化工原理题目答案.docx
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化工原理题目答案.docx
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化工原理题目答案
1.高位槽内的水面高于地面8m,水从φ108×4mm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Σhf=6.5u2计算,其中u为水在管道的流速。
试计算:
⑴A—A'截面处水的流速;⑵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,,2—2,处列柏努力方程Z1g+0+P1/ρ=Z2g+u2/2+P2/ρ+Σh(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/h
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Ф76×2.5mm,在操作条件下,泵入口处真空表的读数为24.66×103a,水流经吸入管与排处管(不包括喷头)的能量损失可分别按Σhf,1=2u2,入或排出管的流速m/s。
排水管与喷头连接处的压强为98.07×103a(表压)。
试求泵的有效功率。
解:
总能量损失Σhf=Σhf+,1Σhf,2u1=u2=u=2u2+10u212u2在截面与真空表处取截面作方程:
z0g+u02/2+P0/ρ=z1g+u2/2+P1/ρ+Σhf,1(P0-P1)/ρ=z1g+u2/2+Σhf,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+Σhf,2∴We=z2g+u2/2+P2/ρ+Σhf,2—(z1g+u2/2+P1/ρ)=12.5×9.81+(98.07+24.66)/998.2×10310×22=285.97J/kgNe=Wews=285.97×7.9=2.26kw
12.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36m。
3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245.2×103a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+uA22+PA/ρ1=ZBg+uB2/2+PB/ρ+9.81管径相同得uA=uB∴(PA-PB)/ρ=ZBg+9.81
由B到A段,在截面处作柏努力方程ZBg+uB2/2+PB/ρ+We=0+uA2PA/ρ+49∴We=(PA-PB)/ρ-ZBg+49=98.1+49=147.1J/kg∴WS=VSρ=36/3600×1100=11kg/sNe=We×WS=147.1×11=1618.1w泵的抽功率N=Ne/76%=2311.57W=2.31kw
(2)由第一个方程得(PA-PB)/ρ=ZBg+9.81得PB=PA-ρ(ZBg+9.81)=245.2×1031100×(7×9.81+98.1)=6.2×104Pa
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+uA2/2+PA/ρ=zBg+uB2/2+PB/ρ+Σhf∴1kg水流经A,B的能量损失:
Σhf=(uA2-uB2)/2+(PA-PB)/ρ=(uA2-uB2)/2+ρgR/ρ=4.41J/kg
(2).压强降与能量损失之间满足:
Σhf=ΔP/ρ∴ΔP=ρΣhf=4.41×103
16.密度为850kg/m3,粘度为8×10-3Pa·s的液体在内径为14mm的钢管内流动,溶液的流速为1m/s。
试计算:
(1)泪诺准数,并指出属于何种流型?
(2)局部速度等于平均速度处与管轴的距离;(3)该管路为水平管,若上游压强为147×103a,液体流经多长的管子其压强才下降到127.5×103a?
解:
(1)Re=duρ/μ=(14×10-3×1×850)/(8×10-3)=1.49×103>2000∴此流体属于滞流型
(2)由于滞流行流体流速沿管径按抛物线分布,令管径和流速满足y2=-2p(u-um)当u=0时,y2=r2=2pum∴p=r2/2=d2/8当u=u平均=0.5umax=0.5m/s时,y2=-2p(0.5-1)=d2/8=0.125d2∴即与管轴的距离r=4.95×10-3m(3)在147×103和127.5×103两压强面处列伯努利方程u12/2+PA/ρ+Z1g=u22/2+PB/ρ+Z2g+Σhf∵u1=u2,Z1=Z2∴PA/ρ=PB/ρ+Σhf损失能量hf=(PA-PB)/ρ=(147×103-127.5×103)/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)×0.5u2∴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
18.一定量的液体在圆形直管内做滞流流动。
若管长及液体物性不变,而管径减至原有的1/2,问因流动阻力而产生的能量损失为原来的若干倍?
解:
∵管径减少后流量不变∴u1A1=u2A2而r1=r2∴A1=4A2∴u2=4u由能量损失计算公式Σhf=λ?
(ι/d)×(1/2u2)得Σhf,1=λ?
(ι/d)×(1/2u12)Σhf,2=λ?
(ι/d)×(1/2u22)=λ?
