化学工艺学潘鸿章版课后习题答案-文档-微盟圈

第一章流体流动过程与输送机械习题

1.A 地某化工厂的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为610mmHg ，设备移至异地B 操作时，若要求塔内维持相同的操作压强，真空表读数有何变化？（A 地平均大气压强为640mmHg ，B 地平均大气压强为760mmHg ）

解：A 地：

B 地： 2.在稳态流动系统中，水连续的由粗到细流经一个变径管路，粗管内径是细管的两倍，求细管内水的流速是粗管内的几倍。

解：稳态流动

4.如图所示，一高位水池内径D 为1.5m （有效），池底连φ144mm ×4mm 的排水管，管路长330m 、，总损失压头为6m 求管路出水口的体积流量。

解：取出口管中心线为基准面，取高位水池1-1截面，管路出口处2-2截面。

s m v g h g p g v Z h g p g v Z v f e /98.160200002.62222

222221211=∴+++

=++++++=+++∑ρρ[]h m s m A v q v /32.103/0287.010)8144(498.1332322==?-?==-πmmHg

P P P P P A A 30610-640=∴==-=绝绝绝真mmHg P P P B B 73003-760==-=绝真41

222

212221221121v ====∴=d d v v A v v A q q v

5.如图所示，有一连续稳态流动管路系统，粗管截面积为细管截面积的5倍，在管路系统中去1、2、3、4、5五个截面（如图所示），1点截面处的平均流速为11m s -?，表压强为120KPa ，泵的压头为8m ，输送的液体密度为10003kg m -?，试计算：

（1）若不考虑管路阻力损失，求各点截面的位压头、静压头、动压头和总压头。

（2）若整个管路阻力所产生的压强降为2m 液柱，求5点截面的位压头、静压头、动压头和总压头。

解：以地面为基准面(或以泵中心线为基准面都可以)

（1）由1-1截面可知

2-2截面

3-3截面

m g g g p g v Z 05.232205.0110012021121211=++=+++=++ρρ）（m h g p g v Z He g p g v Z f 05.313005.012222

221211=++=∑+++=+++ρρ23223335,1v v A v A v m Z =∴==2232325250.05 1.25,2231.05,31.5 1.25128.8v v m g g

m p m g ρ==?===--=总压头m g v g v m Z 25.122,623244===

第一章流体流动过程与输送机械习题

解：A 地：

B 地： 2.在稳态流动系统中，水连续的由粗到细流经一个变径管路，粗管内径是细管的两倍，求细管内水的流速是粗管内的几倍。

解：稳态流动

4.如图所示，一高位水池内径D 为1.5m （有效），池底连φ144mm ×4mm 的排水管，管路长330m 、，总损失压头为6m 求管路出水口的体积流量。

解：取出口管中心线为基准面，取高位水池1-1截面，管路出口处2-2截面。

s m v g h g p g v Z h g p g v Z v f e /98.160200002.62222

222221211=∴+++

=++++++=+++∑ρρ[]h m s m A v q v /32.103/0287.010)8144(498.1332322==?-?==-πmmHg

P P P P P A A 30610-640=∴==-=绝绝绝真mmHg P P P B B 73003-760==-=绝真41

222

212221221121v ====∴=d d v v A v v A q q v

4-4截面

5-5截面

（2）

7.常压下，用泵将敞口容器中的油品以3631m h -?的流量输送到敞口高位槽中，管出口在高位槽液面下，两槽的液面差为25m ，输送管为φ76mm ×3mm ，直管长度为100m ，各种管件的当量长度为150m ，摩擦粗力系数λ为0.023，泵的效率为60％，求泵的实际功率。（油品的密度为9603kg m -?）

