食品工程原理课后题答案.doc

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1、序论1. 解：从附录查出：1kcal1.162210-3KWh=1.1622Wh 所以：K=42.99Kcal/（m2h）42.99Kcal/（m2h）（1.1622Wh/1kcal）50w/（m2）。2.解：从附录查出：1kgf9.80665kgm/s2，所以1000kg/m31000kg/m31kgf/(9.80665kgm/s2)=101.9kgfs2/m4.3. 从附录查出：1mmHg=133.32Pa，1K273.3。则新旧单位的关系为：PP/133.32; tT273.3。代入原式得：lg（P/133.32）6.421-352/（T273.3+261）；化简得lgP=8.5463.

2、52/(T-12.3).4.解：塔顶产品的流量W塔顶WDAWDB+WDC=1000(0.25+0.2596%+0.254%)=500Kmol/h。所以，其组成为:XDA=0.251000/500=0.5；XDB=WDB/D=1000.250.96/500=0.48；XDC=1XDAXDB10.50.480.02。塔底产品的流量：W塔底W总W塔顶1000500500 Kmol/h。所以，塔底组成为：XWB=WWB/W=10000.254%/500=0.02；XWC=WWC/W=10000.2596%/500=0.48；XWD=10.480.020.55. 解：设混合后总质量为M，油的质量分数为X

3、，则根据体积衡算V总V油V水得：MX/油+ M（1X）/水 M/平均，代入数据得：1000950X+810950(1X)=8101000 所以，X=0.22446. 解：根据热量守恒：HNH3=HHCL得：MNH3(HNH395HNH330)=MHCL(HHCL10-HHCL2)代入数据得：MHCL9735kg/h。第一章 流体流动 p761. 解：真空度大气压强绝对压强 所以绝对压强大气压强真空度98.7100013.3100085.4103Pa。表压强绝对压强大气压强85.41000-98.71000-13.3104Pa。3. 设大气压强为P0，由静力学基本方程式得：PaP0水gR3Hgg

4、R2 则A的表压强为：P1PaP0水gR3HggR21039.85010-3136009.85010-37.15103PaPB= Pa+HggR1P0水gR3HggR2HggR1；所以B的表压强P2=P1+HggR1=7.15103Pa+1360040010-3=6.05104Pa4. 设下端吹气管出口处的压强为Pa，上端吹气管出口处的压强为Pb，则PaPbHggR PaPb水g（Hh）煤油gh 由、联立得：h（HggR 水gh）/（煤油g水g）0.418m5解设从左到右各个界面处的压强分别为P0, P4 ,P3, P2,P1，则P0P4 水g（h5h4）；P4P3Hgg（h3h4）；P3P2

5、水g（h3h2）；P2P1Hgg（h1h2）；联立、可得P03.66105Pa。由附录知：1Pa1.0210-5kgf/cm2，所以P0=3.66105Pa （1.0210-5kgf/cm2/1Pa）3.73kgf/cm2。7.解：1）空气得质量流量Vs=uA，其中=PM/(RT)=(196103+98.7103)2910-3/8.314(273+50)=3.182kg/m3。2）操作条件下空气的体积流量：Vs=uA=Ws/=1.09/3.182=0.343 m3/s。3）标准状况下空气得质量流量与操作条件下空气的质量流量相等。即，Ws0=Ws；即，Vs0= VsVs0= Vs/ 0=0.34

6、33.182/1.293=0.843 m3/s。8. 取高位槽截面为11，以排出口内侧作为截面22并以截面2-2的中心线为基准水平面，列伯努利方程式得：gz1p1/+u12/2 =gz2+p2/+u22/2+hf,1-2，其中：z18m、u10、 p10（表压）；z22m、p20（表压）、hf,1-26.5u2；解得：7.5u2=g（Z2-Z1），u22.9m/s； 由u2Vs/A可知Vs= u2（0.25d2）=2.90.25（108-24）/100023600=82m3/h。10. 以储槽的水面作为截面11，以泵的入口作为截面22并以11为基准水平面，列伯努利方程式得：gz1p1/+u12

