化工原理典型习题解答(共38页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上化工原理典型习题解答王国庆 陈兰英广东工业大学化工原理教研室2003专心-专注-专业上 册一、选择题1、 某液体在一等径直管中稳态流动，若体积流量不变，管内径减小为原来的一半，假定管内的相对粗糙度不变，则(1) 层流时，流动阻力变为原来的 C 。A4倍 B8倍 C16倍 D32倍(2) 完全湍流(阻力平方区)时，流动阻力变为原来的 D 。A4倍 B8倍 C16倍 D32倍解：(1) 由得 (2) 由 得 2 水由高位槽流入贮水池，若水管总长（包括局部阻力的当量长度在内）缩短25%，而高位槽水面与贮水池水面的位差保持不变，假定流体完全湍流流动(即流动在阻力平方区)不变，

2、则水的流量变为原来的 A 。A1.155倍 B1.165倍 C1.175倍 D1.185倍解：由 得 所以 又由完全湍流流动，得 所以 ，而 所以 3 两颗直径不同的玻璃球分别在水中和空气中以相同的速度自由沉降。已知玻璃球的密度为2500kg/m3，水的密度为998.2kg/m3，水的粘度为1.00510-3Pas，空气的密度为1.205kg/m3，空气的粘度为1.8110-5Pas。（1）若在层流区重力沉降，则水中颗粒直径与空气中颗粒直径之比为 B 。A8.612 B9.612 C10.612 D11.612（2）若在层流区离心沉降，已知旋风分离因数与旋液分离因数之比为2，则水中颗粒直径与空

3、气中颗粒直径之比为 D 。A10.593 B11.593 C12.593 D13.593解：(1) 由 ，得 所以 (2) 由 ，得 ，所以 4. 某一球形颗粒在空气中自由重力沉降。已知该颗粒的密度为5000kg/m3，空气的密度为1.205kg/m3，空气的粘度为1.8110-5Pas。则(1) 在层流区沉降的最大颗粒直径为 B 10-5m。A3.639 B4.639 C5.639 D6.639(2) 在湍流区沉降的最小颗粒直径为 C 10-3m。A1.024 B1.124 C1.224 D1.324解：(1) 由 ，得 而：，所以 (2) 由：，得：； 所以： 5. 对不可压缩滤饼先进行恒

4、速过滤后进行恒压过滤。（1）恒速过滤时，已知过滤时间为100s时，过滤压力差为3104Pa；过滤时间为500s时，过滤压力差为9104Pa。则过滤时间为300s时，过滤压力差为 C 。A4104Pa B5104Pa C6104Pa D7104Pa（2）若恒速过滤300s后改为恒压过滤，且已知恒速过滤结束时所得滤液体积为0.75m3，过滤面积为1m2，恒压过滤常数为K=510-3m2/s，qe=0m3/m2(过滤介质的阻力可以忽略)。则再恒压过滤300s后，又得滤液体积为 D 。A0.386m3 B0.486m3 C0.586m3 D0.686m3解：(1) 由 ，得 两式相减，得 ，所以 所以

5、 (2) 由 ，得 6. 对某悬浮液进行恒压过滤。已知过滤时间为300s时，所得滤液体积为0.75m3，且过滤面积为1m2，恒压过滤常数K=510-3m2/s。若要再得滤液体积0.75m3，则又需过滤时间为 C 。A505s B515s C525s D535s解：由 ，得 所以 7. 水蒸汽在一外径为25mm、长为2.5m的水平管外冷凝。（1）若管外径增大一倍，则冷凝传热系数为原来的 C 。A0.641倍 B0.741倍 C0.841倍 D0.941倍（2）若将原水平管竖直放置，且假定冷凝液层流流动，则冷凝传热系数为原来的 A 。A0.493倍 B0.593倍 C0.693倍 D0.793倍解

