化工原理作业题

【0-3】1000kg的电解液中含NaOH质量分数10%、NaCl的质量分数10%、H2O的质量分数80%，用真空蒸发器浓缩，食盐结晶分离后的浓缩液中含NaOH 50%、NaCl 2%、H2O48%，均为质量分数。试求：(1)水分蒸发量；(2)分离的食盐量；(3)食盐分离后的浓缩液量。在全过程中，溶液中的NaOH量保持一定。

解 电解液1000kg 浓缩液中

NaOH 1000×0.l=100kg NaOH ?=0.5（质量分数）

NaOH 1000×0.l=100kg NaCl ?=0.02（质量分数） H2O 1000×0.8=800kg H2O ?=0.48（质量分数）

在全过程中，溶液中NaOH量保持一定，为100kg

浓缩液量为100/0.5?200kg 200kg浓缩液中，水的含量为200×0.48=96kg，故水的蒸发量为800-96=704kg 浓缩液中 NaCl的含量为200×0.02=4kg，故分离的 NaCl量为100-4=96kg

【1-2】某设备进、出口的表压分别为-12kPa和157kPa，当地大气压力为101.3kPa。试求此设备的进、出口的绝对压力及进、出的压力差各为多少帕。

解 进口绝对压力 p进?101.3?12?89.3 kPa

出口绝对压力 p出?101. 3?157?258.3 kPa 进、出口的压力差

?p?157?（?12）?157?12?169kPa 或 ?p?258. 3?89. 3?169 kPa

【1-6】如习题1-6附图所示，有一端封闭的管子，装入若干水后，倒插入常温水槽中，管中水柱较水槽液面高出2m，当地大气压力为101.2kPa。试求：(1)管子上端空间的绝对压力；(2)管子上端空间的表压；(3)管子上端空间的真空度；(4)若将水换成四氯化碳，管中四氯化碳液柱较槽的液面高出多少米？

解 管中水柱高出槽液面2m，h=2m水柱。 (1)管子上端空间的绝对压力p绝 在水平面1?1'处的压力平衡，有

p绝??gh?大气压力p绝?101200?1000?9.81?2?81580 Pa（绝对压力）

(2)管子上端空间的表压 p表

p表? p绝-大气压力=81580?101200??19620 Pa

习题1-6附图

(3)管子上端空间的真空度p真

p真=-p表=-??19620??19620 Pa

(4)槽内为四氯化碳，管中液柱高度h'

h'??水h ?ccl4常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为?ccl?1594 kg/m3

4【1-10】常温的水在如习题1-10附图所示的管路中流动，为测量A、B两截面间的压力差，安装了两个串联的U形管压差计，指示液为汞。测压用的连接管中充满水。两U形管的连接管中，充满空气。若测压前两U形压差计的水银液面为同一高度，试推导A、B两点的压力差?p与液柱压力汁的读数R1、R2之间的关系式。

解 设测压前两U形压差计的水银液面，距输水管中心线的距离为H。

在等压面2?2'处

R???R?R2?p2?pA??H?1??水g?R1?汞g??1??气g 22????R??p'2?pB??H?2??水g?R2?汞g

2??习题1-10附图

因p2?p'2，由上两式求得

???气??pA?pB?(R1?R2)??汞?水?g

2??因?气???水

pA?pB??R1?R2???汞-故 ???水??g

2?【1-13】如习题1-13附图所示的套管式换热器，其内管为?33.5mm?3.25mm，外管为?60mm?3.5mm。内管中有密度为1150kg/m3、流量为5000kg/h的冷冻盐水流动。内、外管之间的环隙有绝对压力为0．5MPa，进、出口平均温度为0℃，流量为160kg/h的气体流动。在标准状态下(0℃，101.325kPa)，气体的密度为1.2kg/m3。试求气体和盐水的流速。

3kg /m解 液体 ??1150

内管内径 d内?33.5?3.25?2?27mm?0.027 m 液体质量流量 qm?5000kg/h ，体积流量 qV?50003m／h 1150流速 u液?qV?4?2内5000/11503600?d?4?2.11 m/s

2?0.027气体质量流量 qm?160 kg/h

0.5?106密度 ?气?1.2??5.92kg/m3

101325体积流量 qV?流速 u气?1603m／h 5.92160/5.923600??4?0.0532?0.03352??5.67 m/s

习题1-13附图 习题1-14附图

【1-15】常温的水在如习题1-15附图所示的管路中流动。在截面1处的流速为0.5m/s，管内径为200mm，截面2处的管内径为100mm。由于水的压力，截面1处

产生1m高的水柱。试计算在截面1与2之间所产生的水柱高度差h为多少（忽略从1到2处的压头损失）?

