制药化工原理课后习题答案

绪论

2.解：

JPaL?3atm?1 ?1?105

?23?1.01325?10N?mN?mmPaL?atm?N?m2 ?1.01325?10?23∴N?m?J?mL?atm2?1.01325?10∴J

以J·mol-1·K-1表示R的值

R =0.08206×1.01325×102 J﹒mol-1﹒K-1

=8.315 J﹒mol-1﹒K-1

第一章 流体流动

1. 表压=－真空度=－4.8×104Pa 绝压=5.3×104 Pa

2.解：设右侧水面到B′点高为h3，根据流体静力学基本方程可知PB=PB′ 则ρ

油

gh2=ρ

水

gh3

?油h2820kg?m?3?600mmh3???492mm ?3?水1000kg?mh=h1+h3=892mm

3.解：正U型管水银压差计 由图可知 PA=P1＋(x＋R1)ρ

水

g

PB=P2＋xρ

水

g

gR1 gR1

∵P1－P2=2.472kPa ∴PA－PB=2.472kPA＋ρ

又有PA =PC PC= PB＋ρ

HggR1

水

∴ρ

∴R1?HggR1=2.472kPa＋ρ

水

2.472kPa?0.0200m?20.00mm ?3?2(13600?1000)kg?m?9.81m?s倒U型压差计 设右侧管内水银高度为M

∵指示流体为空气∴PC=PD

P1=PC＋ρ∴R2?4.(1)PB=－845.9Pa(表)

1

水

g(R2＋M) P2=PD＋ρ

水

gM

2.472kPa?0.2520m?252.0mm 3?21000kg?m?9.81m?s(2)R′=0.178m 7.解：由公式u?Vs可得 AVs=uA=uπd2/4=0.8×π×(57-3.5×2)2×10-6=1.57×10-3m3/s

Ws=Vsρ=1.57×10-3×1840=2.89kg/s

G?Ws?u??0.8?1840?1472kg/m2?s A8.解：由题可知：

1—1′截面：P1=1.013×105Pa u=0

以2—2′截面为基准水平面∴z1=3m

2—2′截面：设管内流速为u z2=0 3—3′截面：u, z3=3m

4—4′截面：u, z4=3＋0.5=3.5m 5—5′截面：u, z5=3m

6—6′截面：u, z6=2m, P6=1.013×105Pa 根据伯努利方程：We=0, ∑hf=0

P1u2P6有gz1??gz6??

?2?∵P1=P6 ∴u2/2=g(z1－z6)=9.8

u2P2有gz1??gz2? ??2?P19.8×3＋1.013×105/1000=9.8＋P2/1000

∴P2=1.209×105Pa

u2P3gz1??gz3??

?2?P11.013×105/1000=9.8＋P3/1000

∴P3=0.915×105Pa

u2P4 gz1??gz4???2?P19.8×3＋1.013×105/1000=9.8×3.5＋9.8＋P4/1000

∴P4=0.866×105Pa

u2P5gz1??gz5??

?2?P1∴P5=0.915×105Pa

9. (1)u=1.55m/s Vh=10.95m3/h (2)Δz=2.86m

2

解：N?Ne?

Ne=We﹒Ws

取釜内液面为1—1′截面，高位槽内液面为2—2′截面

uuP根据伯努利方程：gz1??1?We?gz2?2?2??hf

?22?1—1′截面：z1=0, P1=－2.5×104(表压), u1=0 2—2′截面：z2=15m, P2=0(表压), u2?Ws ?AP122A=πd2/4=0.25×π×[(76－4×2)×10-3]2=3.63×10-3m2

2?104?5247.3m/h?1.46m/s ∴u2?3.63?10?3?105068?10?3?1.46?1050Re???173740＞4000 湍流 ?4?6?10du?又ε/d=0.3×10-3/68×10-3=4.41×10-3 查图得λ=0.029

lu2501.462hf????0.029???22.7J/kg

d20.0682查表1—3得，ξ

全开闸阀

=0.17 ξ

半开截止阀

=9.5 ξ

90°标准弯头

=0.75 ξ

进

=0.5 ξ

出

=1

∴hf′=(0.17＋9.5＋3×0.75＋1.5)×1.462/2=14.2J/kg

∴∑hf=22.7＋14.2=36.9J/kg

?2.5?1041.462?We?15g??36.9

10502We=208.87J/kg

Ne=208.87×2×104/3600=1.16kW

N=1.16/0.7=1.66kW

12.解：1—1′：高位槽液面 2—2′：出口管内侧

uuP列伯努利方程 gz1??1?We?gz2?2?2??hf

?22?z2=0, z1=4m, P1=P2=0(表)， u1=0, We=0

∴∑hf＋u22/2=4g ∑hf= hf＋hf′

lu2hf???

