化學工藝學潘鴻章版課后習題答案

1、文檔鑒賞第一章流體流動過程與輸送機械習題1 .A地某化工廠的苯乙烯真空蒸儲塔塔頂?shù)恼婵毡碜x數(shù)為610mmHg ,設備移至異地B操作時，若要求塔內(nèi)維持相同的操作壓強，真空表讀數(shù)有何變化？ （ A地平均大氣壓強為640mmHg , B地平均大氣壓強為760mmHg ）解：A 地：P真a Pa P絕 640-P絕 610 P色 30mmHgB地.Pmb PB P絕 760-30 730mmHg2 .在穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)中，水連續(xù)的由粗到細流經(jīng)一個變徑管路，粗管內(nèi)徑是細管的 兩倍，求細管內(nèi)水的流速是粗管內(nèi)的幾倍。解：穩(wěn)態(tài)流動qvi qv2 AM v2A2 2_2也”2_ 4 v2 d12124 .如圖所示，

2、一高位水池內(nèi)徑 D為1.5m （有效），池底連小144mmX4mrn6勺排水 管，管路長330m,總損失壓頭為6m求管路出水口的體積流量。解：取出口管中心線為基準面，取高位水池1-1截面，管路出口處2-2截面。22v_乙he Z2hf2g g2g g26.2 0 0 0 0 v206V2 1.98m/s 2g_3233qv v2A2 1.98 (144 8) 10 30.0287m3/s 103.32m3/h45.如圖所示，有一連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動管路系統(tǒng)，粗管截面積為細管截面積的5倍，在 管路系統(tǒng)中去1、2、3、4、5五個截面(如圖所示)，1點截面處的平均流速為 1m?s 1 ,表壓強為120KPa

3、,泵的壓頭為8m,輸送的液體密度為1000kg?m2 v4v3 6m, ,試計算：(1)若不考慮管路阻力損失，求各點截面的位壓頭、靜壓頭、動壓頭和總壓頭。(2)若整個管路阻力所產(chǎn)生的壓強降為 2 m液柱，求5點截面的位壓頭、靜壓 頭、動壓頭和總壓頭。解：以地面為基準面(或以泵中心線為基準面都可以)(1)由1-1截面可知2/一 一、V1P1 /1(120 100) / CCL CC CC CLZ11- 1 1 0.05 22 23.05m2gg 2g g2-2截面22hf1 0.05 30 31.05mv_ _P1且&Z1He Z22gg2g g3。截面Z3 1m,V3A3 v2 A2

4、V3 5v222v- 25 誓 25 0.05 1.25m,2g2g總壓頭 31.05m,巫 31.5 1.25 1 28.8m g4-4截面總壓頭5-5截面P431.05m, 31.5 1.25 6 23.8m g22v5 v2 Z5 6m, 0.05m 2g 2g總壓頭31.05mf g31.5 0.056 25m(2)Z52V56m, 一2g20.05m 2g總壓頭31.05-229.05m,三 g29.05 0.05 6 23m7.常壓下，用泵將敞口容器中的油品以36m3 ?h 1的流量輸送到敞口高位槽中，管出口在高位槽液面下，兩槽的液面差為 25m,輸送管為小76mme 3mm直管長

5、 度為100m ,各種管件的當量長度為150m ,摩擦粗力系數(shù) 為0.023,泵的效率 為60%,求泵的實際功率。（油品的密度為960kg ?m 3）解：基準面取低位槽頁面36hfqv4l(一2.6m /s3600 0.07 24d 2g0.023(100 150)0.0722.622 9.8128.3m2乙 v- a He Z22g g20 0 0 He 25 v22g2V22ghfP2ghf25 0.344 28.3 53.64mPeqvHe g /(3600 1000 )36 960 9.81 53.643600 1000 0.610.某離心泵以20c的水進行性能測試，測得體積流量為8.

