化工原理复习题.docx
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化工原理复习题
第一章流体流动与输送机械
1.燃烧重油所得的燃烧气,经分析知其中含CO28.5%,O27.5%,N276%,H2O8%(体积%),试求此混合气体在温度500℃、压力101.3kPa时的密度。
解:
混合气体平均摩尔质量
MmyiMi
0.08544
0.075
32
0.76
280.081828.86103kg/mol∴
混合密度
m
pMm
101.3
10
3
28.86
103
0.455kg/m3
RT
8.31
(273
500)
2.已知20℃下水和乙醇的密度分别为998.2kg/m3和789kg/m3,试计算50%(质量%)乙醇水溶液的密度。
又知其实测值为935kg/m3,计算相对误差。
解:
乙醇水溶液的混合密度
1
a1
a2
0.5
0.5
m
1
2
998.2
789
m881.36kg/m3
相对误差:
m实
m
1
881.36
5.74%
100%
100%
m实
935
3.在大气压力为
101.3kPa的地区,某真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为85kPa。
若在大气压力为
90kPa的
地区,仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作,则此时真空表的读数应为多少?
解:
p绝
pa
p真
pa'
p真'
p真
'
'
p真)
90(101.385)73.7kPa
pa
(pa
4.如附图所示,密闭容器中存有密度为900kg/m3的液体。
容器上方的压力表
读数为42kPa,又在液面下装一压力表,表中心线在测压口以上0.55m,其读数
为58kPa。
试计算液面到下方测压口的距离。
解:
液面下测压口处压力
pp0
gz
p1
gh
题4
附图
p1
gh
p0
p1
p0
h
(5842)103
z
g
g
0.552.36m
9009.81
5.如附图所示,敞口容器内盛有不互溶的油和水,油层和水层的厚度分别为
700mm
和600mm。
在容器底
部开孔与玻璃管相连。
已知油与水的密度分别为
800kg/m3和
1000kg/m3。
(1)计算玻璃管内水柱的高度;
(2)判断A与B、C与D点的压力是否相等。
解:
(1)容器底部压力
ppa
油gh1
水gh2
pa
水gh
h1
A
B
h2
C
D
油h1
水h2
800
h
油
h1
0.70.61.16m
h2
水
水
1000
题5
附图
(2)pA
pBpC
pD
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1831
kg/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
ms
Vs
9
1831
16479kg/h
u1
Vs
9/3600
0.69m/s
0.785d2
0.785
0.0682
G1
u1
0.69
1831
1263.4kg/m2s
(2)小管:
573.5mm
质量流量不变
ms2
16479kg/h
u2
Vs
9/3600
1.27m/s
0.785d22
0.785
0.052
d1
2
682
m
s
u2
u1(
)
0.69(
)
或:
d2
50
G
2
u
2
1.27
1831
kg
/
m2
s
2325.4
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
p1
1u12
Z2g
p2
1u22
Wf
2
2
简化:
H
(1u22
Wf)/g
2
(1
1
20)
9.81
2.09m
2
1
题12附图
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。
题17附图
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
p1
1u12
We
Z2g
p2
1u22
Wf
2
2
简化:
p1
We
Z2g
p2
1u22
Wf
2
We
p2
p1
1
2
Z2g
Wf
u2
2
ms
40
10
3
600
u2
3600
1.2m/s
0.785d2
0.785
0.142
We
(1.3
2.0)
106
1
1.2
2
30
9.81150
600
2
20.如附图所示,用泵将
20℃水从水池送至高位槽,槽内水面高出池内液面30m。
输送量为30m3/h,此
时管路的全部能量损失为
40J/kg。
设泵的效率为70%,试求泵所需的功率。
解:
在水池1面与高位槽
2面间列柏努力方程:
p1
1
2
We
p
2
1
2
Wf
Z1g
2
u1
Z2g
u
2
2
简化:
We
Z2g
Wf
30
9.81
40
334.3J/kg
Pe
ms
We
Vs
We
30
1000334.32.786kW
3600
P
Pe
2.786
3.98kW
0.7
第三章传热
1、某加热器外面包了一层厚为300mm的绝缘材料,该材料的导热系数为0.16W/(m℃),已测得该绝缘
层外缘温度为30℃,距加热器外壁250mm处为75℃,试求加热器外壁面温度为多少?
