化工原理习题.pdf

1 绪论绪论 补充题 1：一罐内盛有 20t 重油，温度为 293.15K。用外循环进行加热，如图，重油循环量 W 为 8t/h。 循环的重油在换热器中用水蒸汽加热，其在换热器出口温度 T3 恒为 373.15K，罐内的油均匀混合，问罐 内的油从 T1=293.15K 加热到 T2=353.15K 需要多少时间。假设罐与外界绝热。 解： 罐内油的温度随时间变化，所以是一非稳态的加热过程，由于罐内油均匀混合，从罐内排出的油温与罐 内油的温度相同，其在某一时间为 T。 8t，CP 373.15K 8t，T，CP 373.15K 20t CP，T 换热器 以罐为系统（虚线框）进行热量衡算，以 dt 为时间内进行系统及系统内积累的热量分别为： t 时刻，温度为 T； （t+dt）时刻，温度升高为（T+dT） 输入系统的重油的焓为 P WC T dt（373.15TK=） 输出系统的重油的焓为： P WC Tdt 系统内积累的焓为： P GC dT 其中， P C为重油的平均等压比热容 列热量衡算式： PPP WC T dtWC TdtGC dT=+。即 GdT dt W TT = 积分条件， 12 0,293.15 ;(),353.15tTTK tTTK=待求 353.15 0293.15 20 8373.15 dT dt T = 20373.15293.15 ln3.47 8373.15353.15 h = _ - - 2 第一章，流体力学基础第一章，流体力学基础 1、如图所示，用一 U 形压力计测量某密闭气罐中压力，指示液为水，密度 3 0 /1000mkg=。因气体 易溶于水， 故在水与气体之间用惰性溶剂 （密度 3 /890mkg=） 将二者隔开。 现已知 h=10cm， R=24cm， 求气罐内绝对压力、表压（分别用 Pa 和 m 水柱表示） 。 解： 00a PghgRP+=+ 表压： 002 ()9.81 (1000 0.024890 0.01)1481.30.015PRhgPamH O= 绝压： 5 2 1481.31.028 1010.48PPaPaPamH O=+= 2、如图，用一复式 U 形压差计和倒 U 形压差计同时测量水管中 A、B 两点间的压差，复式压差计的指 示液为汞，两段汞柱之间为空气，倒 U 形压差计指示液为空气。今若测得 h1=1.2m，h2=0.6m，R1=0.1m， R2=0.07m，问 A、B 两点间的压差 AB P为多少 Pa？倒 U 形压差计读数 R3 为多少 m？ 复式压差计，倒复式压差计，倒 U 型压差计型压差计 解： 空气柱两侧压强相等， 12 PP= 2 111 g AH OH PghPgR+=+ 2 222 g BH OH PghgRP+= 2 3 1212 ()()16.78 10 g ABABHH O PPPg RRg hhPa=+= 倒 U 形压差计 2 3 33 1000 9.816.78 10 ABABH O PPPgRRPa= 3 1.71Rm= 3、用双液柱压差计测定两点间压差，如图所示。管与杯的直径之比为 d/D，试证明，若测量时考虑小杯 液面间的高度差h，则实际压差为： 22 12211 ()(/)PPgRdDg R=+ 今测得 R=320mm， 且已知 3 1 910/kg m=， 3 2 1000/kg m=，190Dmm=，6dmm=， 求高度差h 和不考虑h所造成的压差测量的相对误差。 _ - - 3 双液柱压差计双液柱压差计 解：A、B 是等压面， AB PP= 11A PPgh=+ 221 () B PPgRg hRg h=+ 12211 ()PPgRg h=+ R 高的液柱由左侧到右侧。 22 11 ()() 44 RdhD= ， 2 2 () d hR D =，代入得， 2 12211 2 ()() d PPgRgR D =+ 实际压差， 12 285.1PPPa= 若不考虑h， 1212 ()()282.24PPgRPa=， 相对误差 1.0%。 4、有一敞口容器盛有 90的水，水深 2m，大气压为 101.3kPa。若使容器向下做加速运动，则： （1）当 加速度 2 4.9/am s=时，容器底部的压力为多少？（2）要想使容器底部产生气泡，则加速度为多大？ 解： 加速运动 （1）Fm a= () a FPAgh AP A=+重力 ()mhA= 110.2PkPa=（查 90水的密度） （2）产生气泡，即容器底部的压力为该温度下水的饱和蒸汽压。 查表得，90下水的饱和蒸汽压为 70099.66Pa a PAgh AP AmahA a+= 2 26/am s= _ - - 4 5、密度为 3 1200/kg m的某液体在764mmmm的管道内流动，体积流量为 3 19/mh，试求液体在管 道中的流速、质量流速、质量流量。 