化工原理典型习题解答
王国庆陈兰英
广东工业大学化工原理教研室
2003
上 册
一、选择题
1、 某液体在一等径直管中稳态流动,若体积流量不变,管内径减小为原来的一半,假定管内的相对粗糙度不变,则
(1) 层流时,流动阻力变为原来的 C 。
A .4倍
B .8倍
C .16倍
D .32倍
(2) 完全湍流(阻力平方区)时,流动阻力变为原来的 D 。
A .4倍
B .8倍
C .16倍
D .32倍
解:(1) 由222322642d lu
u d l du u d l h f ρμμ
ρλ=??=??=得 1624
4
212212
2122
121212==???
? ??=???? ??????? ??==d d d d d d d u d u h h f f (2) 由 2222u d l d f u d l h f ????? ??=??=ελ得 322 5
5
21214
212
2112212==???? ??=????? ??==d d d d d d d u d u h h f f 2. 水由高位槽流入贮水池,若水管总长(包括局部阻力的当量长度在内)缩短25%,而高位槽水面与贮水池水
面的位差保持不变,假定流体完全湍流流动(即流动在阻力平方区)不变,则水的流量变为原来的 A 。
A .1.155倍
B .1.165倍
C .1.175倍
D .1.185倍
解:由 f h u p gz u p gz ∑+++=++2
22
2
22211
1ρρ得 21f f h h ∑=∑
所以 ()()2
222222
11
1u d l l u d l l e e ?+?=?+?
λλ 又由完全湍流流动,得 ??
?
??=d f ελ 所以 ()()2
2
2211u l l u l l e e ?+=?+,而 24
d u uA V π
?==
所以
()()1547.175
.01
2
11
2
12==
++==e e l l l l u u V V 3. 两颗直径不同的玻璃球分别在水中和空气中以相同的速度自由沉降。已知玻璃球的密度为2500kg/m 3,水
的密度为998.2kg/m 3,水的粘度为 1.005?10-3Pa ?s ,空气的密度为 1.205kg/m 3,空气的粘度为1.81?10-5Pa ?s 。
(1)若在层流区重力沉降,则水中颗粒直径与空气中颗粒直径之比为 B 。
A .8.612
B .9.612
C .10.612
D .11.612
(2)若在层流区离心沉降,已知旋风分离因数与旋液分离因数之比为2,则水中颗粒直径与空气中颗粒
直径之比为 D 。
A .10.593
B .11.593
C .12.593
D .13.593
解:(1) 由 ()μ
ρρ182g
d u s t -=,得 ()g
u d s t
ρρμ-=
18
所以 ()()()()612.91081.12.998250010005.1205.125005
3=??-??-=
--=
--a
w s w a s a
w d d
μρρμρρ
(2) 由 ()R u d u T s r 2218?-=μρρ,gR u K T
c 2
=,得 ()c s r gK d u ?-=μ
ρρ182,()c
s r
gK u d ρρμ-=
18
所以 ()()()()593.131
1081.12.9982500210005.1205.1250053=???-???-=
--=
--cw
a w s ca w a s a
w K K d d μρρμρρ
4. 某一球形颗粒在空气中自由重力沉降。已知该颗粒的密度为5000kg/m 3,空气的密度为1.205kg/m 3,空气
的粘度为1.81?10-5Pa ?s 。则
(1) 在层流区沉降的最大颗粒直径为 B ?10-5m 。
A .3.639
B .4.639
C .5.639
D .6.639 (2) 在湍流区沉降的最小颗粒直径为 C ?10-3m 。
A .1.024
B .1.124
C .1.224
D .1.324 解:(1) 由 μ
ρ
t du =
Re ,得 ρ
μd u t Re
=
而:()μ
ρρ182g d u s t -=,所以 ()()()m g d s 532
5
3
210639.4807.9205.15000205.1110
81.118Re 18--?=?-????=-=ρρρμ (2) 由:()ρ
ρρg
d u s t -=74
.1,得:()ρμρ
ρρd g
d s Re
74
.1=
-; ()2
222274.1Re ρμρρρd g d s =- 所以: ()()()m g d d s 332
2
2
53
22210224.1807
.9205.15000205.174.11000
1081.174.1Re --?=?-????=-?=ρρρμ 5. 对不可压缩滤饼先进行恒速过滤后进行恒压过滤。
(1)恒速过滤时,已知过滤时间为100s 时,过滤压力差为3?104Pa ;过滤时间为500s 时,过滤压力差为9?104Pa 。
则过滤时间为300s 时,过滤压力差为 C 。
A .4?104Pa
B .5?104Pa
C .6?104Pa
D .7?104Pa
(2)若恒速过滤300s 后改为恒压过滤,且已知恒速过滤结束时所得滤液体积为0.75m 3,过滤面积为1m 2,
恒压过滤常数为K=5?10-3m 2/s ,q e =0m 3/m 2(过滤介质的阻力可以忽略)。则再恒压过滤300s 后,又得滤液体积为 D 。
A .0.386m 3
B .0.486m 3
C .0.586m 3
D .0.686m 3
解:(1) 由 b a p +=?θ,得
b
a b a +=?+=?5001091001034
4
两式相减,得 a 4001064
=?,150400
1064
=?=
a 所以 150001*********
=?-?=b
所以 Pa p 4
1066000015000300150?==+?=?
(2) 由 ()
()()R R e R K q q q q q θθ-=-+-22
2,得 ()
()R R
K q q θθ-=-22 ()()R R R R K A V K q q θθθθ-+??
? ??=-+=2
2
()4361.10625.230010575.032==
??+=
-
23/6861.075.04361.1m m q =-=?
6. 对某悬浮液进行恒压过滤。已知过滤时间为300s 时,所得滤液体积为0.75m 3,且过滤面积为1m 2,恒压过滤常数K=5?10-3m 2/s 。若要再得滤液体积0.75m 3,则又需过滤时间为 C 。
A .505s
B .515s
C .525s
D .535s
解:由 θK q q q e =+22,得 22q K q q e -=θ
所以 625.075
.0275.030010522
32=?-??=+=-q q K q e θ
8251055
.1625.025.123
22=???+=+=-K q q q e θ s 525300825=-=?θ
7. 水蒸汽在一外径为25mm 、长为2.5m 的水平管外冷凝。
(1)若管外径增大一倍,则冷凝传热系数为原来的 C 。
A .0.641倍
B .0.741倍
C .0.841倍
D .0.941倍
(2)若将原水平管竖直放置,且假定冷凝液层流流动,则冷凝传热系数为原来的 A 。
A .0.493倍
B .0.593倍
C .0.693倍
D .0.793倍 解:(1) 由
()413
2725.0??
??
??-=w s o t t d g r μλρα,得 841.0214
14
12112=??? ??=???? ??=o o d d αα (2) 由
()4
1
3
2
13.1?
???
??-=w s t t L g r μλρα,得 493.05.210
25725.013.1725.013.14
13
4
1=???
?
????=??? ???=-L d o H V αα 8. 冷热水通过间壁换热器换热,热水进口温度为90?C ,出口温度为50?C ,冷水进口温度为15?C ,出口温度为53?C ,冷热水的流量相同,且假定冷热水的物性为相同,则热损失占传热量的 C 。
A .5%
B .6%
C .7%
D .8%
解:由 ()21T T c W Q ph h h -=,()21t t c W Q pc c c -= 得
()()()()05.040
38
40509015535090211221=-=----=----=-T T t t T T Q Q Q h c h 二、 计算题
1. 如图所示,常温的水在管道中流过,两个串联的U 形管压差计中的指示液均为水银,密度为ρHg ,测压连接管内充满常温的水,密度为ρw ,两U 形管的连通管内充满空气。若测压前两U 形管压差计内的水银液面均为同一高度,测压后两U 形管压差计的读数分别为R 1、R 2,试求a 、b 两点间的压力差b a p p -。
解: 11gh p p w a ρ+=,11gh p p w a ρ-=
21p p =,132gR p p H g ρ+=,43p p =,254gR p p H g ρ+=
55gh p p w b ρ+=
52455gh gR p gh p p w H g w b ρρρ--=-=
()524113gh gR p gh gR p p p w H g w H g b a ρρρρ----+=-
()5121gh gh R R g w w H g ρρρ+-+=
而 211R h h +
=,2
25R
h h -= 所以 ()??
?
??-+???
??--+=
-222121R g gh R g gh R R g p p w w w w Hg b a ρρρρρ ()()()g R R R R g R R g w Hg w Hg 2121212121+???
?
