将冷却水的流量增加到3.5m3/h,试求冷却水的出口温度。
硝基苯流量qm1=327.5K,比热容硝基苯的放热量Qqm1Cp1T1T2
(1)冷却水用量计算平均温度tmtit2_153525C20_kg/h,平均温度Tm3553002
时磊忖呎
比热容Cp24.179kJ/kgC,密度997kg/m3qv2立2.09m/h
(2)用水量qv23.5m3/h时,求t2?
用水量增大,水出口温度t2应降低。
先假设水的比热容及密度不变。
从上面的计假设t226.9C【4-20】有一套管式换热器,内管为180mm10mm的钢管,内管中有质量流量为3000kg/h的热水,从90C冷却到60C。
环隙中冷却水从20C升到50C。
总传热系数K20_W/(m2C)。
试求:
(1)冷却水用量;
(2)并流流动时的平均温度差及所需传热面积;
(3)逆流流动时的平均温度差及所需传热面积。
解
(1)冷却水用量qm2计算qm2QCp2(t2tl)48.336004.179(3515)2080kg/h算式可知qv2与t2t1成反比,故2.09t2153515,226.9C水的平均温度tmt126.92查得水的比热容cp4.182kJ/kg°C,密度998kg/m3计算t2t2t1Cp2qm2Cp2qv2t2154^鶴26.9C与假设相符。
【4-17】在一换热器中,用水使苯从80C冷却到50C,水从15C升至U35C。
试分别计算并流操作及逆流操作时的平均温度差。
解
(1)并流操作苯「80CT250C水t,15Ct235C__65C__15C
(2)逆流操作苯80CT250Ct235C薔15C水651534.1CIntjt245/3524535240C
t250C中有流量为4000kg/h的苯被加热,进口温度为中有绝对压力为20__kPa的饱和水蒸气冷凝放热,冷凝的对流传热系数为述处理量所需套管的有效长度;⑷由于某种原因,加热水蒸气的绝对压力降至140kPa。
这时,苯出口温度有何变化?
应为多少度(设苯的对流传热系数值不变,平均温度差可用算术平均值计算)qm24000kg/h
(1)水蒸气用量qm1p20__kPa,T120.2C,r2205kJ/kg热水平均温度TmT1T2~2_
90602~75C,cp14.191kJ/(kgC)P1冷水平均温度tmt1t22205035C,cp24.174kJ/(kgC)热量衡算qm24174103502030004191103890603.7710S/hqm23012kg/h
(2)并流热水90CT260C冷水t2t120C70Ct150C12__10C传热面积3.77701070-ln-10810/3600tm30.8C20_308(3)逆流热水T90CT260Ct140Ctm40C传热面积3.77108/3600__20_40【4-25】Q有一套管式换热器,内管为1.31m57mm3mm,外管为114mm4mm。
内管50C,出口温度为80C。
套管的环隙104W/(m2K)。
已知内管的内表面污垢热阻为0.0004m2K/W,管壁热阻及管外侧污垢热阻均不计。
试计算:
(1)加热水蒸气用量;
(2)管壁对苯的对流传热系数;(3)完成上解苯t150Ct280C,平均温度tm5028065C,cp21840J/(kgK),热负荷Qqm2Cp2(t240001840(8050)360061330W
丄11.2m0.051t75.2C【5-4】l00g水中溶解lgNH3,查得20C时溶液上方NH3的平衡分压为798Pa。
此稀溶液的气液相平衡关系服从亨利定律,试求亨利系数E(单位为kPa)、溶解度系数H[单位为kmol/(mkPa)]和相平衡常数m。
总压为100kPa。
qm1613302205
(2)苯的对流传热系数832kg/m苯被加热(3)管长I2104W/以管内表面积K10.0278kg/s100kg/h038mPas■J0.13W/mK4000u----------------------------------3600832_
00514"RedU°0510-6548320.38103PrCp18400.380.654m/s7.3104湍流0.40.023-Re08d04Pr.
1030.13-5.380.134080.4°.°23丽1⑺310).
5・38K,1893W/m2K,R10.0004m2A1为基准2d2t1120.2893W/K/W110.051621丄0.00048931040.0575070.2C,t2Tt2120.2△tm70.240.2552C6133062155.21.82W/(mK)8040.2C(4)水蒸气绝对压力140kPa时,苯的出口温度t2。
p140kPa时,T109.2C400036001840t250=6211.8109.250109.2t2
1/17解液相中NH3的摩尔分数_而_聞0-0105Hc/p_
0.581/0.7980.728kmol/(m3kPa)液相中NH3的摩尔分数_二170.01051/17100/18气相的平衡摩尔分数y_
p_/p0.798/00相平衡常数m°7980.76_1000.0105或mE/p76/1000.76【5-6】含NH3体积分数1.5的空气-NH3混合气,在20C下用水吸收其中的NH3总压为203kPa。
NH3在水中的溶解度服从亨利定律。
在操作温度下的亨利系数E80kPa。
试求氨水溶液的最大浓度,kmolNH/m3溶液。
解气相中NH3的摩尔分数y0.015总压p203kPa,气相中NH3的分压pApy2030.015kPa
(1)利用亨利定律p_
E_计算与气相分压p相平衡的液相中NH3的摩尔分数为_丛203°.°150.0381E802.11kmolNH3/m溶液
(2)利用亨利定律P;
牛计算Hs998.23E80kPa,H-==0.693kmol/(mkPa)EMs8018CApAH(2030.015)0.6932.11kmolNH3/m3溶液【5-9】CO2分压力为50kPa的混合气体,分别与CO2浓度为0.01kmol/m3的水溶液和CO2浓度为0.05kmo/m3的水溶液接触。
物系温度均为25C,气液相平衡关系p_
1.662105_kPa。
试求上述两种情况下两相的推动力(分别以气相分压力差和液相浓度气相中NH3的平衡分压P=0.798kPa亨利系数Ep_/_0.798/0.010576液相中NH3的浓度c3V仙1和爲之°581kmo/m3溶解度系数NH3水溶液的总浓度18水溶液中NH3的最大浓度CAc_0.038118
时需Sr彳差表示),并说明C02在两种情况下属于吸收还是解吸。
解温度t25C,水的密度为s997kg/m3混合气中C02的分压为p50kPa、973水溶液的总浓度cskmol/m水溶液Ms18
(1)以气相分压差表示的吸收推动力
①液相中CO2的浓度CA0.01kmolCO2/m3水溶液液相中CO2的摩尔分数_CA/C0°1=1.805997/18与液相平衡的气相平衡分压为p_
1
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