6、42kw720m3 ?h 泵出口壓力表讀數(shù)為0.4MPa （表壓），泵入口處真空表讀數(shù)為 210mmHg,壓力表和真空 表之間的垂直距離為 410mm,吸入管和壓出管內(nèi)徑分別為 350mm和300mm。文檔鑒賞試求此泵產(chǎn)生的壓頭 解：Pb 0.4MPa 400KPa(表)，210豐、Pt -210mmHg 10027.6KPa(表)，7602.83m/s2.08m/s720v出 3600 0.324 720v進 23600 0.3524He h02g2222.832-2.0822 9.8144.26m面計算）o設忽略熱損失,可按平面壁考慮。解：K總蒸汽112.5 10-3581846.52 2

7、 1 768.65w.m .k1930t-t1-m .t1ln t2t2(100-20) -(100-50)63.8350041(400 27.6) 103998.2 9.81第二章傳熱習題1用100c的水蒸氣加熱小38 mmX2.5 mm鋼管內(nèi)的鹽溶液，鹽溶液的流量為500 kg.h-1,比定壓熱容為 2 093.5 J.kg1.K-1,由 20c 加熱到 50C, a 鹽=930 W. m-2.K-1, a蒸汽=5 815 w.m-2. K-1,鋼管的入=46. 52 wm-1.K-1.求加熱鋼管多少米（以管外表鹽溶液在熱交換中無相態(tài)變化qm,a C p,a t2t150036002093

8、.5(50 20)8722.92wKA tm AK tm383.8722.92768.65 63.832 lr 2 3.14 一 10 l l 1.49m文檔鑒賞2 .采用傳熱面積為4.48 m2的換熱器進行溶劑苯和某水溶液間的逆流換熱，苯的流量為3 600kg.h-1,比定壓熱容為 1.88 kJ. Kg-1. K-1,由 80c冷卻到 50 C,水溶液由20c加熱到30 C,忽略熱損失，求總傳熱系數(shù) Ko解:qm,acp,a(T1T2)36001.88 (80 50) 56.4kw3600逆流：t1=80-30=50t2=50-20=30( t1 t2tm7-ln t1t250-30,50

9、ln 3039.125忽略熱損失:KA tmKA tm56.4 1032-321.55W/m2 K4.48 39.1523.有一厚度為480 mm的普通磚墻，高溫側(cè)為200 C ,在此溫度下的導熱系數(shù)為220.614W.m1 K-1;低溫側(cè)為30 C,在此溫度時的導熱系數(shù)為 0.52 W. m-1. K-1。試求單位時間通過單位傳熱面積（lm2）的熱量為多少。解:0.614 0.521 1 0.567W m k20.567一 A(t1t2)-1 (200 30) 200.8W0.484 .為減少熱損失，設備外壁包一層厚度為 200 mm均勻保溫材料，導熱系數(shù)為 0.163W.m-1. K-1,

10、保溫材料外緣溫度為 30 C,為測量設備壁面溫度，將溫度計 從外面插入保溫層50 mm,測得其溫度為75C,試計算設備外壁溫度和單位時 間每平方米保溫層向外散失的熱量。解:L t31 ( 1A)L 卜 t2 卜1 2t2t32 ( 2A )t -300.275-300.052105 .有小=60 mm>3mm的常壓蒸氣管（鋼管），其導熱系數(shù)為50 W.m-1. K-1,外包 40 mm厚的石綿泥，其導熱系數(shù)為 0.12W.m-1. K-1。蒸氣管內(nèi)壁為110C,石棉 泥外壁為20Co試求每秒鐘每米管路散失的熱量。解：rm1 -r 27 30 28.5mm,Am1 2 rm1l 0.179

11、m2文檔鑒賞70 30ln 70 3047.21mm, Am20.296m2ti ( iAi )79.89kw110 200.0030.0450 0.179 0.12 0.2966 .在小100 mrm< 5 mm的鋼管中有134c的飽和水蒸氣流動，若管外包有 30 mm 厚玻璃棉，具導熱系數(shù)為 0.05W. m-1. K-1,當外界氣溫為15c時，若空氣對 保溫層的給熱系數(shù)為8W.m-1, K-1,忽略鋼管內(nèi)飽和水蒸氣對鋼管的給熱系數(shù)和 鋼管壁很小的熱阻，試求保溫層外壁溫度。解：穩(wěn)態(tài)傳熱，保溫層內(nèi)的導熱速率 =保溫層與空氣的對流給熱速率r1 50mm,r280mm, rm21250 8

