化工基础习题解答《流体流动过程及流体输送设备》张近主编.pdf

化工基础 化工基础 流体流动过程及流体输送设备流体流动过程及流体输送设备 1、 某合成氨工艺以煤为原料的气化法生产中， 制得的半水煤气组成为： H242%， N221.5%， CO27.8%， CH41.5%，CO27.1%，O20.1%（均为体积分数） ，求表压为 88.2kPa，温度为 25时，混合气体的密 度。 解：解法一：先求混合的摩尔质量； Mm=(My)H2+(My)N2+(My)CO+(My)CH4+(My)CO2+(My)O2 =20.42+280.215+280.278+160.015+440.071+320.001=18.04kg/kmol 3 18.04 (101.388.2) 1.38/ 8.314 (27325) MP kg m RT + = + 解法二：先算出在操作温度和压力下各纯组分的密度，然后再按组分的摩尔分数叠加。解法略。 2、 套管换热器的内管为 25mm2.5mm，外管为 57mm3.5mm 的无缝钢管。液体以 5400kg/h 的 流量流过环隙。液体的密度为 1200kg/m3，粘度为 210-3Pas。试判断液体在环隙流动时的流动形态。 解：设大管内径为 d1，小管外径为 d2流体在环隙流动当量直径为：de=d1-d2 d1=0.057-0.00352=0.05mm，d2=0.025mm；de=0.05-0.025=0.025mm 22 12 4V u dd = = 22 12 4 () W dd = 22 4 5400 3.14( 0.050.025 ) 1200 3600 =0.85m/s Re du = 3 0.025 0.85 1200 2 10 =127404000 属湍流 3、 现要求将原油以一定流量，通过一条管道由油库送往车间，并保证原油在管道中呈层流流动， 现分别提出如下措施： （1）管道长度缩短 20%； （2）管径放大 20%； （3）提高原油温度使原油粘度 下降 20%，而假设密度变化不大，可忽略不计。问上述措施分别可使由于管道沿程摩擦而损失的机 械能比原设计降低百分之几？ 解：层流流动的摩擦损失为： 2 32 f ul h d = （1） 、l1=0.8l；hf1=0.8hf；(hf)=hf-hf1=0.2hf （2） 、d1=1.2d； 1 22 320.694 (32)0.694 (1.2 ) ff ulul hh dd =； (hf)=hf-hf1=0.306hf （3） 、1=0.8；hf1=0.8hf；(hf)=hf-hf1=0.2hf 4、 用泵将密度为 850kgm-1的某液体从低位槽打到高位槽。低位槽据地面高 2m，管子出口距地面 高 20m，管路阻力损失为 30Jkg-1，泵入口流速为 0.915ms-1入口管径为 89mm6mm，出口管径为 60mm4mm，求泵有效功率。 解：如图选取低位槽液面为 1-1 面，高位槽为 2-2 面，地 面为计算基准面，在 12 列柏努利方程，得： 22 12 1122 11 22 +=+ ef pp gzuwgzuw 2m 20m z1=2m；z2=20m；u1=u20；p1= p2=0（表压） ；wf=30 Jkg-1； 代入上式得： 22 21 2121 ()1 ()() 2 =+ ef pp wg zzuuw 1 9.81 (202)30206.58 =+= e wJ kg 1 122 3.14 0.0770.913.65 850 4 2kg s 2 = = ss mVdu Ne=wems=206.583.62= 747.79（W） 5、 用离心泵经 57mm3.5mm 的钢管，将敞口贮罐内的有机溶剂（粘度为 2010-3）Pas，密度为 800 kgm-3） ，输送到反应器中，设贮罐内液面离反应器内液面高度保持 16m，见附图。已知钢管总 长度（包括局部阻力当量长度）为 25m，反应器内压力恒定为 4kgfm-2（表压） ，有机溶液输送量为 6.6m3h-1，试确定泵提供的压头。 解：如图选取截面 1，2 计算基准面为敞口贮罐液面，压力 以表压表示。 在 12 列柏努利方程，得： 22 12 1122 11 22 +=+ ef pp zuHzuH gggg z1=0m；z2=16m；u1=u20；p1= 0(表压)；p2=4kgfm-2(表压)； L=25m； 22 1 44 6.6 0. 3.14 0.053600 934m s V u d = 3 934 80.05 0. Re 20 10 00 18682000 du = 3 22 3232 0.934 25 20 10 800 9 0.7 .81 0. 