化工原理 习题.ppt

1、化工原理总习题,例：利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水的两 相界面位置，已知两吹气管出口的间距为H1m，压差计中 指示液为水银。煤油、水、水银的密度分别为800kg/m3、 1000kg/m3、13600kg/m3。求当压差计指示R67mm时，界 面距离上吹气管出口端距离h。,解：忽略吹气管出口端到U 型管两侧的气体流动阻 力造成的压强差，则：,（表）,(表）,例1：如图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过 10.7103Pa（表压），需在炉外装有安全液封，其作用是 当炉内压强超过规定，气体就从液封管口排出，试求此炉 的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。,解：过液封管口作基准水

2、平面 o-o，在其上取1，2两点。,例2：真空蒸发器操作中产生的水蒸气，往往送入本题附图 所示的混合冷凝器中与冷水直接接触而冷凝。为了维持操作 的真空度，冷凝器的上方与真空泵相通，不时将器内的不凝 气体（空气）抽走。同时为了防止外界空气由气压管漏入， 致使设备内真空度降低，因此，气压管必须插入液封槽中， 水即在管内上升一定高度h，这种措施称为液封。若真空表 读数为 80104Pa，试求气压管内水上升的高度h。,解：设气压管内水面上方的绝对压强为P，作用于液封 槽内水面的压强为大气压强Pa，根据流体静力学基本方程 式知：,2、柏努利方程的应用 1）确定流体的流量 例：20的空气在直径为800mm

3、的水平管流过，现于管路中接一文丘里管，如本题附图所示，文丘里管的上游接一水银U管压差计，在直径为20mm的喉径处接一细管，其下部插入水槽中。空气流入文丘里管的能量损失可忽略不计，当U管压差计读数R=25mm，h=0.5m时，试求此时空气的流量为多少m3/h? 当地大气压强为101.33103Pa。,分析：,求流量Vh,已知d,求u,直管,任取一截面,柏努利方程,气体,判断能否应用？,解：取测压处及喉颈分别为截面1-1和截面2-2 截面1-1处压强 ：,截面2-2处压强为 ：,流经截面1-1与2-2的压强变化为：,在截面1-1和2-2之间列柏努利方程式。以管道中心线作基准水平面。 由于两截面无外

4、功加入，We=0。 能量损失可忽略不计hf=0。 柏努利方程式可写为：,式中： Z1=Z2=0 P1=3335Pa（表压） ，P2= - 4905Pa（表压 ）,化简得：,由连续性方程有：,联立(a)、(b)两式,2）确定容器间的相对位置 例：如本题附图所示，密度为850kg/m3的料液从高位槽送入塔中，高位槽中的液面维持恒定，塔内表压强为9.81103Pa，进料量为5m3/h，连接 管直径为382.5mm，料液在连接 管内流动时的能量损失为30J/kg(不包 括出口的能量损失)，试求高位槽内 液面应为比塔内的进料口高出多少？,分析：,解： 取高位槽液面为截面1-1，连接管出口内侧为截面2-2

5、, 并以截面2-2的中心线为基准水平面，在两截面间列柏努利 方程式：,高位槽、管道出口两截面,u、p已知,求Z,柏努利方程,式中： Z2=0 ；Z1=? P1=0(表压) ； P2=9.81103Pa(表压）,由连续性方程,A1A2,We=0 ，,u1u2,可忽略，u10。,将上列数值代入柏努利方程式，并整理得：,3）确定输送设备的有效功率 例：如图所示，用泵将河水打入洗涤塔中，喷淋下来后流入下水道，已知道管道内径均为0.1m，流量为84.82m3/h，水在塔前管路中流动的总摩擦损失(从管子口至喷头进入管子的阻力忽略不计)为10J/kg，喷头处的压强较塔内压强高0.02MPa，水从塔中流到下水

6、道的阻力损失可忽略不计，泵的效率为65%，求泵所需的功率。,分析：求Ne,Ne=Wews/,求We,柏努利方程,P2=?,塔内压强,截面的选取？,解：取塔内水面为截面3-3，下水道截面为截面4-4，取 地平面为基准水平面，在3-3和4-4间列柏努利方程：,将已知数据代入柏努利方程式得：,计算塔前管路，取河水表面为1-1截面，喷头内侧为2-2截面，在1-1和2-2截面间列柏努利方程。,式中 ：,将已知数据代入柏努利方程式,泵的功率：,4) 管道内流体的内压强及压强计的指示 例1：如图，一管路由两部分组成，一部分管内径为 40mm，另一部分管内径为80mm，流体为水。在管路 中的流量为13.57m

