流体流动作业及答案

1、流体流动作业1某油水别离池液面上方为常压，混合液中油0与水w的体积比为5:1，油的密度为；0 = 830kg m-3，水的密度为P = 1000 kg m-3。池的液位计读数 hc=1.1m。试求混合液分层的油水界面高hw和液面总高度 h w + h o。解：如下图5 ;-0ghw +Ggh。+ :-ghw = ；ghc h 0 : h w = 5:1:-ghw =：-ghchw J5P°g + 毗1000 X 1 1_L1_=0214m h 0 +hw = 6 h w = 6 X 0.21 4 = 1.284m 5 830 10002、质量浓度为16200kg/h的25%氯化钠Na

2、CI水溶液在$ 50X 3mm的钢管中流过。1186kg/m ，粘度为2.3 X 10-3Pa$。求1 判断该水溶液的流动类型。2计算在滞流时的最大流速Umax滞。解：1算出Re准数后即可判断流动类型162003600 U s =3600 二 2.497 ： 2.5m/sAP 兀2A -(0.044)2 11860 044 汇 2 5 汇 11860.044 2.5 1186 =56722，流型为湍流2.3 102求 UmaX带Ju m a 带X:滞流时，Re准数最大值为2000 ,相应的流速即为umax滞Re 一代入值后O.044 "86 严滞=2000，解得 umax滞=0.08

3、8m/s2.3 103、列管换热器的管束有 13根r ：25X 2.5mm的钢管组成。平均温度为 50 C的空气以9m-s-1的速度在列管内流 动，管内压强为 1.96 X 105Pa表压，当地大气压为 9.87 X 104Pa,标准状况下空气的密度二。=1.29 3kg -m-3。试求换热器内：1空气的质量流量；2操作条件下空气的体积流量；3换算为标准状况下的体积流量。545解：操作压强 P = 1.96 X 10 + 9.87 X 10 = 2.947 X 10 Pa5操作条件下空气的密度为P= P0巴°=1 293疋一=3仃9kg mTP0(273 + 50)".01

4、3"0-1s(1) q m = uA " = 9 X 13X 42X 0.02 X 3.179 = 0.117kg2 2g乙号齐gZ2 * :九3-1s(2) q v = uA = 9 X 13X ； X 0.02 2 = 0.0368 m313q v,0 = q m/ ；-0 = 0.117/1.293 =0.0905 m -s-4、如下图，将高位槽内料液向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为大气压。要求料液在管内以0.5m/s的速度流动。设料液在管内压头损失为1.2m 不包括出口压头损失，试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米？解：取管出口高度的00为基准面，高位槽的液面

5、为1-1截面，因要求计算高位槽的液面比塔入口处高出多少米，所以把11截面选在此就可以直接算出所求的高度x，同时在此液面处的U1及p均为值。2 2截面选在管出口处。在 1 1及2 2截面间列柏努利方程：式中P1=0 表压高位槽截面与管截面相差很大，故高位槽截面的流速与管内流速相比，其值很小，即Zi=x, p2=0 表压，U2=05m/s , Z?=0, hf/g=1 2m将上述各项数值代入，那么9.8ix=_°?：+1.2 x 9.8i计算结果说明，动能项数值很小，流体位能的降低主要用于克服管路阻力。5、假设管路的长度和流体流量不变，用加粗管径来减小阻力损失。讨论下面二种情况下，当管径

6、增大 损失减少的百分比。i流体在管内层流；2流体在光滑管内湍流,x=1.2mRe =105.；30%寸。阻力解：hf 二21 (范宁公式)d 2i层流时.=聖=里匸Re du Phf 64u2321|32 屮u 二:d2:d2qv4hfhfB(i.3d)4_B丄=0.35i.3Re = I0 5时，光滑管，为常数hf 1B/(i.3d)5B/孑1hfB/cv_)22 = 0.269i.36、用离心泵将贮水池中的水送到高位槽中水池液面与高位槽液面间的垂直距离为0 I65X 4.5mm,管路中直管总长为i300m,所有局部阻力的当量长度为50m。65%摩擦系数 入可取为0.02 , 解：i取水池液

