化工原理之流体流动练习题全解

1、化工原理流体流动习题及答案2015流体流动章节1 若将90kg相对密度为0.83的油品与60kg相对密度为0.71的油品混合, 试求混合油的密度。解:m90 609060830 710= 777(kg/m3)261.0132试计算空气在-40 C和41kPa（真空度）下的密度和重度，大气压力为 x105Pa。解:=0.902kg/m3、pM (1.013 105 -41 103) 29 一 RT 一 8314 (273.15-40)= 0.902 9.81 =8.85N/m3 =0.902kgf/m33燃烧重油所得的燃料气，经分析测知其中含生8.5%CQ 7.5 %02, 76%8%H0（均系

2、体积百分率）。试求温度为500r，压力为1.013 x 105Pa时，该混 合气体的密度。解:2 RT101300 448314 (273.15 500)3=0.693kg /m：?O2101300 32RT 8314 (273.15 500)3=0.504 kg/ mpM101300 28RT 8314 (273.15 500)=0.441kg / m3?h2o二 0.284kg/ mpM101300 18RT 8314 (273.15 500)3m -、lxV -0.455kg/m4烟道气的组成约为含13% CQ 11% H20, 76% N（均系体积 ）,计算400C 时常压烟道气的粘度

3、。解:卩EyHMi1/2miM1/26 1/2 6 1/2 6 1/20.13 30.0 10440.11 23.0 10180.76 31.0 1028-0.13汇441/2 +0.1181/2 +0.76汉281/2= 30.1 10“cp5.液体混合物的组成为乙烷40%和丙烯60% （均为摩尔百分率），计算此液体混合物在-100C时的粘度。乙烷和丙烯在-100 C时的粘度分别为0.19mPas和 0.26mPa s。解：lg 込 lg0.4 lg0.19 0.6 lg0.26 =-0.6395Jm =0.229mPa S6某流化床反应器上装有两个 U形管压差计，如本题附图所示。测得 R

4、= 400mm R2= 50mm指示液为汞。为防止汞蒸气向空间扩散，在右侧的 U形管与 大气连通的玻璃管内装入一段水， 其高度50mm试求A、B两处的表压力。解：pA = H2OgR3：HggR2 =1000 9.81 0.05 13600 9.81 0.05=7.16 103 Pa 二 7.16kPa 二 53.7mmHg7如本题附图所示的汽液直接接触混合式冷凝器，水蒸气被水冷凝后的凝液 和水一起沿气压管流入敞口水池并连续排至地沟。冷凝器上真空表的读数为 80kPa,大气压力为98kPa。为了防止水池中的水倒流到冷凝器，试问气压管 内的液柱高度H应不小于多少m（气压管及其出口的阻力损失可忽略

5、不计） 解：容器中的压力为： 5 =98 -80 =18kPa由静力学方程：Pi * LogH二PaPa - Pih2o g98-18 1031000 9.81=8.15m8.用一多U形管压差计测定水流管路中 A、B两点的压差，压差计的指示液为 汞，两段汞柱之间充满水，如本题附图所示。今测得hi= 1200mmh2= 1300mmR = 900 mm R2= 950mm试向A B两点问的压差也p为多少Pa?HgH厚习题8附图解：由静力学方程：Pa H2oghl - HggR二PbH2og h2 - R：ggR2-?H 2O g 一 ARP = Pa - Pb = :?HggRi R2- ?H2

6、og Ri R2= 沆-:2o gR R2= 13600-10009.810.9 0.951=2.29 105 Pa9用一如图1-13所示的双液体微差压差计来测量输送甲烷管路中某一段的压差，压差计读数为200mm压差计中的双指示液为四氯化碳和水，相对密度分 别为1.6和1.0，U型管内径为6mm扩大室直径为60mm试求该段压差p为多少mm20。(1) 忽略扩大室中液面变化；(2) 考虑扩大室中液面变化；(3) 两种情况下的测量误差为多少？解：如忽略扩大室中液面的变化，则可按如下公式计算:P = R 沐- B g =0.21600-10009.81 =1.18 103 Pa =120.0mmH2