?-=+-
+=ρρρρ 2. 在如图所示的测压差装置中,U 形管压差计中的指示液为水银,其密度为ρHg ,其他管内均充满水,其密度为ρw ,U 形管压差计的读数为R ,两测压点间的位差为h ,试求a 、b 两测压点间的压力差b a p p -。 解:由 11gh p p w a ρ+= 321p p p == gR p p H g ρ+=43 54p p =
25gh gR p p w w b ρρ++=
所以:151413gh gR p gh gR p gh p p w H g w H g w a ρρρρρ++=++=+=
所以:21gh gR gh gR p p w w w H g b a ρρρρ--+=-()21h h g gR gR w w H g -+-=ρρρ
gh gR gR w w H g ρρρ--=()h R g gR w H g +-=ρρ()gh gR w w H g ρρρ--=
3. 某流体在水平串联的两直管1、2中稳定流动,已知2/21d d =,m l 1001=,1800Re 1=。今测得该流体流径管道1的压力降为0.64m 液柱,流径管道2的压力降为0.064m 液柱,试计算管道2的长度2l 。
2
解:由 221d d =,得 41212
2
2112=???
??=???? ??=d d u u ,所以 21412Re Re 12121
12212=?=?==u u d d u d u d μ
ρμρ
所以 900Re 2
1
Re 12== 所以
0356.0180064Re 6411===
λ,071.0900
64
Re 6422===λ 又 22u d l h p
f ??==?λρ,g
u d l H g p f 22
?
?==?λρ 所以 122
11112
2
22222f f H H g
u d l g u d l =
?
???λλ,1221212
2
1212f f H H d d u u l l =???λλ 所以 m H H d d u u l l f f 16064
.0064
.024211002121222212112=????=????=λλ
4. 密度为1000kg/m 3,粘度为1cP 的水,以10m 3/h 的流量在内径为45mm 的水平光滑管内流动,在管路某处
流体的静压力为1.5?105Pa(表压),若管路的局部阻力可忽略不计,则距该处100m 下游处流体的静压力为多少Pa(绝对压力)?
解: ()s m d V u /75.1045.0360010
4422=??
==
ππ, 78750101100075.1045.03
=???==-μρdu R 0189.0787503164
.0Re 3164.025
.025.0===
λ
由:f h u p gz u p gz ∑+++=++2
22222211
1ρρ,得 22
112u d l p h p p f ρλρ?
?-=∑-= 275
.11000045.01000189.0105.12
5
??
??
? ???-?=()()绝压表压2524/10870125.1/1056875.8m N m N ?=?=
5. 用一离心泵将冷却水由贮水池送至高位槽。已知高位槽液面比贮水池液面高出10m ,管路总长(包括局部阻力的当量长度在内)为400m ,管内径为75mm ,摩擦系数为0.03。该泵的特性曲线为2
6
106.018Q H ?-=,试求:(1)管路特性曲线;(2)泵工作时的流量和扬程
知:m h 10=;m l l e 400=+;m d 075.0=;03.0=λ;2
6106.018Q H ?-=。
求:(1) ()e e Q f H =; (2) Q 、H
解:(1) 由 242212
2121282e e e Q gd
d l l g u u g p p z z H ?????
??++-+-+-=πλρ
得 2
524
2101795.410075
.08075.040003.010e e e Q Q g H ?+=??????
???+=π (2) 而 26106.018Q H ?-=,所以 2625106.018101795.410Q Q ?-=?+
解之: s m Q /108034.210
1795.1083
35
-?=?=
所以 ()
m H 2846.13108034.2101795.4102
3
5=???+=-
6. 现有一台离心泵,允许吸上真空度m H s
6=', 用来输送20?C 的清水,已知流量为20m 3/h ,吸入管内径为50 mm ,吸入管的全部阻力损失为O mH H f 25.1=∑,当地大气压为10 mH 2O 。试计算此泵的允许安装高度g H 为多少米?
解:()
s m d V u /831.205.0360020
44221=??
==ππ, f s g H g
u H H ∑--'=221m 091.45.1409.065.1807.92831.262=--=-?-
= 7. 远距离液位测量
欲知某地下油品贮槽的液位H ,采用图示装置在地面上进行测量。测量时控制氮气的流量使观察瓶内产生少许气泡。已知油品的密度为850 kg /m 3。并铡得水银压强计的读数R 为150mm ,同贮槽内的液位 H 等于多少?
解:因观察瓶内只有少许气泡产生,这表明在管道内氮气的流速极小,可近似认为处于静止状态。在静止流体内部各点的单位总势能相等,故:B A p p =,22()0B A N B A N p p g z z gz ρρ-=-=≈ (因2N ρ很小), 贮槽内液位为
136000.15 2.4850
Hg A gR p H m g g ρρρ?====
8. 管道两点之间压的测量
A 、
B 两断面分别位于直管段内,在此两断面间装有单U 形管和复式U 形管压强计(如附图所示)。单U 形管内指示液的密度为1ρ,复式U 形管的中间流体和直管内流体相同,密度均为ρ,试证明R 1=R 2十R 3。 解:在直管内垂直于流动方向的横断面上,
流体压强服从静压分布规律,其虚拟压强p 是常数。连接于管路A 、B 两点间压差计的读数直接反映两测压点所在断面的虚拟压强差。
对于单U 形管压强计:g R p p B A )(11ρρ-=- (1) 对于复式U 形管的左、右两U 形管可分别写出:
g R p p A )(12ρρ-=- ; g R p p B )(13ρρ-=-
两式相加得:g R R p p B A ))((132ρρ-+=- (2) 由式1、式2可得 321R R R += 。
9. 虹吸管顶部的最大安装高度
利用虹吸管将池中温度为90℃热水引出,两容器水面的垂直距离为2m ,管段AB 长5m ,管段BC 长10m(皆包括局部阻力的当量长度),管路直径为20mm ,直管阻力系数为0.02。若要保证管路不发生汽化现象,管路顶点的最大安装高度为多少? (已知90℃热水的饱和蒸汽压为7.01×104Pa) 解: 在断面1—1和2—2
之间列机械能衡算式,可求得管内流速: 1.62/m s μ=
= 设顶点压强V B p p =,在断面1—1和断面B —B 之间列机械能街算式,可求出B 点最大安装高度为:
242
max
7.01105 1.62(1)10.33(10.02) 2.3829.8110000.0219.6
a V AB p p l u h m g g d g λρρ?=--+=---??=?
10. 喷嘴的尺寸与喷出速度
附图所示管路由φ57×3.5钢管组成,管长18m ,有标准直角弯头两个,闸阀一个,直管阻力系数为0.029,
高位槽内水面距管路出口的垂直距离为9m 。 当阀门全开口,试求: (1) 管路出口流速及流量;
(2) 若在管路出口装一直径为25mm 的喷嘴,喷嘴的局部阻力系数E ξ=0.5,管路的出口流速和流量有何变化?
(3) 改变喷嘴尺寸,可能获得最大喷出速度为多少?(假设喷嘴的局部阻力系数E ξ=0.5不变)。 (4) 若将流体视为理想流体,安装咳嘴前后流量的变化如何?
解: (1) 管路中各管件的局部阻力系数分别是:
17.0 ,75.0 ,5.0====C D B A ξξξξ。由断面1—1和2—2之间的机械能衡算式,得
3.6/u m s =
==
管内流量:2
330.05 3.67.0710/4
V m s π-?=
?=?
(2)若管路出口安装一喷嘴(如虚线所示),则断面1-4-1和2-2间的机械能衡算式为:
'2'2'2
22222
2()[(1)()()]
2222A B C D E E A B C D E u u u l u l d H g d g g d d g
λξξξξξξλξξξξ=++++++=+++++
+'
28.3/u m s =
=
流量为:'
2330.0258.3 4.0710/4
V m s π
-=
??=?
在管路出口安装喷嘴,缩小了出口流通面积并引入一个局部阻力,使管内流量减少,管内流量的降低使
沿程阻力损失大为减少,而且减少量远远超过喷嘴产生的局部阻力损失,因此,就整个管路而言,阻力损失不是增加而是减小了。喷嘴出口的流速之所以能够加快,其原因就在于此。在本例中,安装喷嘴后,出口的流通面积缩小了3/4,流量减少了:
'33
3
7.0710 4.071042%7.0710
V V V ----?-?==? (3)由(2)可知,喷嘴直径越小,管路沿程阻力损失亦越小,喷出速度越大。当喷嘴直径足够小时,管内流体
可看成是静止的,沿程阻力损失为零。在此条件下可求得喷嘴的最大喷出速度为:
max 10.08/u m s =
==
(4) 对于理想流体,安装喷嘴前后的出口流速皆为 gH u 2=,故安装喷嘴前后的流量之比为:
2
'2
20.025()0.250.05
g d V V d ===
11. 从水塔管道输送水,水塔水面距出水管口的垂育距离为10m ,新管道全长500m ,管件的局部阻力可近似
地等于水管全长的50%,水温为20℃,输水量为10m 3 /h 试求水管的最小直径。
[解] 取水塔水面为1—1截面,水管出水口为2—2截面,基准水平面通过出水管的水平中心线,在两截面间列柏努利方程式:
22
11221222f u p u p z z H g g g g
ρρ++=+++
已知:z 1=10m ,z 2=0;u 1≈0;p 1=p 2=0(表压);u 2=u ,则上式可简化为:gz 1=u 2/2+∑h f 。如果忽略静压头转化
为动压头的能量,则得:2
()102
e f l l u h d λ+==∑
已知:l =500m ,le =500×50%=250m ,代入上式得:2
500250()102
u d λ+=
222/10/(36000.785)75010
(
)()21036000.785S u V A d d d
λ==??∴=???