7、3/h，两部分管上均有一测压点，测 压管之间连一个倒U型管 压差计，其间充以一定量 的空气。若两测压点所在 截面间的摩擦损失为 260mm水柱。求倒U型管 压差计中水柱的高度R为多少为mm?,分析：,求R,1、2两点间的压强差,柏努利方程式,解：取两测压点处分别为截面1-1和截面2-2，管道中心 线为基准水平面。在截面1-1和截面2-2间列单位重量流 体的柏努利方程。,式中： z1=0， z2=0,u已知,代入柏努利方程式：,因倒U型管中为空气，若不 计空气质量，P3=P4=P,例2：水在本题附图所示的虹 吸管内作定态流动，管路直径没有 变化，水流经管路的能量损失可以 忽略不计，计算管内截面2

8、-2 ,3-3 , 4-4和5-5处的压强，大气压强为 760mmHg，图中所标注的尺寸均以mm计。,分析：,求P,柏努利方程,理想流体,解：在水槽水面11及管出口内侧截面66间列柏努利方程式，并以66截面为基准水平面,式中：,P1=P6=0（表压） u10 代入柏努利方程式,u6=4.43m/s u2=u3=u6=4.43m/s,取截面2-2基准水平面 ， z1=3m ，P1=760mmHg=101330Pa,对于各截面压强的计算，仍以2-2为基准水平面，Z2=0， Z3=3m ，Z4=3.5m，Z5=3m,（1）截面2-2压强,（2）截面3-3压强,（3）截面4-4 压强,（4）截面5-5

9、 压强,从计算结果可见：P2P3P4 ，而P4P5P6，这是由于流 体在管内流动时，位能和静压能相互转换的结果。,5）流向的判断 在453mm的管路上装一文丘里管，文丘里管 上游接一压强表，其读数为137.5kPa，管内水的流速 u1=1.3m/s，文丘里管的喉径为10mm，文丘里管喉部 一内径为15mm的玻璃管，玻璃管下端插入水池中，池 内水面到管中心线的垂直距离为3m，若将水视为理想 流体，试判断池中水能否被吸入管中？若能吸入，再求 每小时吸入的水量为多少m3/h？,分析： 判断流向,比较总势能,求P,？,柏努利方程,解：在管路上选1-1和2-2截 面，并取3-3截面为基准水平面 设支管中

10、水为静止状态。在1-1截面和2-2截面间列柏努利 方程：,式中：,2-2截面的总势能为,3-3截面的总势能为,3-3截面的总势能大于2-2截面的总势能，水能被吸入管路中。,求每小时从池中吸入的水量,柏努利方程,在池面与玻璃管出口内侧间列柏努利方程式：,式中：,代入柏努利方程中 ：,6）不稳定流动系统的计算 例：附图所示的开口贮槽内液面与排液管出口间的垂直距 离hi为9m,贮槽内径D为3m，排液管的内径d0为0.04m，液体 流过该系统时的能量损失可按,公式计算，式中 u为流体在管内的流速，试求经4小时 后贮槽内液面下降的高度。,分析：,不稳定流动系统,瞬间柏努利方程,微分物料衡算,解： 在d时

11、间内对系统作物料衡算，设F为瞬间进料率， D为瞬时出料率，dA为在d时间内的积累量， FdDddA d时间内，槽内液面下降dh，液体在管内瞬间流速为u，,上式变为：,在瞬时液面1-1与管子出口内侧截面2-2间列柏努利方程 式，并以截面2-2为基准水平面，得：,式中：,将（2）式代入（1）式得：,两边积分：,h=5.62m 经四小时后贮槽内液面下降高度为： 9-5.62=3.38m,例：用泵把20的苯从地下储罐送到高位槽，流量为300 l/min。高位槽液面比储罐液面高10m。泵吸入管路用894mm的无缝钢管，直管长为15m，管路上装有一个底阀（可粗略的按旋启式止回阀全开时计）、一个标准弯头；泵

