化工基础 例题答案

 【例1-1（物料衡算）】  如图所示，浓度为20%（质量百分数，下同）的KNO3水溶液以1000kg/hr流量送入蒸发器，在某温度下蒸出一部分水而得到浓度为50%的KNO3水溶液，再送入结晶器冷却析出含有4%水分的KNO3晶体并不断取走。浓度为37.5%的KNO3饱和母液则返回蒸发器循环处理，该过程为连续稳定过程，试求：

    1. 结晶产品量P，水分蒸发量W；

    2. 循环母液量R，浓缩量S。

例题1-1图A

解： 1. 衡算对象：总物料KNO3

衡算范围：如图所示的用一条封闭的虚线所包围的部分

衡算基准：单位时间--每小时

列方程：凡是穿过封闭虚线进入的衡算范围的物料为入；

凡是穿出封闭虚线排出的衡算范围的物料为出；

  总物料 ΣMλ=ΣM出

  则 F = W + P                         （1）

同理，对KNO3

  0.2F = 0×W + P（1-4%）          （2）

将（1）（2）代入数据后组成方程组

  1000 = W + P

  0.2×1000 = P（1-4%）

解这个方程组得：

  P = 208.3 kg/hr

  W = 791.7 kg/hr

      2. 衡算对象的基准不变，改变衡算范围如图1-2B所示。

总物料 S =R + P

KNO3   0.5 × S = 0.375 × R + P（1-4%）

将上两式代入数据联解得：

  R = 766.6 kg/hr

  S = 947.9 kg/hr 即为所求

例题1-1图B

 【例1-2 (热量衡算)】在一热交换器中用压强为136kpa的饱和蒸汽加热298k的空气，空气流量为1kg/s，蒸汽的流量为0.01kg/s，冷凝水在饱和温度381K下排出。若取空气的平均比热为1.005kJ/kg·k，试计算空气出口温度（热损失忽略不计）。

例题1-2图

解：过程如图所示：

数量基准 每秒钟蒸汽、空气的流量

温度基准 取进口空气温度298K，因而其焓为零，即H冷空气 =0

相态基准 压强为136kpa的饱和蒸汽，查得其焓H蒸汽.281K =2690KJ/kg，同时查得H 冷凝水281K =452.9KJ/kg

衡算范围 封闭虚线所示范围

对此连续稳定过程 ΣQ入=ΣQ出

  其中：   ΣQ入=ΣQ蒸汽 + ΣQ冷空气=0.001×H蒸汽 +1 × H冷空气

ΣQ出=ΣQ热空气 + ΣQ冷凝水=1×1.005（T-298） + 0.001 × H冷空气  

        T：热空气温度   将数据代入解得T=320.3K

【例1-3（单位换算）】已知,试将此压强换算为SI单位。

解：1公斤（力）等于1千克质量的物体所受到的重力。

即1公斤（力）

∴

【例1-4（单位换算）】液体越过平顶堰上的液面高度可用以下经验式计算：

式中，how—堰上液面高度,in； qv—液体体积流量，gal/min； lw—堰长，in

试求流量为0.05m3/s的液体越过长度为2米的平顶堰，堰上液面高度为多少米？

1m = 39.37 in , 1m3 = 264.2 gal, 1min = 60s

代入经验式，

【例题2-1】假如苯和甲苯在混合时没有体积效应。求在20℃时，600kg苯和200kg甲苯混合后混合物的密度。

解一：设苯为组分1，甲苯为组分2，m1=600kg，m2=200kg，

查得：，则

则有：

解二：设苯为组分1，甲苯为组分2，m1=600kg，m2=200kg，查得：

例题2-2：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。

（答案见PPT）

【例题2-3】：水在附图所示的水平管内流动，在管壁A处连接一U形管压差计，指示液为汞，密度为13600kg/m3，U形管开口右支管的汞面上注入一小段水（此小段水的压强可忽略不计），当地大气压Pa为101.33Pa，水的密度取1000kg/m3，其它数据见附图，求A处的绝对压强为多少Pa？