解 u1?0.5m/s

d1?0.2m, d2?0.1m

?d?u2?u1?1??0.5?(2)2?2m/s

?d2?2p1p1?p222u1p2u2??? ?2?2?22u2?u122?0.52???1.875

22?p?p1?p2?1.875??1.875?1000?1875Pa

h??p1875??0.191m?191mm ?g1000?9.81

习题1-15附图

习题1-16附图

另一计算法

2p1u12p2u2 ????g2g?g2g2p1?p2u2?u1222?0.52h????0.191m

?g2g2?9.81计算液柱高度时，用后一方法简便。

【1-17】如习题1-17附图所示的常温下操作的水槽，下面的出水管直径为

?57mm?3.5mm。当出水阀全关闭时，压力表读数为30.4kPa。而阀门开启后，压力表读数降至20.3kPa。设压力表之前管路中的压头损失为0.5m水柱，试求水的流量为多少m3/h?

解 出水阀全关闭时，压力表读数30. 4kPa（表压）能反映出水槽的水面距出水管的高度h

30.4?103h???3.1m

?g103?9.81p表阀门开启后，压力表读数 p2?20.3kPa（表压） 从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速u2

2p2u2 Z1?++?Hf

?g2g

Z1?h?3.1m,?Hf?0.5m水柱

2u220.3?1033.1?3??0.5

10?9.812?9.81习题1-17附图

u2?3.23m/sd?0.05m

水的流量

qV??4d2u2??4?0.052?3.23?6.34?10?3m3/s?22.8 m3/h

【1-29】试求下列换热器的管间隙空间的当量直径：(1)如习题1-29附图(a)所示，套管式换热器外管为?219mm?9mm，内管为?114mm?4mm；(2)如习题1-29附图(b)所示，列管式换热器外壳内径为500mm，列管为?25mm?2mm的管子174根。

习题1-29附图

解 (1)套管式换热器，内管外径d1?0.114m，外管内径d2?0.201m 当量直径 de?d2?d1?0.201?0114.?0087.m

(2) 列管式换热器，外壳内径d2?0.5m，换热管外径d1?0.025m，根数n?174根

?de?4?4 当量直径 (0.5)2?174?(0.025)2??0.0291m

?(d2?nd1)0.5?174?0.0252(d2?nd12)【1-33】如习题1-33附图所示，用离心泵从河边的吸水站将20℃的河水送至水塔。水塔进水口到河水水面的垂直高度为34.5m。管路为?114mm?4mm的钢管，管长1800m，包括全部管路长度及管件的当量长度。若泵的流量为30m3/h，试求水从泵获得的外加机械能为多少？钢管的相对粗糙度

?d?0.002。

解 水在20℃时??998.2kg/m3，??1.004?10?3Pa?s d?0.106m, l?le?1800m

流量 qV?30m3/h 流速 u?30/3600? ?0.9448m/s ?2?2d?(0.106)44qVRe?du???0.106?0.9448?998.2?9.96?104 湍流 ?31.004?10习题1-33附图

查得??0.0252

l?leu218000.94482摩擦阻力损失 ?hf???0.0252???191J/kg

d20.1062以河水水面为基准面，从河水水面至水塔处的水管出口之间列伯努利方程。 u20.94482外加机械能 W?Z2g???hf?34.5?9.81??191?530 J/kg

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【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m3的水溶液，其他性质可视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。

解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。 (3)液体密度?增大，则轴功率P?qV?gH?将增大

【2-10】 用离心泵输送80℃热水，今提出如下两种方案（见习题2-10附图）。若两方案的管路长度（包括局部阻力的当量长度）相同，离心泵的汽蚀余量?h?2m。试问这两种流程方案是否能完成输送任务？为什么？环境大气压力为101.33kPa。

习题2-10附图

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