7、/2 =gz2+p2/+u22/2+hf,1-2，其中：z10、u10、 p10（表压）；z21.5m、p2-24.66103Pa（表压）、hf,1-22u2；解得：u22.0m/s；以储槽的水面作为截面11，以排出管和喷头连接处为截面33，仍以11为基准水平面，列伯努利方程式得：gz1p1/+u12/2+We=gz3+p3/+u22/2+hf,1-3，其中：z10、u22.0m/s、 p10（表压）；z314m、p398.07103Pa（表压）、hf,1-3hf,1hf,212 u2248J/kg；解得：We285.6J/kg。所以：NeWes= WeuA=285.62.03.14(0.07

8、1/2)2998=2.26Kw。12. 解：在A处做截面11，在B处做截面22由AB以过11截面的中心线做为基准水平面列伯努利方程得：gz1p1/+u12/2 =gz2+p2/+u22/2+hf,1-2 ；由BA列伯努利方程得： gz2+p2/+u22/2+We =gz1p1/+u12/2 +hf,2-1 由得：We =hf,1-2 hf,2-1147.15J/kg。所以：NeWes=WeVs盐水。N=Ne/147.1361100/（36000.7）2.31kw。在 gz1p1/+u12/2 =gz2+p2/+u22/2+hf,1-2中，Z1=0,u1u2，P1245.2103Pa（表压），Z

9、1=7m，hf,1-298.1J/kg。代入得：P26.2103Pa（表压）。14. 解：解：u=Vs/A=(s/)/As/（A） ；由雷诺准数的计算公式：Redu/ ；把代入得：Redu/= ds/（A） /= ds/(A)=1.510-3(10/60)/(d22.510-3/4)=5.661034000，所以，该流型为湍流。16. 解：Redu/1410-3850/（810-3）1487.52000，是层流。由urPf/4l（R2 r2）知平均流速uPf/（8l）R2 由题意uru得：r 2R/2=4.95mm由uPf/（8l）R2得LPf R2/（8u）（147103127.5103）（

10、710-3）2/（81810-3）14.93m。18. HfL/d（u2/2），因为是层流流动64/Re，带入得：Hf=32lu/d2，当管径变为原来的0.5倍时，流速u变为原来的4倍，将改变后的管径和流速带入带入可知因流动阻力产生的能量损失为原来的16倍20. 在反应器的液面处取截面11，在管路的出口内侧作截面22并以11为基准水平面，列伯努利方程式得：gz1p1/+u12/2 +We=gz2+p2/+u22/2+hf,1-2，其中：z10、u10、 p1-26.7103Pa（表压）；z215m、p20Pa（表压）、=1073kg/m3，带入上式得：26.7103/1073We =159.8

11、1+u22/2+hf,1-2。其中u=Vs/A=Ws/（A）=1.43m/s；hf,1-2=（l+le）/d12）u2/2，该式中需要查图可知，根据/d=0.3/68=0.0044，Re=du/=0.0681.431073/6.310-4= 1.657105,插图1-27得=0.0295；式中由图1-29查得全开闸阀当量长度分别为0.45m、标准弯头的当量长度为2.15m，所以le=0.4522.155=11.65m，l=50m，1=4，2=0.5，带入得hf,1-2=32J/kg。所以We =159.81+1.432/2+32+26.7103/1073=205.4J/kg；所以Ne=WeWs

12、=205.42104/3600=1.14kw，所以N=Ne/=1.14 /0.7=1.628kw24. 解：1）以A槽液面做截面11，在B槽液面做截面22，并以截面22做为基准水平面，在两截面范围内列伯努利方程得：gz1p1/+u12/2+ We =gz2+p2/+u22/2+hf,1-2 ；其中：z11.5m、u10、 p10Pa（表压）；z20、p20Pa（表压）、u20，代入式得hf,1-2=1.5g=1.59.81=14.72J/kg。假设流体流动为层流流动，则=64/Re=64/du；因出口损失可以忽略，hf,1-2=（l+le）/d）u2/2=64/du（l+le）/du2/2=1

13、4.72u=1.21m/s；Re= du/=0.0821.21800/（4110-3）=19362000，所以假设成立。Vs=ua=1.210.253.140.08223600=23m3/h 2）当油的流量减少20%，则流速也减少20%，即u=1.210.8=0.97m/s，所以，=64/Re=64/du=0.041，将代入式得：l+le=62.5m，故当量长度增加为62.5-50=12.5m。25. 1）以管路进口A做截面11，在管路出口B做截面22，并以截面11做为基准水平面，则根据并联管路的流体流动定律可知：hf1=hf,2，即（l+le）/d）u12/2+通过填料塔的能量损失=（l+l

