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化工原理第二版天津大学贾绍义夏清版课后习题答案
化工原理课后习题答案
(夏清、贾绍义主编.化工原理.天津大学
出版社,2011.)
第一章流体流动
2.在本题附图所示的储油罐中盛有密度为960㎏/㎥的油品,油面高于罐底6.9m,油面上方为常压。
在罐侧壁的下部有一直径为760mm的圆孔,其中心距罐底800mm,孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。
若螺钉材料的工作应力取为39.23×10Pa,
问至少需要几个螺钉?
分析:
罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力即
P油≤ζ螺
解:
P螺=ρgh×A=960×9.81×(9.6-0.8)×3.14×0.76
150.307×10N
ζ螺=39.03×10×3.14×0.014×n
P油≤ζ螺得n≥6.23
取nmin=7
至少需要7个螺钉
3.某流化床反应器上装有两个U
32326型管压差计,如本题附
4.本题附图为远距离测量控制装置,用以测
定分相槽=P4,P2=P3
且P3=ρ煤油gΓh,P4=ρ水g(H-h)+ρ煤油g(Γh+h)
联立这几个方程得到
ρ
ρ水银gR=ρ水水g(H-h)+ρ煤油煤油g(Γh+h)-ρgh带入数据煤油gΓh即水银gR=ρgH+ρgh-ρ水
1.0³×10³×1-13.6×10³×0.068=h(1.0×10³-0.82×10³)
h=0.418m
5.用本题附图中串联U管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸气压,U管压差计的指示液为
水银,两U管间的连接管内充满水。
以知水银面与基准面的垂直距离分别为:
h1﹦2.3m,
h2=1.2m,h3=2.5m,h4=1.4m。
锅中水面与基准面之间的垂直距离h5=3m。
大气压强pa=
99.3×10pa。
试求锅炉上方水蒸气的压强P。
分析:
首先选取合适的截面用以连接两个U管,本题应
选取如图所示的1-1截面,再选取等压面,最后根据
静力学基本原理列出方程,求解
解:
设1-1截面处的压强为P
13
对左边的U管取a-a等压面,由静力学基本方程
P0+ρ水g(h5-h4)=P1+ρ
3水银g(h3-h4)代入数据P0+1.0×10×9.81×(3-1.4)
=P1+13.6×10×9.81×(2.5-1.4)
对右边的U管取b-b等压面,由静力学基本方程P1+ρ
a水3g(h3-h2)=ρ水银g(h1-h2)+p代入数据
P1+1.0×10×9.81×﹙2.5-1.2﹚=13.6×10×9.81×﹙2.3-1.2﹚+99.3×10解着两个方程得
P0=3.64×10Pa
5333
6.根据本题附图所示的微差压差计的读数,计算管路中气体的表压强p。
压差计中以油和水为指示液,其密度分别为920㎏/m,998㎏/m,U管中油﹑水交接面高度差R=300m
m,两扩大室的p表+ρ
对于U管右边P2=ρ
p表=ρ
=ρ水油‘33g(h1+R)=P1gR+ρ油水gh2gR+ρgR-ρ油gh2-ρgR+ρ油g(h1+R)水油油g(h2-h1)
22当p表=0时,扩大室液面平齐即π(D/2)(h2-h1)=π(d/2)R
h2-h1=3mm
p表=2.57×10Pa
2
7.列管换热气的管束由121根φ×2.5mm的钢管组成。
空气以9m/s速度在列管内流动。
空气在管内的平均温度为50℃﹑压强为196×103Pa(表压),当地大气压为98.7×103Pa
试求:
⑴空气的质量流量;⑵操作条件下,空气的体积流量;⑶
将⑵的计算
结果换算成标准状况下空气的体积流量。
解:
空气的体积流量VS=uA=9×π/4×0.022×121=0.342m3/s
质量流量ws=VSρ=VS×(MP)/(RT)
=0.342×[29×(98.7+196)]/[8.315×323]=1.09
㎏/s
换算成标准状况V1P1/V2P2=T1/T2