7、0如考虑扩大室中液面的变化，贝U:= 0.27600 -1000 )+6匚1160丿9.813-1.20 10 Pa =122.0mmH2O二者误差为：122.0 120 100% =1.64%122.010 在如本题附图所示的贮油罐中装有密度为960kg/m3的油品，油面距罐底的高度为9.6m，油面上方为常压。在罐侧壁的下部有一直径为760mm勺人孔,其中心距罐底800mm人孔盖用14mnm勺钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应 力取为39.23Mpa,问至少需要几个螺钉？解：人孔中心处压力为:Pa = H =960 9.819.6 -0.81=8.29 104Pa则人孔平均受力为：1 Fa =

8、 PaAa =8.29 104 3.14 0.762 = 3.76 104 N4每个螺钉可以承受的力为：FB =39.23 1061 3.140.014 2 =6.04 10N4需要的螺钉数目为：=6.27Fa3.76 10n =Fb6.040.252-1= 0.5 =0.84 即：2 =0.8411Re2由范宁公式:hfd 2hf2 _，2u； hf1 山；0.84 1 42 =3.36n21523.有一管壳式换热器，外壳内径为300mm内装有60根管径为 25X 2mm勺光滑管组成的管束。空气以 3000riVh的流量在管外平行流过，空气的平均温度为30C，换热器长度为4m试估算空气通过换

9、热器时的压力降。解：30 C 空气的物性:= 1.165kg m3，.二=18.6Pa S3000 3600V u 二A0.320.0252 6044=20.21m sj !220.320.0252 6044de = 40.02917m兀 0.3+ 江 0.025 汉 60Re 二 de 二 0.02917 20.2 1.165 = 3.692 104 . 4000 湍流18.6 10“以光滑管形式来确定入:二0.3164 = 0.02280.25Re则：hf24 202120.0228639.2 J kgde 20.029172u2Pf:hf -1.165 639.2 =744.7 N m2

10、HfPf744.7=0.0759mH2O = 75.91mmH2Og 1000 9.8124.用泵将密度为820kg/m3、粘度为80mPas的燃料油通过管径为89x 4.5mm的钢管输送到油罐。管路的直管长度为 520m管路上有2个全开闸阀，6个 90标准弯头，油从油罐的侧面进入。当燃料油的流量为 6.5m3/h时，整个管 路的能量损失和压力降为多少？4V4 疋 6 5解：u 二一2一 厂0.3592 m s呵 兀0.05汉3600rC 008 严 820卩 8010= 294.55 ： 2000 层流6464二 0.2173Re 294.55管件的阻力系数：入口二-0.5，出口二-1.0，

11、全开闸阀二-0.17 ,90。标准弯头.=0.75=0.5 1.0 0.17 2 0.75 6 = 6.34hf =.二+瓦匚0.2173汇空+6.34 j0359 = 91.524Jkg id丿2 i0.08丿 2Pf =hf =820 91.524 = 7.505 1 04 N m225如本题附图所示，粘度为 30mPas、密度为900kg/m3的液体自容器A流 过内径为40mm勺管路进入容器B。两容器均为敞口，其中液面恒定。管路中 有一阀门，阀前管长50m阀后管长20m均包括局部阻力的当量长度)。当阀 门全关闭时，阀前、阀后的压力表上读数分别为88kPa和44kPa。现将阀门开至1/4开

12、度，此时阀门的当量长度为 30m试求；(1) 管路的流量；(2) 阀前、阀后压力表上的读数如何变化，为什么 ？习题25附图解：阀门全关时，可由静力学方程计算两槽液位高度:A 槽：Pi =妙=g 二Pig388 109.97m900 9.807B 槽：p2 - 1gh2= h2 二竺44 103=4.99 m900 9.807取0-0为基准水平面，在两槽液面间列柏努利方程:zAg2 2PaUaPbUB、.zBghfP2p2 f代入数据:9.97 9.8070 0 = 4.99 9.80700, 50 2030 0.042整理，得：，u2 =0.0391假设： =0.03，解得：u=1.14m/s