解： 22 19/3600 1.45/ 0.068 44 s V um s d = 1200 19/36006.33/ s mVkg s= 2 1200 1.451740/ukg m s= 注：流速、质量流量、质量流速，三者之间的换算关系，一定要掌握。 6、 如图所示的输送管输送 20的常压空气， 主管尺寸为 1444.5mm， 两只支管的尺寸均为 1084mm。 已知主管的体积流量为 300m3/h（标准状况，即 0，100kPa） ，两只支管的流速之比为 1:2，求两支管 内的体积流量。 解： 主管截面积： 23 262 11 (1144.5 2) 10 )8654.625 10 44 Adm = 支管截面积： 23 262 121 11 (1084 2) 10 )7850 10 44 AAdm = = 两管流速之比为 1:2，故流量之比也是 1:2。管 1 流量为 100 m3/h，管 1 流量为 200 m3/h。 注意：需要将标况下的流量转换为实际状况下的流量 压力相同， VT VT =， 所以，第一个支管的体积流量 3 1 273.1520 100100107.32/ 273.15 T Vmh T + = 第二个支管的体积流量 3 2 214.65/Vmh= 11、平均密度为 1.43kg/m3 的甲烷流经一扩大管段，如图所示。已知甲烷流量 1700m3/h，小管尺寸为 1594.5mm，大管尺寸 2196mm，U 形管压差计指示液为 20水，读数 R=50mm，求甲烷流经扩大 管段的压头损失，用 mH2O 表示。如果将粗管抬高与水平线呈 30 度倾斜角，其他参数不变，则 R 又为 多少？ 解： 建立 A-A和 B-B截面 （1） _ - - 5 24 () ABH OCH PPgR= 2 1700/3600 26.7/ 0.15 4 A um s = 2 1700/3600 14.0/ 0.207 4 B um s = 44 22 22 AABB f CHCH PuPu h gggg +=+ 24 44 2222 () 61.285 22 H OCH ABABAB f CHCH gR PPuuuu hm gggg =+=+=（ 4 3 1.43/ CH kg m=） 压头损失为 42 2 61.285/0.088 CHH O mH O= （2）30 度倾斜 44 2444 22 22 ()()() AABB ABf CHCH H OCHACHABCHB PuPu zzh gggg gRPgzPgz +=+ =+ 44444 22 22 111 ()() 222 1 1.43 (14.026.7 ) 1.43 9.8 61.285489.27 2 ACHABCHBCHBCHACHf PgzPgzuugh Pa +=+ =+= 489.27 0.050 (1000 1.43) 9.8 Rm= 12、如图所示，20水由高位水箱经管道从喷嘴流向大气，水箱水位恒定，d1=125mm，d2=100mm，喷 嘴内径 d3=75mm，U 形压差计读数 R=80mmHg，若忽略摩擦损失，求水箱高度 H 及 A 点处压力表读数 PA。 解： 选截面 1 和截面 2，摩擦损失忽略 1122 ()()() g H gRPgzPgz=+ 又 22 1122 12 22 PuPu zz gggg +=+ 22 21 11 () 22 g H gRuu= _ - - 6 又 2 12 2 21 ud ud = 12 3.702/5.785/um sum s=， 22 3 32 22 2 100 5.78510.284/ 75 d uum s d = 在高位水箱水平面建立 0-0 截面，喷嘴内侧建立 3-3 截面 2 3 2 u H g =，5.40Hm= 在压力表所在位置建立 A-A 截面， 22 32 22 A uPu ggg += 36.15 A PkPa= 13、用泵将容器 A 中的液体送入塔 B 中，容器及塔内的表压如附图所示。已知输送量 10kg/s，液体密度 3 890/kg m=，液体流经管路的总摩擦损失为 1241kJ/kg，求泵的有效功率。 解：在容器 A 中液体的水平面上建立截面 A-A，在塔 B 中管路外侧外侧（注：题目中已经包含了管出口的局 部阻力）建立截面 B-B。 22 22 AABB AeBf PuPu zhzh gggg +=+ 0,2 ,0 AAA Pzm u=， 2100,35 ,0 BBB PkPa zm u= 124 12.6 9.8 f h = 2100 1000 235 12.65 890 9.8 e h +=+ 286.4 e hm= 2806.72 / ee WhgJ kg= 2806.72 1028.1 ee NWmkW= _ - - 7 14、用泵将 20的苯液从贮槽（上方维持一个大气压）送到反应器，途径 30m 长的75mm2.5mm 的 钢管，管路上有 2 个 90 度标准弯头，1 个标准阀（半开） ，管路出口在贮槽液面以上 12m，反应器操作 压力为 500kPa（表压） 。