(ι/d)×8(u1)2=16Σhf,1∴hf2=16hf1
20.每小时将2×103g的溶液用泵从反应器输送到高位槽。
反应器液面上方保持26.7×103a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。
反应器内液面与管路出口的距离为15m。
若泵效率为0.7,求泵的轴功率。
解:
流体的质量流速ωs=2×104/3600=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=10.5m2个全开阀的当量长度:
2×0.45=0.9m∴局部阻力当量长度Σιe=10.5+0.9=11.4m假定1/λ1/2=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Σh=λ×(ι+Σιe)/d×u2/2+ζ×u2/2=[0.029×(50+11.4)/(68×103)+4]×1.432/2=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+ΣhWe=Zg+(P1-P2)/ρ+Σh=15×9.81+26.7×103/1073+30.863=202.9J/Kg有效功率Ne=We×ωs=202.9×5.56=1.128×103轴功率N=Ne/η=1.128×103/0.7=1.61×103W=1.61KW
22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=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g(h+x)=ρ水银gR103×(1.5+x)=13.6×103×0.6x=6.6m部分开启时截面处的压强P1=ρ水银gR-ρ水gh=39.63×103Pa在槽面处和1-1截面处列伯努利方程Zg+0+0=0+u2/2+P1/ρ+Σh而Σh=[λ(ι+Σιe)/d+ζ]·u2/2=2.125u2∴6.6×9.81=u2/2+39.63+2.125u2u=3.09/s体积流量ωs=uAρ=3.09×π/4×(0.1)2×3600=87.41m3/h⑵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+ι/d)u2/2u=3.47m/s取1-1﹑3-3截面列伯努利方程P1'/ρ=u2/2+0.025×(15+ι'/d)u2/2∴P1'=3.7×104Pa
26.用离心泵将20℃水经总管分别送至A,B容器内,总管流量为89m/h3,ф127×5mm。
原出口压强为1.93×105Pa,容器B内水面上方表压为1kgf/cm2,总管的流动阻力可忽略,各设备间的相对位置如本题附图所示。
试求:
(1)离心泵的有效压头He;
(2)两支管的压头损失Hf,o-A,Hf,o-B,。
解:
(1)离心泵的有效压头总管流速u=Vs/A而A=3600×π/4×(117)2×10-6u=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=u2/2+P0/ρ+Σhf∵总管流动阻力不计Σhf=0We=u2/2+P0/ρ-Z0g=2.32/2+1.93×105/998.2-2×9.81
=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Z0g+We=Z1g+P1/ρ+Σhf1Z0g+We=Z2g+P2/ρ+Σhf2得到两支管的能量损失分别为Σhf1=Z0g+We–(Z1g+P1/ρ)=2×9.81+176.38–(16×9.81+0)=39.04J/KgΣhf2=Z0g+We-(Z2g+P2/ρ)=2×9.81+176.38–(8×9.81+101.33×103/998.2)=16.0J/Kg∴压头损失Hf1=Σhf1/g=3.98mHf2=Σhf2/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段内径为38mm,长为58m;BC支管内径为32mm,长为12.5m;BD支管的内径为26mm,长为14m,各段管长均包括管件及阀门全开时的当量长度。
AB与BC管的摩擦系数为0.03。
试
(1)当BD支管的阀门关闭时,BC支管的最大排水量为若干m3h?
(2)当所有的阀门全开时,两支管的排水量各为若干m3h?
BD支管的管壁绝对粗糙度为0.15mm,水的密度为1000kg/m3,解:
(1)BD支管的阀门关闭VS,AB=VS,BC即u0A0=u1A1u0π382/4=u1π322/4∴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=u12/2+0+0+Σhf,AC0+0+Z1g=u02/2+0+0+Σhf,AB而Σhf,AC=λ?
ιAB/d0)·u02/2+λ?
ιBC/d1)·u12/2=O.03×(58000/38)×u02/2+0.03·(12500/32)×u12/2=22.89u02+5.86u12Σhf,AB=λ?
ιAB/d0)·u02/2=O.03×(58000/38)×u02/2=22.89u02∴u1=2.46m/sBC支管的排水量VS,BC=u1A1=7.1m3/s⑵所有的阀门全开VS,AB=VS,BC+VS,BDu0A0=u1A1+u2A2u0π382/4=u1π322/4+u2π262/4u0382=u1322+u226假设在BD段满足1/λ1/2=2lg(d/ε)+1.14∴λD=0.0317同理在槽面与C-C,D-D截面处列出伯努利方程Z0g=u12/2+Σhf,AC=u12/2+λ?
ιAB/d0)·u02/2+λ?
ιBC/d1)·u12/2②Z0g=u22/2+Σhf,AD=u22/2+λ?
ιAB/d0)·u02/2+λD?