7、面为i-i如下图。2在两截面间列出柏努利方程:35m,假设泵的流量为I300m所有局部阻力的当量长度为3水的密度取 i000kg/m。求：泵的轴功率 N kw。截面，且定为基准水平面。取高位槽液面为2-2 '截面,Zig2 2刍二 we yg 号二 “2各量确定：乙=0, Z2=35m, Ui 0 ,氏 0 ,I003600Pi=P2=o 表压,we待求，必须先求出 艺hfi-2及u。定态流动。输水管直径为i00m/h，泵的效率为(3)求 u 及艺 hfi-2 uXi 二A 二2A-(0.i56)2=i.453m/s-h f IJ22 2u_“02 00 3_i82.7j/kg20.i

8、562(4)求 we、qm及 P。we=Z2g+2 hfi-2 =35X 9.8I+I82.7=526.05J/kgq p =i00/3600 x i000=27.78kg/s把各有关量代入柏式可求出wep 二 &=526.0527.78 =22483 ： 22.5 kwn n0.657、某测水的转子流量计，转子为不锈钢二钢=7920kg m-3,测量范围为0.2502.50 m3 h-i。如将转子改为硬铅二 铅=i0670kg m-3,保持形状、大小不变，用来测水和乙醇住醇=789kg m-3，问转子流量计的测量范围各为多少？解：不锈钢转子测水的流量为qv,水，铅转子测水的流量为qj

9、,铅qv，水"铅-、水 =qv,水;"钢-、水i0670 -i000 =i.i87920 -I000/3 -Iqv,水,i = I.I80>25 =0.295 m h3 i测量水的流量范围为0.2952.95 m h/3q v,水,2 = i.i82.5 = 2.95 m-1 hq乙醇 i卩水卩铅-卩乙醇_ qv，水"乙醇;钢-水.：I000(I0670 -78易=345789(7920 -I000)/3 -iq v,乙醇,i = i.345X25 =0.336 m h3i测量乙醇的流量范围为0.3363.36 m h/3q V,乙醇,2 = I.3452.

10、5 =3.36 m h8在用水测定离心泵性能实验中，流量为 26m /h时，泵出口压强表读数为152kPa,泵入口真空表读数为 24.7kPa,轴功率为2.45KW，转速为2900r/min，真空表与压强表两测压口垂直距离为0.4m，泵进出口管径相等，两测压口间管路的流动阻力可以忽略不计，实验用水密度近似为1000kg/m3，试计算该泵效率并列出该效率下泵的性能。解：在真空表和压强表测压口截面间列伯努利方程可得：h°P表-P真2 2U 2 - Ui2 -2gHf式中 h0=0.4m，u仁u2,Hf=0,P 表=152000Pa,P 真=-24700Pa所以：H =04 +152 +2

11、4.7"03=18.4m,1000 X9.81PeqV H -g 26 18.4 1000 9.81=0.532P P3600 2.45 1000性能参数：qV =26m3/h,H =18.4m, P = 2.45KWM. =53.2%a,精馏作业解：总压 P 二匸5 101.3 =10k P a7600P Pb0PaXaP0Pa0Pb1、苯酚C6H5OH A和对甲酚C6H4 CH 3OH B的饱和蒸汽压数据假设此物系为理想物系为:温度苯酚蒸汽压对甲酚蒸汽压pB温度苯酚蒸汽压对甲酚蒸汽t C0Pa kPakPat C0Pa kPa压 pBkPa113.710.07.70117.811

12、.999.06114.610.47.94118.612.439.39115.410.88.2119.412.859.70116.311.198.5120.013.2610.0117.011.588.76试按总压P=75mmHg 绝压计算该物系的 和平均相对挥发度；写出相平衡方程式。"t y"数据，并计算在x=0至x=1范围内各点的相对挥发度利用上述式子计算相关数据列表如下:温度t C苯酚蒸汽压0Pa kPa对甲酚蒸汽压pB kPaXayAa113.710.07.701.01.01.299114.610.47.940.8370.8710.310115.410.88.20.69