即:25
2
75010
)()2036000.785d
d
λ?=?? 0.250.25
2
0.252
0.31640.3164
Re (/)0.316475010
()()201036000.785()36000.785du d d d d λρμρμ=
=
∴=????? 解得:d 1.75=2×10-7,即d =0.063m 。
12. 在如图所示的平板导热系数测定装置中,试样直径mm d 120=,且由于试样厚度b 远小于直径d ,可以忽略试样径向的热损失。由于安装不好,试样与冷、热表面之间均存在着一层厚度为0.1mm 的空气隙。设热表面温度C t ?=1801,冷表面温度C t ?=302。测试时测得的传热速率W Q 2.58=。空气隙在1t 下的导热系数)/(10780.32
1K m W ??=-λ,在2t 下的导热系数)/(10675.22
2K m W ??=-λ。试计算空气隙的存在给导热系数的测定带来的误差。(提示:不考虑空气隙计算得到的导热系数λ'为表观值,考虑空气隙计算得到的导热系数λ为真实值,即要计算
λ
λλ'
-) 解:由 b
t t S Q 2
1-?
'=λ 得
()()
()()
b b
d t t Qb
S
t t Qb
?=??-?=-=
-=
'3067.3412.0785.0301802.584
2
2
2121π
λ
又由 ()2
21121221121λλλλλλb b b S t t S b S b S b t t Q ++-=++-=
,得 ()Q S t t b b b 21
2211-=++λλλ 所以:
()2
2
1
1
21λλλ
b b Q
S t t b
-
--=
b
()()022765.010
675.2101.010780.3101.02
.5812.0785.0301802
3
232
=??-??-??-=
---- b ?=9271.43λ
所以
%90.212190.09271
.433067
.349271.43==-='-λλλ
13. 外径为50mm 的不锈钢管,外包6mm 厚的玻璃纤维保温层,其外再包20mm 厚的石棉保温层,管外壁温为300?C ,保温层外壁温为35?C ,已知玻璃纤维和石棉的导热系数分别为0.07W/(m ?K)和0.3 W/(m ?K),试求每米管长的热损失及玻璃纤维层和石棉层之间的界面温度。 解:
()()m W r r r r t t L
Q /9.35162102ln 3.015062ln 07.01353002ln
1ln 1223212131=+-=+-=πλλπ
()m W r r t t L
Q /9.351ln 121
2121=-=λπ
所以 C t ?=?
-=128207
.39.3513002π
14. 某液体在一直管内(忽略进口段的影响)稳定强制湍流流动,该管内径为20mm ,测得其对流传热系数为α,现将管内径改为27mm ,并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。
(1) 若液体的流速保持不变,试问管内对流传热系数有何变化? (2) 若液体的质量流量保持不变,试问管内对流传热系数有何变化? 知: mm m d 20020.0==,mm d 27= 求:
1
2
αα 解:(1) 由 12u u =,n
p c du d ???
? ??????
?
????
=λμμρλα8
.0023.0 得:9417.020*******
.08
.0122
1
1
8.0128
.02
12=??
? ???=???
?
???=
=d d d d d d d d αα
(2) 由 12W W =,uA V W ρρ==,得:1122A u A u =,2
2112???
? ??=d d u u
所以 ()()8
.02
2
18
.0122
1
8
.011222
1
1
8.01128
.02212???
????????
?
?????
? ???=???
? ???=
=d d
d d d d u d u d d d d u d d u d αα
5826.027208
.18
.1216
.1218
.0122
1
=??
? ??=???
? ??=???
? ?????
? ???=d d d d d d d d
15. 饱和温度为100?C 的水蒸汽,在外径为40mm 、长度为2m 的单根竖管 外表面上冷凝。管外壁温为94?C 。试求每小时的蒸汽冷凝量。
100?C 下水的汽化潜热r = 2258?103 J/kg ,97?C 下水的物性数据为: λ = 0.682 W/(m ?K),μ = 2.82?10-4 Pa ?s ,ρ = 958 kg/m 3。 解:由
()4
13
213.1???
?
?
?-=w s o t t L g r μλρα
得 ()()
K m W o ?=??
????-??????=-2
4
1
4
323/4659.74659410021082.2682.0807.995810225813.1α 又由 ()()W r t t L d t t S Q w s o o w s o =-??=-=παα 得 ()
()3
10225894100204.04659.7465?-????=
-=
ππαr
t t L d W w s o o
h kg s kg /9484.17/109857.43=?=-
16. 在管长为1m 的冷却器中,用水冷却油。已知两流体作并流流动,油由420K 冷却到370K ,冷却水由285K 加热到310K 。欲用加长冷却管的办法,使油出口温度降至350K 。若在两种情况下油、水的流量、物性、进口温度均不变,冷却器除管长外,其他尺寸也不变。试求加长后的管长。
知: m l 11=,K T 4201=;K T 3702=,K T 3502=';K t 2851=,K t 3102= 求: 2l
解:由 ()()1221t t c W T T c W pc c ph h -=-, 得 ()()285310370420-=-pc c ph h c W c W
()()2853504202
-'=-t c W c W pc c ph h 所以
2852853103504203704202-'-=--t ,285
25
70502-'=
t K t 3205070252852=?+=' 又由 ()()
2
21
12211ln t T t T t T t T t m -----=
?,得
K t m 49.9260135ln 60
1351=-=
?,()K t t t m 81.6930
135ln
30135350135ln 350135222=-='-'--=?
又由 m m t l d n K t KS Q ????=?=π,得
1
2
1212m m t t l l Q Q ???
= 所以
8548.181
.6949.925070211212=?=???=m m t t Q Q l l
17. 在一内钢管为φ180?10mm 的套管换热器中,将流量为 3500kg/h 的某液态烃从100?C 冷却到60?C ,其平均比热为2380J/(kg ?K)。环隙逆流走冷却水,其进出口温度分别为40?C 和50?C ,平均比热为4174 J/(kg ?K)。内管内外侧对流传热系数分别为2000W/(m 2?K)和3000W/(m 2?K),钢的导热系数可取为45 W/(m ?K)。假定热损失和污垢热阻可以忽略。试求: (1) 冷却水用量;
(2) 基于内管外侧面积的总传热系数; (3) 对数平均温差; (4) 内管外侧传热面积。
解:(1) 由 ()()1221t t c W T T c W pc c ph h -=- 得 ()()
()()
h kg t t c T T c W W pc ph h c /79824050417460100238035001221=-?-??=
--=
(2) mm d d d d d i
o i o m 80.169160180
ln 160
180ln
=-=-=
o
m o i o i o d d b d d K αλα1
11+
?+?= 3101314.13000
1
8.1691804501.016018020001-?=+?+?=
所以 )/(8571.8832K m W K o ?= (3) C t t t t t m ?=-=???-?=
?75.322050
ln 20
50ln
1
212逆 (4)由 ()21T T c W t S K Q ph h m o -=?=逆 得
()()3211975.375
.32857.88336006010023803500m t K T T c W S m o ph h =??-??=
?-=
逆
18. 在列管换热器中,用120?C 的饱和蒸汽将存放在常压贮槽中的温度为20?C 、比热为2.09)/(C kg kJ ??、质量为2?104kg 的重油进行加热。采用输油能力为6000kg/h 的油泵,
将油从贮槽送往换热器,
2
t 1
t
经加热后再返回贮槽中,油循环流动。若要求经4h 后油温升高至80?C ,试计算换热器的传热面积。设加热过程中K 可取为350)/(2C m W ??,且在任何时刻槽内温度总是均匀一致的。
知: C T ?=120,C t ?='201
,C t ?=''801,)/(2090C kg J c p ??=,kg m 4102?=,s kg h kg W /3600
6000
/6000=
=,s 36004?=τ,)/(3502C m W K ??= 求:S
解:在τ 时刻, ()()2
112122112121212ln ln ln ln t T t T t
t t T t T t t t T t T t T t T t t t t t m ---=---=-----=???-?=
? 又 ()2
11
212ln
t T t t KS
t KS t t Wc m p --=?=-
所以 2
1ln t T t T KS Wc p --=,p
Wc KS t T t T =
--21ln p Wc
KS
e t T t T =--21,p Wc KS e t T t T 12-=- p
Wc KS
e
t T T t 12--
=
在d τ 内, ττd t T t T t t KS d t KS dt mc m p ?---?
=??=2
11
21ln
所以 τd Wc KS t e t T T KS dt mc p
Wc KS p p
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?
