完整版化工原理习题含答案.docx
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完整版化工原理习题含答案
-流体流动部分
1•某储油罐中盛有密度为960kg/m3的重油(如附图所示),油面最高时离罐底9.5m,油面上方与大气相通。
在罐侧壁的下部有一直径为760mm的孔,其中心距罐底1000mm,孔
盖用14mm的钢制螺钉紧固。
若螺钉材料的工作压力为39.5x106Pa问至少需要几个螺钉
(大气压力为101.3x103pa)?
解:
由流体静力学方程,距罐底1000mm处的流体压力为
33、.
ppgh101.3109609.81(9.51.0)Pa1.81310Pa(绝压)
作用在孔盖上的总力为
F(pPa)A=(1.813103—101.3103)n0.762N=3.627104N
4
每个螺钉所受力为
n23
F139.510—0.014N6.09310N
4
因此
nFF13.6271046.093103N5.956(个)
2•如本题附图所示,流化床反应器上装有两个U管压差计。
读数分别为Ri=500mm,
R2=80mm,指示液为水银。
为防止水银蒸气向空间扩散,于右侧的U管与大气连通的玻璃
管内灌入一段水,其高度R3=100mm。
试求A、B两点的表压力。
解:
(1)A点的压力
Pa水gRs汞gR210009.810.1136009.810.08Pa1.165104Pa(表)
(2)B点的压力
PbPa汞gR
1.165104136009.810.5Pa7.836104Pa(表)
3、如本题附图所示,水在管道内流动。
为测量流体压力,在管道某截面处连接U管压差计,指示液为水银,读数R=100毫米,h=800mm。
为防止水银扩散至空气中,在水银液面上方充入少量水,其高度可忽略不计。
已知当地大气压为101.3KPa试求管路中心处流体的压力。
解:
设管路中心处流体的压力为p
Pa=Pa
P+水gh+pgR=P
P=po-水gh-汞gR
=(101.3x103-1000x9.8x0.8
-13600x9.X0.1)
P=80.132kpa
4、如本题附图所示,高位槽内的水位高于地面7m,水从0108mmx4mm的管道中流出,
管路出口高于地面1.5m。
已知水流经系统的能量损失可按刀hf=5.5u2计算,其中u为水在
管内的平均流速(m/s)。
设流动为稳态,试计算
(1)A-A'截面处水的平均流速;
(2)水的流量(m3/h)。
,得
解:
(1)A-A'截面处水的平均流速
在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程
gz轨直卜;卫2hf
22
(1)
式中Z1=7m,ub1〜0,p1=0(表压)
z2=1.5m,p2=0(表压),ub2=5.5u2
代入式
(1)得
122
9.8179.811.5山25.5%2
2
ub3.0ms
(2)水的流量(以m3/h计)
5、如本题附图所示,用泵2将储罐1中的有机混合液送至精馏塔3的中部进行分离。
已知
储罐内液面维持恒定,其上方压力为1.0133105Pa。
流体密度为800kg/m3。
精馏塔进口处
的塔内压力为1.21105Pa,进料口高于储罐内的液面8m,输送管道直径为068mm4
mm,进料量为20m3/h。
料液流经全部管道的能量损失为70J/kg,求泵的有效功率。
解:
在截面A-A和截面B-B之间列柏努利方程式,得
22
P也g乙We2里gZ2hf
22
U1
0;
hf
70Jkg
VV
203600
U2
An
2
3.14
ms1.966ms
2'
d
0.0682
0.004
4
4
2
2
We
P2P1
U2
U1
gZ2乙
hf
2
1.21
1.01331051.9662
We
9.88.070Jkg
800
2
2.461.93
78.4
70Jkg
175Jkg
Ne
WsWe
203600
800173W
768.9W
p11.0133105Pa;p21.21105Pa;Z2Z18.0m;
6、某液体以一定的质量流量在水平直圆管内作湍流流动。
若管长及液体物性不变,将管径
减至原来的1/2,问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍?
解:
流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时
因此
又由于
Pf=
hf=
Pf/=
L
2
Ub
d
2
h2
/2
d1
Ub2
、2
=(—
)(-
)(-
■)
hf1
1
d2
Ub1
h
式中d1=2,ub2=(鱼)2=4
d2山d2
hf2
hf1
=(」)
(2)⑷2=32
1
0.316
Re
0.25
2Rei025d1Ub1\0.251025noc
-=(L)0.25=()=(2X)0=(0.5)°.25=0.841
1Re2d?
