化工原理习题(含答案)

1

·流体流动部分

1．某储油罐中盛有密度为960 kg/m 3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5 m ，油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为760 mm 的孔，其中心距罐底1000 mm ，孔盖用14 mm 的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5×106 Pa ，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3×103 Pa ）？

解：由流体静力学方程，距罐底1000 mm 处的流体压力为

[]

（绝压）Pa 10813.1Pa )0.15.9(81.9960103.10133?=-??+?=+=gh p p ρ 作用在孔盖上的总力为 N 10627.3N 76.04

π103.10110813.1)(4233a ?????-=＝）－＝（A p p F 每个螺钉所受力为

N 10093.6N 014.04

π105.39321?=÷??=F 因此 )（个）695.5N 10093.610627.3341≈=??==F F n

2．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R 1=500 mm ，R 2=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R 3=100 mm 。试求A 、B 两点的表压力。

解：（1）A 点的压力

()（表）

Pa 101.165Pa 08.081.9136001.081.9100042汞3水A ?=??+??=+=gR gR p ρρ

（2）B 点的压力

()（表）Pa 107.836Pa 5.081.91360010165.1441汞A B ?=??+?=+=gR p p ρ

习题2附图

习题

1

附图

2

3、如本题附图所示，水在管道内流动。为测量流体压力，在管道某截面处连接U 管压差计，指示液为水银，读数R=100毫米，h=800mm 。为防止水银扩散至空气中，在水银液面上方充入少量水，其高度可忽略不计。已知当地大气压为101.3KPa 试求管路中心处流体的压力。

解：设管路中心处流体的压力为p

P A =P A

P + ρ水gh + ρ汞gR = P 0

P=p 0- ρ水gh - ρ汞gR

=（101.3×10³-1000×9.8x0.8

- 13600×9.8×0.1）

P=80.132kpa

4、如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7 m ，水从φ108 mm ×4 mm 的管道中流出，管路出口高于地面1.5 m 。已知水流经系统的能量损失可按∑h f =5.5u 2计算，其中u 为水在管内的平均流速（m/s ）。设流动为稳态，试计算（1）A -A '截面处水的平均流速；（2）水的流量（m 3/h ）。

解：（1）A - A '截面处水的平均流速

在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得

22121b12b2f 1122p p gz u gz u h ρρ

++=+++∑ （1）

式中 z 1=7 m ，u b1～0，p 1=0（表压）

z 2=1.5 m ，p 2=0（表压），u b2 =5.5 u 2

代入式（1）得

22b2b219.8179.81 1.5 5.52

u u ?=?++ m 0.3b =u

（2）水的流量（以m 3/h 计）

()h m 78.84s m 02355.0004.02018.04

14.30.3332b2s ==?-??

==A u V 5、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/m 3。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 m 3/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

2211221e 2f 22p u p u gZ W gZ h ρρ+++=+++∑

3

()s m 966.1s m 004.02068.04

14.33600204πkg J 700m 0.8Pa 1021.1Pa 100133.1222f 1125251=?-?====≈=-?=?=∑d V A V u h u Z Z p p ；

；

；； ()222121e 21f 2p p u u W g Z Z h ρ--=++-+∑

()()768.9W

W 17380020kg

J 175kg J 704.7893.146.2kg J 700.88.92966.1800100133.121.1e s e 25=??===+++=??

????+?++?-=W w N W e 6、 某液体以一定的质量流量在水平直圆管内作湍流流动。若管长及液体物性不变，将管径减至原来的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍？

解：流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时

f p ?=f h ρ∑

或 f h ∑=f p ?/ρ=λ2b 2

u L d ρ ∑∑f1f2h h

=（2b1

b22112))()(u u d d λλ 式中 21d d =2 ，b2b1

u u =（21d d ）2 =4 因此 ∑∑f1f2h h =221

()(2)(4)λλ=3212λλ 又由于 25.0Re

316.0=λ 12λλ=（25021.)Re Re =（0.251b12b2

)d u d u =（2×25041.)=（0.5）0.25=0.841 故 ∑∑f1f2h h

=32×0.84=26.9

4

7、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φ76 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/m 3，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 22b1b2121e 2f 22u u p p gz W gz h ρρ

+++=+++∑ （1） 式中 z 1=0，z 2=17 m ，u b1≈0

m 43.1s m 1073

068.0785.036001024

242b2=????==ρπ

d w u p 1=-25.9×103 Pa (表)，p 2=0 (表)

将以上数据代入式（1），并整理得

2b221e 21f ()2u p p W g z z h ρ-=-+++∑ =9.81×17+24312.+1073109.253?+f h ∑=192.0+f

h ∑ 其中 f h ∑=（λ+e L L d +∑+∑ζ）2b22

u =Re b du ρμ=30.068 1.4310730.6310-???=1.656×105 0044.0=d e

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

故 f h ∑=(0.03×350.86110.068

+++0.5+4)kg J 243.12=25.74J/kg 于是 ()kg J 217.7kg J 74.250.192e =+=W

泵的轴功率为

s N =e W η/w =W 7

.036001027.2174

???=1.73kW 习题7附图

5

8、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λ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（m 3）？ （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L e /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

22b1b21212f 1222u u p p gz gz h ρρ

++=+++∑，－ （a ） 式中 p 1=0(表)

()（表）Pa 39630Pa 4.181.910004.081.913600O H Hg 22=??-??=-=gR gR p ρρ

u b2=0，z 2=0

z 1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

2

H O 1Hg ()g z h gR ρρ+= （b ） 式中 h =1.5 m, R =0.6 m

将已知数据代入式（b ）得

m 66.6m 5.110006.0136001=??