13、20.7481.317116.311.198.50.5580.6241.316117.011.588.760.4400.5091.322117.811.999.060.3210.3851.323118.612.439.390.2010.2491.324119.412.859.700.09520.1221.325120.013.2610.00.0000.0001.326a X1.318x计算= 1.318y1： -1x10.318x2、假设苯甲苯混和液在 45C时沸腾，外界压力为 20.3kpa。在45C时，纯苯的饱和蒸气压p°苯二22.7kpa ,纯甲苯的饱和蒸气压 p0甲苯=7.6

14、kpa。求其气液相的平衡组成。解:0p p甲苯00P苯_ p甲苯22.7 - 7.6127 二 0.84 ；15.10p苯y苯x苯p22 70.84 =0.9420.3x甲苯=1 - x苯=1 - 0.84 = 0.16 ； y甲苯=1 - y苯=1 - 0.94 = 0.06)3、某二元物系，原料液浓度Xf =0.42，连续精馏别离得塔顶产品浓度Xd =0.95。塔顶产品中易挥发组分回收率n =0.92求塔底产品浓度Xw。以上浓度皆指易挥发组分的摩尔分率解：H =二 P =0 92 疋02 =0.4067Fxf F0.95WD11 -0.4067 = 0.5933FfFxF 二 Dxd Wx

15、W = xFD W二己Xd乍Xw0.42=0.4067X 0.95+0.5933 XwXw =0.05674、混合液含易挥发组分 0.35,泡点进料，经连续精馏塔别离， 塔顶产品浓度xd=0.96,塔底产品浓度Xw=0.025 (均 为易挥发组分的摩尔分率)，设满足恒摩尔流假设。试计算塔顶产品的采出率D/F ;假设回流比R=3.2，泡点回流，写出精馏段与提馏段操作线方程。解：1)= 0.3476(Xf - Xw )0.35 - 0.025Xd - Xw0.96 - 0.0252)精馏段操作线y -Xdx -0960.762x 0.229R+1 R+13.2+13.2+1L' W提馏段操

16、作线y = LWx 一 LW Xw泡点进料，q=1, L '=L+qF=L+F=RD+F ; V 'V , W=F-D=(1-D/F)FL'L'-WXwRD fF -D(R 1)D X 一(R 1)D XwRF 1Xw(R 1)-(R 1)j1 - 0.3476o.O25 二 1.447x - 0.0112(3.2 1) 0.3476(3.2 1) 0.34763.2 0.34765、苯一甲苯理想溶液在总压为101.3kpa下，饱和蒸气压和温度的关系如下：在85C时，p0苯二 116.9kpa ,p0甲苯=46kpa ；在105C时，p0苯=204.2kpa ,

17、 p0甲苯=86kpa。求：(1)在85C和105C时该溶液的相对挥发度及平均相对挥发度；(2)在此总压下，假设 85C时，x苯二0.78，用平均相对挥发度值求 y解：(1 )在 85C时：孕 1169 =2.54在 105C时：=2= 20鎂=2.37p甲苯 4686of,2 54 + 2 37平均相对挥发度：m 12二二2.462用：m求y苯85C时2.46 0.781 1.46 0.78二 0.8976、在连续精馏塔中别离含苯50%质量百分数，下同的苯甲苯混和液。要求馏出液组成为为1%均为苯的组成。M苯=78 , M甲苯=92。求：甲苯的回收率。98%,釜残液组成解：解：1把的质量分数换

18、算成摩尔分数M苯=78, M甲苯=92进料组成:50/78釜残液组成:(2)求 D、XfXW50/7850/921/78= 0.541馏出液组成:= 0.0121/78 99/92Xd98/7898/78 2/92= 0.983取F= 100kmol/h为计算基准，由全塔物料衡算可得：F=D+W，及F <xF = DxD W 刈 联立两式可得:F XF XW0.541-°.°12 . 54.48kmol/hXD -XWW = F - D = 100-54.48 = 45.52 kmol/h3求甲苯回收率 w ,即求釜残液中难恢复组分的回收率釜残液中难挥发组分的量与其在