解：基准面取低位槽页面

10.某离心泵以20℃的水进行性能测试，测得体积流量为72031m h -?，泵出口压力表读数为0.4MPa （表压），泵入口处真空表读数为210mmHg ，压力表和真空表之间的垂直距离为410mm ，吸入管和压出管内径分别为350mm 和300mm 。m

h g He h g p g v Z He g

p g v Z f f v 64.533.28344.025225000222222221211=++=∑++

=+++∑+++=+++ρρs m d q v v /6.207.04

36003642

22=??==ππm g v d l l h e f 3.2881.926.207.0)150100(023.02)(2

2=??+?=+=∑∑λkw g H q P e v e 42.86

.010********.5381.996036)10003600/(=?????=?=ηρp m g

v g v m Z 05.022,62

2255===m g

m 8.23625.15.31,05.314=--==ρ总压头m g

p m 25605.05.31,05.315=--==ρ总压头m g v g v m Z 05.022,62

2255===m g p m 23605.005.29,05.292-05.315=--===ρ总压头

试求此泵产生的压头。

解：

第二章传热习题

1用100℃的水蒸气加热φ38 mm×2.5 mm 钢管内的盐溶液，盐溶液的流量为500 kg ．h -1,比定压热容为2 093.5 J.kg -1.K -1，由20℃加热到50℃，α盐=930 W ．m -2．K -1，

α蒸汽=5 815 w.m -2．K -1，钢管的λ=46. 52 w .m -1.K -1.求加热钢管多少米（以管外表

面计算）。设忽略热损失，可按平面壁考虑。

解：

盐溶液在热交换中无相态变化

0.4400(210-21010027.6(760

P MPa KPa P mmHg KPa ====-?=-出进表），表），22720 2.83/36000.34720 2.08/36000.35

v m s v m s ππ==??==??出进，

220322

240027.610 2.83-2.080.4144.26998.29.8129.81p p v v He h g g

m ρ--=+++?=++=??出进出进（）123-..65.768930152.46105.2581811111--=+?+=++=k m w K 盐蒸汽总αλδα83.635080ln 50-100-20-100ln 2121==???-?=?∴）（）（t t t t t m ()w t t C q a p a m 92.8722)2050(5.20933600

50012,,=-?=-=Φm l l lr t K A t KA m m 49.183.6365.76892.87221023814.3223=∴?=???=∴?Φ=

∴?=Φ-π

2．采用传热面积为4.48 m 2的换热器进行溶剂苯和某水溶液间的逆流换热，苯的流量为3 600kg.h -1，比定压热容为1.88 kJ ．Kg -1．K -1，由80℃冷却到50℃，水溶液由20℃加热到30℃，忽略热损失，求总传热系数K 。

解：

忽略热损失： 3.有一厚度为480 mm 的普通砖墙，高温侧为200℃，在此温度下的导热系数为0.614 W.m -1．K -1；低温侧为30℃，在此温度时的导热系数为0.52 W ．m -1．K -1。试求单位时间通过单位传热面积(l m 2)的热量为多少。

解：

4．为减少热损失，设备外壁包一层厚度为200 mm 均匀保温材料，导热系数为0.163W.m -1．K -1，保温材料外缘温度为30℃，为测量设备壁面温度，将温度计从外面插入保温层50 mm ，测得其温度为75℃，试计算设备外壁温度和单位时间每平方米保温层向外散失的热量。

解：

5.有φ=60 mm ×3mm 的常压蒸气管（钢管），其导热系数为50 W.m -1．K -1，外包40 mm 厚的石绵泥，其导热系数为0.12W.m -1．K -1。蒸气管内壁为110℃，石棉泥外壁为20℃。试求每秒钟每米管路散失的热量。

解：

1121567.0252.0614.02--??=+=

+=k m W λλλW t t A 8.200)30200(148.0567.0)(21=-??=-=Φδλkw T T c q a p a m 4.56)5080(88.136003600)(21,,1=-??=-=ΦK m W t A K t KA m m ?=??=?Φ=∴?=Φ23