d2P122查表1—3得，ξ

半开截止阀

=9.5 ξ

90°标准弯头

=0.75

hf′=∑ξ﹒u22/2=(9.5＋0.75＋0.5) ×u22/2=10.75×u22/2

3

u20?∴2(1??10.75)?4g

2d2化简得(400λ＋11.75)×u22/2=39.2

20℃时μ水=1.005

λ=f(Re)=f(u2) 需试差 Re?假设 u0 Re λ → u0

1.5 76630 0.039 1.66

1.6 79600 0.039 1.66 1.66 82588 0.0388 1.66 ∴截止阀半开时该输水系统的u0=1.66m/s

Vs=uA=1.66×0.25π×0.052=0.00326m3/s

∴Vs=11.73m3/h

du???49.75u2?103

?d?0.01

第二章 流体输送设备

1、解：分别取离心泵的进、出口截面为1-1′截面和2-2′截面，由伯努力方程得：

2p1u12p2u2Z1???H?Z2???Hf,1?2

ρg2gρg2g2p2?p1u2?u12?H?Z2?Z1???Hf,1?2

ρg2g其中，Z2?Z1=0.4 m；p1??1.9?104Pa(表压)；p2?4.7?105Pa(表压)；

u1?u2；Hf,1?2=0；20℃时水的密度??998.2kg?m?3。

4.7?105?1.9?104?H?0.4??0?0?50.34m

998.2?9.81?N?Ne??HQ?g??50.34?70?998.2?9.81?1.37?104W?13.7kW

3600?0.703、解：Hg?p0?pv??h?Hf,0?1 ρg(1)20℃时：由附录2及附录7知，水的密度??998.2kg?m?3，饱和蒸气压

pv?0.2335?104Pa。

9.81?104?0.2335?104?Hg??3?2.5?4.28m

998.2?9.81(2)85℃时：由附录2及附录7知，水的密度??968.6kg?m?3，饱和蒸气压

pv?0.5788?105Pa。

4

9.81?104?0.5788?105?Hg??3?2.5??1.27m

968.6?9.814、解：Hg?p0?pv??h?Hf,0?1 ρg6.6?105?6.45?105??3.5?1.6

530?9.81=-2.21m<-1.5m

故该泵不能正常工作。

2p2?p1u2?u126、解：He?Z2?Z1???Hf,1?2

ρg2g6.9?104?10?0?0?=17 m

1000?9.81由于输送介质为水，结合Qe?100m3?h?1和He?17m，查附录21选IS100-80-125型泵，主要性能参数为：Q?100m3?h?1,H?20m,n?2900r?min?1,??0.78,N?7.0kW

故泵实际运行时的轴功率为N?7.0kW，其中因阀门调节所多消耗的功率为

?N??HQ?g(20?17)?100?1000?9.81??1048W?1.05kW ?3600?0.78第四章 沉降与过滤

2、解：?VS?bLutc

?utc?VS3600??0.025m?s?1 bL3600?40dc2(?s??)g设颗粒沉降位于层流区，故utc?

