化工原理典型习题解答

1、化工原理典型习题解答刘永红西安工程科技学院应用化学教研室2006一、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，则水的流量变为原来的 A 。A1.155倍 B1

2、.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气中颗粒直径之比为 D 。A10.593 B11.5

3、93 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(3) 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(4) 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

4、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 (2) 由 得 6、对某悬浮液进行恒压过滤。已知过滤时间为300s时，

5、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：(1) 由 得 (2) 由 得 8、 冷热水通过间壁换热器换热，热水进口

6、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

7、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100m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

8、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. 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

9、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：8. 外径为50mm的不锈钢管，外包6mm厚的玻璃纤维保温层，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 9. 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

10、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 10. 饱和温度为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 11. 在管长为1m的冷却器中，用水冷却油。已知两流体

11、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： ，求： 解：由 得 所以 ， 又由 得 又由 得 所以 12. 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

12、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) (4)由 得 13. 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

13、以 ， ， 在dt内， 所以 所以 所以 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

14、线相交于点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

15、用一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

16、出口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（c）附图（b）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

17、的影响 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

18、成为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

19、加料。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

20、10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

21、kg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

22、变化?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？