12、0265mm,0.85 1.7Att 空一Am(T t),A 2 r2l,Am 2 rml8 20.08(t 15) 蟠 2 0.065(134 t)0.03 t 32.237 .反應釜的釜壁為鋼板，厚5 mm(入=50W.m-1. K-1),黏附在內(nèi)壁的污垢厚0.5 mm(入=50W.m-1. K-1)。反應釜附有夾套，用飽和水蒸氣加熱。釜體鋼板外表面(與蒸汽接觸)為150C,內(nèi)壁面130C。試求單位時間每平方米面積所傳導的熱量。并與沒有污垢層和釜體為不銹鋼(有污垢)、銅(有污垢)的情況進行比較(設壁面溫度不變)。(其中不銹鋼=14W.m-1. K-1;銅=400W.m-1. K-1)解:t

13、i ( i Ai)150 130-3-35 100.5 10500.5 一 一 41.8 10 w無污垢:ti ( i Ai )150 1305 10一一 一 52.0 10 w50150 130-3-35 100.5 10不銹鋼有污垢:銅有污垢:tA)150 1305 10-30.5 10-341.975 10 w4000.58.用134.2C的飽和水蒸氣加熱小48 mmx 3mm鋼管內(nèi)的某溶劑，由20c力口熱至ij 75C,溶劑的體積流量為6m3.h1，密度為1080kg.m-3,比定壓熱容為2.9kJ. Kg-1. K-1,求單位時間（每秒鐘）消耗的蒸汽的量。Qqa,mCp,a(t2 t

14、1) qb,m6 10802.9(75 20) 2165.24qbm3600解得 qb,m 0.133kg/s9.在某一化工生產(chǎn)流程中，換熱器采用一種高溫流體來預熱原料液，將原料由25c預熱到180C；而高溫流體經(jīng)過換熱，由300c降至200C。試計算采用逆流操作與并流操作時的平均溫度差，并進行比較解：逆流:tmt1lnt2 t7t2175 120,175 ln120145.8并流:tmlnt7t2275 20L97.2910.列管式換熱器由若千根長3m、20外徑25 mm的鋼管組成。要求將流量為1.25kg. s-1流體從350c冷卻到300c290 c的B流體在管內(nèi)與A流體作逆流流動。已知

15、B側(cè)和A側(cè)的給熱系數(shù)分別為0 .85 kW. m-2. K-1和1.70 kW. M-2. K-1,管壁和污垢熱阻可忽略。若B流體出口溫度為320C,求所需管子的根數(shù)。已知A 的 Cp=l. 9 kJ. Kg-1. K-1, p =880 kg. m-3。解：Q鋼管壁和k污垢熱阻可忽略K J12132-103 567W/m2.K11文檔鑒賞根據(jù)題意：T=350, T2=300t 1=290, t2=320逆流操作，則ti T t230,lntit 2 T2 t 118.210Q qma Cpa (T T2) K Atm代入，貝1 A 0.2355A n 2 rL則可求出：n=49根12 .用3

16、00kpa的飽和蒸汽（134C）通人夾套式換熱器夾套，使甲苯沸騰蒸發(fā)。甲苯的沸點為110.6C,汽化熱為363.5kJ. Kg-1,換熱器的傳熱面積為1m2,每小時汽化200kg甲苯。求換熱器的總傳熱系數(shù)Ko如果換熱器的熱損失為換熱量的10%,求每小時消耗多少千克飽和水蒸氣。解:甲苯qm200363.5 20.2kw3600設備KA tm20.2A tm 1 (134 110.6)2.0.86kw/m .k甲苯(120.210%) 2168.1qm(1 10%)2168.10.01kg/s 36.89kg/h13 .某單程列管式換熱器內(nèi)置直徑為小25 mmx 2. 5 mm的鋼管柬。操作過程中

17、,苯在換熱器的管內(nèi)流動，流量為1.25卜9.一，溫度由80c冷去至ij 30C；冷卻水在管間與苯呈逆流流動，進口溫度為 20C,出口溫度為50C,已知水側(cè)和苯側(cè)的 給熱系數(shù)分別為I400W. m -2. K-1和0.75 W. m -2. K-1,污垢和換熱器的熱損 失可以忽略，試求換熱器的傳熱面積。苯的平均比定壓熱容為I.9kJ. Kg-1. K-1,管壁材料的導熱系數(shù)為45W. m-2, K-1。112K 0.74w/m k工工 12.5 10 31121400450.75qa,mCp,a(t2 t1)1.25 1.9 (80 -30)118.75KWtmt1 t2(80 50) (30