=1
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t T T e
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p
Wc KS Wc KS Wc KS p ?-+-??=1
1
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Wc KS Wc KS p ????? ??--???? ??-?=111()τd t T e
e Wc p
p Wc KS Wc
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10211ln 350209036006000
m =--???-?=
下 册
1. 吸收剂用量对气体极限残余浓度的影响
用纯水逆流吸收气体混合物中的SO 2(其余组分可视为惰性成分),混合物中SO 2的初始浓度为5%(体积百分数),在操作条件下相平衡关系x y 0.5=,试分别计算液气比为4与6时气体的极限出口浓度。 解:当填料塔为无限高,气休出口浓度 达极限值,此时操作线与平衡线相交。对于 逆流操作,操作线与平衡线交点位置取决于液 气比与相平衡常数m 的相对大小。 当L /G =4,(L /G <m =时,操作线ab 与平衡线交于塔底(见附图点b),由相平衡关系可以计算液体出口的最大浓度为:
由物料衡算关系可求得气体的极限出口浓度 为:
当L /G =6时(L /G >m),操作线a 'b '与平衡线交于塔顶(见附图中点a ’),由平衡关系可以计算气体极限出口浓度为:
由物料衡算关系可求得液体出口浓度为:
从以上计算结果可知,当L/G <m 时,气体的极限残余浓度随L /G 增大而减小;当L/G >m 时,气体的极限浓度只取决于吸收剂初始浓度,而与吸收剂的用量无关。
2. 逆流与并流操作最小吸收剂用量
在总压为3.039×105 Pa(绝对)、温度为20℃下用纯水吸收混合气体中的SO 2,SO 2的初始浓度为0.05(摩尔分率),要求在处理后的气体中SO 2含量不超过1%(体积百分数)。已
知在常压下20℃时的平衡关系为y =13.9x ,试求逆流与并流操作时的最小液气比(L /G) 各为多少?
解:由常压下20℃时的相平衡关系y =13.9x ,可求得p =3.039×105Pa 、t=20℃时的相平衡常数为:
(1)逆流操作时,气体出口与吸收剂入口皆位于塔顶,故操作线的一个端点(y 2,x 2)的位置已经确定(附图b 中点b)。当吸收剂用量为最小时,操作线将在塔底与平衡线相交于点d ,即m y x /1max 1=。于是,由物料衡算式可求得最小液气比为:
附图(a ) 附图(b )
(2) 并流操作时,气体与液体进口皆位于塔顶,故操作线一端点(1y 、2x )的位置已确定(附图b 中点c )。
当吸收列用量最小时,气液两相同样在塔底达到平衡,操作线与平衡线交于d 点,此时m
y x 2
max
1
=
'。由物料衡算式可得最小液气比为
从以上计算结果可以看出,在同样的操作条件下完成同样的分离任务,逆流操作所需要的最小液气比远小于井流。因此,从平衡观点看,逆流操作优于并流操作。
3. 吸收塔高的计算
某生产过程产生两股含有HCl 的混和气体,一股流量1G ''
=0.015kmo1/s ,HCI 浓度1.01=G y (摩尔分
率),另一股流量1
G '=0.015kmo1/s ,HCl 浓度04.02=G y (摩尔分率)。今拟用一个吸收塔回收二股气体中的HCl ,总回收率不低于85%,历用吸收剂为20℃纯水,亨利系数E =2.786×105 P a ,操作压强为常压,试求:
(1) 将两股物料混和后由塔底入塔(附图a 中点a ),最小吸收剂用量为多少?若将第 二股气流在适当高度单独加入塔内(附图a 中点b),最小吸收刘用量有何变化?
(2) 若空塔速度取0.5m /s ,并已测得在此气速下3
108-?=a K y kmo1/(s .m 2),实际液气比取最小液气比的1.2倍,混合进料所需塔高为多少? (3) 若塔径与实际液气比与(2)相同,第二股气流在最佳位置进料,所需塔高为多少?中间加料位于何处?
解:(1) 在操作条件下,系统的相平衡常数为:
两股气体混和后的浓度为:
气体出口浓度为
两股气体混合后进塔的最小液气比(参见附图b )为:
附图(b ) 附图(c )
当两股气体分别进塔时,塔下半部的液气比大于上半部,操作线将首先在中间加料处与平衡线相交(参见附图c),对中间加料口至塔顶这一段作物料衡算,可求出为达到分离要求所需要的最小液气比为 ”
吸收塔下半部的液气比056.4/1min
=''G L ,对下半部作物料杨算可得液体最大出口浓度为
连接 (2y ,0)、(2G y ,
m
y G 2)和(1G y ,m y
G 1)三点即得分段进料的操作线。
4. 吸收剂再循环对所需塔高的影响
用纯水吸收空气—氨混合气体中的氨,氨的初始浓度为0.05(摩尔分率),要求氨回收率不低于95%,塔底得到的氨水浓度不低于0.05。已知在操作条件下气液平衡关系x y e 95.0 ,试计算:
1 第一章 流体流动与输送机械 1. 某烟道气的组成为CO 2 13%,N 2 76%,H 2O 11%(体积%),试求此混合气体在温度500℃、压力101.3kPa 时的密度。 解:混合气体平均摩尔质量 k g /m o l 1098.2810)1811.02876.04413.0(33--?=??+?+?=∑=i i m M y M ∴ 混合密度 33 3kg/m 457.0) 500273(31.81098.28103.101=+????== -RT pM ρm m 2.已知20℃时苯和甲苯的密度分别为879 kg/m 3和867 kg/m 3,试计算含苯40%及甲苯60%(质量%)的混合液密度。 解: 867 6 .08794.01 2 2 1 1 += + = ρρρa a m 混合液密度 3 k g /m 8.871=m ρ 3.某地区大气压力为101.3kPa ,一操作中的吸收塔塔内表压为130kPa 。若在大气压力为75 kPa 的高原地区操作该吸收塔,且保持塔内绝压相同,则此时表压应为多少? 解: ' '表表绝+p p p p p a a =+= ∴kPa 3.15675)1303.101)(' '=-==+( -+真表a a p p p p 4.如附图所示,密闭容器中存有密度为900 kg/m 3的液体。容器上方的压力表读数为42kPa ,又在液面下装一压力表,表中心线在测压口以上0.55m ,其读数为58 kPa 。试计算液面到下方测压口的距离。 解:液面下测压口处压力 gh p z g p p ρρ+=?+=10 m 36.255.081 .990010)4258(3 0101=+??-=+ρ-=ρ-ρ+=?∴h g p p g p gh p z 5. 如附图所示,敞口容器内盛有不互溶的油和水,油层和水层的厚度分别为700mm 和600mm 。在容器底部开孔与玻璃管相连。已知油与水的密度分别为800 kg/m 3和1000 kg/m 3。 (1)计算玻璃管内水柱的高度; 题4 附图 B D 题5 附图
下册第一章蒸馏 解: 总压 P=75mmHg=10kp 。 由拉乌尔定律得出 0 A p x A +0 B p x B =P 所以 x A = 000B A B p p p p --;y A =p p A 00 00B A B p p p p --。 因此所求得的t-x-y 数据如下: t, ℃ x y 113.7 1 1 114.6 0.837 0.871 115.4 0.692 0.748 117.0 0.440 0.509 117.8 0.321 0.385 118.6 0.201 0.249 119.4 0.095 0.122 120.0 0 0. 2. 承接第一题,利用各组数据计算 (1)在x=0至x=1范围内各点的相对挥发度i α,取各i α的算术平均值为α,算出α对i α的最大相对误差。 (2)以平均α作为常数代入平衡方程式算出各点的“y-x ”关系,算出由此法得出的各组y i 值的最大相对误差。 解: (1)对理想物系,有 α=00B A p p 。所以可得出
t, ℃ 113.7 114.6 115.4 116.3 117.0 117.8 118.6 119.4 120.0 i α 1.299 1.310 1.317 1.316 1.322 1.323 1.324 1.325 1.326 算术平均值α= 9 ∑i α=1.318。α对i α的最大相对误差= %6.0%100)(max =?-α ααi 。 (2)由x x x x y 318.01318.1)1(1+=-+= αα得出如下数据: t, ℃ 113.7 114.6 115.4 116.3 117.0 117.8 118.6 119.4 120.0 x 1 0.837 0.692 0.558 0.440 0.321 0.201 0.095 0 y 1 0.871 0.748 0.625 0.509 0.384 0.249 0.122 0 各组y i 值的最大相对误差= =?i y y m ax )(0.3%。 3.已知乙苯(A )与苯乙烯(B )的饱和蒸气压与温度的关系可按下式计算: 95.5947 .32790195.16ln 0 -- =T p A 72 .6357.33280195.16ln 0 --=T p B 式中 0 p 的单位是mmHg,T 的单位是K 。 问:总压为60mmHg(绝压)时,A 与B 的沸点各为多少?在上述总压和65℃时,该物系可视为理想物系。此物系的平衡气、液相浓度各为多少摩尔分率? 解: 由题意知 T A ==-- 0195.1660ln 47 .327995.59334.95K =61.8℃ T B ==--0195 .1660ln 57 .332872.63342.84K=69.69℃ 65℃时,算得0 A p =68.81mmHg ;0 B p =48.93 mmHg 。由0 A p x A +0 B p (1-x A )=60得 x A =0.56, x B =0.44; y A =0 A p x A /60=0.64; y B =1-0.64=0.36。 4 无
