化工原理作業(yè)題

1、【0-3】1000kg的電解液中含質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、的質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，用真空蒸發(fā)器濃縮，食鹽結(jié)晶分離后的濃縮液中含 50%、 2%、48%，均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試求：(1)水分蒸發(fā)量；(2)分離的食鹽量；(3)食鹽分離后的濃縮液量。在全過程中，溶液中的量保持一定。解 電解液1000kg 濃縮液中 1000×0.l=100kg =0.5（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）1000×0.l=100kg =0.02（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 1000×0.8=800kg =0.48（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在全過程中，溶液中量保持一定，為100kg濃縮液量為200kg濃縮液中，水的含量為200×0.4

2、8=96kg，故水的蒸發(fā)量為800-96=704kg濃縮液中的含量為200×0.02=4kg，故分離的量為100-4=96kg【1-2】某設(shè)備進(jìn)、出口的表壓分別為-12kPa和157kPa，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?01.3kPa。試求此設(shè)備的進(jìn)、出口的絕對壓力及進(jìn)、出的壓力差各為多少帕。解 進(jìn)口絕對壓力 出口絕對壓力 進(jìn)、出口的壓力差【1-6】如習(xí)題1-6附圖所示，有一端封閉的管子，裝入若干水后，倒插入常溫水槽中，管中水柱較水槽液面高出2m，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?01.2kPa。試求：(1)管子上端空間的絕對壓力；(2)管子上端空間的表壓；(3)管子上端空間的真空度；(4)若將水換成四氯化碳，管中

3、四氯化碳液柱較槽的液面高出多少米？解 管中水柱高出槽液面2m，h=2m水柱。(1)管子上端空間的絕對壓力在水平面處的壓力平衡，有習(xí)題1-6附圖(2)管子上端空間的表壓 (3)管子上端空間的真空度(4)槽內(nèi)為四氯化碳，管中液柱高度 常溫下四氯化碳的密度，從附錄四查得為習(xí)題1-10附圖【1-10】常溫的水在如習(xí)題1-10附圖所示的管路中流動，為測量A、B兩截面間的壓力差，安裝了兩個串聯(lián)的U形管壓差計(jì)，指示液為汞。測壓用的連接管中充滿水。兩U形管的連接管中，充滿空氣。若測壓前兩U形壓差計(jì)的水銀液面為同一高度，試推導(dǎo)A、B兩點(diǎn)的壓力差與液柱壓力汁的讀數(shù)之間的關(guān)系式。解 設(shè)測壓前兩U形壓差計(jì)的水銀液面，

4、距輸水管中心線的距離為H。在等壓面處因，由上兩式求得因故 【1-13】如習(xí)題1-13附圖所示的套管式換熱器，其內(nèi)管為，外管為。內(nèi)管中有密度為、流量為的冷凍鹽水流動。內(nèi)、外管之間的環(huán)隙有絕對壓力為，進(jìn)、出口平均溫度為，流量為的氣體流動。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣體的密度為。試求氣體和鹽水的流速。解 液體 內(nèi)管內(nèi)徑 液體質(zhì)量流量 ，體積流量 流速 氣體質(zhì)量流量 密度 體積流量 流速 習(xí)題1-13附圖 習(xí)題1-14附圖【1-15】常溫的水在如習(xí)題1-15附圖所示的管路中流動。在截面1處的流速為，管內(nèi)徑為200mm，截面2處的管內(nèi)徑為100mm。由于水的壓力，截面1處產(chǎn)生1m高的水柱。試計(jì)算在截面1與2之間所產(chǎn)

5、生的水柱高度差h為多少（忽略從1到2處的壓頭損失）?解 習(xí)題1-15附圖 習(xí)題1-16附圖 另一計(jì)算法計(jì)算液柱高度時，用后一方法簡便。習(xí)題1-17附圖【1-17】如習(xí)題1-17附圖所示的常溫下操作的水槽，下面的出水管直徑為。當(dāng)出水閥全關(guān)閉時，壓力表讀數(shù)為30.4kPa。而閥門開啟后，壓力表讀數(shù)降至20.3kPa。設(shè)壓力表之前管路中的壓頭損失為0.5m水柱，試求水的流量為多少?解 出水閥全關(guān)閉時，壓力表讀數(shù)30. 4kPa（表壓）能反映出水槽的水面距出水管的高度h閥門開啟后，壓力表讀數(shù)（表壓）從水槽表面至壓力表處的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速水的流量【1-29】試求下列換熱器的管間隙空