18、20)ln t2ln301018.2設備 KA tm328.817 10 m“ 設備 118.75 103AK tm 0.74 18.2第四章習題1.采用精儲操作分離正庚烷一正辛烷混合物，精儲塔的塔底壓力為101. 7 kPa ,塔頂壓力為100. 6 kPa 。已知正庚烷（A）和正辛烷（B）的飽和蒸氣壓為9098.5100105110115120126pJkPa78.5101.3106.0121.6139.3158.9182.2pJkPa33.944.847.255.364.374.186.1101.3如果正庚烷一正辛烷混合物服從拉烏爾定律和道爾頓分壓定律，試 求:（1）塔底溫度分別為115

19、c和120c時，塔底液體組成；（2）塔頂溫度分別為100c和105c時，塔頂儲出物組成解：（1）PAPAxA塔底：115cP PA PB Na PB（1-XA）101.7158.9XA120C74.1(1 XaW#XaAA0.325, xB0.675101.7182xaA86(1xA)解得Xa0.164, xR0.836AAB塔頂100 CPPPABPA xAPb (1-xA)100.6106xA 47.2(1 Xa)解得Xa 0.91, xR 0.09AAAByA pAxA- 0.96,yB 0.04 P105c 100.6 121.6Xa 55.3(1 xA)解得Xa0.68, xR0.3

20、2A：A.A.BVa 艮上 0.83, yB 0.17 P2 .設正庚烷一正辛烷混合物可視為理想混合液， 根據(jù)上題所給數(shù)據(jù)， 計算在101. 3 kPa下氣液平衡組成，并分別繪出t-x-y相圖和y-x 相圖。3 .求不同溫度下正庚烷與正辛烷的相對揮發(fā)度，用平均揮發(fā)度求平 衡時的氣相組成y與液相組成x的關系，并與前題的計算緒果進行比 較。4 .在連續(xù)精儲塔內(nèi)每小時精儲含乙醇 10%(質(zhì)量分數(shù)，下同)的水 溶液2000 kg。要求塔頂儲出液中乙醇含量為 96%塔底斧液中含乙 醇2%保持回流比R=4,試求回流量。解： F D W 2000 D WFxFDxD WxW 2000 10% D 96% W

21、 2%解得 D 170.2Kg / h,W 1829.8kg / hL 4D 4 170.2 680.8kg/h5 .已知連續(xù)精儲塔操作線方程為精微段 y=0.723x+0.263提儲段 y=1.25x-0.0187若泡點進料，試求原料液、儲出液及塔底釜液的組成及回流比。解：原料液是精儲段與提儲段交點，精儲段 y=0.723x+0.263提儲段 y=1.25x-0.0187解得 Xf=0.534精微段:yn 1R 1xn xD 0.723x 0.263R 1 R 11 0.723 Xd 0.263 R 1解得 R=2.61,x d=0.956 .原料液于泡點下進料，組成 xF=0. 6,流量為

22、152 kmol. h-1。相對揮發(fā)度 =3。要求xD=0.9, xw=0.02, R=1。試求：(l)精微塔頂、塔底產(chǎn)品的流量及塔頂輕組分的回收率；(2)最小回流比FU; (3) 離開第三塊理論板的液相組成。解：(1) F D W 152 D WFxf Dxd Wxw 152 0.6 D 0,9 W 0.02解得 D 100.8Kmol/h,W 51.82kmol/h98.86%DXd 八CW 100.18 0.9D 100%FxF152 0.6(2)泡點進料q=1書126圖，129圖XFr-(1)xF3 0.61 (3-1) 0.60.818XdyqXdyqRminyqXqyqXf0.9

23、0.8180.818 0.60.375(3)逐板計算方法V2y f (x)y f (x)yn 1xnxDX1yn 1xnX2-xd 1y2V3.Xn，Yn解 X3=0.517 .常壓下連續(xù)精微塔中分離甲醇水溶液， 已知Xf=0.4,精儲段和提儲段的操作線方程分別為y=0.63x + 0.361y=1.805x - 0.00966試求q值和回流比。R 1yn 1 Xn Xd 0.63x 0.361 R 1.7R 1 R 1精微段操作線，提儲段操作線，q線交于一點，y=0.63x + 0.361y=1.805x - 0.00966 解得 Xd=0.3146,y d=0.5582帶入 y -q-x