6、：(1) 由 ，得 (2) 由 ，得 8. 冷热水通过间壁换热器换热，热水进口温度为90C，出口温度为50C，冷水进口温度为15C，出口温度为53C，冷热水的流量相同，且假定冷热水的物性为相同，则热损失占传热量的 C 。A5% B6% C7% D8%解：由 ，得 二、 计算题1. 如图所示，常温的水在管道中流过，两个串联的U形管压差计中的指示液均为水银，密度为rHg，测压连接管内充满常温的水，密度为rw，两U形管的连通管内充满空气。若测压前两U形管压差计内的水银液面均为同一高度，测压后两U形管压差计的读数分别为R1、R2，试求a、b两点间的压力差。解： ， 而 ，所以 2. 在如图所示的测压差

7、装置中，U形管压差计中的指示液为水银，其密度为rHg，其他管内均充满水，其密度为rw，U形管压差计的读数为R，两测压点间的位差为h，试求a、b两测压点间的压力差。解：由 所以：所以： 3. 某流体在水平串联的两直管1、2中稳定流动，已知，。今测得该流体流径管道1的压力降为0.64m液柱，流径管道2的压力降为0.064m液柱，试计算管道2的长度。解：由 ，得 ，所以 所以 所以 ，又 ，所以 ，所以 4. 密度为1000kg/m3，粘度为1cP的水，以10m3/h的流量在内径为45mm的水平光滑管内流动，在管路某处流体的静压力为1.5105Pa(表压)，若管路的局部阻力可忽略不计，则距该处100

8、m下游处流体的静压力为多少Pa(绝对压力)?解： ， 由：，得 5. 用一离心泵将冷却水由贮水池送至高位槽。已知高位槽液面比贮水池液面高出10m，管路总长（包括局部阻力的当量长度在内）为400m，管内径为75mm，摩擦系数为0.03。该泵的特性曲线为，试求：（1）管路特性曲线；（2）泵工作时的流量和扬程知：；。求：(1) ； (2) 、解：(1) 由 得 (2) 而 ，所以 解之： 所以 6. 现有一台离心泵，允许吸上真空度， 用来输送20C的清水，已知流量为20m3/h，吸入管内径为50 mm，吸入管的全部阻力损失为，当地大气压为10 mH2O。试计算此泵的允许安装高度为多少米？ 解：，7.

9、 远距离液位测量欲知某地下油品贮槽的液位H ，采用图示装置在地面上进行测量。测量时控制氮气的流量使观察瓶内产生少许气泡。已知油品的密度为850 kgm3。并铡得水银压强计的读数R为150mm，同贮槽内的液位 H 等于多少? 解：因观察瓶内只有少许气泡产生，这表明在管道内氮气的流速极小，可近似认为处于静止状态。在静止流体内部各点的单位总势能相等，故：， （因很小），贮槽内液位为8. 管道两点之间压的测量A、B两断面分别位于直管段内，在此两断面间装有单U形管和复式U形管压强计(如附图所示)。单U形管内指示液的密度为，复式U形管的中间流体和直管内流体相同，密度均为，试证明R1R2十R3。解：在直管内

10、垂直于流动方向的横断面上，流体压强服从静压分布规律，其虚拟压强是常数。连接于管路A、B两点间压差计的读数直接反映两测压点所在断面的虚拟压强差。对于单U形管压强计： （1）对于复式U形管的左、右两U形管可分别写出： ； 两式相加得： （2）由式1、式2可得 。9. 虹吸管顶部的最大安装高度 利用虹吸管将池中温度为90热水引出，两容器水面的垂直距离为2m，管段AB长5m，管段BC长10m(皆包括局部阻力的当量长度)，管路直径为20mm，直管阻力系数为0.02。若要保证管路不发生汽化现象，管路顶点的最大安装高度为多少？ (已知90热水的饱和蒸汽压为701104Pa)解： 在断面11和22之间列机械能

11、衡算式，可求得管内流速：设顶点压强，在断面11和断面BB之间列机械能街算式，可求出B点最大安装高度为：10. 喷嘴的尺寸与喷出速度 附图所示管路由5735钢管组成，管长18m，有标准直角弯头两个，闸阀一个，直管阻力系数为0.029，高位槽内水面距管路出口的垂直距离为9m。 当阀门全开口，试求： (1) 管路出口流速及流量； (2) 若在管路出口装一直径为25mm的喷嘴，喷嘴的局部阻力系数0.5，管路的出口流速和流量有何变化? (3) 改变喷嘴尺寸，可能获得最大喷出速度为多少?(假设喷嘴的局部阻力系数05不变)。 (4) 若将流体视为理想流体，安装咳嘴前后流量的变化如何？解： (1) 管路中各管