18??dc?18?utc18?2?10?5?0.025??1.75?10?5m

(?s??)g(3000?1.06)?9.81核算流型Ret?dcutc??1.75?10?5?0.025?1.06??0.023?2

2?10?5故假设成立，即颗粒沉降位于层流区。因此，可完全除去的最小颗粒直径为1.75?10?5m。

2160273?427??1.54m3?s?1＝5538.5m3?h?1 36002733、解：在操作温度下，气体量VS?设8μm颗粒沉降位于层流区，则

5

dc2(?s??)g(8?10?6)2?(4000?0.5)?9.81?3?1 utc???4.1?10m?s?518?18?3.4?10由VS?NbLutc ?N??h?VS1.54??51层(需50块隔板) ?3bLutc1.8?4.1?4.1?10H4.2??0.082m N51核算流型Ret?dcutc??8?10?6?4.1?10?3?0.5??4.8?10?4?2 ?53.4?10故假设成立，得降尘室内隔板间距和层数分别为0.082m和51层。 注：此题原始数据有点问题。在该组数据下，气流在降尘室内已达到湍流。 5、解：根据恒压过滤方程V2?2VeV?KA2?得

?32?32??(1?10)?2Ve?(1?10)?K?(0.1)?5?60 ??32?32??(1.6?10)?2Ve?(1.6?10)?K?(0.1)?10?60?Ve?7?10?4m3；K?8?10?7m2?s?1 由下式可算得，15min收集到的总滤液量，即

V2?2?(7?10?4)?V?(8?10?7)?(0.1)2?15?60

?V?2.07?10?3m3

故再过5min所得的滤液量?V?2.07?10?3?1.6?10?3?0.47?10?3m3＝0.47 L

226、解：(1)过滤面积A?0.81?2?38?49.86m

滤框总容积?812?0.025?38?0.623m3 滤饼充满滤框时滤液体积V?0.623?7.79m3 0.08过滤终了时q?V7.79??0.156m3?m?2 A49.86恒压过滤方程q2?2qeq?K?

?0.1562?2?0.01?0.156?5?10?5? ???550s

6

(2)洗涤时间?W?VW8(q?qe)VW8?(0.156?0.01)?0.1?7.79＝416 s ???5KA5?10?49.86?dV????d??W(3)Q?3600V?3600?7.79?0.08??1.2m3?h?1

???W??D550?416?15?60(4)由于s?0，故K??K(?p?1?s)?2K。所以，由q2?2qeq?K?可知 ?p???0.5??550?275s 2第五章 传热

2.某燃烧炉的平壁由三种材料构成。 最内层为耐火砖，厚度b1=200mm，导热系数?1=1.07W?m-1? oC-1；中间层为绝热砖，厚度b2=100mm，导热系数?2=0.14W?m-1? oC-1；最外层为普通钢板，厚度b3=6mm，导热系数?3=45W?m-1? oC-1。已知炉内壁表面温度t1=1000oC，钢板外表面温度t4=30oC，试计算：(1) 通过燃烧炉平壁的热通量；(2) 耐火砖与绝热砖以及绝热砖与普通钢板之间的界面温度。假设各层接触良好。 解：(1)q?t1?t4Q1000?30???1076.2(W?m?2)

0.20.10.006Sb1b2b3????45?1?2?31.070.14 (2)q?q1?q2?q3

q1?t1?t2b0.2， t2??q1(1)?t1?1000?1076.2??798.8 oC b1?11.07?1q2?t2?t3b0.1， t2??q2(2)?t2?798.8?1076.2??30.1 oC b2?20.14?23.在直径为?89?4.5mm的蒸汽管道外包扎有两层绝热材料。已知管壁材料的导热系数为45W?m-1?oC-1；内层绝热材料的厚度为40mm，导热系数为0.07W?m-1?oC-1；外层绝热材料的厚度为20mm，导热系数为0.15W?m-1?oC-1。现测得蒸汽管的内壁温度为180℃，最外层绝热材料的外表面温度为50℃。试计算每米管长的热损失及两绝热层间的界面温度。 解：t1?180 oC，t4?50 oC，r1?40mm，r2?44.5mm，r3?84.5mm，r4?104.5mm

Q?L12?(t1?t4)2?3.14?(180?50)? 10.044510.084510.1045r21r31r4?ln??ln??lnln?ln?ln0.040.070.04450.150.0845?1r1?2r2?3r345 ?816.4?77.16(W/m)