6、間的當(dāng)量直徑：(1)如習(xí)題1-29附圖(a)所示，套管式換熱器外管為，內(nèi)管為；(2)如習(xí)題1-29附圖(b)所示，列管式換熱器外殼內(nèi)徑為500mm，列管為的管子174根。習(xí)題1-29附圖解 (1)套管式換熱器，內(nèi)管外徑，外管內(nèi)徑當(dāng)量直徑 (2) 列管式換熱器，外殼內(nèi)徑，換熱管外徑，根數(shù)根 當(dāng)量直徑 習(xí)題1-33附圖【1-33】如習(xí)題1-33附圖所示，用離心泵從河邊的吸水站將20的河水送至水塔。水塔進(jìn)水口到河水水面的垂直高度為34.5m。管路為的鋼管，管長1800m，包括全部管路長度及管件的當(dāng)量長度。若泵的流量為，試求水從泵獲得的外加機(jī)械能為多少？鋼管的相對粗糙度。解 水在20時，流量 流速 湍

7、流查得摩擦阻力損失 以河水水面為基準(zhǔn)面，從河水水面至水塔處的水管出口之間列伯努利方程。外加機(jī)械能 【2-2】原來用于輸送水的離心泵現(xiàn)改為輸送密度為1400kg/m3的水溶液，其他性質(zhì)可視為與水相同。若管路狀況不變，泵前后兩個開口容器的液面間的高度不變，試說明：(1)泵的壓頭（揚(yáng)程）有無變化；(2)若在泵出口裝一壓力表，其讀數(shù)有無變化；(3)泵的軸功率有無變化。解 (1)液體密度增大，離心泵的壓頭（揚(yáng)程）不變。（見教材） (2)液體密度增大，則出口壓力表讀數(shù)將增大。(3)液體密度增大，則軸功率將增大習(xí)題2-10附圖【2-10】 用離心泵輸送80熱水，今提出如下兩種方案（見習(xí)題2-10附圖）。若兩

8、方案的管路長度（包括局部阻力的當(dāng)量長度）相同，離心泵的汽蝕余量。試問這兩種流程方案是否能完成輸送任務(wù)？為什么？環(huán)境大氣壓力為。解 水在80時飽和蒸氣壓，密度，汽蝕余量，大氣壓力最大允許安裝高度為第(2)方案的安裝高度，大于，不能完成輸送任務(wù)。第(1)方案的安裝高度若則水柱時可以用?！?-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm厚的軟木做成的。軟木的熱導(dǎo)率=0.043 W/(m·)。若外表面溫度為28，內(nèi)表面溫度為3，試計(jì)算單位表面積的冷量損失。解 已知，則單位表面積的冷量損失為【4-6】某工廠用的無縫鋼管輸送水蒸氣。為了減少沿途的熱損失，在管外包兩層絕熱材料，第一層為厚30mm的礦渣棉，

9、其熱導(dǎo)率為；第二層為厚30mm的石棉灰，其熱導(dǎo)率為。管內(nèi)壁溫度為300，保溫層外表面溫度為40。管路長50m。試求該管路的散熱量。解 【4-9】空氣以的流速通過的鋼管，管長?？諝馊肟跍囟葹?2，出口溫度為68。(1)試計(jì)算空氣與管壁間的對流傳熱系數(shù)。(2)如空氣流速增加一倍，其他條件均不變，對流傳熱系數(shù)又為多少？(3)若空氣從管壁得到的熱量為，鋼管內(nèi)壁的平均溫度為多少。解 已知(1)對流傳熱系數(shù)計(jì)算空氣的平均溫度 查得空氣在時的物性數(shù)據(jù)，空氣被加熱，Pr的指數(shù)雷諾數(shù) 湍流對流傳熱系數(shù) (2)空氣流速增加一倍，對流傳熱系數(shù)為(3)若空氣從管壁得到的熱量為，計(jì)算鋼管內(nèi)壁平均溫度用式計(jì)算鋼管內(nèi)壁的平