12、件的局部阻力系数分别是：。由断面11和22之间的机械能衡算式，得管内流量：（2）若管路出口安装一喷嘴（如虚线所示），则断面1-4-1和2-2间的机械能衡算式为：流量为：在管路出口安装喷嘴，缩小了出口流通面积并引入一个局部阻力，使管内流量减少，管内流量的降低使沿程阻力损失大为减少，而且减少量远远超过喷嘴产生的局部阻力损失，因此，就整个管路而言，阻力损失不是增加而是减小了。喷嘴出口的流速之所以能够加快，其原因就在于此。在本例中，安装喷嘴后，出口的流通面积缩小了34，流量减少了：（3）由(2)可知，喷嘴直径越小，管路沿程阻力损失亦越小，喷出速度越大。当喷嘴直径足够小时，管内流体可看成是静止的，沿程阻

13、力损失为零。在此条件下可求得喷嘴的最大喷出速度为：(4) 对于理想流体，安装喷嘴前后的出口流速皆为 ，故安装喷嘴前后的流量之比为： 11. 从水塔管道输送水，水塔水面距出水管口的垂育距离为10m，新管道全长500m，管件的局部阻力可近似地等于水管全长的50，水温为20，输水量为10m3/h试求水管的最小直径。解 取水塔水面为11截面，水管出水口为22截面，基准水平面通过出水管的水平中心线，在两截面间列柏努利方程式：已知：z1=10m，z2=0；u10；p1=p2=0（表压）；u2=u，则上式可简化为：gz1=u2/2+hf。如果忽略静压头转化为动压头的能量，则得：d=120mm已知：l=500

14、m，le=50050%=250m，代入上式得：即：解得：d1.75=210-7，即d=0.063m。12. 在如图所示的平板导热系数测定装置中，试样直径，且由于试样厚度远小于直径，可以忽略试样径向的热损失。由于安装不好，试样与冷、热表面之间均存在着一层厚度为0.1mm的空气隙。设热表面温度，冷表面温度。测试时测得的传热速率。空气隙在下的导热系数，在下的导热系数。试计算空气隙的存在给导热系数的测定带来的误差。（提示：不考虑空气隙计算得到的导热系数为表观值，考虑空气隙计算得到的导热系数为真实值，即要计算）解：由 得 又由 ，得 所以： 所以 13. 外径为50mm的不锈钢管，外包6mm厚的玻璃纤维

15、保温层，其外再包20mm厚的石棉保温层，管外壁温为300C，保温层外壁温为35C，已知玻璃纤维和石棉的导热系数分别为0.07W/(mK)和0.3 W/(mK)，试求每米管长的热损失及玻璃纤维层和石棉层之间的界面温度。解： 所以 14. 某液体在一直管内（忽略进口段的影响）稳定强制湍流流动，该管内径为20mm，测得其对流传热系数为a，现将管内径改为27mm，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。(1) 若液体的流速保持不变，试问管内对流传热系数有何变化？(2) 若液体的质量流量保持不变，试问管内对流传热系数有何变化？知： ，求： 解：(1) 由 ，得：(2) 由 ，得：，所以 15. 饱和温度为

16、100C的水蒸汽，在外径为40mm、长度为2m的单根竖管 外表面上冷凝。管外壁温为94C。试求每小时的蒸汽冷凝量。100C下水的汽化潜热r = 2258103 J/kg，97C下水的物性数据为：l = 0.682 W/(mK)，m = 2.8210-4 Pas，r = 958 kg/m3。解：由 得 又由 得 16. 在管长为1m的冷却器中，用水冷却油。已知两流体作并流流动，油由420K冷却到370K，冷却水由285K加热到310K。欲用加长冷却管的办法，使油出口温度降至350K。若在两种情况下油、水的流量、物性、进口温度均不变，冷却器除管长外，其他尺寸也不变。试求加长后的管长。知： ，；，；

