化工原理作业答案

解：（1）设备内绝对压力

绝压=大气压-真空度= 85.310320103Pa65.3kPa （2）真空表读数

33 真空度=大气压-绝压=101.331065.310Pa36.03kPa

5．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=500 mm，R2=80 mm，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=100 mm。试求A、B两点的表压力。 解：（1）A点的压力

pA水gR3汞gR210009.810.1136009.810.08Pa1.165104Pa（表）

（2）B点的压力

13．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105 Pa。流体密度为800 kg/m3。精馏塔进口处的塔内压力为1.21105 Pa，进料口高于储罐内的液面8 m，输送管道直径为φ68 mm 4 mm，进料量为20 m3/h。料液流经全部管道的能量损失为70 J/kg，求泵的有效功率。

解：在截面A-A和截面B-B之间列柏努利方程式，得 19．用泵将2×104 kg/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25.9×103 Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为76 mm×4 mm的钢管，总长为35 m，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17 m。若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。（已知溶液的密度为1073 kg/m3，黏度为6.310-4 Pas。管壁绝对粗糙度可取为0.3 mm。） 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

22 gz1ub1p1Wegz2ub2p2hf （1）

22，

，

，

式中 z1=0，z2=17 m，ub1≈0

p1=-25.9×103 Pa (表)，p2=0 (表) 将以上数据代入式（1），并整理得

1.43225.9103 =9.81×17+++

21073h=192.0+h

ff其中

h=（+

fLLedub22+）

20.0681.431073 Redub==1.656×105 30.6310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）： 0.43×2 m =0.86 m 标准弯头： 2.2×5 m =11 m

1.432350.8611故 hf=(0.03×+0.5+4)Jkg=25.74J/kg

20.068于是 We192.025.74Jkg217.7Jkg 泵的轴功率为

217.72104 Ns=Wew/=W=1.73kW

36000.720．如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100 mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15 m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20 m。

（1）当闸阀关闭时，测得R=600 mm、h=1500 mm；当闸阀部分开启时，测得R=400 mm、h=1400 mm。摩擦系数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

22 gz1ub1p1gz2ub2p2hf， （a） 1－222，，，

式中 p1=0(表) ub2=0，z2=0

z1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

H2Og(z1h)HggR （b） 式中 h=1.5 m, R=0.6 m 将已知数据代入式（b）得 将以上各值代入式（a），即 9.81×6.66=ub+

2239630+2.13 ub2 1000解得 ub3.13ms 水的流量为 Vs3600π2dub36000.7850.123.13m3s1.43m3s 4 （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

22 gzub1p1gzub3p3h （c）

13f，1－322，，

式中 z1=6.66 m，z3=0，ub1=0，p1=p3

22LLuu35ebb hf,13(c)=0.025(15)0.54.81ub2 d20.12将以上数据代入式（c），即

9.81×6.66=ub+4.81 ub2

22解得 ub3.13ms

再在截面1-1与2-2间列机械能衡算方程，基平面同前，得

22uuppb1b21 gz1 （d） gz22hf，1－222，，

式中 z1=6.66 m，z2=0，ub10，ub2=3.51 m/s，p1=0（表压力） 将以上数值代入上式，则 解得 p2=3.30×104 Pa（表压）

第二章 流体输送机械

1．用离心油泵将甲地油罐的油品送到乙地油罐。管路情况如本题附图所示。启动泵之前A、C两压力表的读数相等。启动离心泵并将出口阀调至某开度时，输油量为39 m3/h，此时泵的压头为38 m。已知输内径为100 mm，摩擦系数为0.02；油品密度为810 kg/m3。试求（1）管路特性方程；（2）输线的总长度（包括所有局部阻力当量长度）。

解：方程

甲、面分别取截面，以基准面，列柏努利

由于前pA=pC,于是

乙两地油罐液作1-1’与2-2’水平管轴线为在两截面之间方程，得到 启动离心泵之

习题1 附图 （1）管路特性

KZp=0

g2则 HeBqe

又 HeH38m

B[38/(39)2]h2/m5=2.5×10–2 h2/m5

2则 He2.5102qe（qe的单位为m3/h）

（2）输线总长度

39πu0.01m/s=1.38 m/s

36004于是 lle2gdH29.810.138m=1960 m u20.021.3822．用离心泵（转速为2900 r/min）进行性能参数测定实验。在某流量下泵入口真空表和出口压力表的读数分别为60 kPa和220 kPa，两测压口之间垂直距离为0.5 m，泵的轴功率为6.7 kW。泵吸入管和排出管内径均为80 mm，吸入管中流动阻力可表达为

hf,013.0u12（u1为吸

入管内水的流速，m/s）。离心泵的安装高度为2.5 m，实验是在20 ℃，98.1 kPa的条件下进行。试计算泵的流量、压头和效率。

解：（1）泵的流量

由水池液面和泵入口真空表所在截面之间列柏努利方程式（池中水面为基准面），得到 将有关数据代入上式并整理，得

u13.184m/s

则 q(0.0823.1843600)m3/h=57.61 m3/h

(2) 泵的扬程 (3) 泵的效率

π4Hqsg29.0457.6110009.81100%=68%

1000P360010006.7在指定转速下，泵的性能参数为：q=57.61 m3/h H=29.04 m P=6.7 kW η=68% 5．用离心泵将真空精馏塔的釜残液送至常压贮罐。塔底液面上的绝对压力为32.5 kPa(即输送温度下溶液的饱和蒸汽压)。已知：吸入管路压头损失为1.46 m，泵的必需气蚀余量为2.3 m，该泵安装在塔内液面下3.0 m处。试核算该泵能否正常操作。