（1）取U形管中处于同一水平面上的B、C、D三点，根据等压点的判定条件可得到PB=PC，PC=PD，于是可得PB=PC=PD

（2）根据静力学基本方程式可得：

PD=Pa+RρHgg=Pa+0.25ρHgg=PB

PA=PB+hρH2Og=PD+ hρH2Og = Pa+0.25ρHgg+0.20ρH2Og

于是A处的绝对压强：

PA=101330+0.25×13600×9.81+0.20×1000×9.81

=136646Pa=136.646kPa

【例2-4】某流化床反应器上装有两个U型管压差计，测得R1= 400mm，R2=50mm，指示液为水银。为防止水银蒸气向空中扩散，于右侧的U型管与大气连通的玻璃管中灌入一段水，其高度R3=50mm ，试求A\B两处的表压强。

解：

如图所示：取等压面1-1’和2-2’，则

【例题2-5 确定流体流量】 在某水平通风管段中，管直径自渐缩到。为了粗略估算其中空气的流量，在锥形接头两端分别测得粗管截面1-1的表压为，细管截面的表压为。空气流过锥形管的能量损失可以忽略，求空气的体积流量为若干？（设该物系可按不可压缩流体处理，空气密度取为）

解：在1-1和2-2截面（水平管的基准面取通过管中心线的水平面）间列柏氏方程得：

式中：因为是水平管，

……………

【例题2-6确定容器相对位置】 用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽和反应器均与大气连通，要求料液在管内以的速度流动。设料液在管内流动时的能量损失为（不包括出口的能量损失），试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少？

解： 取高位槽液面为1-1截面，虹吸管出口内侧截面为2-2截面，并以2-2为基准面。列柏氏方程得：

式中：（表压），，

∵1-1截面比2-2截面面积大得多，∴，而

代入得：

∴ （即高位槽液面应比虹吸管出口，高）

值得注意的是，本题下游截面2-2必定要选在管子出口内侧，这样才能与题给的不包括出口损失的总能量相适应。

【例题2-7】内径25mm的水管,水流速为1m/s,水温20度,

求:1.水的流动类型; 2.当水的流动类型为层流时的最大流速?

解：1. 20 ℃ μ= 1cP ρ= 998.2kg/m3

【例题2-8】20℃的甘油在1″管中以0.2m/s流速流动，求流过每米管长时的摩擦阻力。 20℃时甘油的粘度为1499厘泊，比重为1.26，1"管的规格为φ33.5×3.25

解：当流速为0.2m/s时，求得：Re=dvρ/μ=(0.027×0.2×1260)/(1499×10-3)=4.54

流动型态为层流，流过每米管长时的阻力损失为：

【例题2-9 流动阻力计算】用φ108*4的钢管输送原油，输送量19T/hr，d原=0.90,μ原=72Cp.原油从起点站油泵出口压力为61kg/cm3（表），终到处压力为1kg/cm3（表），若管子是水平安装的，局部阻力以直管阻力的10%计，试求原油输送的路程（输油管长度）是多少？

  解：原油在管中的流速

u=w/(Aρ)=(1900/3600)/(0.785×0.12×900)=0.747m/s

由于　Re=duρ/μ=(0.1×0.747×900)/(72×10-3)=933

所以管内的流体流动型态为层流

因而摩擦系数λ＝64/Re=64/933=0.069

据题意:∑le=l/10

: △Pf=λ·(l+∑le)/d  · (u2ρ/2)

(61-1)×9.81×104=0.069×(l+0.1l)/0.1  ×  (0.7472×900)/2

解得：l≈31×103m

即原油输送的路程约为31公里。

【例题2-10】：用泵将地槽中比重为1.84的硫酸以1.3kg/s的流量送到贮罐中。地槽内液面恒定，贮罐高出地槽液面12m，地槽和贮槽皆通大气。输送管道内径为25mm，流动过程的能量损失为57.6J/kg，若泵的效率为50%，计算泵所需的功率。