17、，求： 解：由 ，得 所以 ， 又由 ，得，又由 ，得 所以 17. 在一内钢管为f18010mm的套管换热器中，将流量为 3500kg/h 的某液态烃从100C冷却到60C，其平均比热为2380J/(kgK)。环隙逆流走冷却水，其进出口温度分别为40C和50C，平均比热为4174 J/(kgK)。内管内外侧对流传热系数分别为2000W/(m2K)和3000W/(m2K)，钢的导热系数可取为45 W/(mK)。假定热损失和污垢热阻可以忽略。试求：(1) 冷却水用量；(2) 基于内管外侧面积的总传热系数；(3) 对数平均温差；(4) 内管外侧传热面积。解：(1) 由 得 (2) 所以 (3) (

18、4)由 得 18. 在列管换热器中，用120C的饱和蒸汽将存放在常压贮槽中的温度为20C、比热为2.09、质量为2104kg的重油进行加热。采用输油能力为6000kg/h的油泵，将油从贮槽送往换热器，经加热后再返回贮槽中，油循环流动。若要求经4h后油温升高至80C，试计算换热器的传热面积。设加热过程中K可取为350，且在任何时刻槽内温度总是均匀一致的。知： ，求：S解：在t 时刻， 又 所以 ， ， 在dt 内， 所以 所以 所以 下 册1. 吸收剂用量对气体极限残余浓度的影响用纯水逆流吸收气体混合物中的SO2(其余组分可视为惰性成分)，混合物中SO2的初始浓度为5(体积百分数)，在操作条件下

19、相平衡关系，试分别计算液气比为4与6时气体的极限出口浓度。解：当填料塔为无限高，气休出口浓度达极限值，此时操作线与平衡线相交。对于逆流操作，操作线与平衡线交点位置取决于液 气比与相平衡常数m的相对大小。 当LG4，（LGm时，操作线ab与平衡线交于塔底(见附图点b)，由相平衡关系可以计算液体出口的最大浓度为： 由物料衡算关系可求得气体的极限出口浓度为：当LG6时(LGm)，操作线ab与平衡线交于塔顶(见附图中点a)，由平衡关系可以计算气体极限出口浓度为：由物料衡算关系可求得液体出口浓度为：从以上计算结果可知，当L/Gm时，气体的极限残余浓度随LG增大而减小；当L/Gm时，气体的极限浓度只取决于

20、吸收剂初始浓度，而与吸收剂的用量无关。2. 逆流与并流操作最小吸收剂用量在总压为3039105 Pa(绝对)、温度为20下用纯水吸收混合气体中的SO2，SO 2的初始浓度为0.05(摩尔分率)，要求在处理后的气体中SO2含量不超过1(体积百分数)。已知在常压下20时的平衡关系为y139x，试求逆流与并流操作时的最小液气比(LG) 各为多少?解：由常压下20时的相平衡关系y139x，可求得p3039105Pa、t=20时的相平衡常数为： （1）逆流操作时，气体出口与吸收剂入口皆位于塔顶，故操作线的一个端点(y2,x2)的位置已经确定(附图b中点b)。当吸收剂用量为最小时，操作线将在塔底与平衡线相

21、交于点d，即。于是,由物料衡算式可求得最小液气比为:附图（a） 附图（b）(2) 并流操作时，气体与液体进口皆位于塔顶，故操作线一端点(、)的位置已确定（附图b中点c）。当吸收列用量最小时，气液两相同样在塔底达到平衡，操作线与平衡线交于d点，此时。由物料衡算式可得最小液气比为 从以上计算结果可以看出，在同样的操作条件下完成同样的分离任务，逆流操作所需要的最小液气比远小于井流。因此，从平衡观点看，逆流操作优于并流操作。3. 吸收塔高的计算 某生产过程产生两股含有HCl的混和气体，一股流量0.015kmo1s，HCI浓度（摩尔分率），另一股流量0015kmo1s，HCl浓度 (摩尔分率)。今拟用一