%4
hf2
-=32X0.84=26.9
hf1
ed0.0044
7、用泵将2X104kg/h的溶液自反应器送至高位槽(见本
题附图)。
反应器液面上方保持25.9x103Pa的真空度,高位槽液面上方为大气压。
管道为76mmx4mm的钢
管,总长为35m,管线上有两个全开的闸阀、一个孔板流
量计(局部阻力系数为4)、五个标准弯头。
反应器内液面与管路出口的距离为17m。
若泵的效率为0.7,求泵的轴功率。
(已知溶液的密度为1073kg/m3,黏度为6.310-4Pas。
管壁绝对粗糙度可取为0.3mm。
)
解:
在反应器液面1-1与管路出口内侧截面2-2间列机械能衡算方程,以截面1-1,为基准水平面,得
g乙
2
Ub1p
~2—
2
Wegz2守
也hf
式中
Z1=0,
Z2=17m
Ub1~0
Ub2
w
2
104ms
-d2
4
36000.785
0.06821073
(1)
1.43ms
p1=-25.9x103Pa俵),p2=0(表)将以上数据代入式
(1),并整理得
2
Ub2P2P1.
Weg(Z2乙)一--hf
2
泵的轴功率为
式中P1=0(表)
136000.6
Z11.5m6.66m
1000
将以上各值代入式(a),即
9.81X6.66=u^+39630+2.13ub2
21000
水的流量为Vs3600nd2ub36000.7850.123.13m3s1.43m3s
4
(2)闸阀全开时测压点处的压力在截面1-1,与管路出口内侧截面3-3,间列机械能衡算方程,并通过管中心线作基准平面,得
2
Ub1Pi
2
式中
gz3-phf,—3(c)
Z1=6.66m,Z3=0,ub1=0,p1=p3
22
LLeUb35Ub2
hfi3(ec)丄=0.025(—15)0.5—4.81u:
d20.12
将以上数据代入式(c),即
2
9.81X6.66=丄+4.81Ub2
2
解得ub3.13ms
再在截面1-1,与2-2,间列机械能衡算方程,基平面同前,得
将以上数值代入上式,则
-蒸馏部分
色吐%100%=竺竺“00%“现
仏护f10025
£2)饰出液的最大可能液量
当张二100%时.获溥底丸可能液量-即
V„L:
rlI
1(X)x(>,5,
nDfinit
=kmol/h=52.63kinvl/h
0,95
2、在连续精馏塔中分离A、B两组分溶液。
原料液的处理量为100kmol/h,其组成为0.45
(易挥发组分A的摩尔分数,下同),饱和液体进料,要求馏出液中易挥发组分的回收率为
96%,釜液的组成为0.033。
试求
(1)馏出液的流量和组成;
(2)若操作回流比为2.65,写出精馏段的操作线方程;(3)提馏段的液相负荷。
解:
(1)馏出液的流量和组成
由全塔物料衡算,可得
qn,DxD0.96qn,FxF0.961000.45kmol/h43.2kmol/h
qn,wXw10.961000.45kmol/h1.8kmol/h
qn,W
kmol/h=54.55kmol/h
0.033
qn,Dqn,Fqn,w10054.55kmol/h=45.45kmol/h
Xd
43.2
45.45
0.9505
(2)精馏段操作线方程
RxD2.65
yxx
R1R13.65
0.9505
3.65
0.726x0.2604
(3)提馏段的液相负荷
qn,Lqn,Lqqn,FRqn,Dqn,F2.6545.45100kmol/h220.4kmol/h
3、在连续操作的精馏塔中分离两组分理想溶液。
原料液流量为50kmol/h,要求馏出液
中易挥发组分的收率为94%。
已知精馏段操作线方程为y=0.75X+0.238;q线方程为y=2-3x。
试求
(1)操作回流比及馏出液组成;
(2)进料热状况参数及原料的总组成;(3)两操
作线交点的坐标值xq及yq;(4)提馏段操作线方程。
解:
(1)操作回流比及馏出液组成由题给条件,得
旦0.75及旦0.238
R1R1
解得R=3,xd=0.952
(2)进料热状况参数及原料液组成由于
旦3及王2
q11q
解得q=0.75(气液混合进料),xf=0.5
(3)两操作线交点的坐标值xq及yq联立操作线及q线两方程,即
y0.75x0.238
y23x
解得xq=0.4699及yq=0.5903
(4)提馏段操作线方程其一般表达式为
qn,Lqn,W
yxxw
qn,Vqn,V
式中有关参数计算如下:
qn,D
Aqn,FXF
Xd
0.94500.5kmol/h24.68kmol/h
0.952
qn,Wqn,Fqn,D
5024.68kmol/h=25.32kmol/h
1aqnMF10.94500.5
qn,W
25.32
0.0592
qn,LRqn,Dqqn,F
324.680.7550kmol/h=111.54kmol/h
qn,Vqn,Lqn,w111.5425.32kmol/h=86.22kmol/h
111.5425.32
贝Uyx0.05921.294x0.01739
86.2286.22
4、
II.札分鬲两姐分41瞬冰it物系#均相時挥发度为2.山廉號浣量为lOOkmoUh.