化工原理练习题一(流体流动与流体输送机械) 一、填空 1.用管子从高位槽放水,当管径增大一倍,则水的流量为原流量倍,假定液面高度、管长、局部阻力及摩擦系数均不变,且管路出口处的流体动能项可忽略。 2.某设备上,真空表的读数为80mmHg,其绝压=kgf/cm2=Pa。该地区大气压强为720mmHg。 3.常温下水密度为1000kg/m3,粘度为1cP,在d内=100mm管内以3m/s的速度速度流动,其流动类型为。 4.12kgf·m=J。 5.空气在标准状态下密度为1.29kg/m3,在0.25MPa下(绝压)80 ℃时的密度为。6.20℃的水通过10m长,d内=l 00mm的钢管,流量V0=10m3/h,阻力系数λ=0.02,阻力降ΔP=。 7.常用测量流量的流量计有、、。 8.无论滞流湍流,在管道任意截面流体质点的速度沿管径而变,管壁处速度为,到管中心速度为。滞流时,圆管截面的平均速度为最大速度的倍. 9.在流动系统中,若截面上流体流速、压强、密度等仅随改变,不随而变,称为稳定流动,若以上各量既随而变又随而变,称为不稳定流动。 10.流体在管内作湍流流动时,从中心到壁可以分、、三层。11.流体在圆形直管中滞流流动时,平均流速增大一倍,其能量损失为原来损失的倍。12.等边三角形边长为a,其当量直径是,长方形长2a,宽为a,当量直径是。13.管内流体层流的主要特点是;湍流的主要特点是。14.孔板流量计的流量系数α的大小,主要与和有关。当超过某一值后,α为常数。 l 5.直管阻力的表示式hf=。管中流出ζ出=,流入管内ζ入=。16.气体的粘度随温度的升高而,水的粘度随温度的升高而。 17.在下面两种情况下,假如流体的流量不变,而圆形直管的直径减少二分之一,则因直管阻力引起的压降损失为原来的多少倍?A)两种情况都为层流,B)两种情况都在阻力平方区。 18、离心泵起动时要、。 19、原来输送水的离心泵,现改用于输送某种水溶液,水溶液的重度为水的1.2倍,其它的物理性质可视为与水相同,管路状况不变,泵前后两开口容器液面垂直距离不变,问(1)流量有无改变,(2)压头有无改变,(3)泵的功率有无改变。 20、离心泵在什么情况下容易产生气蚀(1) ,(2) ,(3) (4) 。 4、离心泵的工作点是曲线与曲线的交点。 21、离心泵的安装高度超过允许安装高度时,会发生现象。 22、在低阻管路系统中,适宜使用离心泵的联,主要用于增加;在高阻管路系统中,适宜使用离心泵的联,主要用于增加。 23、往复泵为泵,其流量调节应采用。 二.某离心泵将某种石油馏分自1.5Km外的原油加工厂,经一根φ160×5mm的钢管输送到第一贮缸中,送液量为每分钟2000L。问该泵所需的功率为若干(泵的效率为0.6,管的局部阻力略去不计)。ρ=705kg/m3,μ=500×10-1Pa·s 。答案:112KW
CHAPTER1流体流动 一、概念题 1.某封闭容器内盛有水,水面上方压强为p 0,如图所示器壁上分别装有两个水银压强计和一个水银压差计,其读数分别为R 1、R 2和R 3,试判断: 1)R 1 R 2(>,<,=); 2)R 3 0(>,<,=); 3)若水面压强p 0增大,则R 1 R 2 R 3 有何变化(变大、变小,不变) 答:1)小于,根据静力学方程可知。 2)等于 · 3)变大,变大,不变 2.如图所示,水从内径为d 1的管段流向内径为d 2管段,已知122d d =,d 1管段流体流动的速度头为0.8m ,m h 7.01=,忽略流经AB 段的能量损失,则=2h _____m ,=3h m 。 答案:m h 3.12=,m h 5.13= g u h g u h 222 2 2211+ =+
122d d =, 2)2 1 ()( 12122112u u d d u u === 421 22u u =∴,m g u g u 2.024122122== m h 3.12=∴ 、 m g u h h 5.122 2 23=+= 3.如图所示,管中水的流向为A →B ,流经AB 段的能量损失可忽略,则p 1与p 2的关系为 。 21)p p A > m p p B 5.0)21+> m p p C 5.0)21-> 21)p p D < 答:C 据伯努利方程 2 212 2 2 p u gz p u gz B B A A ++ =++ ρρρρ ) (2 )(2221A B A B u u z z g p p -+ -+=ρ ρ , ) (2 5.02 221A B u u g p p -+ -=ρ ρ ,A B u u <,g p p ρ5.021-<∴ 4.圆形直管内,Vs 一定,设计时若将d 增加一倍,则层流时h f 是原值的 倍,高度湍流时,h f 是原值的 倍(忽略管壁相对粗糙度的影响)。
化工原理例题与习题标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]
第一章流体流动 【例1-1】已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与998kg/m3,试求含硫酸为60%(质量)的硫酸水溶液的密度为若干。 解:根据式1-4 =(+)10-4=×10-4 ρ m =1372kg/m3 【例1-2】已知干空气的组成为:O 221%、N 2 78%和Ar1%(均为体积%),试求干空气在 压力为×104Pa及温度为100℃时的密度。 解:首先将摄氏度换算成开尔文 100℃=273+100=373K 再求干空气的平均摩尔质量 M m =32×+28×+× =m3 根据式1-3a气体的平均密度为: 【例1-3 】本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=、密度ρ 1 =800kg/m3,水层高度h2=、密度ρ2=1000kg/m3。 (1)判断下列两关系是否成立,即p A=p'A p B=p'B (2)计算水在玻璃管内的高度h。 解:(1)判断题给两关系式是否成立p A=p'A的关系成立。因A与A'两点在静止的连通着的同一流体内,并在同一水平面上。所以截面A-A'称为等压面。 p B =p' B 的关系不能成立。因B及B'两点虽在静止流体的同一水平面上,但不是连通 着的同一种流体,即截面B-B'不是等压面。 (2)计算玻璃管内水的高度h由上面讨论 知,p A=p'A,而p A=p'A都可以用流体静力学基本方程式计算,即 p A =p a +ρ 1 gh 1 +ρ 2 gh 2 p A '=p a +ρ 2 gh 于是p a+ρ1gh1+ρ2gh2=p a+ρ2gh 简化上式并将已知值代入,得 800×+1000×=1000h 解得h= 【例1-4】如本题附图所示,在异径水平管段两截面(1-1'、2-2’)连一倒置U管压差计,压差计读数R=200mm。试求两截面间的压强差。 解:因为倒置U管,所以其指示液应为水。设空气和水的密度分别为ρg与ρ,根据流体静力学基本原理,截面a-a'为等压面,则 p a =p a ' 又由流体静力学基本方程式可得 p a =p 1 -ρgM
【1-1】如习题1-6附图所示,有一端封闭的管子,装入若干水后,倒插入常温水槽中,管中水柱较水槽液面高出2m ,当地大气压力为101.2kPa 。试求:(1)管子上端空间的绝对压力;(2)管子上端空间的表压;(3)管子上端空间的真空度;(4)若将水换成四氯 化碳,管中四氯化碳液柱较槽的液面高出多少米? 解 管中水柱高出槽液面2m ,h=2m 水柱。 (1)管子上端空间的绝对压力 绝p 在水平面11'-处的压力平衡,有 .绝绝大气压力 1012001000981281580 (绝对压力) ρ+==-??=p gh p Pa (2)管子上端空间的表压 表p (3)管子上端空间的真空度 真p (4)槽内为四氯化碳,管中液柱高度'h 常温下四氯化碳的密度,从附录四查得为/ccl kg m ρ=4 31594 【1-2】在20℃条件下,在试管内先装入12cm 高的水银,再在其上面装入5cm 高的水。水银的密度为/313550kg m ,当地大气压力为101kPa 。试求试管底部的绝对压力为多少Pa 。 解 水的密度/3水=998ρkg m 【1-3】如习题1-8附图所示,容器内贮有密度为/31250kg m 的液体,液面高度为 3.2m 。容器侧壁上有两根测压管线,距容器底的高度分别为2m 及1m ,容器上部空间的压力(表压)为29.4kPa 。试求: (1)压差计读数(指示液密度为/31400kg m );(2)A 、B 两个弹簧压力表的读数。 习题1-1附图
解 容器上部空间的压力.29 4(表压) =p kPa 液体密度 /31250ρ=kg m ,指示液密度/301400ρ=kg m (1)压差计读数R=? 在等压面''1111上-=p p (2) ().....A p p g Pa ρ=+-=?+??=?333212941022125098156410 【1-4】常温的水在如习题1-15附图所示的管路中流动。在截面1处的流速为./05m s ,管内径为200mm ,截面2处的管内径为100mm 。由于水的压力,截面1处产生1m 高的水柱。试计算在截面1与2之间所产生的水柱高度差h 为多少(忽略从1到2处的压头损失)? 解 ./105=u m s 另一计算法 计算液柱高度时,用后一方法简便。 【1-5】在习题1-16附图所示的水平管路中,水的流量为./25L s 。已知管内径15=d cm , .225=d cm ,液柱高度11=h m 。若忽略压头损失,试计算收缩截面2处的静压头。 解 水的体积流量 ././33252510 -==?V q L s m s , 截面1处的流速 ../.3 12 2 1 25101274005 4 4 π π -?= = =?V q u m s d 习题1-4附图 习题1-5附图
