化工原理习题(含答案)

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39.5×106Pa，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3×103Pa）？解：由流体静力学方程，距罐底1000mm处的流体压力为[]（绝压）Pa10813.1Pa)0.15.9(81.9960103.10133?=-??+?=+=ghppρ作用在孔盖上的总力为N10627.3N76.04π103.10110813.1)(4233a?????-=＝）－＝（AppF每个螺钉所受力为N10093.6N014.04π105.39321?=÷??=F因此()（个）695.5N10093.610627.3341≈=??==FFn2．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R1=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()（表）Pa101.165Pa08.081.9136001.081.9100042汞3水A?=??+??=+=gRgRpρρ（2）B点的压力()（表）Pa107.836Pa5.081.91360010165.1441汞AB?=??+?=+=gRppρ习题2附图习题1附图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pPA=PAP+ρ水gh+ρ汞gR=P0P=p0-ρ水gh-ρ汞gR=（101.3×103-1000×9.8x0.8-13600×9.8×0.1）P=80.132kpa4、如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7m，水从φ108mm×4mm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∑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）。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,得22121b12b2f1122ppgzugzuhρρ++=+++∑（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22b2b219.8179.811.55.52uu?=?++sm0.3b=u（2）水的流量（以m3/h计）()hm78.84sm02355.0004.02021.0414.30.3332b2s==?-??==AuV5、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1.0133?105Pa。流体密度为800kg/m3。精馏塔进口处的塔内压力为1.21?105Pa，进料口高于储罐内的液面8m，输送管道直径为φ68mm?4mm，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-AA'和截面-BB'之间列柏努利方程式，得2211221e2f22pupugZWgZhρρ+++=+++∑()m966.1sm004.02068.0414.33600204πkgJ700m0.8Pa1021.1Pa100133.1222f1125251=?-?====≈=-?=?=∑dVAVuhuZZpp；；；；()222121e21f2ppuuWgZZhρ--=++-+∑()()768.9WW173800360020kgJ175kgJ704.7893.146.2kgJ700.88.92966.1800100133.121.1ese25=??===+++=??????+?++?-=WwNWe6、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fp?=fhρ∑或fh∑=fp?/ρ=λ2b2uLdρ∑∑f1f2hh=（2b1b22112))()(uuddλλ式中21dd=2，b2b1uu=（21dd）2=4因此∑∑f1f2hh=221()(2)(4)λλ=3212λλ又由于25.0Re316.0=λ12λλ=（25021.)ReRe=（0.251b12b2)dudu=（2×25041.)=（0.5）0.25=0.841故∑∑f1f2hh=32×0.84=26.97、用泵将2×104kg/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25.9×103Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为φ76mm×4mm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6.3?10-4Pa?s。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22b1b2121e2f22uuppgzWgzhρρ+++=+++∑（1）式中z1=0，z2=17m，ub1≈0sm43.1sm1073068.0785.036001024242b2=????==ρπdwup1=-25.9×103Pa(表)，p2=0(表)将以上数据代入式（1），并整理得2b221e21f()2uppWgzzhρ-=-+++∑=9.81×17+24312.+1073109.253?+fh∑=192.0+fh∑其中fh∑=（λ+eLLd+∑+∑ζ）2b22u=Rebduρμ=30.0681.4310730.6310-???=1.656×1050044.0=de根据Re与e/d值，查得λ=0.03，并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为闸阀（全开）：0.43×2m=0.86m标准弯头：2.2×5m=11m故fh∑=(0.03×350.86110.068+++0.5+4)kgJ243.12=25.74J/kg于是()kgJ217.7kgJ74.250.192e=+=W泵的轴功率为sN=eWη/w=W7.036001027.2174???=1.73kW习题7附图8、如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15m处安有以水银为指示液的U管压差计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为20m。（1）当闸阀关闭时，测得R=600mm、h=1500mm；当闸阀部分开启时，测得R=400mm、h=1400mm。摩擦系数λ可取为0.025，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。问每小时从管中流出多少水（m3）？（2）当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少Pa（表压）。（闸阀全开时Le/d≈15，摩擦系数仍可取0.025。）解：（1）闸阀部分开启时水的流量在贮槽水面1-1，与测压点处截面2-2，间列机械能衡算方程，并通过截面2-2，的中心作基准水平面，得22b1b21212f1222uuppgzgzhρρ++=+++∑，－（a）式中p1=0(表)()（表）Pa39630Pa4.181.910004.081.913600OHHg22=??-??=-=gRgRpρρub2=0，z2=0z1可通过闸阀全关时的数据求取。当闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方程知2HO1Hg()gzhgRρρ+=（b）式中h=1.5m,R=0.6m将已知数据代入式（b）得m66.6m5.110006.0136001=?????-?=z2222bbf,1-2cbb15()2.13(0.0250.5)2.1320.12uuLhuudλζ∑=+==?+=将以上各值代入式（a），即9.81×6.66=2b2u+100039630+2.13ub2解得sm13.3b=u水的流量为()sm43.1sm13.31.0785.036004π3600332b2s=???==udV（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22b1b33113f1322uuppgzgzhρρ++=+++∑，－（c）式中z1=6.66m，z3=0，ub1=0，p1=p3习题8附图2ebf,13c()2LLuhdλζ-+∑∑=+=22bb350.025(15)0.54.810.12uu??++=????将以上数据代入式（c），即9.81×6.66=2b2u+4.81ub2解得sm13.3b=u再在截面1-1，与2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得22b1b21212f1222uuppgzgzhρρ++=+++∑，－（d）式中z1=6.66m，z2=0，ub1≈0，ub2=3.51m/s，p1=0（表压力）kgJ26.2kgJ251.35.01.05.1025.022f,1=?????+=∑-h将以上数值代入上式，则2.261000251.366.681.922++=?p解得p2=3.30×104Pa（表压）·蒸馏部分1、在一连续精馏塔中分离苯的含量为0。5（苯的摩尔分数，下同）的苯-甲苯混合液，其流量为100kmol/h。已知馏出液组成为0。95，釜液组成为0.05，试求（1）馏出液流量及苯的回收率（2）保持馏出液组成0.95不变，馏出液最大可能流量。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kmol/h43.2kmol/h45.010096.096.0FFn,DDn,=??==xqxq()kmol/h1.8kmol/h45.010096.01WWn,=??-=xqn,W1.80.033q=kmol/h=54.55kmol/h()n,Dn,Fn,W10054.55qqq=-=-kmol/h=45.45kmol/h9505.045.452.43D==x（2）精馏段操作线方程2604.0726.065.39505.065.365.211D+=+=+++=xxRxxRRy（3）提馏段的液相负荷()kmol/h4.202kmol/h10045.4565.2Fn,Dn,Fn,Ln,Ln,=+?=+=+='qRqqqqq3、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75.01=+RR及238.01D=+Rx解得R=3，xD=0.952（2）进料热状况参数及原料液组成由于31qq=--及21F=-qx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238.075.0+=xy23yx=-解得xq=0.4699及yq=0.5903（4）提馏段操作线方程其一般表