19、原料液中的量之比W 1 -Xw100% 45.52 1 - 0.012 100%F 1 -Xf。一 100 1 -0.541-97.98%7、在一两组分连续精馏塔中，进入精馏段中某层理论板n的气相组成yn+1为0.75，从该板流出的液相组成Xn为0.65 均为摩尔分数，塔内气液比 WL=2，物系的相对挥发度:-为2.5,求:1 从该板上升的蒸气组成流入该板的液相组成Xn-1； 3回流比 R。解:解：1求yn可用气液平衡方程由二、Xn求出ynyn1：-1 Xn竺血782311.5 0.65(3)R1可解出:22R = R + 1, R = 1(2)求 Xn-1由精馏段操作线方程XnXD-R 11

20、，得 0.75=0.65+2Xd解出 xD = 0.852因yn代入量得0.823 =农-20 85二，解出巾796传热练习题2-2平壁炉的炉壁由厚 120mm的耐火砖和厚240mm的普通砖砌成。测得炉壁内、外温度分别为800C和120C。为减少热损失，又在炉壁外加一石棉保温层，其厚60mm,导热系数为0.2 W m-1 -°c-1，之后测得三种材质界面温度依次为800C、680C、410C和60C。1问加石棉后热损失减少多少？2求耐火砖和普通砖的导热系数。解：定常传热，在传热路径上，传热速率处处相等；任两层接触面同一个温度，说明接触良好，无接触热阻选_ 410 -60 =1167W

21、，mq b30.06q 加 800 _6807.1H670.12 =1.167W mCbT 一0.12800 680i'i同理 ，211670.24=1.03W m- C680 _410加石棉前的热损失 q/800 一1202034W m-M 0.120.24+1.1671.0372034 11672034= 42.6%2-3冷藏室的墙壁由两层厚15mm的杉木板之间夹一层软木板构成，杉木板和软木板的导热系数分别为0.107Wm-1 -C -1和0.040 Wm-1 ：C-1。冷藏室内外壁分别为-12C和21 C，假设要求墙壁传热量不大于10 W - m-2，试计算墙壁中软木板的最小厚度

22、及软木板的热阻占总热阻的分数。解：q 1021 _(一12)qmaX0.015 b2.min20.1070.0433b2.min0.28040.040.1208b2 = 0.1208m 121mm00491.5%ccc 0.1208 0.2804 -0.042-4外径为100mm的蒸汽管外包有一层厚50mm , =0.06W m-1 C -1的绝热材料，问再包多厚的石棉层(0.1W m-1 C-1),才能使保温层内、外温度分别为 170C和30C时，热损失不大于60 W - m-1。解: Q：；(t3 -t°)I 1 I2+1 I3InIn -/11/. 222 二(170-30)6

23、03丄In吐丄In0.060.05 0.10.103 = 0.136m = 136mm石棉层厚为 136-100 =36mm2-5蒸汽管外包扎两层厚度相同的绝热层，外层的平均直径为内层的 换位置，其他条件不变，问每米管长热损失改变多少？哪种材料放内层好? 解：设外层平均直径dm,2，内层平均直径dm,1dm,2 = 2 d m,1'2 = 2 '1十丄'1Sm,1' 2Sm,2：tbbJ m,1 12 讪心 2d m,112倍，导热系数为内层的 2倍。假设两层互两种材料互换位置q/q/Atb b'2Sm,2' 1Sm,1Atb * b2 -dm，

24、1二 2dm,1l5-=1.254,243 -128In167 -157二 qm,hCp,h(T1 -丁2)=qm,cCp,c(t2 tjqm,hCp,h (T1 T2 ) - qm,cCp,c (t2 _ t)互换位置后热损失减少。说明在其他条件相同时，将导热系数小的材料放在内层好。243 C 和2-12 假设石油精馏的原料预热器是套管换热器，重油与原油并流流动，重油进、出口温度分别为167 C,原油进、出口温度分别为128 C和157 C。现改为逆流操作，冷、热流体的初温和流量不变。由计算结果讨论其传热推动力和终温的变化情况。假设流体的物性和总传热系数不变，并忽略热损失。解：并流.寸m二(