Q
t1
t2t2
t3
解:
b1
b2
A
1
2
t2
t3
b1
t2
7530
0.25
o
t1
b2
0.05
75
300C
1
0.16
2
0.16
2、某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成;
耐火砖b1=230mm,1=1.05W/(m·℃)
绝热砖b2=230mm,2=0.151W/(m·℃)
建筑砖b3=240mm,3=0.93W/(m·℃)
已知耐火砖内侧温度为1000℃,耐火砖与绝热砖界面处的温度为940℃,要求绝热砖与建筑砖界面处
的温度不得超过138℃,试求:
(1)绝热层需几块绝热砖;
(2)普通砖外侧温度为多少?
解:
(1)b2=?
Q
t1
t2
t2
t3
A
b1
b2
1
2
1000
940
940
138
0.23
273.9
b2
1.
05
0.151
b2
0.442m
230mm 则: 绝热层需两块绝热砖。 校核t2=? 940 t2 273.9 0.46 0.151 t2 105.6oC138oC (2)t4=? Q t3t4 273.9 105.6t4 A b3 0.24 3 0.93 t4 34.9oC 3、Φ50×5㎜的不锈钢管,导热系数λ1=16W/(m·K),外面包裹厚度为30mm导热系数λ2=0.2W/(m·K) 的石棉保温层。 若钢管的内表面温度为623K,保温层外表面温度为373K,试求每米管长的热损失及钢管 外表面的温度。 解: 已知钢管的内半径 r1 50 2 5 20mm 2 钢管的外半径r2 50 25mm 2 保温层的外半径 r3253055mm 根据式(3-12a),每米管长的热损失 Q 2 L(t1 t3) 习题3-3 附图 1 r2 1 r3 ln ln 1 r1 2 r2 2 1 (623 373) 1570 397W 1 25 1 55 0.014 ln ln 3.94 16 20 0.2 25 由于是定态热传导,故各层传导的热量应该相等,可得到钢管外表面的温度 t2。 t2 t1 Q 1 ln r2 623 397 1 ln 25 622K 2 l 1 r1 21 16 20 16、每小时8000m3(标准状况)的空气在蒸汽加热器中从12℃被加热到42℃,压强为400kPa的饱和水蒸 气在管外冷凝。 若设备的热损失估计为热负荷的5%,试求该换热器的热负荷和蒸气用量。 解: 热量衡算: Q1.05Q冷1.05ms2cp2(t2t1) 查得标准状况下的空气物性参数 ρ1.293kg/m3 cp1.005kJ/(kgoC) 饱和水蒸气的潜热 r 2138.5kJ/kg 400kPa Q1.05Q冷1.05 8000 1.293 (4212)91kW 1.005 3600 Q 91 0.0426kg/s 蒸汽用量: ms1 r 2138.5 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。 解: 由苯的定性温度 t 350 300 325K,查苯的物性参数 cp 1.84kJ/(kgoC) 2 由苯计算热负荷 Q ms1 cp1 ( T2 )1.251.84(350 300) 115kW T1 由冷却水的定性温度 t 290 320 305K,查水的物性参数 cp 4.18kJ/(kgoC) 2 Qms2 cp2 (t2 t1) ms2 Q 115 cp2 (t2t1) 0.916kg/s 4.18(320290) 18、在一列管式换热器中,将某溶液自15℃加热至40℃,载热体从120℃降至60℃。 试计算换热器逆流和 并流时的冷、热流体平均温度差。 解: (1)逆流时平均温度差为 120 60 tm逆 t1 t2 80 45 o C 40 15 t1) 80 60.83 80 45 ln( ln( ) t2 45 并流: tm并 t1 t2 10520 o 120 60 ln( t1) ln(105) 51.3C 15 40 t2 20 105 20 19、在一单壳程、四管程的列管式换热器中,用水冷却油。 冷却水在壳程流动,进出口温度分别为15℃和 32℃。 油的进、出口温度分别为100℃和40℃。 试求两流体间的温度差。 