13、校核：Re =du0.04 1.14 900 =1368 ： 2000 层流430 汉 10-0.047Re化工原理流体流动习题及答案201564设流动为层流则有：誥宀。如代入数据:u2 =0.03910.04 u 90030 10解得：u=0.735m/s验证流型:0.04 0.735 90030 10二 882 : 2000 层流假设正确u=0.735m/s流量：Vh=uA =0.735 汇才 X0.042 =9.24X10(m3/s) =3.32m%打开阀门后：由A向1液面列柏努利方程得:ZAg2 2PaUaP1U1、.zghp 22 pfl其中：ZA=hi, pA= 0, ua=0 z

14、 1=0则：5动1 -宁小九gh1阀前压力表读数变小。代入数据可得:P1=65.7kPa由2向B液面列柏努利方程得:Z2g2Ub 、2hf 2其中：Z2=0 z B=h2,Pe=0, Ub=0通常埜很小，可忽略。237则：p2变大。代入数据得：p2 =52.6kPa化工原理流体流动习题及答案201526.如本题附图所示，为一内径为4m高度为3.5m的敞口高位槽经管径为*60X 3.5mm的管路供水系统，总管长（包括局部阻力的当量长度）为80m管 壁绝对粗糙度:=0.1mm即相对粗糙度；/d = 0.1/53 = 0.0019。水的温度为 20C。试求（计算中忽略动能项）：（1）当维持高位槽内水

15、面恒定时，水的流量为多少；（2）如欲使水的流量提高1倍，问应该增大管径还是增加高位槽高度呢？ 经过利弊分析，并选定方案进行具体计算（设管壁相对粗糙度仍取0.0019）;（3）如果停止给高位槽补充水，高位槽内的水能维持多长的供水时间（h）。52习题26附图解：查得：20r时水的粘度 卩=1.005 X 10-3Pa - s，密度p= 998.2kg/m3自高位槽液面至出口列柏努利方程，以地面为基准水平面。2 2単号g毕号 h80 u2其中：z1=10m p1=0， u1=0 z 2=2m P2=0, u2=0n2754.7 ud 20.053 2代入柏努利方程可得：二：hf =乙- z2 g即：

16、754.7 】2 = 10 -29.81 = 78.48. u2 =0.104设流动状态为湍流，并设九=0.02 可得口=2.28叹二 Re=1.2xl05n 九=0.024n u=2.08叹二 Re = 1.10 d = 0.121m 2Re = 3.87 105 - 0.021.d -0.121m 选择管子为： 133X 6mm勺无缝钢管 29有一水平输送原油的管路，管径为 * 299X 12mm总长度为42m,原油的流量为62.5mdd/h ,密度和粘度分别为910kg/m3和300mPa s,管路两端压差保持不变。试问:(1)在管路下游1/3处并联一条同样直径的管子时，原油输送流量会增

17、加到多少?(2)欲使原油流量增加50%,需要并联多长的管子？解：在管路下游1/3并联一条同样直径的管子时:4 62.5并联前：u =VRe=E .275 .292 910 =244 层流300 100.292 m sA 二 0.27523600的阻力：pf=32%由于巾f二Pf，则有 2d21 u32上1 u 32门1从33 2d2+d2解得：u、 u 二0.292 =0.35(m/s)55检验:R心丿275。.迅910430010二 292假设成立V = V = 62.5 = 75m3 h55若使原油流量增大50%,贝U u1.5u =1.5 0.292 =0.438二366层流R叱严75

18、0438 9104300 00设需并联的管子长度为丨，则在并联后的总阻力为:p (、)2 厂(A 32Tl)u . 凹U32lu32l(l -l)u2由于：p. Pf,则有 22严ddd即 lu =1 u lu代入数据可得 l H - 1.5u l 0.75u2 2r I 42 = 28km3 3即需并联28km的同样直径的管路。30如本题附图所示的为一条供水系统，高位槽内的水面维持恒定。 AB管段、 BC管段和BD管段的内径分别为41mm 25mn和32mm它们的管长分别为6m 15m和24m上述管长均包括各种局部阻力的当量长度，分流点 B处的能量损 失可以忽略不计。全部管路的摩擦系数均可取