14、e）/d）u22/2+通过填料塔的能量损失，由图1-29可以知道全开闸阀的当量长度为1.4m，即，0.02（5+1.4）/2u12/2+5 u12=0.02（5+1.4）/2u22/2+4u22，可知5.32 u12=4.32 u22u2=1.11u1；根据Vs =Vs1+Vs2，可得，0.3=（u1+ u2）3.14/40.22；由式可得u1=4.53m/s，所以Vs1=u1A=0.142m3/s；Vs2=0.3-0.142=0.158 m3/s； 2) hfA-B=hf1=hf2=(0.026.4/0.20.54.532+54.532)=109.2J/kg。26以A水槽液面作为截面11，

15、B水槽的液面做为截面22，在泵的出口处做截面44，并以其中心线做为基准水平面，则根据分支管路的流体流动定律可知：gz1p1/+u12/2+hf1+= gz2p2/+u22/2+ hf,2= gz4p4/+u42/2，其中，其中：z116m、u10、 p10Pa（表压）；z28m、p29.807104Pa（表压）、=998kg/m3，z4=0，u4=V/A=2.3m/s，p4=1.93105,带入上式得：16g+ hf0-A= hf0-B+8g9.807104/998=2.32/2+1.93105/998，每一项处以g得：16+ hf0-A= hf0-B+18=19.94，可得hf0-A=3.9

16、4m；hf0-B=1.94m 2）以4-4为中心线做基准水平面，在截面4-4与3-3间列柏努利方程式得：gz3p3/+u32/2+We= gz4p4/+u42/2+ hf；其中hf=0，将z3=2m，u3=0，p3=0（表压），z4=0，u4=2.3m/s代入式中得，2g+We=2.32/2+1.93105/998，方程两边同除以g得2+He=2.32/（2g）+1.93105/（9989.81），所以He=17.94m。29. 解：Vs500L/min50010-3m3/600s8.3310-3m3/s。uVs/A=10.610-3/d2 HfL/d（u2/2g）300（10.610-3/d

17、2）2/（d29.81）6 /d53.486103。10时水的粘度为1.31103Ps，Redu/8.097103/d /d53.486103；Re8.097103/d；/d0.05/d。试差法，设0.021时，d0.0904m，则Re8.96103；/d0.00055。根据Re及/d，查图127得：0.0212。|()/ |=0.95Rec，A0/A1=(0.0164/0.033)2=0.25，查图133得：C0=0.62。则sC0A02gR（a）0.55426kg/h1.5kg/h。u1s/A12m/s；验证：Re= du/=2.72105Rec,即C0常数0.6，与假设相符。所以s542

18、6kg/h。第二章 离心泵 1解：在真空表处做截面11，在压强表处做截面22，在两截面间以单位重量得液体为基准做伯努利方程式：z1p1/g+u12/2 gH=z2+p2/g+u22/2g+Hf,1-2，其中z2-z1=0.4m，p1-24.7103Pa（表压），p21.52105Pa（表压），Hf,1-20，u1u24Q/（d2），所以H=0.4+(1.52105+2.47104)/(10009.81)=18.4m；QH/102N=2618.41000/(36001022.45)=53.1%。2解：设储水池和喷头所在的截面分别为11， 22，则：z1p1/g+u12/2 gH=z2+p2/g+

19、u22/2g+Hf,1-2，其中z2-z1=8m，p10Pa（表压），p24.9104Pa（表压），Hf,1-21+56m，u12/2gu22/2g 0；所以H=8+(4.9104)/(10009.81)+6=19.0m。因为输送轻水，可选用IS型水泵。根据Q=40m3/h，H=19.0m的要求，可在图227上选择IS-80-65-125型水泵。HgP0/g-Pv/g-hHf,01，查附录知：65水的密度为980.5kg/ m3，Pv2.554 104Pa，Q40 m3/h时IS-80-65-125型水泵的h3.0m，所以Hg（1.01331052.554 104）/（980.59.81）3.

