化工原理例题

1、第一章 流体流动例1.高位槽内的水面高于地面8m,水从()108X4mm的管道中流出，管路出口高于地面 2m。在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按h f = 6.5 u2计算，其中u为水在管道的流速。试计算：A A截面处水的流速；水的流量，以 m3/h计。解：设水在水管中的流速为u ,在如图所示的1 1，, 22,处列柏努力方程Zlg + 0 + Pl/p= Z2g+ U2/2 + P 2/ p+ Dl f(Zi - Z2)g = u2/2 + 6.5u2代入数据(8-2) 9.81 = 7u2 , u = 2.9m/s换算成体积流量qV = uA= 2.9H4 0.12 与600=82

2、 m 3/h例2.本题附图所示为冷冻盐水循环系统，盐水的密度为 1100kg/m3,循环量为36m3。管路的直径相同，盐水由A流经两个换热器而至B的能量损失为98.1J/kg,由B流至A的能量损失为49J/kg,试求：(1)若泵的效率为 70%时，泵的抽功率为若干kw? (2)若A处的压强表读数为245.2 103Pa时，B处的压强表读数为若干Pa?解：(1)由A到B截面处作柏努利方程0+ua2/2+pa/ p =Zj+ub2/2+Pb/ p +9.81管径相同得 ua=ub( Pa-Pb) / p =电+9.81 * e1 W： a7 e% u, k9 Y1 o- H" x由B到A

3、段，在截面处作柏努力方程BZBg+uB2/2+PB/ p +W=0+u2+Pa/ p +49W= (Pa-Pb) / - ZBg+49=98.1+49=147.1J/kg 3 L& P- " D8 i4 NO Fqm= qvp =36/3600 x 1100=11kg/s- i3 M# a$ R/ y) p5 |Pe= qm>W=147.1 X11=1618.1w% E5 |0 W* y'Z% ( * I( V8 b泵的抽功率 N= Ne /76%=2311.57W=2.31kw 1 s$ m& Z6 P! K) R： g; Q(2)由第一个方程得( P

4、a-PB ) / p =ZJ+9.81 得 7 a6 W, " R# w+ E& v9 vPb=Pa- p (ZBg+9.81 )=245.2 103-1100 (7 泡81+98.1)$ M) z: B8 f. q3 u4 L=6.2 X04Pa: y7 w- m# z' m" X; p例 3.用离心泵把20的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示。管路的直径均为76X2.5mmi在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.66 M03Pa,水流经吸入管与排处管(不包括喷头)的能量损失可分别按Eh f,i=2u2, Z>

5、,2=10u2计算，由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速m/s。排水管与喷头连接处的压强为98.07 M03Pa (表压)。试求泵的有效功率。解：总能量损失 Ehf= Eh,1+Ehf . 2在截面与真空表处取截面作方程：z0g+u02/2+P0/尸z1g+u2/2+P1/ p +Efh 1(P0-P1) / p= z1g+u2/2 + Efh 1u=2m/sqm= qv k7.9kg/s在真空表与排水管-喷头连接处取截面z1g+u2/2+P1/ p+W=z 2g+u2/2+P2/ p +Efh 2We= z2g+u2/2+P2/ p +Dh 2- ( zg+u2/2+P 1/p)=12

6、.5 9.81+ (98.07+24.66) /998.2 D03+10X22 =285.97J/kgPe= qm>W =285.97 汉.9=2.26kw例 4. 用压缩空气将密度为 1100kg/m 3 的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液位恒定。管路直径土为小60X 3.5mm,其他尺寸见本题附图。各管段的能量损失为汇hf, ab=E h f, cD=u2, Ehf,BC=1.18u2。两压差计中的指示液均为水银。试求当R=45mrm h=200mm寸：(1)压缩空气的压强P1为若干？ ( 2) U管差压计读数 R为多少？解：对上下两槽取截面列柏努力方程0+0+P1/ kZg+