答案见PPT

【例2-11】用离心泵将20℃的清水送到某设备内，泵的前后分别装有真空表和压强表，如图。已知泵吸入管路的压头损失为2.2m，动压头为0.4m，泵的实际安装高度为3.5m，操作条件下泵的必需汽蚀余量为2.5m，当地大气压为100kPa。求：1）离心泵入口处真空表的读数；2）当水温由20℃升到60℃时发现真空表与压强表读数跳动，流量骤然下降。试判断处了什么故障。

解：1）真空表读数：以池内水面0-0’和泵吸入口真空表处1-1’为截面，并以水池水面为基准水平面，在两截面之间列柏努利方程式：

整理上式,得：

2）判断故障：当水温从20升到60时由于水的饱和蒸气压增大，使泵的允许安装高度降低，对于已经操作的泵，其安装高度可能超高，会发生汽蚀现象。下面核算安装高度。由附录查

饱和蒸气压， 则泵的允许安装高度应为：

泵的实际安装高度大于允许安装高度，故泵在保持原流量运行时发生了汽蚀现象。

【例题3-1平壁导热】加热炉的平壁用耐火砖砌成，壁厚0.32m，测得壁的内表面温度为700℃，外表面温度为100℃，耐火砖的导热系数λ=1.05w/m·k,求每小时每平方米壁面所传递的热量。

    解：这是一个平面壁稳定热传导的问题，所求的是通量

    

将t1=700℃，t2=100℃，λ=1.05w/m·k,b=0.32m代入：

q=Q/A={1.05(700-100)}/0.32 = 1969w/m2 = 7088KJ/m2·hr

【例3-2多层平壁导热】有一炉壁由下列三种材料组成：

    耐火砖 λ1=1.4w/m·℃ b1=240mm

    保温砖 λ2=0.15w/m·℃ b2=120mm

    建筑砖 λ3=0.8w/m·℃ b3=240mm

今测得内壁面温度为930℃，外壁面温度为70℃，求每平方米面积的壁面的热损失和各层接触面上的温度。

解：

△t1=Q·R1=677.17×0.171=115.80℃

△t1=t1-t2故t2=t1-△t1=930-115.80=814.20℃

同理 △t2=Q·R2=677.17×0.8=541.74℃

△t2=t2-t3 t3=t2-△t2=814.9-541.74=273.16℃

△t3=Q·R3=677.17×0.3=203.15℃

 【例3-3】某平壁燃烧炉由内层为100mm厚的耐火砖、中间为100mm厚的普通砖和外层为20mm厚的保温层构成。已知耐火砖的热导率为1.05W/(m·℃ )，普通砖的热导率为0.8 W/(m·℃ )，待操作稳定后测得炉壁的内表面温度为800℃，普通砖与保温层之间的温度为400℃，保温层外表面温度为70℃，求：1）单位面积上的导热量；2）耐火砖与普通砖之间的壁面温度；3）保温层的热导率

解：已知t3=400℃,t4=70℃

1)单位面积上导热量

2）耐火砖与普通砖之间壁面温度t2

由得：

3）保温层热导率λ3

由得

 【例3-4单层圆筒壁导热】  蒸汽管外径48mm，包扎的石棉泥保温层的λ为0.15w/mK,保温层厚60mm。与蒸汽管子接触的石棉层内层壁面温度为120℃,与周围空气接触的外壁面温度为30℃。试求每米管长因传导而造成的热损失速率。若保温层加厚到120mm，这时外壁温度随之降至25℃。则热损失情况怎样？

解：利用单层圆筒壁导热速率计算公式，将L移项：

当保温层加厚到120mm时，求得：Q/L=47.3w/m

 【例3-5多层圆筒壁导热计算】 在一的钢管外包有两层绝热材料，里层为的氧化镁粉，平均导热系数，外层为的石棉层，其平均导热系数。现用热电偶测得管内壁的温度为℃，最外层表面温度为℃，管壁的导热系数。试求每米管长的热损失及保温层界面的温度。