VS2=P1T2/P2T1×VS1=(294.7×273)/(101×323)×
0.342
=0.843m3/s
8.高位槽+P2/ρ+∑hf
(Z1-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
VS=uA=2.9×π/4×0.12×3600
=82m3
/h2
9.20℃水以2.5m/s的流速流经φ38×2.5mm的水平管,此管以锥形管和另一φ53×3m的水平管相连。
如本题附图所示,在锥形管两侧A、B处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压强。
若水流经A﹑B两截面的能量损失为1.5J/㎏,求两玻璃管的水面差(以mm计),并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。
分析:
根据水流过A、B两截面的体积流量相同和此两截面处的伯努利方程列等式求解
解:
设水流经A﹑B两截面处的流速分别为uA、uBuAAA=uBAB
2
∴uB=(AA/AB)uA=(33/47)×2.5=1.23m/s
在A﹑B两截面处列柏努力方程
Z1g+u12/2+P1/ρ=Z2g+u22/2+P2/
ρ+∑hf
∵Z1=Z2
∴(P1-P2)/ρ=∑hf+(u12-u22)/2g(h1-h2)=1.5+(1.232-2.52)/2h1-h2=0.0882m=88.2mm
10.用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部,槽两玻璃管的水面差为88.2mm
分析:
此题考察的是运用柏努力方程求算管路系统所要求的有效功率把整个系统分成两部分来处理,从槽面到真空表段的吸入管和从真空表到排出口段的排出管,在两段分别列柏努力方程。
解:
总能量损失∑hf=∑hf+,1∑hf,2
u1=u2=u=2u2+10u²=12u²
在截面与真空表处取截面作方程:
z0g+u02/2+P0/ρ=z1g+u2/2+P1/ρ+∑hf,1(P0-P1)/ρ=z1g+u2/2+∑hf,1∴u=2m/s∴ws=uAρ=7.9kg/s
在真空表与排水管-喷头连接处取截面z1g+u2/2+P1/ρ+We=z2g+u2/2+P2/ρ+∑hf,2
∴We=z2g+u2/2+P2/ρ+∑hf,2—(z1g+u2/2+P1/ρ)=12.5×9.81+(98.07+24.66)/998.2×10³+10×2²
=285.97J/kg
Ne=Wews=285.97×7.9=2.26kw
11.本题附图所示的贮槽h1g=u/2+∑hf=u/2+20u∴u=(0.48h)=0.7h
1/2
1/2
2
2
2
槽面下降dh,管∴Adh=uA2dt=0.7hA2dt
∴dt=A1dh/(A20.7h)对上式积分:
t=1.⒏h
1/21/2
13.用压缩空气将密度为1100kg/m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ф60×
3.5mm,其他尺寸见本题附图。
各管段的能量损失为∑hf,AB3=∑hf,CD=u,∑hf,BC=1.18u。
两压差计中的指示液均22
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:
对上下两槽取截面列柏努力方程
0+0+P1/ρ=Zg+0+P2/ρ+∑hf
∴P1=Zgρ+0+P2+ρ∑hf
=10×9.81×1100+1100(2u+1.18u)
=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+ρg(x+R1)=Pc+ρg(hBC+x)+ρ
B水银22R1gP+1100×9.81×(0.045+x)=Pc+1100×9.81×(5+x)+13.6×10³×9.81×0.045PB-PC=5.95×10Pa4
在B,C处取截面列柏努力方程
0+uB²/2+PB/ρ=Zg+uc/2+PC/ρ+∑hf,BC
∵管径不变,∴ub=uc
PB-PC=ρ(Zg+∑hf,BC)=1100×(1.18u+5×9.81)=5.95×10Pau=4.27m/s