/55.321152

.3948.4104.5621005

.030-752.030-)()(1123213122321131==∴-=--=-=Φt t t t t t A t t A t t ，δδλδλδ()211121179.02,5.28230272m l r A mm r r r m m m ===+=+=π121212=80-30=50=50-20=3050-30=39.12550ln ln 30

m t t t t t t t ???-??==??逆流：，

6.在φ100 mm×5 mm 的钢管中有134℃的饱和水蒸气流动，若管外包有30 mm 厚玻璃棉，其导热系数为0.05W ．m -1．K -1，，当外界气温为15℃时，若空气对保温层的给热系数为8W.m -1．K -1，忽略钢管内饱和水蒸气对钢管的给热系数和钢管壁很小的热阻，试求保温层外壁温度。

解：稳态传热，保温层内的导热速率=保温层与空气的对流给热速率

7.反应釜的釜壁为钢板，厚5 mm(λ=50W.m -1．K -1)，黏附在内壁的污垢厚0.5 mm （λ=50W.m -1．K -1）。反应釜附有夹套，用饱和水蒸气加热。釜体钢板外表面（与蒸汽接触）为150℃，内壁面130℃。试求单位时间每平方米面积所传导的热量。并与没有污垢层和釜体为不锈钢（有污垢）、铜（有污垢）的情况进行比较（设壁面温度不变）。(其中不锈钢=14W.m -1．K -1；铜=400W.m -1．K -1)

解：

无污垢：

()2223232296.0,21.473070ln 3070ln m A mm r r r r r m m ==-=??? ??-=kw

A t i i i 89.79296.012.004.0179.050003.020110)(=?+?-=∑?=Φλδ()23

.32)134(065.0203.005.0)15(08.0282,2),(2=-??=-??∴==-=-=Φt t t l r A l r A t T A t t A m m m ππππδλα空(),65280502,80,501221mm r r r mm r mm r m =+=+===w A t i i i 43-3-108.15.0105.050105130150)(?=?+?-=∑?=Φλδw A t i i i 53-100.250105130150)(?=?-=∑?=Φλδw A t i i i 43-3-104.15.0105.014105130150)(?=?+?-=∑?=Φλδ

不锈钢有污垢：

铜有污垢： 8.用134.2℃的饱和水蒸气加热φ48 mm ×3mm 钢管内的某溶剂，由20℃加热到75℃，溶剂的体积流量为6m 3.h -1,，密度为1080kg.m -3，比定压热容为

2.9kJ ．Kg -1．K -1，求单位时间（每秒钟）消耗的蒸汽的量。

解：

9．在某一化工生产流程中，换热器采用一种高温流体来预热原料液，将原料由25℃预热到180℃；而高温流体经过换热，由300℃降至200℃。试计算采用逆流操作与并流操作时的平均温度差，并进行比较。

解：逆流：

并流： 10.列管式换热器由若千根长3m 、外径25 mm 的钢管组成。要求将流量为1.25 kg ．s -1流体从350℃冷却到300℃。290℃的B 流体在管内与A 流体作逆流流动。已知B 侧和A 侧的给热系数分别为0 .85 kW ．m -2．K -1和1. 70 kW ．M -2．K -1，管壁和污垢热阻可忽略。若B 流体出口温度为320℃，求所需管子的根数。已知A 的Cp=l. 9 kJ ．Kg -1．K -1，ρ=880 kg ．m -3。

解：

32k 111110567/.110.85 1.7K W m K αα∴=+=

?=+Q 钢管壁和污垢热阻可忽略 w A t i i i 43-3-10975.15

.0105.0400105130150)(?=?+?-=∑?=Φλδ,,21,,,()61080 2.9(7520)2165.243600

0.133/a m p a b m b m b m q c t t q q q kg s -=?H ?∴?-==Q 解得29.9720275ln 20275ln 2

121=-=???-?=?t t t t t m 8.145120175ln 120175ln 2

121=-=???-?=?t t t t t m

3010

18.2ln ?=-=?=-=?-?∴?==??121211222112m 12根据题意：T =350，T =300

t =290，t =320

逆流操作，则

t T t ，t T t t t t t t

()0.2355

2ma pa Q q C K A A A n rL

π=??-=???==?12m

T T t 代入，则则可求出：n=49根

12.用300kpa 的饱和蒸汽（134℃）通人夹套式换热器夹套，使甲苯沸腾蒸发。甲苯的沸点为110.6℃，汽化热为363.5kJ ．Kg -1,，换热器的传热面积为1m 2，每小时汽化200kg 甲苯。求换热器的总传热系数K 。如果换热器的热损失为换热量的10%，求每小时消耗多少千克饱和水蒸气。