10、均溫度。已知空氣進(jìn)出口平均溫度 在第(1)項(xiàng)中已計(jì)算出對流傳熱系數(shù) 鋼管內(nèi)表面積為 鋼管內(nèi)壁平均溫度 【4-16】用冷卻水使流量為的硝基苯從355K冷卻到300K，冷卻水由15升到35，試求冷卻水用量。若將冷卻水的流量增加到，試求冷卻水的出口溫度。解 硝基苯流量，平均溫度比熱容硝基苯的放熱量 (1) 冷卻水用量計(jì)算 平均溫度比熱容，密度(2) 用水量時，求？用水量增大，水出口溫度應(yīng)降低。先假設(shè)水的比熱容及密度不變。從上面的計(jì)算式可知成反比，故假設(shè)水的平均溫度 查得水的比熱容，密度計(jì)算 與假設(shè)相符?！?-17】在一換熱器中，用水使苯從80冷卻到50，水從15升到35。試分別計(jì) 算并流操作及逆流操

11、作時的平均溫度差。解 (1)并流操作苯 水 (2) 逆流操作苯 水 【4-20】有一套管式換熱器，內(nèi)管為的鋼管，內(nèi)管中有質(zhì)量流量為的熱水，從90冷卻到60。環(huán)隙中冷卻水從20升到50?？倐鳠嵯禂?shù)。試求：(1)冷卻水用量；(2)并流流動時的平均溫度差及所需傳熱面積；(3)逆流流動時的平均溫度差及所需傳熱面積。解 (1)冷卻水用量計(jì)算熱水平均溫度 冷水平均溫度 熱量衡算(2) 并流熱水 冷水 傳熱面積 (3) 逆流熱水 傳熱面積 【4-25】有一套管式換熱器，內(nèi)管為，外管為。內(nèi)管中有流量為的苯被加熱，進(jìn)口溫度為50，出口溫度為80。套管的環(huán)隙中有絕對壓力為200kPa的飽和水蒸氣冷凝放熱，冷凝的對

12、流傳熱系數(shù)為。已知內(nèi)管的內(nèi)表面污垢熱阻為，管壁熱阻及管外側(cè)污垢熱阻均不計(jì)。試計(jì)算：(1)加熱水蒸氣用量；(2)管壁對苯的對流傳熱系數(shù)；(3)完成上述處理量所需套管的有效長度；(4)由于某種原因，加熱水蒸氣的絕對壓力降至140kPa。這時，苯出口溫度有何變化？應(yīng)為多少度（設(shè)苯的對流傳熱系數(shù)值不變，平均溫度差可用算術(shù)平均值計(jì)算）。解 苯平均溫度，熱負(fù)荷 (1) 水蒸氣用量(2) 苯的對流傳熱系數(shù)湍流苯被加熱 (3)管長 以管內(nèi)表面積A1為基準(zhǔn)(4) 水蒸氣絕對壓力時，苯的出口溫度。時，【5-4】 l00g水中溶解，查得20時溶液上方的平衡分壓為798Pa。此稀溶液的氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律，試求

13、亨利系數(shù)E(單位為)、溶解度系數(shù)H單位為和相平衡常數(shù)m?？倝簽椤＝?液相中的摩爾分?jǐn)?shù)氣相中的平衡分壓 亨利系數(shù) 液相中的濃度 溶解度系數(shù) 液相中的摩爾分?jǐn)?shù) 氣相的平衡摩爾分?jǐn)?shù) 相平衡常數(shù) 或 【5-6】含NH3體積分?jǐn)?shù)1.5%的空氣-NH3混合氣，在20下用水吸收其中的NH3總壓為203kPa。NH3在水中的溶解度服從亨利定律。在操作溫度下的亨利系數(shù)。試求氨水溶液的最大濃度，溶液。解 氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)總壓，氣相中的分壓(1) 利用亨利定律計(jì)算與氣相分壓相平衡的液相中NH3的摩爾分?jǐn)?shù)為水溶液的總濃度 水溶液中的最大濃度 溶液(2) 利用亨利定律計(jì)算溶液【5-9】CO2分壓力為50kPa的混合氣體

14、，分別與CO2濃度為的水溶液和CO2濃度為的水溶液接觸。物系溫度均為25，氣液相平衡關(guān)系。試求上述兩種情況下兩相的推動力（分別以氣相分壓力差和液相濃度差表示），并說明CO2在兩種情況下屬于吸收還是解吸。解 溫度，水的密度為混合氣中CO2的分壓為水溶液的總濃度水溶液(1) 以氣相分壓差表示的吸收推動力液相中CO2的濃度水溶液液相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)與液相平衡的氣相平衡分壓為氣相分壓差表示的推動力 （吸收） 液相中CO2的濃度水溶液液相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)與液相平衡的氣相平衡分壓為氣相分壓差表示的推動力 （解吸）(2) 以液相濃度差表示的吸收推動力與氣相平衡的液相組成為平衡的液相濃度 液相中CO2的濃