7、0+P2/ p +IB f, , P1= Zg (+0+P 2 + p ZEi f=10 X9.81 1100+1100 (2u2+1.18u2) = 107.91 103+3498u2在压强管的B, C处去取截面，由流体静力学方程得pb+ pg (x+R1) =Pc + pg (hBc+x) + p水银 R1 gPb + 1100 >9.81 X(0.045+x) =Pc +1100 9.81 X(5+x) +13.6 103X9.81 0.045Pb-Pc=5.95 104Pa在 B ， C 处取截面列柏努力方程0 + UB22+PB/p=Zg + Uc2/2+Pc/p +IB f,

8、BC管径不变，Ub=u cPb-Pc=P (Zg+汇 hf,Bc) =1100 X (1.18U2+5X9.81) =5.95 104PaU=4.27m/s压缩槽内表压Pi=1.23 X05Pa( 2)在 B ， D 处取截面作柏努力方程0+u2/2+Pb/p = Zg+0+0+ 比 f, bc+Z2 h f, CDPb= (7刈.81+1.18u2+u2-0.5u2) M100=8.35X104PaPb- :gh= p 水银 R2g8.35 104-1100 9.81 0.2=13.6 103X9.81 R2R2=609.7mm例 5. 从设备送出的废气中有少量可溶物质，在放空之前令其通过一

9、个洗涤器，以回收这些 物质进行综合利用， 并避免环境污染。 气体流量为 3600m3/h ， 其物理性质与50 的空气基本相同。如本题附图所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的 U 管压差计，起读数为30mm。输气管与放空管的内径均为 250mm管长与管件，阀门的当量长度之和为50m,放空机与鼓风机进口的垂直距离为 20m,已估计气体通过塔内填料层的压强降为1.96 X 103Pa。管壁的绝对粗糙度可取0.15mm,大气压强为101.33 X 103。求鼓风机的有效功率。解：查表得该气体的有关物性常数p=1.093，心=1.96X10-5Pas气体流速 u = 3600/(3600

10、4/ 式X0.252) = 20.38 m/s质量流量qm = 20.38 4/>0.252X1.093=1.093 Kg/s流体流动的雷偌准数Re = du吁2.84 X05为湍流型所有当量长度之和c总.=+ 2e=50m£取 0.15 时 dd = 0.15/250= 0.0006 查表得 六0.0189所有能量损失包括出口,入口和管道能量损失即：IB = 0.5 u2/2 + 1 u为2 + (0.0189 50/0.25) u2/2=1100.66J/kg在1-1、2-2两截面处列伯努利方程u2/2 + P1/ 叶 W = Zg + u 2/2 + P2/p+ aW =

11、 Zg +(P2- P1)/ p +IB而 1-1、2-2 两截面处的压强差P2- Pl = P2-p 水 gh = 1.96 103-103X9.81 31M03= 1665.7 PaW = 2820.83 W/Kg泵的有效功率 pe = Wexqm = 3083.2W = 3.08 KW例 6. 如本题附图所示，贮水槽水位维持不变。槽底与内径为100mm 的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀， 距管路入口端 15m 处安有以水银为指示液的 U 管差压计， 其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的长度为 20m 。( 1) .当闸阀关闭时，测得R=60

12、0mm ， h=1500mm ；当闸阀部分开启时，测的 R=400mm ，h=1400mm 。摩擦系数可取0.025 ，管路入口处的局部阻力系数为 0.5 。问每小时从管中水流出若干立方米。(2).当闸阀全开时，U管压差计测压处的静压强为若干(Pa,表压)。闸阀全开时le/d弋1,5摩擦系数仍取0.025 。解 : 根据流体静力学基本方程, 设槽面到管道的高度为 xp水g(h+x尸 p水银gR331031.5+x) = 13.6 103须.6x = 6.6m部分开启时截面处的压强Pi = p水艮gR - p水gh = 39.63 1滔Pa在槽面处和 1-1 截面处列伯努利方程Zg + 0 +