压缩槽内表压P1=1.23×10Pa
(2)在B,D处取截面作柏努力方程
0+u/2+PB/ρ=Zg+0+0+∑hf,BC+∑hf,CD
PB=(7×9.81+1.18u+u-0.5u)×1100=8.35×10PaPB-ρgh=ρ
4水银222425242R2g8.35×10-1100×9.81×0.2=13.6×10³×9.81×R2
R2=609.7mm
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Ф60×3.5mm与Ф45×3.5mm。
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:
(1)先计算A,B两处的流速:
uA=ws/ρsA=295m/s,uB=ws/ρsB
在A,B截面处作柏努力方程:
zAg+uA/2+PA/ρ=zBg+uB/2+PB/ρ+∑hf
∴1kg水流经A,B的能量损失:
∑hf=(uA-uB)/2+(PA-PB)/ρ=(uA-uB)/2+ρgR/ρ=4.41J/kg
(2).压强降与能量损失之间满足:
∑hf=ΓP/ρ∴ΓP=ρ∑hf=4.41×10³
16.密度为850kg/m³,粘度为8×10Pa·s的液体在∴p=r/2=d/8222
当u=u平均=0.5umax=0.5m/s时,
y=-2p(0.5-1)=d/8
=0.125d
∴即与管轴的距离r=4.95×10m
(3)在147×10和127.5×10两压强面处列伯努利方程
33-3222
u1/2+PA/ρ+Z1g=u2/2+PB/ρ+Z2g+∑hf
∵u1=u2,Z1=Z2
∴PA/ρ=PB/ρ+∑hf
损失能量hf=(PA-PB)/ρ=(147×10-127.5×10)/850
=22.94
∵流体属于滞流型
∴摩擦系数与雷若准数之间满足λ=64/Re
又∵hf=λ×(ι/d)×0.5u
∴ι=14.95m
∵输送管为水平管,∴管长即为管子的当量长度
即:
管长为14.95m
19.rН=A/п=(1×1.2)/2(1+1.2)=0.273m
当量直径de=4rН=1.109m
流体流经烟囱损失的能量
∑hf=λ•(ι/de)·u/2
=0.05×(30/1.109)×u/2
=0.687u
空气的密度ρ空气22223322=PM/RT=1.21Kg/m
空气3烟囱的上表面压强(表压)P上=-ρgh=1.21×9.81×30
=-355.02Pa
烟囱的下表面压强(表压)P下=-49Pa
烟囱P=(P上+P下)/2+P0=101128Pa
由ρ=PM/RT可以得到烟囱气体的密度
ρ=(30×10×101128)/(8.314×673)
=0.5422Kg/m
在烟囱上下表面列伯努利方程
P上/ρ=P下/ρ+Zg+∑hf
∴∑hf=(P上-P下)/ρ–Zg
=(-49+355.02)/0.5422–30×9.81
=268.25=0.687u
流体流速u=19.76m/s
质量流量ωs=uAρ=19.76×1×1.2×0.5422
=4.63×10Kg/h
20.每小时将2×10³kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽。
反应器液面上方保持26.7×10³Pa的真空读,高位槽液面上方
为大气压强。
管道为的钢管,总长为50m,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),5个标准弯头。
反应器ωs=2×10/3600=5.56kg/s
流速u=ωs/(Aρ)=1.43m/s
雷偌准数Re=duρ/μ=165199>4000
查本书附图1-29得5个标准弯头的当量长度:
5×2.1=10.5m
2个全开阀的当量长度:
2×0.45=0.9m
∴局部阻力当量长度∑ι
假定1/λ1/2e4423-3=10.5+0.9=11.4m=2lg(d/ε)+1.14=2lg(68/0.3)+1.14
∴λ=0.029
检验d/(ε×Re×λ1/2)=0.008>0.005
∴符合假定即λ=0.029