20、013.9m。所以安装高度应低于3.9m。3.解：1）核算该泵是否合用就是看该泵的流量和压头是否满足管路对流量和压头的需要。以槽液面做截面11，设备的入口做截面22，并以截面11做为基准水平面，在两截面范围内以重量做为基准列伯努利方程得：z1p0/g+u02/2g+ He =z2+p2/g+u22/2g+hf,1-2 /g；其中：z10m、u10、 p10Pa（表压）；z25m、p2177103Pa（表压）、hf,1-2 /g =1+4=5J/kg，u22/2g0（动能很小，可以忽略），所以He=5+177103/（7609.81）+5=33.8m由附录查得65Y-60B型油泵的主要性能参数如

21、下：Q=19.8 m3/h，He=38m，均大于操作要求的流量（15 m3/h）和压头(33.8m)，故该泵合用。2）该泵的理论安装高度：HgP0/g-Pv/g-NPSHHf,01，由附录可知该65Y-60B型油泵的NPSH=2.6m。所以，Hg(1.013105-80103)/(9.81760)-2.6-1=-0.74m；而泵的实际安装高度为：液面一下1.2m，所以该泵可以正常工作。4解: 假设ReRc，A0/A2=(35/50)2=0.49，查图130：设C0=0.69。则u1C0A02gR（a）/0.5/A10.690.49(29.810.85(13600-998.2)/998.20.5

22、=4.94m/s，Re= du2/=0.050.49998.2/1.00510-32.4105Rec，所以，假设成立。泵吸入口的压强p1pa真空度-550/760=2.8104Pa。故允许吸上真空度Hs=（pa-p1）/g=（50/760）/（10009.81）=7.48m。由附录差得：20时水的饱和蒸气压为2.238kpa，所以，由气蚀余量的定义式得：NPSH（P1-Pv）/g+ u12/2g(28000-2238)/(10009.81)1.062/(29.81)=2.69m。第三章 沉降和过滤2解： 沉降速度公式可知，服从斯托克斯公式的最大颗粒的Re应1，K=2.62即，Ret= du/1

23、 Kd(s-)g/21/3=2.62 当温度为20时，空气的1.8110-5Pas，=1.205kg/m3,代入，得：d57.4m。 同理可知，服从牛顿公式的最小颗粒的Ret应1000，K=69.1,即Kd(s-)g/21/3=69.1，代入数据得：dmin1513m。7解：本题是在恒压条件下过滤，给出了两组及q的数据，代入恒压过滤方程式q22qqeK中，由两个方程可解两个未知数K,qe，从而可根据这个恒压速率方程求出令一个过滤时间的滤液量来. 由试验数据可知：15min，q10.001/0.10.01m3/ 210min，q2（0.0010.0006）/0.10.016m3/将这两组数据代入

24、式，得：(0.01)22（0.01）qe300K (0.016)22（0.016）qe600K联立以上二式，解得：qe710-3m3/；K=810-7/s所以恒压过滤方程式为：q22（710-3）q510-7即：q21410-3q8107。当3900s时代入上式：q321410-3q810-89007.210-5；解得q30.02073 m3/=20.73L/；所以V3q3A=20.730.1=2.073L;在过滤5min得滤液量VV3-(V1+V2)=2.073-(1+0.6)=0.473L.第四章 2 解：因为两层接触良好，可假设t2为两砖间的温度，则有：10.9+0.0007t0.9+0

25、.0007（t1t2）/2 20.3+0.0003t0.3+（t2t3）/2 ；平壁热传导可视为定态传热，即q1q2，即1（t1t2）/b12（t2t3）/b2 代入数据得：0.9+0.0007（1400t2）/2 （1400t2）/4600.3+0.0003（100t2）/2 （t2100）/230 解之得t2949，q1689W/m2。3 解：设t1-110，t310；则：Q/L=2(t1t3)/( 1/木)ln(r2/r1)+ (1/灰)ln(r3/r2)其中，t1-110，t310，L=1，木0.043 W/（m），灰0.07 W/（m），r2r130mm60mm，r3160mm，代入