13、0= 0 + u2/2 + Pi/p+ Di而汇 h = 2(+2e)/d +a - U2/2= 2.125 u26.6 9.81 = U2/2 + 39.63 + 2.125 u 2 u = 3.09/s体积流量 qm = uA 厂 3.09 韶4 世1)2>600 = 87.41m 3/h 闸阀全开时取 2-2,3-3 截面列伯努利方程Zg = u2/2 + 0.5U2/2 + 0.025 (15 +l/d)u 2/2u = 3.47m/s取1-1、3-3截面列伯努利方程P1'/p= u2/2 + 0.025 (15+ '/d)u2/2P1' = 3.7 10

14、4Pa例7.用效率为80%的齿轮泵将粘稠的液体从敞口槽送至密闭容器中，两者液面均维持恒定，容器顶部压强表读数为 30X103Pao用旁路调节流量，起流程如本题附图所示，主管流量为14m3/h,管径为（）66X3mm,管长为80m （包括所有局部阻力的当量长度）。旁路的流量为5m3/h,管径为32X2.5mm,管长为20m （包括除阀门外的管件局部阻力的当量长度）两管路的流型相同，忽略贮槽液面至分支点 。之间的能量损失。被输送液体的粘度为50mPas,密度为1100kg/m3,试计算：（1）泵的轴功率（2）旁路阀门的阻力系数。$ n6 f, P$ + e& R1 f4 7 Y7 Y- v

15、4 h;一丁更1通药解：泵的轴功率分别把主管和旁管的体积流量换算成流速 + u5 p* C& 'J. h& z主路流速u = qv/A = 14/3600 (幽)(60)2 X10-6# J8 J" O, xV9 人=1.38 m/s旁路流速U1 = qv1/A = 5/3600 (汹)(27)2 X10-6=2.43 m/s先计算主管流体的雷偌准数7 D1 j- '0 A3 & K4 mRe = dud 厂 1821.6 < 2000 属于滞流摩擦阻力系数可以按下式计算8 L" N% P- a3 O! w# m! P, r人=

16、64/ Re = 0.03513在槽面和容器液面处列伯努利方程W= Z 2g + P2/ p + 田(A，L, Y/ g: G/f'_, w=5 9.81 + 30 103/1100 + 0.03513 1.382 80/(60 103)4 k+ i% 6 '8 C1 F4 t= 120.93 J/Kg . a2 0 f( w) L1 u主管质量流量qm= uA P = 1.38 X ( Tt /4)2 冽1(60)=5.81Kg/s泵的轴功率pe/ T = wm/ 刀=877.58 W=0.877KW旁路阀门的阻力系数 (b5 a" N6 K+ '- p+

17、j旁管也为滞流其摩擦阻力系数入 1 = 64/ Re 1 = 0.04434 : 14 I '6 H! N5 O) H6 u3 有效功 W = 0+ u 12/2 + 0 + hf旁路阀门的阻力系数e = (WU12/2 -入 12/220/d 1)- 2/u 12= 7.11例8.第四章传热例9.在200kPa、20 c下，流量为60m3/h的空气进入套管换热器的内管，并被加热到80 C ,内管的直径为 0 57X3.5mm,长度为3m。试求管壁对空气的对流传热系数。解：定性温度=( 20+80) /2=50 C。50c下空气性质始2.83 10-2W/ (m.C); 巧1.96 1

18、0-5Pa.s； Pr=0.698空气在进口处的速度：空气在进口处的密度空气的质量流速例10.在一室温为20c的大房间中，安有直径为0.1m、水平部分长度为 10m、垂直部分高度为1.0m之蒸汽管道，若管道外壁平均温度为120 C,试求该管道因自然对流的散热量。解：大空间自然对流的a可由式丽三白仔计算，即:Q；久=-c定性温度=12。+ 20 =7Qp2,该温度下空气的有关物性由附录查得：义国。一02962F/(掰吧) =2.06 kIO" F口 出"三 L029上g/w? Pr = 0,694 ， ，(1)水平管道的散热量 Q甘小刑(Jr所以2 92xl03 x 9.81