解：每米管长的热损失

此处，

保温层界面温度

解得：

【例3-6】水以1m/s的流速在长3m的Φ25×2.5mm的钢管内由20加热到40℃，试求管壁对水的对流传热系数。

分析：计算对流传热系数的公式较多，关键是选用合适的公式及查取公式中的各物理量。

解：定性温度，查30℃时水的物性数据为：

特征尺寸：di=25-2×2.5=20mm=0.02m,

则：

0.7< Pr <160，水被加热，n= 0.4, 故

 【例3-7平均温差计算】 例题：硫酸生产中 SO2的转化系统，用转化气在外部列管换热器中预热 SO2气体。若转化气温度由440℃降至320℃，SO2气体由220℃被加热至280℃，试求流传热和逆流传热的平均温度差（PPT）

 【例3-8总传热系数K】计算夹套反应釜的内径为800mm，釜壁碳钢板厚8mm(λ=50w/m·k),衬搪瓷厚3mm（λ1.0w/m·k)，夹套中通入饱和蒸汽（α=10000w/m2·k)，蒸汽温度为120℃，釜内有机物（α=250w/m2·k)温度为80℃，试求该条件下的K值。

解：因内径800mm≈外径822mm，可近似地作为平面壁来处理。此时计算式为：

    其中 ：α1=10000，α2 =250 ，λ1=50,λ2=1.0 ，b1=0.008 ，b2=0.003

以上均为SI制表示的。代入算得：K=137.7w/m2·k

 【例3-9 总传热计算】 在列管式热交换器中，用饱和温度为126℃的蒸汽将470m3/hr的某一溶液从40℃加热到45℃，采用φ38*3*2000mm的钢管（λ=46.5w/m·K）,试计算所需传热面积的管数n.

已知：水蒸汽 α1=11600w/m2·K；某溶液α2=3700w/m2·K；ρ=1320kg/m3；Cp=3.4kJ/kg·K；

解：以平均传热面积Am计算。（1）据式（3-29）某溶液470m3/hr 由 40℃升至45℃所吸收的热量为：QL=470×1320×3.4×(45-40)≈3×106W

(2) △tm由于一侧发生相变，故并流与逆流是相同的。

126----------126

40----------->45         

    △t1=126-40=86℃            △t2=126-46=81℃ 比值没超过2倍，用算术平均值△tm=83.5℃

(3)据式求Km

    代入数据化简：

解得：Km=2100w/m2·K

(4) 求A及n

【 例3-10总传热计算】 某酒精蒸汽冷凝器的传热面积为5m2,酒精蒸汽冷凝温度为78℃，冷凝热为845KJ/kg。冷却水初温为20℃，终温为35℃，若K=800w/m2·K，问此冷凝器能否冷凝350kg/hr的酒精蒸气？

解：（1）求QL, QL=Whr=(350/3600)×845×103≈82kw

（2）求△tm

78-----------78 △t1=78-20=58℃

20----------->35 △t2=78-35=43℃

△t1与△t2没有相差一倍，可用算术平均值：△tm=（58+43）/2=50.5℃

（3）求Q：Q=KA△tm=800×5×50.5≈202 kw

Q>>QL 故能够冷凝。

【例4-1】 已知正戊烷（A）及正己烷（B）在不同温度下的饱和蒸汽压，求平均相对挥发度。正戊烷及正己烷的沸点分别为36.1 ℃和68.7 ℃。（50℃ pA0 =159.16 kPa ；pB0=54.04 kPa； 55℃pA0 = 185.18 kPa，pB0 = 64.44 kPa ）

答案见PPT

【例4-2】总压为101.3kPa时正庚烷和正辛烷的饱和蒸汽压和温度的关系数据如下表所示。试求出该体系的平均相对挥发度。

答案见PPT

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/482b140c79563c1ec5da7192.html