化工原理上册课后习题及答案(9)

4-1 试求直径30μm的球形石英粒子在20℃水中与20℃空气中的沉降速度各为多少?石英的密度为 2600kg/m3。

[答：7.86×10-4m/s，0.07m/s]

4-2 密度为2000kg/m3的球形颗粒，在60℃空气中沉降，求服从斯托克斯定律的最大直径为多少?

[答：88.8μm]

4-3 直径为0.12mm，密度为2300kg/m3的球形颗粒在20℃水中自由沉降，试计算颗粒由静止状态开始至速度达到99％沉降速度所需的时间和沉降的距离。

[答：8.43×10-3s，6.75×10-5m]

4-4 将20℃含有球形染料微粒的水溶液置于量简中静置1h，然后用吸液管于液面下5cm处吸取少 量试样。试问可能存在于试样中的最大微粒直径是多少μm？已知染料的密度是3000kg/m3。

[答：3.6μm]

4-5 某降尘室长2m、宽1.5m，在常压、100℃下处理2700m3/h的含尘气。设尘粒为球形，

?p?2400

kg/m3，气体的物性与空气相同。求：(1)可被100％除下的最小颗粒直径； (2)直径0.05mm的 颗粒有百分之几能被除去?

[答：(1)64.7 μm；(2)60％]

4-6 悬浮液中含有A、B两种颗粒，其密度与粒径分布为：ρA＝1900kg/m3，dA＝0.1～0.3mm；ρB＝1350kg/m3，dB＝0.1～0.15mm。若用ρ＝1000kg/m3的液体在垂直管中将上述悬浮液分级，问是否可将A、B两种颗粒完全分开?设颗粒沉降均在斯托克斯定律区。

[答：A、B可完全分开]

4-7 试证??Re2且当??Re2p为与沉降速度无关的无量纲数据，p小于何值时则沉降是在斯托克斯定 律区的范围以内?

[答：48]

4-8 下表为某种雇化剂粒度分布及使用某种旋风分离器时每一粒度范围的分离效率。试计算该旋风分离器的总效率及未分离下而被气体带出的颗粒的粒度分布。

若进旋风分离器的气体中催化剂尘粒的量为18g/m3，含尘气的流量为1850m3/h，试计算每日损失的催化剂量为多少kg?

粒径 / μm

5～10

10～20 41

20～40

40～100

质量分率 粒级效率，?i

0.20 0.80

0.20 0.90

0.30 0.95

0.30 1.00

[答：0.925，0.53，0.27，0.20，0，59.9kg/d]

流态化

4-9 在内径为1.2m的丙烯腈硫化床反应器中，堆放了3.62t磷钼酸铋催化剂，其颗粒密度为1100kg／m3，堆积高度为5m，流化后床层高度为10m。试求，(1)固定床空隙率；(2)流化床空隙率；(3)流化床的压降。

[答：(1) 0.42；(2) 0.71；(3) 3.14×104Pa]

4-10 试用动量守恒定律证明流体通过流化床的压降?P?m(?p??)gA?p。

(式中，m为颗粒质量；ρp和ρ分别为颗粒与流体的密度)。 [答：略]

4-11 某圆筒形流化床上部设一扩大段，为保证气体夹带出反应器之催化剂尘粒不大于55μm，则流化床扩大段的直径为多少?

已知：催化剂密度1300kg/m3，气体密度1.54kg/m3，黏度0.0137mPa·s，流化床床层直径为2m，操作气速为0.3m/s。

[答：2.77m] 4-12 试用欧根方程

?PL?150(1??)2?3?u(1??)?u2 ??1.753??dp(?dp)2?及沉降速度计算式，证明丛对小颗粒为91.6，对大颗粒为8.6l。 提示：对小颗粒，欧根方程中的惯性项可忽略，且

1??mf??23mf?11，对于大颗粒，欧根方程中的粘

性项可忽略，且

13??mf?14。

[答：略] 固定床压降

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4-13 某种圆柱形颗粒催化剂其直径为dp，高为h，试求等体积的当量直径de及球形度ψ。 现有h＝dp＝4mm的颗粒，填充在内径为1m的圆筒形容器内，填充高度为1.5m，床层空隙率为0.43。若在20℃、101.3kPa下使360m3/h的空气通过床层，试估算床层压降为多少? [答：dev(18dph)1/332，222.7Pa] ?3dph，??22h?dp 4-14 用20℃、101.3kPa空气通过某固定床脱硫器，测得如下数据： 空塔气速 03m/s， 单位床层高度的压降 220Pa/m； 0.8m/s， 1270 Pa/m。

试利用欧根公式估计甲烷在30℃、0.7MPa下以空塔气速0.4m/s通过床层时，单位床层高度的珏降为多少？已知在操作条件下甲烷物性：μ＝0.012mPa·s；ρ＝4.50kg/m3。 [答：1084Pa/m] 过滤物料衡算

4-15 某板框压滤机共有20只滤框，框的尺寸为0.45mX0.45mX0.025m，用以过滤某种水悬浮液，每1m3悬浮液中带有固体0.016m3，滤饼中含水的质量分数为50％。试求滤框被滤饼完全充满时，过滤所得的滤液量(m3)。已知固体颗粒的密度ρp＝1500kg/m3，ρ水＝1000kg/m3。 [答：2.424m3] 过滤设计计算