19、(120- 20)(0,= 7.16x10$1« =由表查得：。二U53,4,4.57x10(2)垂直管道的散热量Z2由表查得：匚二CL =0 1X竺(497x10。严=595 琢标七所以：一, 蒸汽管道总散热量为:例11.换热器由长度为1.5m,外径为89mm,正三角形错列圆钢管组成。常压下空气在管外垂直 流过，最大流速8m/s ,进口温度10 C,出口温度50 C ,管束有20排，每排20根管子，管中 心距为110mm,管内有饱和蒸汽冷凝。求管壁对空气的平均对流传热系数。例12.在逆流换热器中，用初温为20oC的水将1.25kg/s的液体比热容为1.9kJ/ (kg oC)、密?

20、25X2.5mm,水走管方。水侧和(m2oC),污垢热阻可忽略。若水度为850kg/m3,由80oC冷却到30°C。换热器的列管直径为液体侧的对流传热系数分别为0.85 kW/ (m2oC)和1.70 kW/ 的出口温度不能高于 50oC,试求换热器的传热面积。解：由传热速率方程知其中Qqm1c p1 T11.25 1.9 8030119kw+t23tm t ln上t118.2 oC80 5030 2070ln 10所以A20.00212472W/ (m2oC)119 10313.9m2472 18.2例13.重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243oC和12

21、8°C;终温分别为167oC和157°C。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的热损失可以忽略。解：以上标“表示并流的情况。由传热速率和热量衡算式知:两式相除，得tm 丁1 丁2t2 Ltm T1 T2t2 t1(a)将和比定律应用于上式，得tm243 128167 157115 ln 1043 oC所以ln 一t1471t2t1t2t1 43或 t22.98 T2 128243由式a得即 t2 0.38 243 T2128(b)(c)联立式b和式c解得t2=16

22、1.3 oCT2=155.4 oC所以t2t1243 161.3155.4 1280tm + 1 49.7oCt21.093t1例14.在一单程列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度为160 oC的饱和蒸汽在壳程冷凝（排出时为饱和液体），原料油在管程流动，并由 20 oC加热到106 °C。列管换热器尺寸为：列管直径为？19X 2mm,管长为4m,共有25根管子。若换热器的传热量为125kW ,蒸气冷凝传热系数为出口温度。假设油的物性不变。解:(1)管内油侧g：tmt2 t1,t2 Int1160 20160 10690 °C 160 20In160 106解得(2)K1

23、A tm252951od=360 W/油的出口温度_51.25 1050.0005(m2 °C)t20.015 4 90295W/ (m2 °C)157000 197000W/ (m2oC),油侧污垢热阻可取为0.0005 m2oC /W ,管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略,试求管内油侧对流传热系数。1.75倍，试求油的又若油的流速增加一倍，此时若换热器的总传热系数为原来总传热系数的由热量衡算得Q qm1Cp1 1065201.25 10所以qm1cpi 1450 W/(m2 °C)Q 2900 t220(a)由总传热速率方程得2433t220(b)4.942 In

24、 160 t2联合式a和式b,得t2100°C例15.流量为720kg/h的常压饱和水蒸气在直立的列管外冷凝，列管换热器直径为 25X2.5 mm,管长为2m,列管外壁温度为 94 ° C ,试按冷凝要求估算列管根数。解：查常压下水蒸气的有关物性数据：T=100C第五章吸收例 16. 根据附图所列双塔吸收的五种流程布置方案，示意绘出与各流程相对应的平衡线和操作线，并用图中边式浓度的符号标明各操作线端点坐标。例 17.在填料塔中用清水吸收氨与空气的混合气中的氨。混合气流量为 1500 标 m3 h 1 ， 氨所占体积分率为5%，要求氨的回收率达95%。已知塔内径为 0.8m