ιBD/d2)·u22/2③
联立①②③求解得到u1=1.776m/s,u2=1.49m/s核算Re=duρ/μ=26×10-3×1.49×103/0.001=38.74×103(d/ε)/Reλ1/2=0.025>0.005∴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=5.14m3/sVS,BD=26×10×(π/4)×3600×1.49=2.58m3/s
2.用离心泵以40m3h的流量将贮水池中65℃的热水输送到凉水塔顶,并经喷头喷出而落入凉水池中,以达到冷却的目的,已知水进入喷头之前需要维持49kPa的表压强,喷头入口较贮水池水面高6m,吸入管路和排出管路中压头损失分别为1m和3m,管路中的动压头可以忽略不计。
试选用合适的离心泵并确定泵的安装高度。
当地大气压按101.33kPa计。
解:
∵输送的是清水∴选用B型泵查65℃时水的密度ρ=980.5Kg/m3在水池面和喷头处列伯努利方程u12/2g+P1/ρg+Η=u12/2g+P2/ρg+Ηf+Z取u1=u2=0则Η=(P2-P1)/ρg+Ηf+Z=49×103/980.5×9.8+6+(1+4)=15.1m∵Q=40m3/h由图2-27得可以选用3B19A2900465℃时清水的饱和蒸汽压PV=2.544×104Pa当地大气压Ηa=P/ρg=101.33×103/998.2×9.81=10.35m查附表二十三3B19A的泵的流量:
29.5—48.6m3/h
为保证离心泵能正常运转,选用最大输出量所对应的ΗS'即ΗS'=4.5m输送65℃水的真空度ΗS=[ΗS'+(Ηa-10)-(PV/9.81×103–0.24)]1000/ρ=2.5m∴允许吸上高度Hg=ΗS-u12/2g-Ηf,0-1=2.5–1=1.5m即安装高度应低于1.5m
3.常压贮槽内盛有石油产品,其密度为760kg/m3,粘度小于20cSt,在贮槽条件下饱和蒸汽压为80kPa,现拟用65Y-60B型油泵将此油品以15m3流送往表压强为177kPa的设备内。
贮槽液面恒定,设备的油品入口比贮槽液面高5m,吸入管路和排出管路的全部压头损失为1m和4m。
试核算该泵是否合用。
若油泵位于贮槽液面以下1.2m处,问此泵能否正常操作?
当地大气压按101.33kPa计.解:
查附录二十三65Y-60B型泵的特性参数如下流量Q=19.8m3/s,气蚀余量△h=2.6m扬程H=38m允许吸上高度Hg=(P0-PV)/ρg-△h-Ηf,0-1=-0.74m>-1.2扬升高度Z=H-Ηf,0-2=38–4=34m如图在1-1,2-2截面之间列方程u12/2g+P1/ρg+Η=u22/2g+P2/ρg+Ηf,1-2+△Z其中u12/2g=u22/2g=0管路所需要的压头:
e=(P2–P1)/ρg+△Z+Ηf,1-2=33.74m 离心泵的流量,扬升高度均大雨管路要求,且安装高度有也低于最大允许吸上高度因此,能正常工作 4.用例2-2附图所示的管路系统测定离心泵的气蚀性能参数,则需在泵的吸入管路中安装调节阀门。 适当调节泵的吸入和排出管路上两阀门的开度,可使吸入管阻力增大而流量保持不变。 若离心泵的吸入管直径为100mm,排出管直径为50mm,孔板流量计孔口直径为35mm,测的流量计压差计读数为0.85mHg吸入口真空表读数为550mmHg时,离心泵恰发生气蚀现象。 试求该流量下泵的允许气蚀余量和吸上真空度。 已知水温为20℃,当地大气压为760mmHg。 解: 确定流速A0/A2=(d0/d2)2=(35/50)=0.49查20℃时水的有关物性常数ρ=998.2Kg/m3,μ=100.5×10-5,PV=2.3346Kpa假设C0在常数区查图1-33得C0=0.694则 u0=C0[2R(ρA-ρ)g/ρ]1/2=10.07m/su2=0.49u0=4.93m/s核算: Re=d2u2ρ/μ=2.46×105>2×105∴假设成立u1=u2(d2/d1)2=1.23m/s允许气蚀余量△h=(P1-P2)/ρg+u12/2gP1=Pa-P真空度=28.02Kpa△h=(28.02-2.3346)×103/998.2×9.81=2.7m允许吸上高度Hg=(Pa-PV)/ρg-△h-ΣΗf∵离心泵离槽面道路很短可以看作ΣΗf=0∴Hg=(Pa-PV)/ρg-△h=(101.4–2.3346)×103/(998.2×9.81)–2.7=7.42m 6.