4-16 在恒压下对某种滤浆进行过滤实验，测得如下数据：

滤液量/m3 过滤时间/s

0.10 38

0.20 115

0.30 228

0.40 380

过滤面积为1m2，求过滤常数K及qe。

[答：5.26X10-4m2/s，0.05m3/m2]

4-17 某生产过程每年欲得滤液3800m3，年工作时间5000h，采用间歇式过滤机，在恒压下每一操作周期为2.5h，其中过滤时间为1.5h，将悬浮液在同样操作条件下测得过滤常数K= 4X10-6m2/s，qe＝2.5X10-2m3/m2。滤饼不洗涤，试求：(1)所需过滤面积，m2；(2)今有过滤面积为8m2的过滤机，需要几台？

[答：(1)15.3m3；(2)2台]

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4-18 叶滤机在恒定压差下操作，过滤时间为τ，卸渣等辅助时间τD。滤饼不洗涤。试证：当过滤时间满足???D?2qe?D/K时，叶滤机的生产能力达最大值。 [答：略] 过滤操作型计算

4-19 在恒压下对某种悬浮液进行过滤，过滤10min得滤液4L。再过滤10min又得滤液2L。如果继续过滤10min，可再得滤液多少升?

[答：1.5L]

4-20 某压滤机先在恒速下过滤10min，得滤液5L。此后即维持此最高压强不变，作恒压过滤。恒压过滤时间为60min，又可得滤液多少升？设过滤介质阻力可忽略不计。 [答：13L]

4-21 有一叶滤机，自始至终在恒压下过滤某种水悬浮液时，得过滤方程q2+20q＝250τ(q单位为L/m2；τ单位为min)。在实际操作中，先在5min时间内作恒速过滤，此时过滤压强自零升至上述试验压强，此后即维持此压强不变作恒压过滤，全部过滤时间为20min。试求：(1)每一循环中每1m2过滤面积可得的滤液量(L)；(2)过滤后再用相当于滤液总量的1/5水以洗涤滤饼，洗涤时间为多少?

[答：(1)58.4L/m2；(2)6.4min]

4-22 某板框压滤机有10个滤框，框的尺寸为635mm× 635mm×25mm。料浆为含CaCO3质量分数13.9％的悬浮液，滤饼含水质量分数为50％，纯CaCO3固体的密度为2710kg/m3。操作在20℃、恒压条件下进行，此时过滤常数K＝1.57×10-5m2/s，qe＝0.00378m3/m2。试求：(1)该板框压滤机每次过滤(滤饼充满滤框)所需的时间；(2)在同样操作条件下用清水洗涤滤饼，洗涤水用量为滤液量的1/10，求洗涤时间。

[答；(1)166s；(2)124s]

4-23 过滤面积1.6m2的叶滤机在操作时测得如下数据：

V/m3 τ/s

0.04 50

0.08 164

0.12 317

0.16 512

0.20 750

0.24 1029

在过滤初期50s内，压差逐步升高到1X105Pa，以后在此恒压下操作。试求：(1)压差1X105Pa下的过滤常数K、qe；(2)过滤自始至终在压差1.5X105Pa下操作，750s后得滤液量多少？设滤饼不可压缩。

[答：(1)3.05X10-5m2/s，0.0316m3/m2；(2)0.25m3]

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回转真空过滤

4-24 有一回转真空过滤机每分钟转2转，每小时可得滤液4m3。若过滤介质的阻力可忽略不计，问每小时欲获得6m3滤液转鼓每分钟应转几周？此时转鼓表面滤饼的厚度为原来的多少倍？操作中所用的真空度维持不变。 [答：4.5r/min，2/3]

[例1] 温度为60℃的润滑油在外径为10mm的铜管中流动。为了减少热损失，在铜管外包裹热导率为0.1W/(m·℃)的绝热材料。试计算热量损失与绝热材料厚度的关系。如图1所示假设绝热材料的内表面温度为润滑油温度（60℃），保温层外表面对周围空气的对流（包括热辐射）传热系数α=10W/(m2·℃)，周围空气温度为20℃。

解 保温层内径di=0.01m，计算保温层外径d0与热量损失的关系。若管长为l，则传热面积（以外表面积计算）为 A=πd0l

温度差为 Δt＝t1－t2＝60－20＝40℃ 总传热系数为 K?111?? （a）

d0d0d0d0115d0ln(100d0)?0.1ln?ln?2?di?02?0.10.0110 热量损失计算式为

Q＝KAΔt＝K·πd0l·Δt （b） 将式（a）代入式（b），得单位长管的热量损失为 q???40d0Q?K??d0??t??l5d0ln(100d0)?0.1125.60.15ln(100d0)?d0

令式中的d0从裸管外径di=0.01m开始计算，将计算结果标绘在图2中，由图2可知，随着保温层外径图

图1 图2

[例2] 在逆流操作的冷凝器中，用15℃的水使绝对压强为11206kPa、温度为95℃、流量为200kg/h的过热氨气冷却并冷凝。液态氨在冷凝温度下排出，相应的液氨饱和温度为30℃。在操作过程中，

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