化工原理典型习题解答 王国庆陈兰英 广东工业大学化工原理教研室 2003
上 册 一、选择题 1、 某液体在一等径直管中稳态流动,若体积流量不变,管内径减小为原来的一半,假定管内的相对粗糙度不变,则 (1) 层流时,流动阻力变为原来的 C 。 A .4倍 B .8倍 C .16倍 D .32倍 (2) 完全湍流(阻力平方区)时,流动阻力变为原来的 D 。 A .4倍 B .8倍 C .16倍 D .32倍 解:(1) 由 2 22322642d lu u d l du u d l h f ρμμ ρλ= ??=??= 得 1624 4 212 212 212212121 2==??? ? ??=???? ??????? ??==d d d d d d d u d u h h f f (2) 由 2222u d l d f u d l h f ? ??? ? ??=??=ελ 得 322 55 2121421 2211221 2==??? ? ??=????? ??==d d d d d d d u d u h h f f 2. 水由高位槽流入贮水池,若水管总长(包括局部阻力的当量长度在内)缩 短25%,而高位槽水面与贮水池水面的位差保持不变,假定流体完全湍流流动(即流动在阻力平方区)不变,则水的流量变为原来的 A 。 A .1.155倍 B .1.165倍 C .1.175倍 D .1.185倍 解:由 f h u p gz u p gz ∑+++=++2 22 2 22211 1ρρ 得 21f f h h ∑=∑ 所以 ()()2 222222 11 1u d l l u d l l e e ?+?=?+? λλ 又由完全湍流流动 得 ?? ? ??=d f ελ
干燥 一、填空 1.在101.33kPa的总压下,在间壁式换热器中将温度为293K,相对湿度为80%的是空气加热,则该空气下列状态参数的变化趋势是:湿度:_____________,相对湿度:__________,露点t d_________。 2.在101.33kPa的总压下,将饱和空气的温度从t1降至t2, 则该空气下列状态参数的变化趋势是:湿度:_____________,相对湿度:__________,露点t d_________。 3.在实际的干燥操作中,常用____________来测量空气的湿度。 4.测定空气中水汽分压的实验方法是测量__________。 5.对流干燥操作的必要条件是___________________;干燥过程是__________相结合的过程。 6.在101.33kPa的总压下,已知空气温为40℃,其相对湿度为60%,且40℃下水的饱和蒸汽压为7.38kPa,则该空气的湿度为_____________kg/kg绝干气,其焓为_______kJ/kg 绝干气。 7.在一定的温度和总压强下,以湿空气做干燥介质,当所用空气的湿度减少时,则湿物料的平衡水分相应__________,其自由水分相应___________。 8.恒定的干燥条件是指空气__________,____________,_____________均不变的过程。9.恒速干燥阶段又称__________控制阶段,影响该阶段干燥速度的主要因素是_________; 降速干燥阶段又称_________控制阶段,影响该阶段干燥速度的主要因素是_________。 10.在恒速干燥阶段,湿物料表面的温度近似等于__________。 11. 在常温和40℃下,测的湿物料的干基含水量X与空气的相对湿度之间的平衡关系为:当相对湿度=100%时,结合水含量为0.26kg/kg绝干料;当相对湿度=40%时,平衡含水量X*= 0.04kg/kg绝干料。已知该物料的初始含水量X1=0.43kg/kg绝干料,现让该物料在40℃下与与相对湿度为40%的空气充分接触,非结合水含量为______kg/kg绝干料,自由含水量为__________kg/kg绝干料。 12. 干燥速度的一般表达式为___________。在表面汽化控制阶段,则可将干燥速度表达式为_______________________。 13. 在恒定干燥条件下测的湿物料的干燥速度曲线如本题附图所示。其恒速阶段干燥速度为_________kg水(m2.h),临界含水量为____________kg/kg绝干料,平衡含水量为____________kg/kg绝水量。 14. 理想干燥器或等焓干燥过程是指________________,干燥介质进入和离开干燥器的含焓值________________。 15. 写出三种对流干燥器的名称_________,_______________, _____________. 固体颗粒在气流干燥器中经历_______和_________两个运动阶段,其中_____是最有效的干燥区域。 二、选择题 1.已知湿空气的如下两个参数,便可确定其他参数( ) A. H,p B. H,t d C. H, t D. I,t as
一、名词解释(每题2分) 1. 非均相混合物 物系组成不同,分布不均匀,组分之间有相界面 2. 斯托克斯式 3. 球形度s 非球形粒子体积相同的球形颗粒的面积与球形颗粒总面积的比值 4. 离心分离因数 离心加速度与重力加速度的比值 5?临界直径de 离心分离器分离颗粒最小直径 6. 过滤 利用多孔性介质使悬浮液中液固得到分离的操作 7. 过滤速率 单位时间所产生的滤液量 8. 过滤周期 间歇过滤中过滤、洗涤、拆装、清理完成一次过滤所用时间 9. 过滤机生产能力 过滤机单位时间产生滤液体积 10. 浸没度 转筒过滤机浸没角度与圆周角比值 二、单选择题(每题2分) 1、自由沉降的意思是______ 。 A颗粒在沉降过程中受到的流体阻力可忽略不计E颗粒开始的降落速度为零,没有附加一个初始速度C颗粒在降落的方向上只受重力作用,没有离心力等的作用 D颗粒间不发生碰撞或接触的情况下的沉降过程D 2、颗粒的沉降速度不是指_______ 。 A等速运动段的颗粒降落的速度 E加速运动段任一时刻颗粒的降落速度 C加速运动段结束时颗粒的降落速度 D净重力(重力减去浮力)与流体阻力平衡时颗粒的降落速度B 3、对于恒压过滤______ 。 A 滤液体积增大一倍则过滤时间增大为原来的?2倍 B 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的2倍 C 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的4倍 D 当介质阻力不计时,滤液体积增大一倍,则过滤时间增大至原来的4倍D 4、恒压过滤时,如介质阻力不计,滤饼不可压缩,过滤压差增大一倍时同一过滤时刻所得滤液量 __ 。 A增大至原来的2倍E增大至原来的4倍 C增大至原来的2倍D增大至原来的倍
一流体流动 流体密度计算 1.1在讨论流体物性时,工程制中常使用重度这个物理量,而在SI制中却常用密度这个物理量,如水的重度为1000[kgf/m3],则其密度为多少[kg/m3]? 1.2燃烧重油所得的燃烧气,经分析测知,其中含8.5%CO2,7.5%O2,76%N2,8%水蒸气(体积%),试求温度为500℃,压强为1atm时该混合气的密度。 1.3已知汽油、轻油、柴油的密度分别为700[kg/m3]、760[kg/m3]和900[kg/m3] 。试根据以下条件分别计算此三种油类混合物的密度(假设在混合过程中,总体积等于各组分体积之和)。 (1)汽油、轻油、柴油的质量百分数分别是20%、30%和50%; (2)汽油、轻油、柴油的体积百分数分别是20%、30%和50%。 绝压、表压、真空度的计算 1.4在大气压力为760[mmHg]的地区,某设备真空度为738[mmHg],若在大气压为655[mmHg]的地区使塔内绝对压力维持相同的数值, 则真空表读数应为多少? 静力学方程的应用 1.5如图为垂直相距1.5m的两个容器,两容器中所盛液体为水,连接两容器的U型压差计读数R为500[mmHg],试求两容器的压差为多少?ρ水银=13.6×103[kg/m3] 1.6容器A.B分别盛有水和密度为900[kg/m3]的酒精,水银压差计读数R为15mm,若将指示液换成四氯化碳(体积与水银相同),压差计读数为若干? ρ水银=13.6×103[kg/m3] 四氯化碳密度ρccl4=1.594×103 [kg/m3] 习题 5 附图习题 6 附图 1.7用复式U管压差计测定容器中的压强,U管指示液为水银,两U管间的连接管内充满水。已知图中h1= 2.3m,h2=1.2m,h3=2.5m,h4=1.4m,h5=3m。大气压强P0=745[mmHg],试求容器中液面上方压强P C=? 1.8如图所示,水从倾斜管中流过,在断面A和B间接一空气压差计,其读数R=10mm,两测压点垂直距离 a=0.3m,试求A,B两点的压差等于多少? 流量、流速计算 1.9密度ρ=892Kg/m3的原油流过图示的管线,进入管段1的流量为V=1.4×10-3 [m3/s]。计算: (1)管段1和3中的质量流量; (2)管段1和3中的平均流速; (3)管段1中的质量流速。 1.10某厂用Φ125×4mm的钢管输送压强P=20at(绝压)、温度t=20℃的空气,已知流量为6300[Nm3/h] (标准状况下体积流量)。试求此空气在管道中的流速、质量流量和质量流速。 (注:at为工程大气压,atm为物理大气压)。 1.11压强为1atm的某气体在Φ76×3mm的管内流动,当气体压强变为5atm时,若要求气体以同样的温度、流速、质量流量在管内流动,问此时管内径应为若干?