5 6 0 m f u l H gd = 4 4 9.81 10 160.7666.76 800 9.81 e H =+= (m 液柱) 6、 欲建一水塔向某工厂供水， 如图所示， 从水塔到工厂的管长 （包括局部阻力当量长度） 为 500m， 最大流量为 0.02m3s-1。管出口处需保持 10m 水柱的压头（表压） 。若摩擦系数 =0.023，求：(a)当 管内流速为 1.05 ms-1，所需管径及塔高；(b)当管内流速为 4 ms-1，所需管径及塔高；(c)由(a)、(b) 计算结果，分析满足一定流量时，塔高与管径的关系。 解：如图选取 1，2 截面，计算基准面为管出口水平面。压力以表压表示。 在 12 列柏努利方程，得： 22 12 1122 11 22 +=+ ef pp zuHzuH gggg z1=h m；z2=0m；u10； u2=u；p1= 0(表压)；p2=10m 水柱(表压)； 2 2 f L u dg H=； 4V d u = (a)、u=1.05 ms-1， 4 0.02 3.14 1.05 0.156d = m； 2 5001.05 0.0234.14 0.1562 9.81 f H= =m 水柱 2 1.05 0104.1414.2 2 9.81 hm=+= 16m 1 1 2 2 习题 5 附图 1 1 2 2 h (b) u=4ms-1， 4 0.02 3.14 4 0.08d = m； 2 5004 0.023117.23 0.082 9.81 f H= = m 水柱 2 4 01117.23128.005 2 9.81 hm=+= 当满足流量一定时，塔高与管径呈反比关系。 7、 如图所示，槽内水位维持不变，槽底部与内径为 100mm 的钢管联结，管路上装有一个闸阀，阀 前离管路入口端 15m，B 处装有一个指示剂为汞的 U 型管压差计，测压点与管路出口端之间距离为 20m。 (1)当阀门关闭时读数 R=600mm，h=1500mm。阀门部分开启时，测得 R=400mm，h=1400mm，管 路的摩擦系数取 =0.02，入口处局部阻力系数取 =0.5，问管内流量为多少 m3/h？ (2)阀门全开时（取闸阀全开 le/d=15，=0.018） ，问压差计测压点 B 处的静压强为多少 kPa（表压）？ 解：(1) a、首先根据当阀门关闭时 R，h 求水槽液面到出口处的垂直距离 H。 根据流体静力学方程 p4=g水(H+h)；p4=gHgR p4= p4；得：g水(H+h) =gHgR；1000(H+1.5)=136000.6 解得：H=6.66m。 b、当阀门部分开启时 B 点的压力为 pB=gHgR-g水h=136009.810.4-10009.811.4=3.96104Pa 在 1B 列柏努利方程，0-0 面为计算基准面 22 1 111 11 22 B BBfB pp z guz guh +=+ z1=H；zB=0；u1=0；p1=0(表压)；pB=3.96104Pa(表压) 22 2 1 15 ()(0.020.5)1.75 20.12 fB luu hu d =+=+= 代入上式解得： 22 1 1.75 2 B p H guu =+ 4 3.96 10 6.66 9.81 1000 3.38/ 2.252.25 B p H g um s = 2233 11 0.13.380.0265/95.4/ 44 Vdumsmh= (2) 阀门全开时 a、先求阀门全开时管内的流速。 H 15m20m h R 4 4 1 1 A B B C 0 0 2 2 在 12 列柏努利方程，得： 22 12 112212 11 22 f pp z guz guh +=+ z1=H；zB=0；u1=u2=0；p1=0(表压)；p2=0(表压)； 22 2 12 1520 ()0.018(15) 1.54.035 20.12 e f lluu hu d + =+=+= 代入上式，得； 6.66 9.81 4.024/ 4.0354.035 H g um s = b、在 1B 列柏努利方程，0-0 面为计算基准面 22 1 111 11 22 B BBfB pp z guz guh +=+ z1=H； zB=0； u1=0； u2=4.024m/s； p1=0(表压)； 22 2 1 15 ()(0.0180.5)1.6 20.12 fB luu hu d =+=+= 代入上式，得； 224 B p(2.1)(6.66 9.81 2.1 4.024 ) 10003.13 10H guPa= 在 B2 列柏努利方程，得 22 2 222 11 22 B BBfB pp z guz guh +=+ zB=z2=0；uB=u2=u；p2=0(表压)； 22 2 2 20 ()0.018 (15)1.935 20.12 fB luu hu d =+=+= 代入上式，得； 224 B p(1.935)(1.935 4.024 ) 10003.13 10uPa= 8、如图所示的输水系统，用泵将水池中的水输送到敞口的高位槽，系统管道均为 83mm3.5mm， 泵的进出口管道上分别安装有真空表和压力表，真空表安装位置离贮水池的水面高度为 4.8m，压力 表安装位置离贮水池的水面高度为 5m。