25、243128) (167157) _43匕Q =KS tm逆流 Q/ 二 Ksm=tm 二 T1 - T2 _ t2 7 氏m T1 - t< t2 -t1Atm疋43(T1 T2 )亿2 1 ) (T| T2 ) t2 11 )lx tQ 一也tjJ _t2)一化tj(243 167) (157 -128).-：tmTi由147厶上2 - :b厶七2 - ':t1(T| 上2)'(T2 tj-2 - t1.-:t1243 12 =2.98 (T, 128)_ InMT2/ -t1= 2.98(T2/ -t1)式得 243 -167157 -128In 4.-：t247

26、=1.09343-t2243 -T2/t2 -128(3)(2)和(3)联立解得 t； =161.4 CT* =155.4 C/(T1 -t2) _(t2 -t1)(243 -161.4) -(155.4 -128):tm-InUT2 -t1243 161.4 In155.4-128=49.5 C可见，色m,逆Atm,并逆流传热推动力大，提高了原油的出口温度，降低了重油的出口温度，热量得到充分利用。2-13 在传热面积为6m2的逆流换热器中，流量为每小时1900kg的正丁醇由90 C冷却至50 C, Cp = 2.98 103 J k g-1 -C -1。冷却介质为18 C水，总传热系数为 2

27、30 Wm-2C-1。试求冷却水的t?和每小时的消耗量。解：1求冷却水出口温度90+50定性温度2= 70 C19003Q 二 qm,hCp,h(T1 -T2H3600 2.98 103(90 -50)=6.29 104W解得6.29 104230 6(902) -(50 -18)Ink50 -18t2 = 27.5 C2冷却水消耗量m, c= 45.6 C= 45.6 CQCp,c (t2 7 )46.29 101314.187 1 03(27.5-18厂侥盹 69 10 心十20 C的水将1.5kg 的苯由80 C冷却到30 C。换热器列管直径为.25 2.5mm。(80 -50)-(30

28、-20) =182匕,80-50In30-201± . b d0 X de：0' dm: i di2 ©1. 0.0025 25 .125 = 472W m C4522.5 1700 201700c Q 1.4 2 510S0 :Qtm65 9m2冷却水消耗量qm,c1.425 1053=1.14kg s'Cp,c(t2 -t1)4.174 103 (50 -20)2-14 在逆流换热器中，用水走管内，水侧和苯侧的传热系数分别为0.85kWm-2 C-1和1.7 kW- m-2 C -1，管壁的导热系数为 45 W- m-1 C -1,忽略污垢热阻。假设水的

29、出口温度为50 。试求换热器的传热面积 S。及冷却水的消耗量 qm,c。操作条件下水的Cp =4.174 103 J kg-1 C -1,苯的 Cp = 1.90 103 J kg-1 C -1。35解：Q=qm,hT1 丁2=1.5勺.9勺0 x80 30 =1.425汇 10 W2-15 20C、2.026 10 Pa的空气在套管换热器内管被加热到85C。内管直径-57 3.5mm ,长3m，当空气流量为每小时55m3时，求空气对管壁的传热系数(空气物性：0 C时I = 1.96 10-5Pa s, Pr = 0.968 )。P = 1.293kg m-3; 50C时 Cp = 1.017

30、x103 J kg-1 ：C-1-2-1-1,. = 2.826 10 W m C ,20 + 852解：定性温度=52.5 C,近似取50 C空气的物性-1.293273+502 = 2.186kg m 卫551u = = 7.785m s_36000.0524Re'.。5 7.785 2186 "34 何1.96 10-(湍流), =0.0232.826 10(4.34 104)0.8(0.986)0.4 =57.7W m，0.025“ 1C-1L 3工=二?=12 0 60 不必校正d 0.052-16在列管换热器内，用冷水冷却甲烷气，120C的常压甲烷气以10m s-