解：

13.某单程列管式换热器内置直径为φ25 mm ×2. 5 mm 的钢管柬。操作过程中，苯在换热器的管内流动，流量为1.25kg.s -1，温度由80℃冷却到30℃；冷却水在管间与苯呈逆流流动，进口温度为20℃，出口温度为50℃，已知水侧和苯侧的给热系数分别为l 400W ．m -2．K -1和0.75 W ．m -2．K -1，污垢和换热器的热损失可以忽略，试求换热器的传热面积。苯的平均比定压热容为l.9kJ ．Kg -1．K -1 ，管壁材料的导热系数为45W ．m -2．K -1。

解：

kw q m 2.205.3633600200=?=?H =Φ甲苯k m kw t A K t KA m m ./86.0)6.110134(12.202=-?=?Φ=∴?=Φ设备设备h kg s kg q q m m

/89.36/01.01

.2168%)101(2.201.2168%101==+?=∴=+Φ=Φ）（甲苯水k m w K ?=+?+=++=-2321/74.075

.0145105.2140011111αλδαKW t t c q a p m a 75.118)30-809.125.1)(1

2,,=??=-=Φ（

第四章习题

1．采用精馏操作分离正庚烷—正辛烷混合物，精馏塔的塔底压力为101. 7 kPa ，塔顶压力为100. 6 kPa 。已知正庚烷(A)和正辛烷(B)的饱和蒸气压为

温度/℃ 90 98.5 100 105 110 115 120 126

p A /kPa 78.5 101.3 106.0 121.6 139.3 158.9 182.2

— p B /kPa 33.9 44.8 47.2 55.3 64.3 74.1 86.1 101.3

如果正庚烷—正辛烷混合物服从拉乌尔定律和道尔顿分压定律，试求：

(1)塔底温度分别为115℃和120℃时，塔底液体组成；

(2)塔顶温度分别为100℃和105℃时，塔顶馏出物组成。

解：（1）

塔底：115℃

120℃

（2）塔顶100℃

2.181030ln )2030()5080(ln 2

121=---=???-?=?t t t t t m 332118.75108.817100.7418.2

m m KA t A m K t Φ=?Φ?∴===???设备设备A A A x P P *

=675.0,325.0)1(1.749.1587.101-1==-+=∴+=+=**B A A A A B A A B A x x x x x P x P P P P 解得）（836

.0,164.0)1(861827.101==-+=∴B A A A x x x x 解得09.0,91.0)1(2.471066.100-1==-+=∴+=+=**B A A A A B A A B A x x x x x P x P P P P 解得）（

105℃

2．设正庚烷—正辛烷混合物可视为理想混合液，根据上题所给数据，计算在101. 3 kPa 下气液平衡组成，并分别绘出t-x-y 相图和y-x 相图。

3．求不同温度下正庚烷与正辛烷的相对挥发度，用平均挥发度求平衡时的气相组成y 与液相组成x 的关系，并与前题的计算绪果进行比较。

4．在连续精馏塔内每小时精馏含乙醇10%（质量分数，下同）的水溶液2000 kg 。要求塔顶馏出液中乙醇含量为96%，塔底斧液中含乙醇2%，保持回流比R=4，试求回流量。

解：

5．已知连续精馏塔操作线方程为

精馏段 y=0.723x+0.263

提馏段 y=1.25x-0.0187

若泡点进料，试求原料液、馏出液及塔底釜液的组成及回流比。 04.0,96.0===*B A A A y p

x p y 32.0,68.0)1(3.556.1216.100==-+=∴B

A A A x x x x 解得17.0,83.0===*

B A A A y p x p y W D W D F +=∴+=2000h kg W h Kg D W D Wx Dx Fx W D F /8.1829,/2.170%2%96%102000==?+?=?∴+=解得h kg D L D