12、排出管用573.5mm的无缝钢管，直管长度为50m，管路上装有一个全开的闸阀、一个全开的截止阀和三个标准 弯头。储罐及高位槽液面上方均为大气压。设储罐液面维持 恒定。试求泵的轴功率。设泵的效率为70%。,分析：,求泵的轴功率,柏努利方程,管径不同,范宁公式,l、d已知,摩擦因数图,解：取储罐液面为上游截面1-1，高位槽液面为下游截面2-2， 并以截面1-1为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式。,式中：,（1）吸入管路上的能量损失,式中,管件、阀门的当量长度为： 底阀(按旋转式止回阀全开时计） 6.3m 标准弯头 2.7m,进口阻力系数 c=0.5,苯的密度为880kg/m3，粘度为6.510

13、-4Pas,取管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/81=0.0037， 查得=0.029,（2）排出管路上的能量损失 hf,b,式中:,管件、阀门的当量长度分别为： 全开的闸阀 0.33m 全开的截止阀 17m 三个标准弯头 1.63=4.8 m,出口阻力系数 e=1,仍取管壁的绝对粗糙度=0.3mm，/d=0.3/50=0.006， 查得=0.0313,（3）管路系统的总能量损失:,苯的质量流量为：,泵的有效功率为：,泵的轴功率为：,第一章 流体流动,课后习题,10. 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76mm2.5

14、mm，在操作条件下，泵入口处真空度表的读数24.66103Pa；水流经吸入管与排出管（不包括喷头）的能量损失可分别按 计算，由于管径不变，故式中u为,吸入管或排出管的流速m/s。排水管与喷头处的压强为98.07103Pa（表压）。试求泵的有效功率。,13. 用压缩空气将密度为1100kg/m3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液位恒定。管路直径均为603.5mm，其他尺寸见本题附图。各管段的能量损失为f,AB=f,CD=u2，f,BC=1.18u2。两压差计中的指示液均为水银。试求当R1=45mm，h=200mm时：（1）压缩空气的压强P1为若干？（2）U管差压计读数R2为多少？,解：对上

15、下两槽取截面列柏努力方程 0+0+P1/=Zg+0+P2/+f P1= Zg+0+P2 +f =109.811100+1100（2u2+1.18u2） =107.9110+3498u 在压强管的B，C处去取截面，由流体静力学方程得 PB+g（x+R1）=Pc +g（hBC+x）+水银R1g PB+11009.81（0.045+x）=Pc +11009.81（5+x）+13.6109.810.045 PB-PC=5.95104Pa 在B，C处取截面列柏努力方程 0+uB/2+PB/=Zg+uc2/2+PC/+f，BC 管径不变，ub=u c,PB-PC=（Zg+f，BC）=1100（1.18u2

16、+59.81）=5.95104Pa u=4.27m/s 压缩槽内表压P1=1.23105Pa （2）在B，D处取截面作柏努力方程 0+u2/2+PB/= Zg+0+0+f，BC+f，CD PB=（79.81+1.18u2+u2-0.5u2）1100=8.35104Pa PB-gh=水银R2g 8.35104-11009.810.2=13.6109.81R2 R2=609.7mm,PB-PC=（Zg+f，BC）=1100（1.18u2+59.81）=5.95104Pa u=4.27m/s 压缩槽内表压P1=1.23105Pa （2）在B，D处取截面作柏努力方程 0+u2/2+PB/= Zg+0+

17、0+f，BC+f，CD PB=（79.81+1.18u2+u2-0.5u2）1100=8.35104Pa PB-gh=水银R2g 8.35104-11009.810.2=13.6109.81R2 R2=609.7mm,14. 在实验室中,用玻璃管输送20的70%醋酸.管内径为1.5cm,流量为10kg/min,用SI和物理单位各算一次雷诺准数,并指出流型。 解：查20，70的醋酸的密度= 1049Kg/m3，粘度 = 2.6mPas 用SI单位计算： d=1.510-2m，u=WS/(A)=0.9m/s Re=du/=(1.510-20.91049)/(2.6103) =5.45103 用物理

18、单位计算： =1.049g/cm， u=WS/(A)=90cm/s,d=1.5cm/s =2.610-3PaS=2.610-3kg/(sm)=2.610-2g/scm-1 Re=du/=(1.5901.049)/(2.610-2) =5.45103 5.45103 4000 此流体属于湍流型,15.在本题附图所示的实验装置中，于异径水平管段两截面间连一倒置U管压差计，以测量两截面的压强差。当水的流量为10800kg/h时，U管压差计读数R为100mm，粗细管的直径分别为603.5mm与453.5mm。计算：（1）1kg水流经两截面间的能量损失。（2）与该能量损失相当的压强降为若干Pa？ 解：（