某型号的离心泵,其压头与流量的关系可表示为H=18-0.6×106Q2(H单位为m,Q单位为m3s)若用该泵从常压贮水池将水抽到渠道中,已知贮水池截面积为100m2,池中水深7m。 输水之初池内水面低于渠道水平面2m,假设输水渠道水面保持不变,且与大气相通。 管路系统的压头损失为Hf=0.4×10Q2(Hf单位为m,Q单位为m3s)。 试求将贮水池内水全部抽出所需时间。 解: 列出管路特性方程Ηe=K+HfK=△Z+△P/ρg∵贮水池和渠道均保持常压∴△P/ρg=0∴K=△Z∴Ηe=△Z+0.4×106Q2在输水之初△Z=2m∴Ηe=2+0.4×106Q2 联立H=18-0.6×106Q2,解出此时的流量Q=4×10-3m3/s将贮水槽的水全部抽出△Z=9m ∴Ηe=9+0.4×106Q'2再次联立H=18-0.6×106Q2,解出此时的流量Q'=3×10-3m3/s∵流量Q随着水的不断抽出而不断变小∴取Q的平均值Q平均=(Q+Q')/2=3.5×10-3m3/s把水抽完所需时间τ=V/Q平均=55.6h 8.现采用一台三效单动往复泵,将敞口贮罐中密度为1250kg/m3的直径为70mm,冲程为225mm,往复次数为2001/min,泵的总效率和容积效率为0.9和0.95。 试求泵的实际流量,压头和轴功率。 解: 三动泵理论平均流量QT=3ASnr=3×π/4×(0.07)2×0.025×200=0.52m3/min 实际流量Q=ηQT=0.95×0.52=0.494m3/min泵的压头H=△P/ρg+△u2/2g+ΣHf+Z取△u2/2g=0=△P/ρg+ΣHf+Z=1.28×106/1250×9.81+2+10=116.38m轴功率N=HQρ/102η=13.05Kw 3在底面积.40m2的除尘室回收气体中的球形固体颗粒气体的处理量为3600m3h,固体的密度ρs=3600kg/m3,操作条件下气体的密度ρ=1.06kg/m3,粘度为3.4×10-5Pa? s。 试求理论上完全除去的最小颗粒直径。 解: 根据生产能力计算出沉降速度ut=Vs/bι=3600/40m/h=0.025m/s假设气体流处在滞流区则可以按ut=d2(ρs-ρ)g/18μ进行计算∴d2=18μ/(ρs-ρ)g·ut可以得到d=0.175×10-4m核算Re=dutρ/μ〈1,符合假设的滞流区∴能完全除去的颗粒的最小直径d=0.175×10-4m=17.5μm 5.含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m3,气体流量为000m3h,粘度为.6×10-5Pa? 密度为.674kg/m3,,采用如图3-8所示的标准型旋风分离器进行除尘。 若分离器圆筒直径为0.4m,试估算其临界直径,分割粒径及压强降。 解: (1)临界直径选用标准旋风分离器Ne=5,ξ=8.0B=D/4,h=D/2由Vs=bhui得Bh=D/4·D/2=Vs/ui∴ui=8Vs/D2根据dc=[9μB/(πNeρsui)]1/2计算颗粒的临界直径∴dc=[9×3.6×10×0.25×0.4/(3.14×5×2300×13.889)]1/2=8.04×10-6m=8.04μm (2)分割粒径根据d50=0.27[μD/ut(ρs-ρ)]计算颗粒的分割粒径∴d50=0.27[3.6×10-5×0.4/(13.889×2300)]1/2=0.00573×10-3m=5.73μm(3)压强降根据△P=ξ·ρui2/2计算压强降∴△P=8.0×0.674×13.8892/2=520Pa 7.验室用一片过滤面积为0.1m3的的滤叶对某种颗粒在水中的悬浮液进行实验,滤叶内部真空读为500mmHg,过滤5min的滤液1L,又过滤5min的滤液0.6L,若再过滤5min得滤液多少? 分析: 此题关键是要得到虚拟滤液体积,这就需要充分利用已知条件,列方方程求解 解: ⑴虚拟滤液体积由过滤方程式V2+2VVe=KA2θ过滤5min得滤液1L(1×10-3)2+2×10-3Ve=KA2×5①过滤10min得滤液1.6L(1.6×10-3)2+2×1.6×10-3Ve=KA2×10②由①②式可以
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