L R /8.6802.17044=?==∴=

解：原料液是精馏段与提馏段交点，精馏段 y=0.723x+0.263 提馏段 y=1.25x-0.0187解得x F =0.534

精馏段：

解得R=2.61， x D =0.95

6．原料液于泡点下进料，组成xF=0．6，流量为152 kmol ．h-1。相对挥发度α=3。要求xD=0.9，xw=0.02，R=1。试求：(l)精馏塔顶、塔底产品的流量及塔顶轻组分的回收率；（2）最小回流比R min ；（3）离开第三块理论板的液相组成。

解：（1）

（2）泡点进料q=1书126图，129图

（3）逐板计算方法

解x 3=0.51

263.0723.01

111+=+++=+x x R x R R y D n n 263.01

1723.01=+∴=+∴D x R R R W

D W D F +=∴+=152h kmol W h Kmol D W D Wx Dx Fx W D F /82.51,/8.10002.09.06.0152==?+?=?∴+=解得%86.986

.01529.018.100%100=??=?=F D D Fx Dx η375.06.0818.0818.09.0min =--=--=--=F q q D q q q

D x y y x x y y x R 818.06.01-316.03)1(1=?+?=-+=）（F F q x x y αα11()11

12n n D R y x x y f x R R y x y +=+=++???→??????→11()11223.......,n n D R y x x y f x R R n n y x y x y +=+=++???→??????→

7．常压下连续精馏塔中分离甲醇水溶液，已知X F =0.4,精馏段和提馏

段的操作线方程分别为

y=0.63x + 0.361

y=1.805x –0.00966

试求q 值和回流比。

解:

精馏段操作线，提馏段操作线，q 线交于一点，

y=0.63x + 0.361

y=1.805x –0.00966解得x d =0.3146,y d =0.5582

带入答：略。

8. 将含苯0.5（摩尔分数，下同）的苯-甲苯混合液，在连续精馏塔中分离。要求塔顶回收99.5℅的苯，釜液中含苯小于0.02。饱和液体进料，回流比R = 3.0，相对挥发度α=2.45。试求理论塔板数。若全塔效率为60℅，试求实际塔板数。

解：

7.1361.063.01111=∴+=+++=+R x x R x R R y D n n 65.014.0-3146.015582.011=-?-=∴---=

q q q q q x x q q y F 解得10145.2ln )995.0102.01(02.0995.0ln 1-log 11log min =-??????--=?????????? ??-???? ??-=αw w D D x x x x N

泡点进料q=1,

书131页吉利兰图：查

第五章化学反应器习题

1在间歇釜式反应器内进行A →B 的液相一级不可逆反应，反应速率方程为r A =kc A ，已知反应在162℃的等温下进行，k= 0.8h -1，试求转化率达到97%时所需的反应时间。

解：对一级反应：

2在间歇釜式反应器内进行某反应，其动力学方程为r A =0.35c A 2 [kmol?m -3?s -1]，当A 的初始浓度分别为1kmol?m -3和4kmol?m -3时，计算A 的残余浓度降低到0.01kmol?m -3时所需反应时间。

解：对二级反应：

357.15.071.071.0995.0min =--=

--=q q q D x y y x R 71.05.0)145.2(15.045.2)1(1=?-+?=-+=F F q x x y αα4107.013357.131min =+-=+-=R R R X 151103.01min =∴+-==+-=N N N N N N Y 层25%

6015==

T N h x k A 38.497

.011ln 8.0111ln 1=-=-=τh s C C k A A 0786.0min 7.48.2821-01.0135.01)11(101====-=）（τh s C C k A A 079.0min 75.4285)4101.01(35.01)11(102===-=-=τ

3 醋酐的水解反应为

(CH 3CO) 2O+H 2O=2CH 3COOH

已知醋酐的浓度低时，此反应可视为假一级反应。在l5℃时的反应速率r A =0.080 6c A [mol?L -1?min -l ]，式中c A 为醋酐的浓度。若使用间歇釜式反应器，每天处理溶液量为25m 3，每批料用于装、卸料等的辅助时间为25min ，装料系数为0.7,要求醋酐的转化率为99%，试求反应釜的容积。