三 计算题 1 (15分)在如图所示的输水系统中,已知 管路总长度(包括所有当量长度,下同)为 100m ,其中压力表之后的管路长度为80m , 管路摩擦系数为0.03,管路内径为0.05m , 水的密度为1000Kg/m 3,泵的效率为0.85, 输水量为15m 3/h 。求: (1)整个管路的阻力损失,J/Kg ; (2)泵轴功率,Kw ; (3)压力表的读数,Pa 。 解:(1)整个管路的阻力损失,J/kg ; 由题意知, s m A V u s /12.2) 4 05.03600(15 2 =??==π 则kg J u d l h f /1.1352 12.205.010003.022 2=??=??=∑λ (2)泵轴功率,kw ; 在贮槽液面0-0′与高位槽液面1-1′间列柏努利方程,以贮槽液面为基准水平面,有: ∑-+++=+++10,1 21020022f e h p u gH W p u gH ρ ρ 其中, ∑=kg J h f /1.135, u 0= u 1=0, p 1= p 0=0(表压), H 0=0, H=20m 代入方程得: kg J h gH W f e /3.3311.1352081.9=+?=+=∑ 又 s kg V W s s /17.410003600 15 =?= =ρ 故 w W W N e s e 5.1381=?=, η=80%, kw w N N e 727.11727===η 2 (15分)如图所示,用泵将水从贮槽送至敞口高位槽,两槽液面均恒定 不变,输送管路尺寸为φ83×3.5mm ,泵的进出口管道上分别安装有真空表和压力表,真空表安装位置离贮槽的水面高度H 1为4.8m ,压力表安装位置离贮槽的水面高度H 2为5m 。当输水量为36m 3/h 时,进水管道全部阻力损失为1.96J/kg ,出水管道全部阻力损失为4.9J/kg ,压力表读数为2.452×
有一套管式换热器,用冷却水将0.125kg/s 的苯由350K 冷却到300K ,冷却水在φ25×2.5mm 的内管中流动,其进出口温度分别为290K 和320K 。已知水和苯的对流传热系数分别为850 w/m 2?℃和1700 w/m 2?℃,两流体呈逆流流动,忽略管壁热阻和污垢热阻。试求:(1)所需要的管长;(2)冷却水的消耗量。定性温度下苯的比热为C P =1830J/kg ·K ,水的比热为C P =4200J/kg ·K (1)解法一: Q=m s Cp Δt=0.125×1830×50=11437.5 w ---------1分 m t A K Q ?=22=11437.5w --------1分 而2 1 21ln t t t t t m ???-?=? =18.2 ---------------------2分 221212111αλα++=m d d b d d K 代入数据得 K 2=485.7W/m 2·K 所以A 2=1.294m 2=3.14×0.025×L 解得L=16.48m 解法二:若计算基于内壳表面的K 1,则过程如下: 21211111d d d d b K m αλα++=令代入数据得 K 1=607.14W/m 2·K 所以A 1=1.035m 2=3.14×0.020×L 解得L=16.48m 结果完全一致。 (2)Q 1=Q 2=11437.5=4200×30×q L q L =0.09Kg/s 3. (12分) 常压下用连续精馏塔分离含苯44%的苯一甲苯混合物。进料为泡点液体,进料流率取100 kmol/h 为计算基准。要求馏出液中含苯不小于 94 %,釜液中含苯不大于8 %(以上均为摩尔百分率) 。该物系为理想溶液,相对挥发度为2.47。 塔顶设全凝器,泡点回流,选用的回流比为3。 试计算精馏塔两端产品的流率及精馏段所需的理论塔板数。 解:由全塔物料衡算:F =D +W ;FxF =DxD +WxW 将已知值代入, 可解得D =41.86kmol/h; W=58.14kmol/h 精馏段操作方程为: y n+1=0.75x n +0.235 泡点液体进料时q=1, y n+1=1.3472x n -0.0278 相平衡方程为 =y n /(2.47-1.47y n ) n n n x x y )1(1-+=ααn n n y y x )1(--=αα1 11+++=+R x x R R y D n n
第6章 蒸馏 6-1.苯(A )和甲苯(B )的饱和蒸气压数据为 根据上表数据作kPa 33.101下苯和甲苯溶液的x y t --图及x y -图。此溶液服从拉乌尔定律。
解:000B A B A P P P P x --=;A A A x P P y 0 =
x (y ) t/0 C 0.00.20.40.60.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 y x 6-2.利用习题6-1的数据 (1)计算相对挥发度α。(2)写出平衡方程式。 (3)算出x y -的一系列平衡数据与习题1作比较。
(答:(1) 44.2=α, (2)x x y 44.1144.2+=) 解:⑴00B A P P =α, 44.22 .2==α ⑵()x x x x y 44.1144.211+=-+=αα
⑶由α计算所得的一系列y 、x 值与习题6-1之值很接近。 6-3.将含%24(摩尔分数,下同)易挥发组分的某液体混合物送入一连续精馏塔中。要求馏出液含%95易挥发组分,釜液含%3易挥发组分。送至冷凝器的蒸气量为1h kmol 850-?,流入精馏塔的回流液量为1h kmol 670-?。试求: (1)每小时能获得多少kmol 的馏出液?多少kmol 的釜液? (2)回流比D L R = 为多少? (答:1h kmol 180-?=D , 1h kmol 6.608-?=W ;72.3=R ) 解:D L V +=, 1h kmol 180670850-?=-=-=L V D , 72.3180 670===D L R , W W D F +=+=180, W D F Wx Dx Fx +=即()03.018018095.024.0?-+?=F F , 解得:1h kmol 6.788-?=F , 1h kmol 6.6081806.788-?=-=-=D F W 。 6-4.有1h kg 10000-?含物质A (摩尔质量为1kmol 8kg 7-? )3.0(质量分数,下同)和含物质B (摩尔质量为1kmol 0kg 9-? )7.0的混合蒸气自一连续精馏塔底送入。若要求塔顶
化工原理练习题 0 绪论 1. 化工原理中的“三传”是指④ ①动能传递、势能传递、化学能传递,②动能传递、内能传递、物质传递 ③动量传递、能量传递、热量传递,④动量传递、热量传递、质量传递 2. 下列单元操作中属于动量传递的有① ①流体输送,②蒸发,③气体吸收,④结晶 3. 下列单元操作中属于质量传递的有② ①搅拌,②液体精馏,③流体加热,④沉降 4. 下列单元操作中属于热量传递的有② ①固体流态化,②加热冷却,③搅拌,④膜分离 5、 l kgf/cm2=________mmHg=_______N/m2 6. 在 26 ℃和1大气压下 ,CO2在空气中的分子扩散系数 D 等于 0.164cm2/s, 将此数据换算成m2/h 单位 , 正确的答案为___④___ ① 0.164m2/h ② 0.0164 m2/h ③ 0.005904 m2/h, ④ 0.05904 m2/h 7. 己知通用气体常数 R=82.06atm.cm3/mol.K, 将此数据换算成用kJ/kmol.K所表示的量 , 正确的答案应为__③_____ ① 8.02 ② 82.06 ③ 8.314 ④ 83.14 第3 章机械分离
一、选择题 1. 下面过滤速率方程式中属于恒压过滤方程的是 ② ①dq/d θ=K/2(q+q e );②q 2+2q.q e =K.θ; ③q 2+q.q e =2K.θ;④q 2+q.q e =K.θ/2 2. 过滤速率基本方程为 ① ① dq/d θ=K/2(q+q e );② dq/d θ=K/(q+q e ); ③dq/d θ=KA 2/2(V+V e );④dV/d θ=K/2(V+V e ) 3 恒压过滤中单位面积累积滤液量q 与时间θ的关系可表示为下图中的 ① 4 对静止流体中颗粒的自由沉降而言,在沉降过程中颗粒所不会受到的力有:① ①牛顿力;②浮力;③曳力 (阻力);④场力(重力或离心力) 。 5叶滤机洗涤速率与终了过滤速率之比为:④ ①1/2; ②1/3; ③1/4; ④1。 6恒压过滤中,当过滤时间增加1倍, ; /2; ③2; ④0.5。 7关于离心沉降速度和重力沉降速度,下述说法正确的是 ③ 。 ① ② ④
化工原理