22、个吸收塔回收二股气体中的HCl，总回收率不低于85，历用吸收剂为20纯水，亨利系数E2786105 Pa，操作压强为常压，试求：(1) 将两股物料混和后由塔底入塔(附图a中点a )，最小吸收剂用量为多少?若将第二股气流在适当高度单独加入塔内(附图a中点b)，最小吸收刘用量有何变化？ (2) 若空塔速度取05ms，并已测得在此气速下 kmo1（sm2），实际液气比取最小液气比的12倍，混合进料所需塔高为多少？附图（a） (3) 若塔径与实际液气比与(2)相同，第二股气流在最佳位置进料，所需塔高为多少？中间加料位于何处？解：(1) 在操作条件下，系统的相平衡常数为：两股气体混和后的浓度为：气体出口

23、浓度为两股气体混合后进塔的最小液气比（参见附图b）为：附图（b） 附图（c）当两股气体分别进塔时，塔下半部的液气比大于上半部，操作线将首先在中间加料处与平衡线相交(参见附图c)，对中间加料口至塔顶这一段作物料衡算，可求出为达到分离要求所需要的最小液气比为 ” 吸收塔下半部的液气比，对下半部作物料杨算可得液体最大出口浓度为连接，0）、（，）和（，）三点即得分段进料的操作线。4. 吸收剂再循环对所需塔高的影响用纯水吸收空气氨混合气体中的氨，氨的初始浓度为0.05(摩尔分率)，要求氨回收率不低于95，塔底得到的氨水浓度不低于0.05。已知在操作条件下气液平衡关系，试计算：5. 吸收剂用量对传质系数的

24、影响 6. 传质阻力较小侧流体的流量变化对吸收过程的影响7. 提高回收率的代价8. 理论板数的计算9. 回流温度对所需理论塔板数的影响混合液组成、分离要求、回流比、加料热状态及相平衡关系皆与 例1. 相同，但回流温度为20，求所需理论板数为多少?已知回流液体的泡点为83，汽化潜热为32104J/mol，比热容为140J/(mo1K)。与题8相比较可知在同样回流比下，回流液体的温度越低，塔内实际循环的物料量越大，所需理论板数越少，其代价自然是增加塔釜的热耗。10. 原料组成对最小回流比的影响两种含苯和甲苯混合液，所含苯的浓度各为0.2与0.4(皆为摩尔分率)，欲用精馏方法加以分离，要求馏出物组成

25、为0.85，混合液在泡点状态加入塔内，试求所需的最小回流比各为多少?若原料液系由水与乙醇混合而成，原料入塔的热状态及塔顶产品的浓度不变，试计算当原料组成为0.2及0.4时，所需要的最小回流比各为多少？两物系平衡关系如附图所示。11. 加料热状况对所需最低能耗的影响某苯与甲苯混合物的流量为100 kmol/h，苯的浓度为0.3(摩尔分率)，温度为20，拟采用精馏操作对其进行分离，要求塔顶产品的浓度为0.9，苯的回收率为90，精馏塔在常压下操作，相对挥发度为247，试比较以下三种工况所需要的最低能耗(包括原料预热需要的热量)： (1) 20加料； (2) 预热至泡点加料； (3) 预热至饱和蒸汽加

26、料。已知在操作条件下料液的泡点为98，平均比热容为1615J(molK)，汽化潜热为32600Jmol。12. 设有部分冷凝器的精馏塔理论板数的计算 用精馏操作分离含甲醇20(摩尔分率)的水与甲醉混合液，精馏塔顶部设有部分冷凝器(见附图a)，未冷凝的气体继续冷凝得到液体产品D1，冷凝液部分回流入塔，部分作为产品D2，其数量为Dl的13。要求塔顶产品Dl的浓度为0.9，塔底产品浓度为0.05，物料在泡点下入塔。以产品Dl计的回流比取为15，在操作条件下，物系的平衡关系如附图b所示，试求该精馏塔内应具有多少块理论板？ 13. 物料衡篡关系对精馏塔的调节作用 用精馏塔分离苯与甲苯混合物，精馏塔具有1