当输水量为 36m3h-1时，进水管道的全部阻力损失为 1.96Jkg-1， 出水管道的全部阻力损失为 4.9Jkg-1， 压力表的读数为 2.5kgfcm-2， 泵的效率为 70%， 求： (1)两液面的高度差 h 为多少 m？(2)泵所需的实际功率为多少？(3)真空表的读数多少(2.5kgfcm-2) 解：如图选取截面。计算基准面为贮水池液面。 管内水的流速 22 44 36 2.204/ 3.14 0.0763600 V um s d = (1)、 从压力表 3-3面到高位槽液面 4-4列柏努利 方程得： 22 34 334434 11 22 f pp z guz guh +=+ z3=5m； z4=h3+5m； p3=2.5kgfcm-2=245.2103kPa； p4=0(表压)；hf34=4.9Jkg-1；u3=u4=u 代入上式解得：h3=24.5m 高位槽液面与贮水池液面高度差 h= h3+5=29.5m (2)、在贮水池 1-1面到高位槽液面 4-4列柏努利方程得： 22 14 114414 11 22 ef pp z guwz guh +=+ h h3 5m 4.8m 1 1 4 4 3 3 2 2 z1=0m；z4=29.5m；p1=p4=0(表压)； 14f h =1.96+4.9=6.86 Jkg-1；u1=u4 代入上式解得：we=296.25Jkg-1 Ne= wems=296.2510=2962.5； 2962.5 N4.23 70% e N kW = (3)、在贮水池 1-1面到真空表 2-2列柏努利方程得： 22 12 112212 11 22 ef pp z guwz guh +=+ z1=0m；z2=4.8m；p1= 0(表压)； 12f h =1.96 Jkg-1；u1=0；u2=2.204m/s 代入上式得： 22 2 2212 11 ()(4.8 9.812.2041.96) 22 51.48 f p z guh = += += p2=-51.48kPa=-0.5249 kgfcm-2=0.5249 kgfcm-2(真空度) 9、某离心泵的允许吸上高度为 6.5m(已包括 0.3m 安全量)，在高原上使用，若当地大气压为 90kPa。 已知吸入管的阻力和动压头之和为 3m 水柱。当地夏季最高水温为 30。拟将该泵安装在水面上 3m 处，问该泵能否正常工作？ 解：在当地大气压为 90kPa。水温为 30时的条件下， 允许吸上真空高度 Hs=Hs+(Ha-10)-(Hv-0.24)， Ha=90kPa=9.174m 水柱，水温为 30Hv=4.247kPa=0.433m 水柱，泵允许吸上高度为 Hs =6.5m 代入上式的 Hs=6.6+(9.174-10)-( 0.433-0.24)= 5.581m 水柱 安装高度 2 1 ()5.581 32.58 2 13 gsf mHHhmu g =+不能正常工作 10、用 2B31A 型水泵输送 50的清水。该泵的性能为：流量 20m3h-1时，扬程 25.2m，效率 65.6%， 允许吸上高度为 7.2m(已包括 0.3m 安全量)，转速 2900rmin-1，若吸入管为 2水管(内径 53mm)，设 吸入管路的阻力损失为 2m 水柱，供水的水面上空压强为 0.1MPa。求该泵的最大允许安装高度。若 该水泵输液量为 30 m3h-1，此时允许吸上高度为 5.7m，则最大允许安装高度为多少。 解：50水的饱和蒸气压为 12.34kPa=1.258 水柱，供水的水面上空压强为 0.1MPa=10.194m 水柱 允许吸上真空高度 Hs=Hs+(Ha-10)-(Hv-0.24)= 7.2+(10.194-10)-( 1.258-0.24)= 6.379m 流量 20m3h-1时，吸入管的流速 23 44 20 u 3.14 0.0533600 2.52m/s V d = 安装高度 2 2 2.52 6.379(2)4.055 2 9.81 1 () 2 gsf HumHh g =+=