0.0024?9.16?1.427

Q?Q1?Q2?Q3

Q32?(t3?t4)?， t3?67.45 oC

1r4Lln?3r34.蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层。已知外层的平均直径和导热系数均为内层的两倍。现保持其他条件不变，而将两绝热层的材料互换，试问：(1) 每米管长的热损失是原来的多少倍？(2) 在本题条件下，哪一种材料包扎在内层较为合适？ 解：设管道半径为x，绝热层厚度b

x?2b?x?bx?b?2? ? b?2x

22r1?x?b?3x， r2?x?2b?5x

?2?2?1

(1)互换前

Q?L12??t2??t??1.477??1?t

r11r213x15xln?lnln?ln?1x?2r1?1x2?13xQ2??t2??t??1.887??1?t 互换后()??rr13x15x11Lln?lnln1?ln2?2x?1r12?1x?13xQ()?LQ()L?1.887?1.275倍

1.477(2)?小的包在内层较好

5.水在套管式换热器的内管中流动。已知内管的直径为?25?2.5mm，长度为6m；水的流量为2m3?h-1，温度由15℃升高至35℃，试计算管壁对水的对流传热系数。若水的流量下降为0.4m3?h-1，则管壁对水的对流传热系数又为多少？ 解：由题意可得，定性温度t?15?35?25℃，查附表得水的物性参数为 2 ??60.89?10?2W?m?1?k?1，??902.75?10?6Pa?s，Pr?6.22

(1)u?23600???1.77m?s?1

4du?0.02?1.77?10004??3.9?10 Re?>10000 (湍流) ?6?902.75?10 又0.7

L6??300?60，n?0.4(被加热) di0.02?(0.02)2 Nu?0.023Re0.8Pr0.4?0.023?(3.9?104)0.8?6.220.4?224.96

8

224.96?60.89?10?2 ?i?Nu???684.98W?m?2?k?1

di0.02?(2)当Vs?0.4m3/h时，u??0.43600???0.354m?s?1

4du??0.02?0.354?1000 Re????7842.7?10000 (过渡流) ?6?902.75?10 Nu??0.023Re0.8Pr0.4?0.023?(7842.7)0.8?6.220.4?62.34

?(0.02)262.34?60.89?10?2 ?i?Nu????1897.9W?m?2?k?1

di0.02??6?1056?105 f?1??1??0.94

Re1.8(7842.7)1.8?1W?m?2?k?1 ?i??if?1897.9?0.94?178.49.试计算：(1) 120℃的饱和水蒸气冷凝为120℃的水时所放出的热量。(2) 120℃的饱和水蒸气冷凝为60℃的水时所放出的热量。(3) 常压下，空气由20℃升温至80℃时所吸收的热量。 解：质量流量w均取1kg/s

kJ/kg (1)当t?120 oC，??2205Q?w??1?2205?2205(kW)

(2)120C蒸汽?60C水

o

o

t?90oC，Cp?4.208?103

Q?w?120?wCp(120?60)?2205?10?1?4.208?10?60?2457.48(kW) (3)空气20C?80

o

o

33 t?50 oC，Cp?1.005?103

Q?wCp(80?20)?1?1.005?103?60?60.3(kW)

10.在列管式换热器中用水冷却油。已知换热管的直径为?19?2mm，管壁的导热系数?=45 W?m-1?oC-1；水在管内流动，对流传热系数?i=3500W?m-2?oC-1；油在管间流动，对流传热系数?o=250W?m-2?oC-1；水侧的污垢热阻Rsi=2.5?10-4m2? oC?W-1，油侧的污垢热阻Rso=1.8?10-4m2?

o

C?W-1。试计算：(1) 以管外表面为基准的总传热系数。(2) 因污垢热阻而使总传热系数下降

d11bd1do??Rso??o?Rsio? ko?o?dmdi?idi10.0020.0190.01910.019?1.8?10?4???2.5?10?4??? 250450.0170.01535000.015?0.0049

的百分数。 解：(1)

? ko?203.74

9

(2)污垢前

11bdo1do?????0.0044 ??o?dm?idiko ko?226.68

??ko?ko226.68?203.74??10.12% ?226.68ko12.苯在逆流换热器内流动，流量为2000kg?h-1，温度由70℃下降至30℃。已知换热器的传热面积为6m2，热损失可忽略不计；总传热系数为300W?m-2?oC-1；冷却介质为20℃的水，定压比热为4.18kJ?kg?℃-1。试计算：(1) 冷却水的出口温度；(2) 冷却水的消耗量，以m3?h-1表示。