26、得Q/L=-25 W/m。4. 解：若判断那一种材料包扎在内层合适，只需比较两种情况下的Q值即可。设管子的外半径为r0，内层半径为r1，内层材料的导热系数为1，外层半径为r2，外层导热系数为，2，且2=21 ，外层材料的导热系数为2，温度为t3，两层的厚度均为b，则： 由题意知道：(r1+r2)/2=2(r0+r1)/2,解得r2-r1=2r0，即内层和外层材料的厚度均为2r0，所以r2=5r0，r1=3r0；第一种情况（小的在内）：q=t /( 1/21)ln(r1/r0)+ (1/22)ln(r2/r1)=4t/( ln5+ ln3)第二种情况（大的在内）：q=t /( 1/22)ln(r

27、1/r0)+ (1/21)ln(r2/r1)=4t/( ln5- ln3)，故：q/q=1.25，所以将导热系数小的包在内部更为合适。6解： 思维：由于一流体出口温度发生变化，必引起另一流体出口温度的改变，从而使m发生变化。可以列两种情况下的传热方程比较换热面积的变化来比求解。没有改变前：冷：15 40 热：150 100 所以t： 135 60 ，可知： m=（13560）/ln(135/60)=92.5 。因为WhCph/ (WcCpc)=(t2t1)/(T1T2)= (t2t1)/(T1T2)即：（4015）/(150100)=(t215)/(15080)t2 =50.条件改变后：冷：1

28、5 50 热：150 80 所以t： 135 60 ，可知：m=（13530）/ln(135/30)=69.8 。两种状况下的总传热速率方程为：WhCph(150100)=KSm=KndL92.5 WhCph(15080)=KSm=KndL69.8 两式相除得：L=(70/50)(92.5/69.8)1=1.85m。9解：S0Q/(K0tm)； QWhCph（T1-T2）, 其中Wh1.25kg/s，Cph1.9 kg/kg，T1=80,T2=30。代入得Q=118.75kW. tm(t2-t1)/lnt2/(t1)其中，t2T1t2805030，t1T2T1302010，代入式得tm18.2

29、。1/K0=d0/（idi）Rsid0/di1/o（污垢热阻，管壁热阻忽略）。将数据代入得，K00.488103（W/m2）。将Q、K0、tm的数值代入得S013.4m2。12 解：由总传热速率方程：QK0S0tm得： K0Q/(S0tm) 其中Q125kW，S0=ndl253.140.01544.71m2，tm（t2t1）/ ln（t2/t1）90.27，代入得：K0292.3（W/m2）；又1/K0=d0/（0di）1/iRsid0/diR0bd0/dm，其中d0/（0di）1/7000、Rsid0/di0.00005（m2/ W）、bd0/dm0、R00，K0292.3（W/m2）代入得

30、i360（W/m2） 对一流体恒温，一流体变温的传热过程，由公式能量衡算方程式：QWhCpc（t1-t2） 总传热速率方程式QK0S0tm联立得：ln（Tt1）/（Tt2）（KS0）/（WCpc） 则可以将流速没变之前的T、t1、t2和改变之后的T、t1、t2分别代入，其中，K01.75K0292.31.75511.5（W/m2），Wc2Wc，T1160，t120，t2106代入得：ln（16020）/（160t2）（292.34.71）/Wcpc ，ln（16020）/（160t2）（511.54.71）/2Wcpc ，联立、得，t2=100.第五章1 解：fa由附录21查出在标准压强下，沸

31、点升高a12。从附录十查出15kPa时水的饱和温度为53.5，汽化热为2370kJ/kg。则在53.5下，f0.0162（T+273）2/R，其中T53.5、r23700kJ/kg，代入得f0.796。把f和a分别代入得9.5，则相应的沸点t53.563.052 解：PmP+gl/215+12309.811.6/2=25kP . tpmtp 由附录十可以查出25kP下水的沸点为63.4，tp53.5，所以tpmtp63.453.59.9，所以t63.059.972.95。 3. 解： 120kP下加热蒸汽的耗量： DrQ总 Q总=1.2Q=1.2K0S0tm 其中K01300 W/(m2)、S

32、040m2、tmTt104.572.631.9，r2246.8kJ/kg，代入得Q1.21658.8kw=1990.56 kw1990.5636007.16106kJ/h，将Q总和r的值代入式得：D3189.4kJ/h。 D=WH+(F-W) h1F h0/r 式中，h0 可由表514查出40时NaOH的水溶液的焓h0140kg/kg，72.6时25NaOH的水溶液的焓h1280kJ/kg，由附录查得15kP时饱和水蒸汽的焓H=2594kJ/kg，D=3189.4 kJ/h。将h0 、h1、H代入下式，D=WH+(F-W) h1F h0/r，并与Fx0（F-W）x1 联立。D+W=F 式中x0