解: 先按逆流时计算,逆流时平均温度差为 t1 t2 68 25 43.0 o C 100 40 tm逆 t1) 68 ln( ln( ) 32 15 t2 25 68 25 tm' 折流时的对数平均温度差为 tm 逆 其中φf(R,P) R T1 T2 10040 3.53 t2 t1 32 15 P t2 t2 32 15 0.2 T1 t1 100 15 由图3-27(a)查得φ0.9 ,故 tm0.9 43.038.7oC 20、在一内管为18010mm的套管式换热器中,管程中热水流量为3000kg/h,进、出口温度分别为为90℃ 和60℃。 壳程中冷却水的进、出口温度分别为20℃和50℃,总传热系数为2000W/(m2℃)。 试求: (1)冷 却水用量; (2)逆流流动时的平均温度差及管子的长度;(3)并流流动时的平均温度差及管子的长度; 解: (1)水的比热cp 4.186kJ/(kgoC) ms1 cp1 (T1 T2) ms2 cp2 (t2 t1) ms2 ms1 cp1(T1 T2) 30004.186 (90 60) cp2 (t2 t1) 4.186(5020) 3000kg/h (2)逆流时平均温度差为 tm 40 40 90 60 2 40 ℃ 50 20 Qms1 cp1(T1 T2)KAtm 40 40 ms1 cp1 (T1 T2) 3000 4.186 10 3 (90 60) 1.31m2 A K tm 36002000 40 A1.31 l2.32m d3.140.18 (3)并流时平均温度差为 tm逆 t t 70 10 90 60 1 t1 2 30.8oC ln( ) ln( 70 20 50 t2 ) 70 10 10 Qms1 cp1(T1 T2)KAtm ms1 cp1 (T1 T2) 3000 4.186103 (9060) 1.71m 2 A K tm 36002000 30.6 A 1.71 3.03m l 3.14 0.18 d 21、在一内管为252.5mm的套管式换热器中,CO2气体在管程流动,对流传热系数为40W/(m2℃)。 壳 程中冷却水的对流传热系数为3000W/(m2℃)。 试求: (1)总传热系数; (2)若管内CO2气体的对流传热系 数增大一倍,总传热系数增加多少;(3)若管外水的对流传热系数增大一倍,总传热系数增加多少;(以外 表面积计) 解: d2 0.02m,d10.025m,dm0.0225m,b0.0025m α2 40W/(m2 K),α13000W/(m2K) 查得碳钢的导热系数 λ45W/(m K) 取管内CO2侧污垢热阻Rs2=0.53 10-3(m2K/W) 管外水侧热阻Rs1=0.2110-3(m2K/W) (1)总传热系数(以外表面积计) 1 1 Rs1 b d1 Rs2 d1 1 d1 K1 1 dm d2 2 d2 1 0. 21 10 3 0.0025 0.025 0.53 10 3 0.025 1 0.025 3000 45 0.0225 0.02 40 0.02 3.25 10 2m2 K/W K1 30.7W/(m2 K) (2)管内CO2气体的对流传热系数增大一倍,即 2=80W/(m2K) 1 1 b d1 d1 1 d1 K1 1 Rs1 dm Rs2d2 2d2 1 0. 21 10 3 0.0025 0.025 0.53 10 3 0.025 1 0.025 3000 45 0.0225 0.02 80 0.02 1.69 10 2(m2 K)/W K1 59.2W/(m2 K) K1K159.230.7100%92.8% K130.7 总传热系数增加92.8% (3)若管外水的对流传热系数增大一倍,1=6000W/(m2K) 1 1 b d1 d1 1 d1 K1 1 Rs1 dm Rs2d2 2d2 1 0.21 10 3 0.0025 0.025 0.53 10 3 0.025 1 0.025 6000 2(m2 45 0.0225 0.02 40 0.02 3.23 1
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- 化工 原理 复习题