19、 0.03，且不变化。水的密度和 粘度分别为1000kg/m3和1mPas。试计算：(1)BC、BD两支管路的流量为多少；吧p f 扎十扎一22d 2 d 2d2d2 当BD支路上的阀门关闭时，BC支路的水流量为多少。习题30附图解：以管出口为基准水平面，在高位槽液面至管出口 D间列柏努利方程，得:ZAg2 2.2.2pA UA_ pDU BD1 ABUAB1 BDUBDZD gp 2P 2 dAB 2 dBD 2代入数据，得:2 2 210981+0+0+于+0 如而号+。徐両T 号(1)另外：自交点B至两出口列柏努利方程可得:2 | 2Eb论匹号七号Eb =Zcg2 | 2.Pc . ub

20、c . , 1 bc UbcP 2 dBc 2即：（idBD2i2BD）才一訂芳代入数据得:2（1益忙（1盘）22UbcUbc - 1.12Ubd又由连续性方程：d AbUab =dBcUBC BDubdu AB - 1 .02ubD解（1）、（2）、（3）组成的方程组得：UBD=2.69m/s , ubc =3.02 呎则：Vbd Ubd AbdVBC = U BC ABC= x0.0322 X2.69 =2.16x10,(m3 /s) = 7.78m%中汇0.0252 汉3.02 = 1.48汉10(口3/9=5.34口%当BD阀关闭时,则自储槽液面至出口 C列柏努利方程得:ZAg2 2

21、.2 .2UAPcU BCl AB U ABl BC UBCZC g2?2dAB 2dBC 2代入数据:2U BC10 9.8100 =00 匹20.0360.0412UAB20.03150.0252Ubc2(1)由连续性方程：d；BUAB nBcUbc，即：Uab =0.372Ubc解（1）、（2）、（3）组成的方程组得：Ubc =3.16叹VBC二 abcUbc123 3蔦 314 0.。253.16 九55 10 (m/s).5831 如本题附图所示，20r的软化水由高位槽A分别流人反应器B和吸收塔C 中，反应器B内压力为50kPa（表压），吸收塔C中的真空度为10kPa。总管路 *57

22、X 3.5mm管长为（20+ZA）m,通向反应器B的支管路为 25X 2.5mm管长为15m通向吸收塔C的支管路为25X 2.5mm管长为20m（以上各管长中均包括各种局部阻力的当量长度）。所有管道皆为无缝钢管，其绝对粗糙度 ；可取化工原理流体流动习题及答案20150.15mm如果要求向反应器B供水的流量为0.314kg/s,向吸收塔C供水的流量为0.417kg/s ,问高位槽内液面至少要高于地面多少米？253解：20水的物性：亍= 998.2kgm3，- 1.005mPa S以分支点为O点，则在OB段中的流速为:4VUb二d234 1.13 10321.0m s-0.022998.2 360

23、0只卄妊丿02侦9簣2卩1.0050=1.988 104 . 4000 湍流由 d =0.1520 =0.0075 查图，得 =0.038则根据柏努利方程可得O点的总比能为:2PbUb2ZBg hfOB=504=998.2-4 9.807 0.038151.02x0.02 2=104.1J kg则在OC段中：u4V :d24 0.471-0.022 998.2= 1.50 m s化工原理流体流动习题及答案2015Re = du： = 0.02 侦 g2 = 2.99 104 mo。湍流4 1.005S0由 % =0.1520 =09075查图，得丸=0937则根据柏努利方程可得o点的总比能为：

24、2E。启号 Zcg hfc= - 0 8 9.807 0.037 竺連998.20.022= 110.1J kg取两个中较大者，即EOB=110.1Jkg 在总管中的流速:2 20.052u=SB UocAc J.01 O.2呼058 O.2 “4011 msA1.005 10：0.05 0.4。11 998.2 =1.992 104 .4000 湍流= 0.003 查图，得 =0.032则在A与O间列柏努利方程:2単号 ZAg 二 Eo hfA。20 + Za 0 401120 0 Za 叽11。1 o.。32 是T得 ZA -11.4m即高位槽距地面至少11.4m，此时OB段应适当关小阀门