∴全流程阻力损失∑h=λ×(ι+∑ιe)/d×u/2+ζ×u/2
3222=[0.029×(50+11.4)/(68×10)+4]×1.43/2
=30.863J/Kg
在反应槽和高位槽液面列伯努利方程得
P1/ρ+We=Zg+P2/ρ+∑h
We=Zg+(P1-P2)/ρ+∑h
=15×9.81+26.7×10/1073+30.863
=202.9J/Kg
有效功率Ne=We×ωs=202.9×5.56=1.128×10
轴功率N=Ne/η=1.128×10/0.7=1.61×10W
=1.61KW
21.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3600m
³/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ωs=uAs=20.38×4/π×0.25×1.093
=1.093Kg/s
流体流动的雷偌准数Re=duρ/μ=2.84×10为湍流型
所有当量长度之和ι总522-53333=ι+Σιe
=50m
ε取0.15时ε/d=0.15/250=0.0006查表得λ=0.0189
所有能量损失包括出口,入口和管道能量损失
即:
∑h=0.5×u/2+1×u/2+(0.0189×50/0.25)·u/2
=1100.66
222
在1-1﹑2-2两截面处列伯努利方程
u/2+P1/ρ+We=Zg+u/2+P2/ρ+∑h
We=Zg+(P2-P1)/ρ+∑h
而1-1﹑2-2两截面处的压强差P2-P1=P2-ρ10
=1665.7Pa
∴We=2820.83W/Kg
泵的有效功率Ne=We×ωs=3083.2W=3.08KW
22.如本题附图所示,,贮水槽水位维持不变。
槽底与
(1).当闸阀关闭时,测得R=600mm,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≈15,摩擦系数仍取0.025。
解:
⑴根据流体静力学基本方程,设槽面到管道的高度为xρ
水
3
水
2
2
gh=1.96×10-10×9.81×31×
33
g(h+x)=ρ
3
水银
gR
3
10×(1.5+x)=13.6×10×0.6x=6.6m
部分开启时截面处的压强P1=ρ
水银
gR-ρ
水
gh=39.63×10Pa
3
在槽面处和1-1截面处列伯努利方程
Zg+0+0=0+u/2+P1/ρ+∑h而∑h=[λ(ι+Σι
=2.125u
∴6.6×9.81=u/2+39.63+2.125u
2
2
2
e2
)/d+ζ]·u/2
2
u=3.09/s
体积流量ωs=uAρ=3.09×π/4×(0.1)×3600=87.41m/h
⑵闸阀全开时取2-2,3-3截面列伯努利方程
Zg=u/2+0.5u/2+0.025×(15+ι/d)u/2
u=3.47m/s
取1-1﹑3-3截面列伯努利方程
P1/ρ=u/2+0.025×(15+ι
∴P1=3.7×10Pa
25.在两座尺寸相同的吸收塔而且并联管路气体总流量为个支路之和,即Vs=Vs1+2
Vs2
解:
⑴两阀全开时,两塔的通气量
由本书附图1-29查得d=200mm时阀线的当量长度ι
∑hf1=λ·(ι1e=150m+∑ιe1/d)·u1/2+5u1
2222=0.02×(50+150)/0.2·u1/2+5u1
∑hf2=λ·(ι2+∑ιe2/d)·u2/2+4u1
2222=0.02×(50+150)/0.2·u2/2+4u1
∵∑hf1=∑hf2
∴u1/u2=11.75/12.75即u1=0.96u2
22
又∵Vs=Vs1+Vs2
=u1A1+u2A2,A1=A2=(0.2)π/4=0.01π
=(0.96u2+u2)•0.01π
2
=0.3∴u2=4.875m/su1A=4.68m/s
即两塔的通气量分别为Vs1=0.147m/s,Vs12=0.153m/s⑵总的能量损失∑hf=∑hf1=∑hf2
=0.02×155/0.2·u1/2+5u1
2
2
2
3
3
=12.5u1=279.25J/Kg
26.用离心泵将20℃水经总管分别送至A,B容器u=2.3m/s
在原水槽处与压强计管口处去截面列伯努利方程