27、0块理论板，加料板为第4块，料液在泡点下进塔，回流比R=3.0，在正常操作下，馏出液浓度xD09，馏出率DF=04。现进料组成因故降为Xf030，试问： (1)若保持馏出率DF不变，增大回流比，能否得到合格产品? (2)为保证塔顶产品质量合格，在原回流比下，馏出率应降为多少?若进料绝F不变，塔釜供热量须相应作何调整？14. 湿空气的混合 某干燥器的操作压强为7998kPa，出口气体的温度为60，相对湿度70，将部分出口气体返回干燥器入口与新鲜空气相混合，使进入干燥器的气体温度不超过90，相对湿度为12(参见附图a)。已知新鲜空气的质量流量为05025kgs，温度为20，湿度为0.005kg水k

28、g干空气，试求： (1)新鲜空气的预热温度及空气的循环量； (2)预热器需提供的热量为多少？若将流程改为先混合后预热，所需热量是否有变化？15. 废气再循环某湿物料用热空气进行干燥，空气的初始温度为20，初始湿含量为0.006kgkg干空气，为保证干燥产品的质量，空气进入干燥器的温度不得高于90。若空气的出口温度选定为60，并假定为理想干燥过程，试求：(1)将空气预热至最高允许温度即90进入干燥器，蒸发每千克水分所需要的空气量及供热量各为多少?热效率为多少2(2)若将干燥器出口气体的23回流至入口与新鲜空气混合，并同样使气体的入口温度为90，蒸发每千克水分所需要的空气量、供热量及热效率各有何变

29、化?从本例计算结果可以看出，当被干燥物体不允许与高温气流接触时，采用废气再循环流程，可以将新鲜空气预热至允许温度以上，从而减少空气的需用量，提高干燥过程的效率，降低干燥过程的能耗。为避免使用高能位的热源，通常是先混合后预热。但先混和后预热与先预热后混和所需能耗量相同。16 .料层厚度对干燥过程的影响 某湿物料10kg，均匀地平摊在长08m、宽06m的平底浅盘内，并在恒定的空气条件下进行干燥，物料的初始含水量为15，干燥4小时后含水量降为8，已知在此条件下物料的平衡含水量为1%，临界含水量为6(皆为湿基)，并假定降速阶段的干燥速率与物料的自由含水量(干基)成线性关系，试求： (1)将物料继续干燥

30、至含水量为2，所需要总干燥时间为多少？ (2)现将物料均匀地平摊在两个相同的浅盘内，并在同样空气条件下进行干燥，只需4小时便可将物料的水分降至2，问物料的临界含水量有何变化？恒速干燥阶段的时间为多少？17. 采用干燥器对某种盐类结品进行干燥，一昼夜将10t湿物料由最初湿含量10干燥到最终湿含量1 (以上均为湿基) 。热空气的温度为100，相对湿度为5%，以逆流方式通入干燥器。空气离开干燥器时的温度为65，相对湿度为25。试求：(1)每小时原湿空气用量，kgh；(2)产品量，kgh；(3)如干燥器的截面积为圆形，要求热空气进入干燥器的线速度为0.4ms，试求干燥器的宜径。在65时，空气中的水汽分

31、压为187.5mm汞柱。 18. 为了得到指定状态(温度 (tD为316K，相对湿度为40)的空气，可采用的方法之一是：先让新鲜空气 (温度tA为303K，相对湿度为20 )，通过第一加热器加热到某温度后，再令其通过一喷水室进行绝热冷却增湿至饱和状态，最后再通过第二加热器加热到指定的状态。试求： 1离开第二加热器的空气温度； 2设离开喷水宝的空气与水的温度相同，求水的温度；3离开第一加热器的空气温度；4对每kg干空气而言, 在喷水室内水的蒸发量；5分别求两个加热器所需的热量，kg/kg干空气。解 依题意标绘如本题附图I所示的流程图。附图1在本题附图2所示的Ht图上标绘空气状态变化过程。 由tD = 316K和= 40确定离开第二加热器的空气状态点D。通过点D的等湿度线与=100的饱和空气线的交点C是离开喷水室的空气状态点。由tA303K和20可确定新鲜空气的状态点A。通过点A的等湿度线与通过点C的等焓线的交点B是离开第一加热器的空气状态点。从湿空气性质图上可查得： 1离开第二加热器的空气湿度HD = 0.0215kgkg于空气 2喷水室的水温 由题知喷水室的水温与离开喷水室空气的温度t C相等，t C=299K，故水温也为299K。3离开第一加热器的空气温度tB341K。