解：对间歇反应器中的一级反应：

4在间歇釜式反应器中分别进行一级反应和二级反应，试计算转化率从0提高到90%与从90%提高到99%所需反应时间之比。

解：对一级反应：

0-90%

0-99%

90%-99%

对二级反应：

0-90% 0%-99%

min 1.5799

.011ln 0806.0111ln 1=-=-=A x k τ330425.13.1425)251.57(60241025)(m L q V v R ==+??='+=ττA x k -=11ln 1τk k 303.29.011ln 11=-=τk k 605.499.011ln 12=-=τ1302.231123=∴=

-=τττττk )1(0A A A x x kc -=τ0019)9.019.0(A A kc kc =-=τ0

0299)99.0199.0(A A kc kc =-=τ3

036.27.0425.1m V V R T ==

90%-99%

5 用醋酸和丁醇合成醋酸丁酯的反应为

CH 3COOH+C 4 H 9OH →CH 3COOC 4H 9+ H 2O

反应在间歇釜式反应器内进行，反应温度为373 K ，配料比为醋酸：丁醇=1:4.97（摩尔比），以少量H 2SO 4为催化剂，反应速率方程为r A =kc A 2，式中c A 为醋酸的浓度。已知在反应温度下的速率常数k=1.046m 3?kmol -1?h -1，物料的密度在反应前后不变，均为750kg?m -3，要求每天生产2400kg 醋酸丁酯，醋酸的转化率为50%，每批料的辅助时间为0.5h ，求反应釜的有效容积。

解：醋酸-60，丁醇-74，醋酸丁酯-116

二级

醋酸丁酯产量：

A 的转化率50%，

190-310123=∴==τττττA kc 30/75.17497.4601750m kmol M c A =?+?==ρh kmol F F h kmol F A B A /57.897.4,/72.1%50862.0000====∴h kmol /862.024

1162400=?min 78.32546.05.0-175.1046.15.0)1(0==??=-=

h x x kc A A A ）（τh m q q m v /98.07507457.86072.13=?+?==ρ30025.15.0546.098.0)(m q V v R =+?='+=）（ττ

8某液相反应，在25℃时其反应速率方程为r A =0.992c A c B [kmol?m 3?s -1]，原料的进料量为0.28m 3?h -1，反应物的初始浓度c A0=c B0=0.08 kmol?m -3，试求：(l)采用单级连续反应釜，转化率达87.5%时，反应釜的有效容积；(2)采用二级串联反应釜，每个反应釜的有效容积为单级连续反应釜的一半时，反应的最终转化率。解：

（1）对二级反应：

（2）二级串联

22000.875705.611.76min (1)0.9920.08(10.875)

R A v A A V x s q kc x τ=====-??-3

055.05576.116028.0m l q V v R ==?==τ12202322220.0138705.6=0.005/20.992R A A v A A A A V c c q kc c c kmol m c τ-==-∴=解得%75.9308.0005.008.0=-=Af x 01201311210.08705.6=0.0138/20.992A A R v A A A A c c V q kc c c kmol m c τ-==-∴=解得

9 过氧化异丙苯(CHP)在硫酸的催化作用下分解成苯酚和丙酮的反应是一级不可逆反应。在给定反应温度下，k=0. 076 7s -1。CHP 的日处理量为192 m 3。，要求最终转化率为

99%，试计算反应在下列反应器内进行时，各反应器的有效容积。

(l)间歇式反应釜（每批料辅助时间为l h ）；

(2)理想管式反应器；

(3)单级连续反应釜；

(4)二级串联等体积反应釜。

解：(l)间歇式反应釜（每批料辅助时间为l h ），一级；

(2)理想管式反应器；

(3)单级连续反应釜；

(4)二级串联等体积反应釜。

s x k A 6099

.011ln 0767.0111ln 1=-=-=τ3