15、度水溶液液相濃度差表示的推動力為 （吸收）液相中CO2的濃度水溶液液相濃度差表示的推動力為 （解吸）【5-15】在一吸收塔中，用清水在總壓、溫度20條件下吸收混合氣體中的CO2，將其組成從2%降至0.1%（摩爾分?jǐn)?shù)）。20時CO2水溶液的亨利系數(shù)。吸收劑用量為最小用量的1.2倍。試求：(1)液-氣比L/G及溶液出口組成。(2)試求總壓改為時的L/G及。解 (1)總壓(2) 總壓時的從上述計(jì)算結(jié)果可知，總壓從0.1MPa增大到1MPa，溶液出口組成從增加到?！?-16】用煤油從苯蒸氣與空氣的混合物中回收苯，要求回收99%。入塔的混合氣中含苯2%（摩爾分?jǐn)?shù)）；入塔的煤油中含苯0.02%（摩爾分?jǐn)?shù)）

16、。溶劑用量為最小用量的1.5倍，操作溫度為50，壓力為100kPa，相平衡關(guān)系為，氣相總傳質(zhì)系數(shù)。入塔混合氣單位塔截面上的摩爾流量為。試求填料塔的填料層高度，氣相總傳質(zhì)單元數(shù)用對數(shù)平均推動力法及吸收因數(shù)法的計(jì)算式計(jì)算。解 (1)氣相總傳質(zhì)單元高度計(jì)算入塔混合氣的流量 惰性氣體流量 (2) 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算，回收率吸收因數(shù)法計(jì)算 對數(shù)平均推動力法計(jì)算 (3)填料層高度Z計(jì)算【6-8】由正庚烷與正辛烷組成的溶液在常壓連續(xù)精餾塔內(nèi)進(jìn)行分離。原料的流量為5000kg/h，其中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3。要求餾出液中能回收原料中88%的正庚烷，釜液中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.05。試求餾出液與釜液的摩

17、爾流量，及餾出液中正庚烷的摩爾分?jǐn)?shù)。解 先將質(zhì)量流量換算為摩爾流量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算為摩爾分?jǐn)?shù)，再作物料衡算。正庚烷的摩爾質(zhì)量，正辛烷的摩爾質(zhì)量。原料的平均摩爾質(zhì)量為原料的摩爾流量 將已知數(shù)（摩爾分?jǐn)?shù)）、（摩爾分?jǐn)?shù)）及，代入餾出液采出率計(jì)算式 并代入餾出液中正庚烷的回收率表達(dá)式 由式(1)與式(2)求得餾出液流量，餾出液中正庚烷的摩爾分?jǐn)?shù)。釜液流量 【6-11】在一連續(xù)操作的精餾塔中分離苯-甲苯溶液。進(jìn)料量為，進(jìn)料中苯的組成為（摩爾分?jǐn)?shù)），飽和液體進(jìn)料。餾出液中苯的組成為（摩爾分?jǐn)?shù)），釜液中苯的組成為（摩爾分?jǐn)?shù)），回流比。試求從冷凝器回流入塔頂?shù)幕亓饕耗柫髁恳约皬乃仙恼魵饽柫髁?。?已知

18、，餾出液流量回流液流量 塔釜上升蒸氣流量 因飽和液體進(jìn)料，則【6-15】某連續(xù)操作的精餾塔，泡點(diǎn)進(jìn)料。已知操作線方程如下，精餾段 提餾段 試求塔頂液體回流比R、餾出液組成、塔釜汽相回流比R'、釜液組成及進(jìn)料組成。解 (1) 回流比R精餾段操作線方程的，求得。(2) 餾出液組成精餾段操作線方程的，求得（摩爾分?jǐn)?shù)）。(3) 塔釜汽相回流比R'由提餾段操作線方程的，求得。(4) 釜液組成由提餾段操作線方程的，求得。(5) 進(jìn)料組成泡點(diǎn)進(jìn)料時，將代入式求得 另一解法：因泡點(diǎn)進(jìn)料，則線為垂直線，兩操作線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為。由精餾段操作線 與提餾段操作線 聯(lián)立求解，可得 【6-18】想用一常壓下連續(xù)操作的精餾塔分離苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4的苯-甲苯混合液。要求餾出液中苯