33、10，x125，解、方程得F=3900kJ/kg。第六章 4常压下将某原料液组成为0.6（易挥发组分的摩尔分率）的两组分溶液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏，若汽化率为1/3，试求两种情况下的釜液和流出液的组成。假设在操作范围内气液平衡关系可表示为：y= y0.46x+0.549解： 对平衡蒸馏：气液平衡关系：y0.46x+0.549 物料衡算方程式：yqx /（q1）xf（q1） 其中q11/32/3 代入 得y2x+1.8 联立、解得：x0.509，y0.783 对简单蒸馏：气液平衡关系：y0.46x+0.549 因为xy的平衡关系是直线ymxb的形式，则可利用ln(F/W)=ln(m1)x1b

34、/(m1)x2b/(m-1)来确定XW、XD、D、W之间的关系。式中，F/W=2/3，X1=0.6，m0.46，b0.549，代入并与联立得x0.498，y0.8045在连续精馏塔中分离有二硫化碳和四氯化碳所组成的混合液。已知原料液流量F为4000kg/h，组成xf为0.3（二硫化碳的质量分率）。若要求釜液组成xw不大于0.05，流出液回收率为88%。试求流出液的流量和组成，分别以摩尔流量和摩尔分率来表示。解：由题意知：（D/XD）/（FXF）88 D/XDWXwFXF DWF 式中XF（30/76）/（30/7670/154）0.465，F=4000/M平均4000/（760.4651540

35、.535）33.97kmol，XW=（5/76）/（5/7695/152.5）0.106，代入得D=14.3kmol/h，XD0.97。6在常压操作的连续精馏塔中分离含甲醇0.4和水为0.6（均为摩尔分数）的溶液，试求以下各种热状况下的q值。（1）进料温度为40；（2）泡点进料；（3）饱和蒸汽进料。解：（1）由q的定义可知：q=将1kmol进料变为饱和蒸汽所需热烈/原料的千摩尔汽化热，进料热状况不同，则q值也不同。有附录18知道，甲醇的汽化热为1150kJ/kg，水的汽化热为2300kJ/kg，rf=0.41150320.6230018=39560kJ/kg，由题中附表所给数据知道，x=0.4

36、时，溶液的饱和温度为75.3。则其平均温度为（75.3+40）0.5=57.65； 由书的附录十六知道（液体的比热容）57.65下，甲醇水溶液比热容为2.65 kJ/（kgK），则溶液的平均比热容为：Cp=2.65320.44.18180.6=79.06kJ/molK由q的定义：q=（1/r）（Cpt+r）=1+（1/39560）79.06（75.0340）=1.07（2）泡点进料时q=1； （3）饱和蒸汽进料时q=07. 对习题6的溶液，若原料液的流量为100kmol/h，流出液的组成为0.95，釜液组成为0.04（以上均为易挥发组分的摩尔分率），回流比为2.5，试求产品的流量、精馏段下降液

37、体的流量和提镏段上升蒸汽的流量。假设塔内气液相均为恒摩尔流动。解：RL/D2.5 ，D/XDWXwFXF DWF100 式中，XD= 0.95，XW=0.04，解得D=39.6kmol/h，L=99 kmol/h，V=L+D39.699 138.6 kmol/h，对于冷液体进料，由6题知道，q1.073，所以VV(q1)F=138.6+0.073100=145.9 kmol/h。8. 解：有精馏段操作线方程：Yn+1RXn/(R+1)+XD/(R+1)可知： R/(R+1)0.723 ；XD/(R+1)0.263 ；由次可以推出R=2.61, XD=0.95；由提馏段操作线方程Ym+1(L+qF) Xm /(L+qFW) W Xw/(L+ qFW )可知：(L+qF) /(L+qFW)1.25 ；W Xw /(L+qFW)=0.0187；因为是露点温度进料，所以q0 有、式可以求得Xw 0.0748；然后有物料衡算FXFDXDWXW 可以求出XF0.65