24、-X 0.5582 -q- 0.3146-04 解得 q 0.65q 1 q 1q 1q 1答：略。8 .將含苯0.5 （摩爾分數(shù)，下同）的苯-甲苯混合液，在連續(xù)精儲塔中分離。要求塔頂回收99.5 %的苯，釜液中含苯小于 0.02。飽和液體進料，回流比R = 3.0 ,相對揮發(fā)度 =2.45。試求理論塔板數(shù)。若全塔效率為60%,試求實際塔板數(shù)。解:minlogxDxDlogxwxw-1ln0.995 1 0.020.02 (1 0.995)1 10ln 2.45泡點進料q=1,Xfr"(i)xz2.45 0.51 (2.45 1) 0.50.71 0.995 0.711.357yq

25、Xq 0.71 0.5R Rmin3 1.3570.4107書131頁吉利蘭圖：查NtN NminN 10.3N 10N 151560%25層第五章化學反應器習題1在間歇釜式反應器內(nèi)進行A - B的液相一級不可逆反應，反應速率方程為rA=kcA,已知反應在162 c的等溫下進行，k= 0.8h-1,試求轉(zhuǎn)化率達到97%時所 需的反應時間。解：對一級反應：4,k 1 Xa11ln4.38h0.8 1 0.972在間歇釜式反應器內(nèi)進行某反應，具動力學方程為 rA=0.35cA2 kmol ?m-3?s-1, 當A的初始濃度分別為1kmol?m-3和4kmol?m-3時，計算A的殘余濃度降低到 0.

26、01kmol?m-3時所需反應時間。解：對二級反應：1111 / 1、1(一)-(-1)282.8s 4.7 min 0.0786hkCaCao0.35 0.011111112( )()285s 4.75min0.079hk CA CA0 0.35 0.01 43醋酊的水解反應為(CH3CO) 2O+H 2O=2CH3COOH已知醋酊的濃度低時，此反應可視為假一級反應。在15c時的反應速率rA=0.0806cAmo1Z-1?min -l,式中ca為醋酊的濃度。若使用間歇釜式反應器，每天處理溶液量為25m3,每批料用于裝、卸料等的輔助時間為 25min,裝料系數(shù)為0.7，要求醋酊的轉(zhuǎn)化率為99%

27、,試求反應釜的容積 解：對間歇反應器中的一級反應：1111lnln 57.1 mink 1 xA0.0806 1 0.9925 103VR qv0()(57.1 25) 1425.3L 1.425m24 60VtVR1.4250.732.036m4在間歇釜式反應器中分別進行一級反應和二級反應，試計算轉(zhuǎn)化率從0提高到90%與從90%提高到99%所需反應時間之比解：對一級反應：1 .1ln k 1 Xa0-90%1ln 2031 k 1 0.9 k1 .14.6050-99%2 ln0 99%k 1 0.99 k2 302“90%-99%321-1k 3對二級反應：XakcA0( 1 xA)0.9

28、91 "二 ""rr?"kCA0( 1 0.9) kcA00.99992kCA0 ( 1 0.99) kcA00-90% 0%-99%90%-99%9011kCAO3105用醋酸和丁醇合成醋酸丁酯的反應為CH3COOH+C4 H9OHfCH3COOC4H9+ H2O反應在間歇釜式反應器內(nèi)進行，反應溫度為373 K,配料比為醋酸：丁醇=1:4.97（摩爾比），以少量H2SO4為催化劑，反應速率方程為rA=kCA2,式中CA為醋酸 的濃度。已知在反應溫度下的速率常數(shù) k=1.046m3?kmol-17h-1,物料的密度在反應 前后不變，均為750kg?m-3,要求每天生產(chǎn)2400kg醋酸丁酯，醋酸的轉(zhuǎn)化率為 50%,每批料的輔助時間為0.5h,求反應釜的有效容積。解：醋酸-60, 丁醇-74,醋酸丁酯-116CA07501 60 4.97 74 . .31.75kmol/mxA0.5- 0.546h 32.78min kCA0 ( 1 Xa)1.046 1.75(1-0.5)醋酸丁酯產(chǎn)量：及0.862kmol/hA 的轉(zhuǎn)化率 50%, fA0 0862 1.72kmol/h,FB0 4.97FA0 8.57kmol/hA0 50%,A0qvqm1.72 60 8.57 747500.98m3/hVRqv0() 0.98 (0.546 0.5)