19、1）先计算A，B两处的流速：,解：（1）先计算A，B两处的流速： uA=ws/sA=295m/s，uB= ws/sB 在A，B截面处作柏努力方程： zAg+uA2/2+PA/=zBg+uB2/2+PB/+hf 1kg水流经A，B的能量损失： hf= （uA2-uB2）/2+（PA- PB）/ =（uA2-uB2）/2+gR/=4.41J/kg （2）压强降与能量损失之间满足： hf=P/ P=hf=4.4110,19用泵将2104 kg/h的溶液自反应器送至高位槽（见本题附图）。反应器液面上方保持25.9103 Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为 76 mm4 mm的钢管，总长为35

20、 m，管线上有两个全开的闸阀、一个孔板流量计（局部阻力系数为4）、五个标准弯头。反应器内液面与管路出口的距离为17 m。若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。（已知溶液的密度为1073 kg/m3，黏度为6.3 10-4 Pa s。管壁绝对粗糙度可取为0.3 mm。,解：在反应器液面1-1，与管路出口内侧截面2-2，间列柏努利方程，以截面1-1，为基准水平面，得 （1） 式中 z1=0，z2=17 m，ub10 p1=-25.9103 Pa (表)，p2=0 (表),p1=-25.9103 Pa (表)，p2=0 (表) 将以上数据代入式（1），并整理得,20如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽

21、的底部与内径为100 mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15 m处安有以水银为指示液的U管压差计，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直管长度为20 m。 （1）当闸阀关闭时，测得R=600 mm、h=1500 mm；当闸阀部分开启时，测得R=400 mm、h=1400 mm。摩擦系数 可取为0.025，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。问每小时从管中流出多少水（m3）？ （2）当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少Pa（表压）。（闸阀全开时Le/d15，摩擦系数仍可取0.025。）,解：（1）闸阀部分开启时水的流量 在贮槽

22、水面1-1，与测压点处截面2-2，间列机械能衡算方程，并通过截面2-2，的中心作基准水平面，得,式中 p1=0(表),ub2=0，z2=0 z1可通过闸阀全关时的数据求取。当闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方程知,式中 h=1.5 m, R=0.6 m 将已知数据代入式（b）得,将以上数值代入上式，则,解得 p2=3.30104 Pa（表压）,第四章 课后习题,1. 平壁炉的炉壁由三种材料组成，其厚度导热系数列于本题附表中： 若耐火砖层内表面的温度t1为1150，钢板外表面温度t4为30，又测得通过炉臂的热损失为300W/m2，试计算导热的热通量。若计算结果与实测的热损失不符，试分析

23、原因和计算附加热阻。 序 号 材料 厚度，mm 导热系数，w/（m） 1（内层） 耐火砖 200 1.07 2 绝缘砖 100 0.14 3 钢 6 45 解：提取表中所给出的数据 耐火砖 ：b1 = 0.2 m ，1= 1.07w/（m） 绝缘层 ： b2 = 0.1 m ，2= 0.14 w/（m ） 钢 ： b3 = 0.006 m ，3= 45 w/（m ）,这与实际册得的热损失q = 300w/m 有一定的差距，因此有可能存在一部分附加热阻，设此附加热阻为R,9.在逆流换热器中，用初温为20的水将1.25kg/s的液体（比热容为1.9kJ/kg，密度为850kg/m），由80冷却到3

24、0。换热器的列管直径为252.5mm，水走管方。水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85 W/（m2）和1.70 W/（m2）。污垢热阻忽略。若水的出口温度不能高于50，试求换热器的传热面积。 解：热流体：T1=80 T2=30 冷流体： t2=50 t1=20 t1=30 t2=100 tm =（t1- t2）/ln（t1/t2）=18.205 Q =WhCph（T1 - T2 ）=1.9101.2550=118.75W 又Q= K0S0tm，其中 1/ K0 = d0/idi+1/0 解得K0=0.48610m2/W 0.4861018.205 S0=118.7510 S0=13.4m,11.在一传热面积为50m2的单程列管式换热器中，用水冷却某种溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为33000kg/h，温度由20升至38。溶液的温度由110降至60。若换热器清洗后，在两流体的流量和进口温度不变的情况下，冷水出口温度增至45。试估算换热器清洗前后传热面两侧的总污垢热阻。假设（1）两种情况下，流体物性可视为不变，水的比热容可取4.187kJ/（kg）；（2）可按平