25、。解法二：20E 水的物性：998.2kg；m3，- 1.005mPa S71在OB段：u二4V4 0.3142 二 0.022 998.2 _1.0m Sdu0.02 1.0 998.21.005 10”= 1.988 104 . 4000 湍流由I= 0.0075查图，得=0.038在OC段中：u4V4 0.4712 -2-1.50m s2 二 0.022998.2由I1520= 0.0075查 图，得，=0.0371.005 10”Re 二匹= 0.02 1.50 998.2 =2.99 1044000 湍流在总管中：UOB AOBU OC AOC2 21.0 0.021.50 0.02

26、0.052二 0.40 m sduP Re = A0.05 0.40 998.21.005 10= 1.99 104 4000 湍流= 0.032由 d = 0.15 50 = 0.003 查图，得则在A与B间列柏努利方程:2刖zg芈2uBZBg 八 hfAO、hfOB00 Za5X1049.807 二998.2-4 9.8070.03220.05辽厶应-0.038竺迈0.02 2解得ZA = 10.77m在A与C间列柏努利方程:2 2皿 uA ZAg 芈詈 ZCg、hfAO、hfOC2 20 0 J 98。7 煜 0 8 9807 0032 器 罟 0-037 益 罟解得 Za =11.4m

27、取两个中较大者，即高位槽距地面至少11.4m，操作时OB段应 适当关小阀门。32用压缩机将温度为20C、流量为1200riVh（标准状态），组成为8% 、33.9 %CCI4、22.6 % CH、21.6 % GH和13.9C4H。的燃料气排送到炼油车间供加热炉燃 烧。输气管径为 127X 6mm管路总长（包括局部阻力的当量长度）为1500m管壁粗糙度取0.2mm进炉前气体的压力为0.2MPa（绝压），试计算压缩机出口 处的压力。解： M 八 M=0.08 2 0.339 16 0.226 30 0.216 44 0.139 58 =29.9pM _ 1.013 105 29.9 10；RT8

28、.314 273.151Yi讥Mi2= 0.009mPas = 9 10 * Pas YiMi按等温流动计算：晋二先邦6 105d =。.帖=0.0017 查得：入=0.0232 2代入等温流动式：pl = pl 2RTln巴宜Mp2Md代入数据：222 2 8.314 293.15 42.7 Pi8.314 293.15 1500 42.7Pi 二 P23 In 0.023329.9 00一P229.9 汉 10一汉 0.115即：p： -8.46 1010 6.96 106 In= 8.45 1010 6.96 1061n p1（0.2 如06）试差得：p1=2.91 X 105Pa33.

29、 30E的空气从风机送出后流经一段内径为 200mm长度为20m的管路，然 后分流流经内径均为150mm的两支管路组成的并联管路，两支并联管路的长度 分别为40m和80m汇合后又流经一段内径为200mm长度为30m的管路，最 后排到大气。若空气在内径为200mm的管内流速为I0m/s，求在两支并联管路 内的流速各为多少，风机出口的空气压力为多少。解：出口处空气密度为:1293273.15303.15= 1.165空气粘度：p = 18.6 X 10-6Pas.G =10 1.165 = 11.65*9 2 / m s由于为并联管路，两支路中阻力损失相等。即:d1 2丨2 G2 d2 2设 - 2，则有:G1 =1.41G2二 w = 1.41W,，W +W4 = W = GA = 0.366叹,W0.214kgSW2 =0.152kgS两支路流速：5 =10.4ms上=7.38池设： =0.2mmRe。d0 G00.2 11.6518.6 105= 1.25 10Re1dG10.15 10.4 1.16518.6 10-64777 10Re2d 2G20.15 7.38 1.16518.6 10“-6.93 104I。01；d