蛊招如,惋出液泣女为fiflkmoWh坠残浓如蕨为0X)1(易崔发纽分的卑1;分故)‘试求(I)探作线才租;
(2)由塔内簽下一展塑论坂下障飾浪招组直于齐
解:
木题为提愉塔I即斥料由塔顶加人、囲此该塔仪有提馆段
(1}操作线方程此为提懈股按作找方崔、即
t弓町’t
V=X_——石
%q*、
式申—-100kmo1/11
ffttv=4j>=6OkmoUh
=q^-qril>=(l(X)-6C}kmo]/h=40knn)l/h
HJ(J40
V*=—V—x0b0l=J亠UOOC7
6060
(2)最下层塔板下降婀浪和纽版由于再沸器相当干一层理论坂*故
=2k0()1=o.uws
1+(lt'I}xw1+0.01
Yim与5W符含濃作炎系,则
K皿7」皿5.圖讪®
提馆塔的塔顼一般没有液柏I日怎
5、
II在常压连申分岛两组分理槪皋紀谗物系的丰均器对挥紅为25■斥料液姐倉为0.35(痔獰发蛆#的犀尔今教、TR).悔卜秦乞h粗已拥射Mt撫作我芳程为尸时弘也加试求
(1)蕖作回说比易铁卜回沁匕的比值;
(2)若塔顶芻一城下障的菠翔组成为0•人谨坂的气里效4£Wh
解:
(1)尺与尺価的比值
-^-=075
Alf=(J.20(/f1-1)=0.2x4^O.s
对饱和蒸毛进抖*g=0、X|=035
片_03,
Yd+
d—)035+2*5 (2)气相戏弗里效率咒相默弗豐效率的足汇式为 \\O.75.V,+0,20=0.75x0.7+0.20=0.725 将有矣欣拇代入式(】)、得 6、 10.扛常压连续胳憎塔冉分乳幫一就采泯合才沢已茹进料量为X5kiwl/lh组成为(N5(易葬发掘分鸽摩尔分做下同)’泡点进楸塔预饵出液的蛆成为Ug埋盧飪毁液红戎为皿匕操作阿滦比为邛”塔直黨用全毀熱抱点国汛苯、氯鼠的汽化接分別#W"mnl和36,52kJMKJh水的比热寥为4JH7kJ/(kg<)4若冷却加通过全箴器温度升高15匸,加然義汽绝时压力为WtHFaC^和温度为15L7仁■汽叱热为2IHkJ/kgl.试球冷却水和加热蒸汽的湍量…怨略组少汽化施随温度冏愛化* 解: 由題给秦件,可求得塔内的毛棚负荷,即 q,a二q,————=S5xk^iol/h-3工鬧kinoL/h u斥—g0.99(X02 对于氾点进柏精撇段和浸畑毀气棚负荷棚同、列 qnV=t/nA=4/nn(/? 1-11=4r5x37,94kirKil4i=170,7krtwl/h (1)冷却水蔬莹由于烽预恭的含蚤很禹,可袪纯笨计鼻.即y=g^z^17OT7x3(J,(j5xlO'kJ/li=5.232kJ/l» 5232址IT 4.187x15 kf/h-&+33xio4kg/h (2)加达裁汽流量萤液申氯苯的金量很禹’可按纯就規计算.即 Q严qnyY^=170.7x36,52x10'kj/h=6,234kJ/h 0H_6234x10* 2115 kg/h=2.95kg/h
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