若要维持 5m3/h 的体积流量，求所需泵的有效功率 N。 解：在贮槽中液面水平面建立截面 A-A 在反应器中管路内侧建立截面 B-B 22 AABB AeBf PuPu zhzh gzggzg +=+ 000 AAA Puz=， 500 B PkPa=， 2 5/3600 0.654/ 0.052 4 B um s = ，12 B zm= 2 () 2 B f ul h dg =+ （注意：出管口和入管口的局部阻力注意：出管口和入管口的局部阻力） 20，苯， 33 879/0.737 10kg mPa s =， 3 0.032 0.654 879 Re40560 0.737 10 du = 0.2 /0.00385 52 d= 0.03= 1 0.75=， 2 0.95= 2 300.654 (0.032 0.759.5)0.618m 0.0522 9.8 f h=+ += 32 500 100.654 120.61870.68 879 9.82 9.8 e hm =+= 5 70.68 9.8 879845.6 3600 ee Nh g VsW= 15、在图示装置中，下面的排水管管径为57mm3.5mm，压力表之前直管长 2m。当阀门全闭时，压 力表读数为 0.3atm；当阀门开启后，压力表读数降为 0.1atm，求此时水的流量为多少？假设管子为光滑 管。 解：阀门全闭时（静止） ，压力表度数 0.3atm 3 0.3 101.3 10gh=， 3 0.3 101.3 10 3.10 1000 9.8 hm = _ - - 8 贮槽水平面建立截面 A-A，管道压力表处建立截面 B-B。 22 () 22 BBB A Puul z ggdg =+， （出管口局部阻力出管口局部阻力） （*） 设 1 ?=，代入 223 1 0.1 101.3 102 3.10(0.5) 1000 9.82 9.80.052 9.8 BB uu =+ 1 ?/ B um s= 计算雷诺数，查摩狄图，光滑管，得到 2 ?= 如果 12 ，则试差成功，否则以 2 ?=代入（*）式，计算 2 ?/ B um s= 直至试差成功，得到?/ B um s= 23 36000.05?/ 4 B Vumh = 16、其它条件不变，若管内流速愈大，则湍动程度愈大，其摩擦损失应愈大。然而，雷诺数增大时摩擦 因数却变小，两者是否有矛盾？应如何解释？ 解： 流速越大，单位流体的摩擦损失就越大。 流体的摩擦损失 2 2 f l u W d = 在其它条件不变时，摩擦损失与摩擦系数成正比，与流速的平方成正比。当流速增大时，虽然摩擦 系数会变小，但摩擦损失却与流速的平方关系成正比，故摩擦损失会变大，以上说法并不矛盾。 17、如图所示，敞口高位槽中，40水经过一垂直管道排到大气中，管内经 d=0.1m，管子摩擦因数 0.02=，闸阀阻力系数为 30，试判断管内最低压强在何处？其值为多少？管内流量为多少？已知 40 水的饱和蒸汽压为7373.6 s PPa= 解：取管口处为位能基准面 222 77711 17 () 222 PuuPul z gz g d +=+ ， 17 PP=， 7 0z =， 1 13zm=， 1 0u =， 7 uu= _ - - 9 22 12 13(0.02300.5) 20.12 uu g =+ 2.74/um s= 22 1122 12 22 PuPu z gz g +=+， 1 101325PPa=， 1 13zm=， 2 12zm=， 1 0u =， 2 0u = 2 101325990 9.81 1111037PPa=+ = 22222 33332322 233 ()(0.5) 22222 PuuPzzPuluu z gz gz g dd +=+=+ 22 3232 23 ()(0.5) 22 PzzPuu zz g d =+ 22 3232 23 ()(0.020.5) 20.12 PzzPuu zz g =+ 2.74/um s=代入， 32 PP 闸阀下端， 22222 33352522 235 ()(300.5) 22222 PuuPzzPuluu z gz gz g dd +=+=+ 22 52 1 1(0.02300.5) 20.12 PPuu g =+ +（*） 2.74/um s=代入， 5 2938 s PPaP=查） 4 0 00 2()2 2.45 10 0.604/ 1100 gR uCm s = 2 00 4 11000.0252.16/ 4 s muAkg s = 32、 用 20的水标定的某转子流量计， 其转子为硬铅 （密度 11000kg/m3） ， 现用此流量计测量 20、 1atm 下的空气流量，为此将转子换成形状相同、密度为 1150kg/m3 的胶质转子，设流量系数 CR 不变，问在 同一刻度下，空气流量为水流量的多少倍？ 