第一章 练习 1. 湍流流动的特点是 脉动 ,故其瞬时速度等于 时均速度 与 脉动速度 之和。 2.雷诺准数的物理意义是 黏性力和惯性力之比 。 3.当地大气压为755mmHg ,现测得一容器内的绝对压力为350mmHg ,则其真空度为405 mmHg 。 4.以单位体积计的不可压缩流体的机械能衡算方程形式为 ρρρρρρf s w p u gz w p u gz +++=+++22 2 212112 2。 5.实际流体在管道内流动时产生阻力的主要原因是 黏性 。 6.如图所示,水由敞口恒液位的高位槽流向压力恒定的反应器,当管道上的阀门开度减小后,管路总阻力损失(包括所有局部阻力损失)将 (1) 。 (1)不变 (2)变大 (3)变小 (4)不确定 7.如图所示的并联管路,其阻力关系是 (C ) 。 (A )(h f )A1B (h f )A2B (B )(h f )AB =(h f )A1B +(h f )A2B (C )(h f )AB =(h f )A1B =(h f )A2B (D )(h f )AB (h f )A1B =(h f )A2B 8.孔板流量计和转子流量计的最主要区别在于:前者是恒 截面 、变 压头 ,而后者是恒 压头 、变 截面 。 9.如图所示,水从槽底部沿内径为100mm 的水平管子流出,阀门前、后的管长见图。槽中水位恒定。今测得阀门全闭时,压力表读数p=。现将阀门全开,试求此时管内流量。 已知阀门(全开)的阻力系数为,管内摩擦因数=。 答:槽面水位高度m g p H 045.681 .91000103.593 =??==ρ 在槽面与管子出口间列机械能衡算式,得: 2 4.60.1 5.01.0203081.9045.62 u ??? ??++++=?λ 解得:s m u /65.2= h m s m u d V /9.74/0208.065.21.04 14 1 3322==??==ππ 反 应 器 题7附图 1 A B 2 题8附图 p 30m 20m 题1附图
1.外径为120mm的蒸汽管道,其外包扎一层厚度为400mm的保温层,保温层材料的导热系数为0.6W/(m?K)。若蒸汽管道的外表面面180℃,保温层的外表面温度为40℃,试求每米管长的热损失及保温层中的温度分布关系式。 2.在温度25℃的环境中横穿一外径为100mm的蒸汽管道,管道外包有两层保温材料,内层厚40mm,导热系数为0.05W/(m?k);外层厚30mm,导热系数为0.1W/(m?k)。管道与环境间对流传热系数为6W/(m2?k),与环境接触表面的温度为60℃。试求:管道单位长度散热量及保温层单位长度总热阻。
3.在间壁式换热器中,要求用初温为25℃的原油来冷却重油,使重油从170℃冷却至100℃。重油和原油的流量分别为1.2×104kg/h和1.5×104kg/h。重油和原油的比定压热容各为2.18 kJ/(kg?K)和1.93 kJ/(kg?K),试求重油和原油采用逆流和并流时换热器的传热面积各为多少?已知两种情况下的总换热系数均为100W/(m2?k)。 4.有一列管式换热器,管束由管径Φ25mm×2mm的不锈钢管组成,管长2.5m。用饱和水蒸气在壳程加热管程空气,已知水蒸气的对流传热系数为10kW/(m2?k),空气的普朗特数Pr为0.7,雷诺数Re为2×104,空气的导热系数为0.03W(m?k)。管壁及两侧污垢热阻可忽略,热损失也可忽略。试求:(1)空气在管内的对流传热系数;(2)换热器的总传热系数(以管外表面积为基准)。
5.在101.3kPa、20℃下用清水在填料塔中逆流吸收某混合气中的硫化氢。已知混合气进塔组成为0.055(摩尔分数,下同),尾气出塔组成为0.001。操作条件下系统的平衡关系为p*=4.89×104xkPa,操作时吸收剂用量为最小用量的1.65倍。试计算吸收率和吸收液组成。 6.在一填料塔层高度为8m的吸收塔中,用纯溶剂吸收某混合气体中的溶剂组分。已知进塔混合气体的流量为400kmol/h,溶质的含量为0.06(摩尔分数),溶质的回收率为95%,操作条件下的气液平衡关系为Y=2.2X,溶剂用量为最小用量的1.5倍。试计算气相总传质单元高度。
1、用连续精馏方法分离乙烯、乙烷混合物。已知进料中含乙烯0、88(摩尔分数,下同),流量为200kmol/h。今要求馏出液中乙烯的回收率为99、5%,釜液中乙烷的回收率为99、4%,试求所得馏出液、釜液的流量与组成。 2、例题:设计一精馏塔,用以分离双组分混合物,已知原料液流量为100kmol/h,进料中含轻组分0、2(摩尔分数,下同),要求馏出液与釜液的组成分别为0、8与0、05。泡点进料(饱与液体),物系的平均相对挥发度α=2、5,回流比R=2、7。试求:1)精馏段与提馏段操作线方程;2)从塔顶数第二块板下降的液相组成。 3、例题用一常压精馏塔分离某二元理想溶液,进料中含轻组分0、4(摩尔分数,下同),进料量为200kmol/h饱与蒸汽进料,要求馏出液与釜液的组成分别为0、97与0、02。已知操作回流比R=3、0,物系的平均相对挥发度α=2、4,塔釜当作一块理论板处理。试求:(1)提馏段操作线方程;(2)塔釜以上第一块理论板下降的液相组成。(从塔底向上计算) 4、例题:常压下分离丙酮水溶液的连续精馏塔,进料中丙酮50%(摩尔分数,下同),其中气相占80%,要求馏出液与釜液中丙酮的组成分别为95%与5%,回流比R=2、0,若进料流量为100kmol/h,分别计算精馏段与提馏段的气相与液相流量,并写出相应的两段操作线方程与q 线方程。 5、在连续精馏塔中分离苯—甲苯混合液。原料液组成为0、4(摩尔分数,下同),馏出液组成为0、95。汽--液混合进料,其中汽相占1/3(摩尔数比),回流比为最小回流比的2倍,物系的平均相对挥发度为2、5,塔顶采用全凝器。试求:(1)精馏段操作线方程;(2)从塔顶往下数第二层理论板的上升气相组成。 6、在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液,原料液流量为1000kmol/h,组成为含苯0、4(摩尔分数,下同),馏出液组成为含苯0、9,苯在塔顶的回收率为90%,泡点进料(q=1),操作回流比为最小回流比的1、5倍,物系的平均相对挥发度为2、5。试求:(1)精馏段操作线方程;(2)提馏段操作线方程。 7、板式精馏塔常压下分离苯-甲苯物系,塔顶采用全凝器,物系平均相对挥发度为2、 5,进料就是流量为150kmol/h,组成为0、4的饱与蒸汽,回流比为4、0,塔顶馏出液中苯的回收率为0、97,釜液中苯的组成为0、02。试求:(1)塔顶产品流率,组成与釜液流率;(2) 精馏段、提馏段操作线方程;(3)实际回流比与最小回流比的比值。 8、某二元连续精馏塔,进料量100kmol/h,组成为0、5(易挥发组分mol分率),饱与液体进料。塔顶、塔底产品量各为50kmol/h,塔顶采用全凝器,泡点回流,塔釜用间接蒸汽加热,物系平均相对挥发度为2、0,精馏段操作线方程为yn+1=0、714xn+0、257,试求:1 塔顶、塔底产品组成(mol分数)与塔底产品中难挥发组分回收率 ;2最小回流比;3提馏段操作线方程。 9用常压精馏塔分离某二元理想溶液,其平均相对挥发度α=3,原料液组成0、5(摩尔分率),进料量为200kmol/h,饱与蒸汽进料,塔顶产品量为100kmol/h。已知精馏段操作线方程为
化工原理习题文档编制序号:[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
一流体流动 流体密度计算 在讨论流体物性时,工程制中常使用重度这个物理量,而在SI制中却常用密度这个物理量,如水的重度为1000[kgf/m3],则其密度为多少[kg/m3] 燃烧重油所得的燃烧气,经分析测知,其中含%CO2,%O2,76%N2,8%水蒸气(体积%),试求温度为500℃,压强为1atm时该混合气的密度。 已知汽油、轻油、柴油的密度分别为700[kg/m3]、760[kg/m3]和900[kg/m3] 。试根据以下条件分别计算此三种油类混合物的密度(假设在混合过程中,总体积等于各组分体积之和)。 (1)汽油、轻油、柴油的质量百分数分别是20%、30%和50%; (2)汽油、轻油、柴油的体积百分数分别是20%、30%和50%。 绝压、表压、真空度的计算 在大气压力为760[mmHg]的地区,某设备真空度为738[mmHg],若在大气压为655[mmHg]的地区使塔内绝对压力维持相同的数值, 则真空表读数应为多少 静力学方程的应用 如图为垂直相距的两个容器,两容器中所盛液体为水,连接两容器的U型压差计 =×103[kg/m3] 读数R为500[mmHg],试求两容器的压差为多少ρ 水银 容器分别盛有水和密度为900[kg/m3]的酒精,水银压差计读数R为15mm,若将指示液换成四氯化碳(体积与水银相同),压差计读数为若干 ρ水银=×103[kg/m3] 四氯化碳密度ρccl4=×103 [kg/m3] 习题 5 附图习题 6 附图 用复式U管压差计测定容器中的压强,U管指示液为水银,两U管间的连接管内