25、，填料单位体积有效传质面积a93m2 m 3 ， 吸收系数 KG 1.1kmol m 2 h 1 atm 1 。 取吸收剂用量为最少用量的 1.5倍。该塔在30和 101.3kN m 2 压力下操作，在操作条件下的平衡关系为pe 5.78C kN m 2 ，试求：（ 1） 出塔溶液浓度 x 1；（ 2） 用平均推动力法求填料层高度 Z ；（ 3） 用吸收因数法求Z 。解：例 18.某填料吸收塔， 用清水吸收某气体混合物中的有害物质A ， 若进塔气中含 A 5%（体积% ） ，要求吸收率为90% ，气体流率为 32kmol m 2 h 1 ，液体流率为 24kmol m 2 h 1 ，此时的液气

26、比是最小液气比的 1.5 倍。如果物质服从亨利定律（即平衡关系为直线），并已知液相传质单元高度为 0.44m ，气相体积传质分系数kya 0.06kmol m 3 s 1 ，试求：（ 1 ） 塔底排出液组成x1；（ 2 ） 用吸收因数法求所需填料层高度Z ；（ 3 ）用平均推动力法求Z 。解：例 19.有一吸收塔，填料层高度为3m ，在常压、20用清水来吸收氨和空气混合气体中的氨。吸21收率为 99% ，进口气体中含氨 6% （体积%），进口气体速率为580 kg m 2 h 1 ，进口清水速21率为770 kg m h ，假设在等温条件下逆流吸收操作，平衡关系ye0.9x，且Kg a与气体质

27、量流速的 0.8 次方成正比，分别计算改变下列操作条件后，达到相同分离程度所需填料层高度。（ 1 ） 将操作压强增加一倍（P=202.6kPa ），其他条件不变。（ 2 ） 将进口清水量增加一倍，其他条件不变。（ 3 ） 将进口气体流量增加一倍，其他条件不变。解：一、 求现有条件下的 K G a二分别计算：第六章 精馏例 20.在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为全凝器，塔釜间接蒸汽加热。进料量为1000kmol/h ，含苯 0.4 ，要求塔顶馏出液中含苯0.9 （以上均为摩尔分率），苯的回收率不低于90%，泡点进料，泡点回流。已知 =2.5 ，取回流比为最小回流比的 1.5 倍。试求：

28、（ 1）塔顶产品量 D 、塔底残液量W 及组成 xw ；（2）最小回流比；（3）精馏段操作线方程；（4 ）提馏段操作线方程；（5）从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成为多少？（6）若改用饱和蒸汽进料，仍用（ 4）中所用回流比，所需理论板数为多少？解：（ 1）塔顶产品量 D 、塔底残液量W 及组成xw ；DXd -1000 0.4 0.9,A ,得： D 400kmol / h0.9FXfW=F- D=1000-400=600kmol/h又由物料衡算FXf DXd WXw得xW (1000 0.4 400 0.9)/600 0.0667(2)最小回流比；泡点进料，q=1, xq Xf 0.4(3)

29、精福段操作线方程；(4)提福段操作线方程；LWXw1732600 0.0667则ym1 V xm V 1132 xm 11321.53xm 0.0353(5)从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成由操作线方程ym 1 1.53xm 0.0353yw 1.53X10.0353(6)若改用饱和蒸汽进料，仍用(4)中所用回流比，所需理论板数又为多少。饱和蒸气进料,q=0, yq Xf0.4yqxq1)Xq得Xq0.21因 R Rmin故 Nt例21.用一连续精储塔分离由组分 A?B组成的理想混合液。原料液中含 A 0.44 ,播出液中含A2.5,最回流比为1.63,试说明原料0.957 (以上均为摩尔分率)。已知溶液的平