31、1平均流速在壳程沿轴向流动，出口温度30C，水在管程流动，其传热系数为 0.85kW m-2 - C-1。换热器外壳内径为190mm。管束由37根、19 2mm的75 C 下甲烷的=1.15 10-5Pa s, = 0.0407 W m-1 C-1, Cp钢管组成，忽略管壁及污垢热阻，求总传热系数。3-1-1=2.5 10 J kg C 。解：定性温度120 + 302=75 C,甲烷的物性:-5' = 1.115 10 Pa s,*-1 。 -13-1 。-1-=0.0407 W m - C , Cp = 2.5 10 J kg C PMRT1.013 1028.314 (273 7

32、5)16 =0.56kg m2 :2_D _n_d壳程当量直径 de =4 -兀D + niidD2 -37d2 一 D 37d0.192 -37 0.01920.0255m0.1937 0.019Re 二凹°255 10 °561.15 10'=1.242 104pr=±=2.5103“151050.0407-0.7060.0407：-0 =0.023Re0.8 Pr0.3 =0.023de0.0255(1.242 104)0.8(0.706)0.3 工62.3W m' s'丄丄也二丄亠遊=0.0175K ：-0:i di 62.30.8

33、5 103 0.015K =57.01W m， C2-19 工艺上要求将绝对压强为11206kPa、温度为95 C、流量为180kg h-1的过热氨气冷却并冷凝至饱和温度27 C。试计算水的用量及两30 C液氨的焓为 32330 C的液态氨。现采用15C的水为冷却剂在换热器中逆流操作。测得水的出口温度为流体间的平均温度差。95 C氨蒸气的焓为1647kJ kg-1, 30 C氨蒸气的焓为kJ kg-1，忽略热损失，20C 的水 Cp = 4183 J kg -1 C -1。解：该传热过程应分为冷却段和冷凝段。过热氨蒸气冷却至饱和温度的放热速率为A OQQ = 280 (1647 -1467)

34、103 =9000W36001467kJ kg-1,18030C氨蒸气冷凝过程放出的热为Q二赢0 (1467 一323) 103 =57200W水吸收的总热量Q = Q1 + Q2 = 9000 + 57200 = 66200WT2水的定性温度27 + 15112_2一 = 21 C 近似取 Cp = 4183 J kg-1 C水的流量66200% =Cp(tt1厂 4183“(等-15) =1.312冷凝段 57200 = 1.3194183 (t/-15)tZ = 25.4 C，tm=(3254) =8.8 C冷却段.-：tm,30 -15 ln30-25.4(95 -27) -(30 -

35、 25.4)24.17 Cln730 - 25.42-20室内装有两根等长的简易水平暖气管，管内通以饱和蒸汽，暖气通过自然对流向室内供暖。设大管直径为小管直径的4倍。小管的Gr Pr 109，且两管间无相互影响，试求两管的供暖比值，并讨论顶层楼房另加粗直 管暖气的作用。解：对于自然对流 Gr Pr = ®：td " Cp "两管子所处条件相同，式中只有管径不同D = 4d ,其他参数相同“0.13冷附=1 两管的：相同，K相同:大(1/D) (D3)3 1-:小(1/d) (d3) 3Q = KS . tmS大S/j、旦=4dL顶层楼房散热面大，加粗直管暖气，加大

36、供热量。2-23在套管换热器内以压强为因故氯苯流率减小至 0.4kg s-1，仍要求进、出口温度不变，假设仍用原换热器操作，应采取什么措施，以计算结果回 答。换热器内管为.38 2mm铜管，氯苯在两种情况下均为湍流，设其物性常数不变，蒸汽冷凝传热系数比氯 苯传热系数大得多，忽略污垢热阻饱和蒸汽294kPa的饱和蒸汽冷凝将内管中1.4kg s-1流量的氯苯从35C加热到75C，现T = 110 C, pv = 143.3kPa ;T = 120 C, pv = 198.6kPa ; T = 133 C,pv = 294.0kPa。解：原工况：Q = qm,cCp,ct2 -11= KS i_tm