Z0g+We=u/2+P0/ρ+∑hf∵总管流动阻力不计∑hf=0We=u/2+P0/ρ-Z0g
=2.3/2+1.93×10/998.2-2×9.81=176.38J/Kg
∴有效压头He=We/g=17.98m⑵两支管的压头损失
在贮水槽和Α﹑Β表面分别列伯努利方程
2
5
2
2
2
-6
5
Z0g+We=Z1g+P1/ρ+∑hf1
Z0g+We=Z2g+P2/ρ+∑hf2得到两支管的能量损失分别为
∑hf1=Z0g+We–(Z1g+P1/ρ)
=2×9.81+176.38–(16×9.81+0)
=39.04J/Kg
∑hf2=Z0g+We-(Z2g+P2/ρ)
=2×9.81+176.38–(8×9.81+101.33×10/998.2)
=16.0J/Kg
∴压头损失Hf1=∑hf1/g=3.98m
Hf2=∑hf2/g=1.63m
28.本题附图所示为一输水系统,高位槽的水面维持
恒定,水分别从BC与BD两支管排出,高位槽液面与
两支管出口间的距离为11m,AB段即
u0A0=u1A1u0π38/4=u1π32/4
∴u0=0.71u1
分别在槽面与C-C,B-B截面处列出伯努利方程
0+0+Z0g=u1/2+0+0+∑hf,AC
2223
0+0+Z1g=u0/2+0+0+∑hf,AB
而∑hf,AC=λ•(ι
AB
2
/d0)·u0/2+λ•(ι
2
2
BC
/d1)·u1/2
2
2
=O.03×(58000/38)×u0/2+0.03·(12500/32)×u1/2
=22.89u0+5.86u1∑hf,AB=λ•(ι
AB2
2
/d0)·u0/2
2
2
=O.03×(58000/38)×u0/2=22.89u0∴u1=2.46m/s
BC支管的排水量VS,BC=u1A1=7.1m/s⑵所有的阀门全开VS,AB=VS,BC+VS,BD
u0A0=u1A1+u2A2u0π38/4=u1π32/4+u2π26/4u038=u132+u226假设在BD段满足1/λ∴λ
D
1/2
2
2
2
2
2
2
3
2
①
=2lg(d/ε)+1.14
=0.0317
同理在槽面与C-C,D-D截面处列出伯努利方程Z0g=u1/2+∑hf,AC
=u1/2+λ•(ι
22
AB
2
/d0)·u0/2+λ•(ι
2
BC
/d1)·u1/2②
2
Z0g=u2/2+∑hf,AD
=u2/2+λ•(ι
2
AB
/d0)·u0/2+λD•(ι
2
BD
/d2)·u2/2③
2
联立①②③求解得到u1=1.776m/s,u2=1.49m/s核算Re=duρ/μ=26×10×1.49×10/0.001=38.74×10(d/ε)/Reλ∴假设成立
即D,C两点的流速u1=1.776m/s,u2=1.49m/s
∴BC段和BD的流量分别为VS,BC=32×10×(π/4)×3600×1.776=5.14m/s
VS,BD=26×10×(π/4)×3600×1.49=2.58m/s
33
1/2
-3
3
3
=0.025>0.005
29.在Φ38×2.5mm的管路上装有标准孔板流量计,孔板的孔径为16.4mm,管中流动的是20℃的苯,采用角接取压法用U管压差计测量孔板两测的压强差,以水银为指示液,策压连接管中充满甲苯。
测得U管压差计的读数为600mm,试计算管中甲苯的流量为若干kg/h?
解:
查本书附表20℃时甲苯的密度和粘度分别为
ρ=867Kg/m,μ=0.675×10
假设Re=8.67×10
当A0/A1=(16.4/33)=0.245时,查孔板流量计的C0与Re,A0/A1的关系得到
C0=0.63
体积流量VS=C0A0[2gR(ρA-ρ)/ρ]
=0.63×π/4×16.4×10×[2×9.81×0.6×(13.6-0.867)/0.867]
=1.75×10m/s
流速u=VS/A=2.05m/s
核算雷偌准数Re=duρ/μ=8.67×10与假设基本相符
∴甲苯的质量流
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- 化工 原理 第二 天津大学 贾绍义夏清版 课后 习题 答案