化工重点大题

第一章

13．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/m3。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 m3/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

p1u22gZp212u21We2gZ2hf

p511.013310Pa；p21.21105Pa；Z2Z18.0m；u10；hf70JkguV2AVπ203600ms1.966ms4d23.1440.06820.0042 Wp1u22u2ep212gZ2Z1hf

W1.211.01331051.9662e80029.88.070Jkg2.461.9378.470Jkg175JkgNewsWe203600800173W768.9W

19．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76 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/m3，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

22ub1ub2p1pgz1Wegz22hf22 （1）

式中 z1=0，z2=17 m，ub1≈0

ub2w4

d22104ms1.43ms36000.7850.06821073

p1=-25.9×103 Pa (表)，p2=0 (表)

将以上数据代入式（1），并整理得

2ub2pp1Weg(z2z1)2hf2

1.432 =9.81×17+225.9103+1073+hf=192.0+hf

其中

h=（+

fLLedub22+）2

0.0681.4310730.63103 Re==1.656×105

dub ed0.0044

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

350.86111.432hf=(0.03×0.068+0.5+4)2Jkg=25.74J/kg

于是 We192.025.74Jkg217.7Jkg

泵的轴功率为

217.72104WNsWew/==36000.7=1.73kW

第三章

6．在实验室里用面积0.1 m2的滤叶对某悬浮液进行恒压过滤实验，操作压力差为67 kPa，

测得过滤5 min后得滤液1 L，再过滤5 min后，又得滤液0.6 L。试求，过滤常数K，Ve，并写出恒压过滤方程式。

解：恒压过滤方程为：

q22qqeK

由实验数据知：

15min，

q10.0010.01m3/m20.1

3210minq0.016m/m11 ，

将上两组数据代入上式得：

(0.01)22(0.01)qe5K

(0.016)22(0.016)qe10K

解得

qe0.007m3/m2

5272 K4.810m/min810m/s

所以，恒压过滤方程为

q20.014q8107 （m3/m2，s）

29或 V0.0014V810 （m3，s）

11．在6710Pa压力下对硅藻土在水中的悬浮液进行过滤试验，测得过滤常数K=5×10-5

3m2/s，qe=0.01 m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比υ=0.08。现拟用有38个框的BMY50/810-25型板框压滤机在13410Pa压力下过滤上述悬浮液。试求：（1）过滤至滤框内部全部充满滤渣

3所需的时间；（2）过滤完毕以相当于滤液量1/10的清水洗涤滤饼，求洗涤时间；（3）若每次卸渣、重装等全部辅助操作共需15 min，求过滤机的生产能力（m3滤液/h）。

解：（1）硅藻土，s0.01，可按不可压缩滤饼处理

K2kp，qe与p无关

p134103Pa时，K1104m2/s，qe0.01m3/m2

Vc0.8120.02538m30.6233m3，A3820.812m249.86m2

VVcv0.62330.08m37.791m3，q7.7913249.86m/m0.1563m3/m2

代入恒压过滤方程式求过滤时间

0.1563220.010.1563104

275.6s

（2）洗涤

Vw0.1V0.7791m3

1dVKA2KA10449.86dVm3s3.748103m3sdW4dE8VVe8qqe80.15630.01

WVW/0.7791dVs207.9sd0.003748W

（3）生产能力

QVWD7.7913m3/h20.27m3/h275.6207.91560/3600

第五章

2．某平壁燃烧炉由一层400 mm厚的耐火砖和一层200 mm厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 ℃，外表面温度为100 ℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.80.0006t，绝缘砖的导热系数为

20.30.0003t，W/(mC)。两式中的t可分别取为各层材料的平均温度。

解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即

Q1Q2Q （5-32）

或

Q1Sttt1t22S23b1b2 （5-32a）

1500t1.250.0003t2

式中

10.80.0006t0.80.0006

20.30.0003t0.30.0003100t0.3150.00015t2

代入λ1、λ2得

(1.250.0003t)1500tt100(0.3150.00015t)0.40.2

解之得

tt2977C

11.250.0003t1.250.0003977WmC1.543WmC

则

QS1t1tb11.5431500977Wm22017Wm20.4

4．直径为57mm3.5mm的钢管用40 mm厚的软木包扎，其外又包扎100 mm厚的保温灰作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为120℃，绝热层外表面温度为10 ℃。软木和保温灰的导热系数分别为0.043W/(m℃)和0.07W/(m℃)，试求每米管长的冷损失量。

解：此为两层圆筒壁的热传导问题，则

2πt1t223.1412010Wmr310.02850.0410.02850.040.1r211lnlnlnln0.0430.02850.070.02850.041r12r2QL

24.53Wm

6．在一传热面积为40 m2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。冷却水的流量为30 000kg/h，其温度由22 ℃升高到36 ℃。溶液温度由115 ℃降至55 ℃。若换热器清洗后，在冷、热流体流量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40 ℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设：（1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174 kJ/(kg·℃)；（2）两种情况下，i、o分别相同；（3）忽略壁面热阻和热损失。

解：求清洗前总传热系数K

tm115365522C52.7Cln115365522

Q300004.1741033622KWm2C231Wm2CStm36004052.7

求清洗后传热系数K

由热量衡算

WhCp,h(T1T2)WcCp,c(t2t1)

t1)WhCp,h(T1T2)WcCp,c(t2

T2T1WcCp,cWhCp,ht1)(t2

T1T1T211555t2t11154022C37.9Ct2t13622

tm1154037.922C38.1Cln1154037.922

300004.1741034022KWm2C410.8Wm2C36004038.1

清洗前两侧的总传热热阻

RS1111232mCW1.910mCWKK231410.8

8．在一单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶剂。冷却水的流量为10 000 kg/h，其初始温度为30 ℃，平均比热容为4.174 kJ/（kg·℃）。有机溶剂的流量为14 000 kg/h，温度由180 ℃降至120 ℃，平均比热容为1.72 kJ/（kg·℃）。设换热器的总传热系数为500 W/(m2·℃)，试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积，设换热器的热损失和污垢热阻可以忽略。

QWcphT1T2140001.72180120kJh1.4448106kJh401.3kW解：

冷却水的出口温度为

1.4448106Qt2t130C64.61CWccpc100004.174

逆流时

tm18064.6112030Cln18064.611203025.39C102.2C115.39ln90

S逆Q401.31032m7.854m2Ktm500102.2

并流时

tm12064.6118030Cln12064.611803094.61C94.97C55.39ln150

S逆Q401.31032m8.452m2Ktm50094.97