解：(1)Q?whCph(T1?T2)?wcCpc(t2?t1)?kS?tm

Q(2000/3600)?1.79?103?(70?30)3.98?104?tm???22.11 oC

kS300?61800

70?C?30?C t2?20?C

70－t2 10 oC

?tm??t1??t2(70?t2)?1060?t2???22.11 ?t170?t270?t2lnlnln?t21010t2?28.6?C

(2)Q?wpc?4.178?(28.6?20)

wpc?3984kg/h

13.在逆流换热器内，用20℃的水将流量为4500kg?h-1的液体由80℃冷却至30℃。已知换热管由直径为?25?2.5mm的钢管组成；液体走壳程，对流传热系数为1700 W?m-2?oC-1，定压比热为1.9kJ?kg?℃-1，密度为850kg?m-3；水走管程，对流传热系数为850W?m-2?oC-1。若水的出口温度不超过50℃，换热器的热损失及污垢热阻均可忽略不计，试计算换热器的传热面积。

解：Q?whCph(T1?T2)?koSo?tm 若?取45W?m?C

?1??111bdo1do???? ko?o?dm?idi ?10.00250.02510.025?????2.12?10?3 1700450.02258500.02ko?471.6

10

(4) IH?137kJ/kg (5) tas?35℃ (6) tw?35℃ 4.解：(1) 空气在预热器内经历等湿过程 H1?H0?0.01

??101.3?0.01PH??1.6%

ps(0.622?H)101.3?(0.622?0.01)(2)I0?(1.01?1.88H0)t0?2491H0

?(1.01?1.88?0.01)?20?2491?0.01?45.49kJ/kg

I1?(1.01?1.88H1)t1?2491H1

?(1.01?1.88?0.01)?100?2491?0.01?127.79kJ/kg

vH?(0.772?1.244H0)??(0.772?1.244?0.01)?273?t 273273?20?0.842m3/kg绝干气 273L?100100??118.76kg绝干气 vH0.842L(I1-I0)?118.76?(127.79-45.49)?9.77?103kJ (3) W?L(H2-H1)?118.76?(0.02-0.01)?1.19kg (4) I2?I1?118.76kJ/kg

I2?(1.01?1.88H2)t2?2491H2

?(1.01?1.88?0.02)?t2?2491?0.02?118.76 解得 t2?65.8℃ 5.解：(1) 蒸发水分量

W?Gc(X1?X2)

其中：Gc?G1(1?w1)?1100?(1?0.03)?1067kgX?h1w10.03??0.0309kg水kg绝干料 1?w11?0.03X2?w20.002??0.002kg水kg绝干料 1?w21?0.002?W?G(X1?X2)?1067?(0.0309?0.002)?30.84kgh

(2) 新鲜空气消耗量 L?L(1?H)

00其中：L?o0WW ?H2?H1H2?H0当t?20C时,查附录得ps?2.334kPa，故：

H0??L?0.622?ps0.6?2.3346?0.622??0.009kgkg绝干气 P??ps101.3?0.6?2.334630.84kg绝干气 ?23720.022?0.009h 16

(3)风机的风量V0?LvH0

vH0?(0.772?1.244H0)?273?t0 273273?20m3新鲜空气 ?(0.772?1.244?0.009)()?0.841273kg绝干气?V0?LvH0?2372?0.841?1995m3新鲜空气h

(4) 预热室中消耗的热量

Q?L(I?I)?Q?

p10L?L(I1?I0)?2372?(1.01?1.88?0.009)(90?20)?47.4kW 3600(5) 干燥系统消耗的总热量

QD?Q1?QM2?QL?Qe

Qe?L(1.01?1.88H1)(t1?t2)?2372?(1.01?1.88?0.009)(90?45)?30.45kW 360030.84?(2490?1.88?45?4.187?20)?21.34kW 3600Q1?W(2490?1.88t2?4.187?1)?QM2?G2CM(?2??1)?1067?3.28?(60?20)?38.89kW 3600QD?21.34?38.89?1.2?30.45?31kW

(6) 向干燥室补充的热量

Q?Qp?QD?47.4?31?78.4kW

(7) 热效率

??Q121.34??27.22% Q78.4 17

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