? ??-?=z 22

22b b f,1-2c b b 15() 2.13(0.0250.5) 2.1320.12u u L h u u d λζ∑=+==?+= 将以上各值代入式（a ），即

9.81×6.66=2b 2u +1000

39630+2.13 u b 2 解得 s m 13.3b =u

水的流量为 ()s m 43.1m 13.31.0785.036004

π3600332b 2s =???==u d V （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

22b1b33113f 1322u u p p gz gz h ρρ

++=+++∑，－ （c ） 式中 z 1=6.66 m ，z 3=0，u b1=0，p 1=p 3

习题8附图

6

2e b f,13c ()2L L u h d λζ-+∑∑=+=22b b 350.025(15)0.5 4.810.12

u u ??++=???? 将以上数据代入式（c ），即

9.81×6.66=2

b 2u +4.81 u b 2 解得 s m 13.3b =u

再在截面1-1，与2-2，

间列机械能衡算方程，基平面同前，得

22b1b21212f 1222u u p p gz gz h ρρ++=+++∑，－ （d ） 式中 z 1=6.66 m ，z 2=0，u b1≈0，u b2=3.51 m/s ，p 1=0（表压力）

kg J 26.2kg J 251.35.01.05.1025.022f,1=??

? ??+=∑-h 将以上数值代入上式，则

2.261000

251.366.681.922

++=?p 解得 p 2=3.30×104 Pa （表压）

·蒸馏部分

1、在一连续精馏塔中分离苯的含量为0。5（苯的摩尔分数，下同）的苯-甲苯混合液，其流量为100kmol/h 。已知馏出液组成为0。95，釜液组成为0.05，试求（1）馏出液流量及苯的回收率（2）保持馏出液组成0.95不变，馏出液最大可能流量。

2、在连续精馏塔中分离A 、B 两组分溶液。原料液的处理量为100 kmol/h ，其组成为0.45（易挥发组分A 的摩尔分数，下同），饱和液体进料，要求馏出液中易挥发组分的回收率为96％，釜液的组成为0.033。试求（1）馏出液的流量和组成；（2）若操作回流比为2.65，写出精馏段的操作线方程；（3）提馏段的液相负荷。

解：（1）馏出液的流量和组成

由全塔物料衡算，可得

7

kmol/h 43.2kmol/h 45.010096.096.0F F n,D D n,=??==x q x q

()kmol/h 1.8kmol/h 45.010096.01W W n,=??-=x q

kmol/h=54.55 kmol/h kmol/h=45.45 kmol/h

9505.045

.452.43D ==

x （2）精馏段操作线方程 2604.0726.065

.39505.065.365.211D +=+=+++=x x R x x R R y （3）提馏段的液相负荷

()kmol/h 4.202kmol/h 10045.4565.2F n,D n,F n,L n,L n,=+?=+=+='q Rq qq q q

3、在连续操作的精馏塔中分离两组分理想溶液。原料液流量为50 kmol/h ，要求馏出液中易挥发组分的收率为94％。已知精馏段操作线方程为y = 0.75x +0.238；q 线方程为y = 2-3x 。试求（1）操作回流比及馏出液组成；（2）进料热状况参数及原料的总组成；（3）两操作线交点的坐标值x q 及y q ；（4）提馏段操作线方程。

解：（1）操作回流比及馏出液组成 由题给条件，得

75.01

=+R R 及238.01D =+R x 解得 R = 3，x D = 0.952

（2）进料热状况参数及原料液组成 由于 及21F =-q

x 解得 q = 0.75（气液混合进料），x F = 0.5

（3）两操作线交点的坐标值x q 及y q 联立操作线及q 线两方程，即

238.075.0+=x y

解得 x q = 0.4699及y q = 0.5903

（4）提馏段操作线方程 其一般表达式为

W V n,W n,V n,L n,x q q x q q y '''

-'='

式中有关参数计算如下：

kmol/h 68.24kmol/h 952.05.05094.0D F F n,A D n,=??==x x q q η

kmol/h = 25.32 kmol/h

()()0592.032

.255.05094.011W n,F F n,A W =??-=-=q x q x η n,W 1.80.033

q =()n,D n,F n,W 10054.55q q q =-=-31q q =--23y x =-()n,W n,F n,D 5024.68q q q =-=-

8

kmol/h =111.54 kmol/h kmol/h = 86.22 kmol/h 则 4、

5、

()n,L n,D n,F 324.680.7550q Rq qq '=+=?+?()n,V n,L n,W 111.5425.32q q q ''=-=-111.5425.320.0592 1.2940.0173986.2286.22

y x x ''=-?=-

9

6、

10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1z9j.html