解： 0 2() ff R f Vg VCA A = ， 0 2() ff R f Vg VCA A = 形状相同、刻度相同、CR 相同。 _ - - 14 ()() /9.75 ff V V = _ - - 15 第二章第二章 流体输送机械流体输送机械 1、 简述离心泵的汽蚀现象，说明危害并如何避免？ 解：参见讲义和教材相关内容。 2、 如何对离心泵或风机进行调节？ 解：工作点的调节。 （泵特性曲线、管路特性曲线） 3、 为什么离心泵启动时必须灌满液体？ 解：无自吸能力，防止气缚 4、 与速度式泵与风机相比，容积式泵和风机有何特点？ 解：流量、扬程、适用场合 5、 往复泵和离心泵相比有哪些有缺点？ 解： 6、 往复式压缩机为什么会有余隙容积的存在？对机器性能有何影响？ 解： 8、输送下列几种流体，应分别选用哪种类型的流体输送机械？ （1） 往空气压缩机的气缸中注入润滑油 （2） 输送浓番茄汁至装罐机 （3） 输送含有颗粒结晶的饱和盐溶液至过滤机 （4） 将洗衣粉浆液送到喷雾干燥器的喷头中（喷头内压力为 10MPa，流量 5m3/h） ； （5） 配合 pH 控制器，将料液按控制的流量加入参与化学反应的物流中。 （6） 有机溶液，流量 1m3/h，所需压头 50m，粘度 0.810-3Pas （7） 低压氯气 （8） 输送空气，气量 500m3/h，出口压力 0.8MPa 解： （1）流量小，用旋转泵（齿轮泵、螺杆泵） （2）粘稠流体（不大，不是悬浮液，但稍有腐蚀） ，用开式叶轮离心泵、齿轮泵 （3）悬浮液，选隔膜泵（若压头大） ；开式离心泵（若压头不大） （4）压力高，流量小，选螺杆泵（输出压力高达 10MPa） ，柱塞式往复泵（可承受高的轴向力，适用于 较高操作压力） （5）化学反应需要准确计量，选用计量泵 （6）H 高，流量小，无固体颗粒，选齿轮泵，漩涡泵 _ - - 16 （7）离心式通风机、轴流通风机 （8）Q 高、压力低。离心式鼓风机、罗茨鼓风机 9、在海拔 1000m 的高原上，用一离心泵吸水，已知该泵吸入管路全部摩擦阻力和速度头之和为 4m，今 拟将泵安装于水面之上 3m 处，问此泵在夏季能否正常操作？夏季温度 20，海拔 1000m 的大气压为 90.07kPa。 解： 20时水的饱和蒸汽压为 2.335kPa，密度 998.2kg/m3 在江面和吸入管路之间列方程。在江面和吸入管路之间列方程。列伯努利方程，算 PK，比较。 2 0 2 ae fe PPu Zh ggg =+ 2 0 ()90.07(34) 998.2 9.81 2 21.52 eafe aV u PPgZhg g kPP =+=+ = 能正常操作。能正常操作。 10、实验室按附图所示的流程以水为介质进行离心泵特性曲线的测定，试简要叙述该装置的测量原理。 在转速为 2900r/min 时测得一组数据为：流量 3.510-3m3/s，泵出口处压力表读数 103kPa，入口处真空 表读数为 6.8kPa。电动机的输入功率为 0.85kW，泵由电动机直接传动，电机效率为 52%。已知泵吸入 管路和排出管路内径相等，压力表和真空表得二测压孔间得垂直距离为 0.1m，试验水温为 20。求该 泵在上述流量下的压头、轴功率和效率。 解： 在真空表 5 处作截面 1，在压力表 3 处作截面 2，忽略 1，2 截面间的阻力损失 22 1122 12 22 e uPuP zhz gggg +=+ 12 uu= 33 21 21 103 106.8 10 ()0.111.3 998.2 9.8 e PP hzzm g + =+=+= 3 0.85 1052%442NNW= 入 3 998.2 9.8 3.5 1011.3 87.5% 442 ee NgQh NN = _ - - 17 11、用油泵将密闭容器内 30的丁烷抽出。容器内丁烷液面上方的绝压 Pa=343kPa。输送到最后，液面 将降低到泵的入口以下 2.8m，液体丁烷在 30下的密度为 580kg/m3，饱和蒸汽压为 304kPa，吸入管路 的压头损失估计为 1.5m。油泵的汽蚀余量为 3m，问这个泵能否正常工作？ 解： 0 (0 1) a f PP zhh g = 33 343 10304 10 1.532.362.8 580 9.8 zmm = ，不能正常操作 12、 离心泵特性曲线为 H=30-0.01Q2 （m） ， 输水管路的特性曲线为 he=10+0.05Q2 （m） ， Q 的单位为 m3/h。 问（1）此时的输水量为多少？（2）若要求输水量为 16m3/h，应采取什么措施？采取措施后，特性曲线 会有何变化？ 解： （1） 离心泵特性曲线： 2 300.01( )HQm= 输水管路特性曲线： 2 100.05( ) e hQm=+ 联立求解： 3 18.26/Qmh= （2）关小阀门，管路特性特性曲线变陡。 13、 如附图用离心泵将 20的