解：泵的允许安装高度为 式中

papv0 g则 Hg[(2.30.5)1.46]m-4.26m

泵的允许安装位置应在塔内液面下4.26m处，实际安装高度为–3.0m，故泵在操作时可能发生气蚀现象。为安全运行，离心泵应再下移1.5 m。

8．对于习题7的管路系统，若用两台规格相同的离心泵（单台泵的特性方程与习题8相同）组合操作，试求可能的最大输水量。

解：本题旨在比较离心泵的并联和串联的效果。 （1）两台泵的并联

解得： q=5.54×103 m3/s=19.95 m3/h

–

(2) 两台泵的串联

解得： q=5.×103 m3/s=21.2 m3/h

–

在本题条件下，两台泵串联可获得较大的输水量21.2 m3/h。

第三章 非均相混合物分离及固体流态化

2．用降尘室除去气体中的固体杂质，降尘室长5 m，宽5 m，高4.2 m，固体杂质为球形颗

粒，密度为3000 kg/m3。气体的处理量为3000（标准）m3/h。试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。

（1）若操作在20 ℃下进行，操作条件下的气体密度为1.06 kg/m3，黏度为1.8×10-5 Pa?s。 （2）若操作在420 ℃下进行，操作条件下的气体密度为0.5 kg/m3，黏度为3.3×10-5 Pa?s。 解：（1）在降尘室内能够完全沉降下来的最小颗粒的沉降速度为： 设沉降在斯托克斯区，则： 核算流型：

原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为1.985×10-5 m。

（2）计算过程与（1）相同。完全能够沉降下来的最小颗粒的沉降速度为： 设沉降在斯托克斯区，则： 核算流型：

原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为4.132×10-5 m。

3．对2题中的降尘室与含尘气体，在427 ℃下操作，若需除去的最小颗粒粒径为10 μm，试确定降尘室内隔板的间距及层数。

解：取隔板间距为h，令 则 hLut （1） u10 μm尘粒的沉降速度 由（1）式计算h ∴ h54.954103m0.244 m0.1017H4.2层数n17.2取18层

h0.244 核算颗粒沉降雷诺数： 核算流体流型：

10．板框压滤机过滤某种水悬浮液，已知框的长×宽×高为810 mm×810 mm×42 mm，总框数为10，滤饼体积与滤液体积比为=0.1，过滤10 min，得滤液量为1.31 m3，再过滤10 min，共得滤液量为1.905 m3，试求（1）滤框充满滤饼时所需过滤时间；（2）若洗涤与辅助时间共45 min，求该装置的生产能力(以得到的滤饼体积计)。 解：（1）过滤面积A0.81221013.122m2 由恒压过滤方程式求过滤常数

3联立解出Ve0.1376m，K2.010105m2/s

恒压过滤方程式为V20.2752V3461103 代入恒压过滤方程式求过滤时间 （2）生产能力

11．在6710Pa压力下对硅藻土在水中的悬浮液进行过滤试验，测得过滤常数K=5×10-5

m2/s，qe=0.01 m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比υ=0.08。现拟用有38个框的BMY50/810-25型板框压滤机在134103Pa压力下过滤上述悬浮液。试求：（1）过滤至滤框内部全部充满滤渣所需的时间；（2）过滤完毕以相当于滤液量1/10的清水洗涤滤饼，求洗涤时间；（3）若每次卸渣、重装等全部辅助操作共需15 min，求过滤机的生产能力（m3滤液/h）。

解：（1）硅藻土，s0.01，可按不可压缩滤饼处理

3K2kp，qe与p无关

p134103Pa时，K1104m2/s，qe0.01m3/m2

Vc0.8120.02538m30.6233m3，A3820.812m249.86m2

VVc0.623337.79132m7.791m3，qm/m0.1563m3/m2 v0.0849.86代入恒压过滤方程式求过滤时间

（2）洗涤 （3）生产能力

7．在一传热面积为25 m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶

液。冷却水的流量为28 000kg/h，其温度由25 ℃升至38 ℃，平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。有机溶液的温度由110 ℃降至65 ℃，平均比热容为1.72 kJ/(kg·℃)。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量。

解：Cp,c4.17 kJ/(kg·℃)

求tm

有机物 110 → 65 水 38 ← 25 ———————————————— t 72 40

12．在一单程管壳式换热器中，管外热水被管内冷水所冷却。已知换热器的传热面积为5 m2，总传热系数为1 400 W/(m2·℃)；热水的初温为100 ℃，流量为5 000 kg/h；冷水的初温为20 ℃，流量为10 000 kg/h。试计算热水和冷水的出口温度及传热量。设水的平均比热容为4.18 kJ/(kg·℃)，热损失可忽略不计。 解： Whcph50004.18103WC5806WC 3600查图得 0.575 传热量 QCmin(T1t1) 解出 T254℃ 解出 t243℃