化工原理 習題

1、化工原理化工原理 總習題總習題 例：利用遠距離測量控制裝置測定一分相槽內(nèi)油和水的兩 相界面位置，已知兩吹氣管出口的間距為H1m，壓差計中 指示液為水銀。煤油、水、水銀的密度分別為800kg/m3、 1000kg/m3、13600kg/m3。求當壓差計指示R67mm時，界 面距離上吹氣管出口端距離h。 解：忽略吹氣管出口端到U 型管兩側(cè)的氣體流動阻 力造成的壓強差，則： 21 ,pppp ba hHghHgP a 水油 1 （表） 1 gHP b油 (表） gRpp Hg 21 gRhHggh Hg 水油 油水 水 RH h Hg 8201000 067. 0136000 . 11000 m49

2、3. 0 例1：如圖所示，某廠為了控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)的壓強不超過 10.7103Pa（表壓），需在爐外裝有安全液封，其作用是 當爐內(nèi)壓強超過規(guī)定，氣體就從液封管口排出，試求此爐 的安全液封管應(yīng)插入槽內(nèi)水面下的深度h。 解：過液封管口作基準水平面 o-o，在其上取1，2兩點。 壓強爐內(nèi) 1 P 3 107 .10 a P ghPP a 2 21 PP ghPP aa 3 107 .10 mh9 .10 例2：真空蒸發(fā)器操作中產(chǎn)生的水蒸氣，往往送入本題附圖 所示的混合冷凝器中與冷水直接接觸而冷凝。為了維持操作 的真空度，冷凝器的上方與真空泵相通，不時將器內(nèi)的不凝 氣體（空氣）抽走。同時為了防止外界空

3、氣由氣壓管漏入， 致使設(shè)備內(nèi)真空度降低，因此，氣壓管必須插入液封槽中， 水即在管內(nèi)上升一定高度h，這種措施稱為液封液封。若真空表 讀數(shù)為 80104Pa，試求氣壓管內(nèi)水上升的高度h。 解：設(shè)氣壓管內(nèi)水面上方的絕對壓強為P，作用于液封 槽內(nèi)水面的壓強為大氣壓強Pa，根據(jù)流體靜力學基本方程 式知： ghPP a g PP h a g 真空度 81. 91000 1080 3 m15. 8 2、柏努利方程的應(yīng)用 1）確定流體的流量 例：20的空氣在直徑為800mm的水平管流過，現(xiàn)于管路 中接一文丘里管，如本題附圖所示，文丘里管的上游接一水 銀U管壓差計，在直徑為20mm的喉徑處接一細管，其下部插 入

4、水槽中?？諝饬魅胛那鹄锕艿哪芰繐p失可忽略不計，當U管 壓差計讀數(shù)R=25mm，h=0.5m時，試求此時空氣的流量為多 少m3/h? 當?shù)卮髿鈮簭姙?01.33103Pa。 分析： 2 4 3600duVh 求流量Vh 已知d 求u 直管 任取一截面 柏努利方程 氣體 判斷能否應(yīng)用？ 解：取測壓處及喉頸分別為截面1-1和截面2-2 截面1-1處壓強 ： gRP Hg 1 截面2-2處壓強為 ： ghP 2 流經(jīng)截面1-1與2-2的壓強變化為： )3335101330( )490510330()3335101330( 1 21 P PP 025. 081. 913600表壓）(3335Pa 5 .

5、 081. 91000表壓）(4905Pa 079. 0%9 . 7%20 在截面1-1和2-2之間列柏努利方程式。以管道中心線作基準水平面。 由于兩截面無外功加入，We=0。 能量損失可忽略不計hf=0。 柏努利方程式可寫為： 2 2 2 2 1 2 1 1 22 Pu gZ Pu gZ 式中： Z1=Z2=0 P1=3335Pa（表壓） ，P2= - 4905Pa（表壓 ） 0 0 4 .22TP PTM m m 101330293 )49053335(2/1101330273 4 .22 29 3 /20. 1mkg 2 . 1 4905 220. 1 3335 2 2 2 2 1 uu

6、 化簡得： (a) 13733 2 1 2 2 uu 由連續(xù)性方程有： 2211 AuAu 2 2 1 12 d d uu 2 1 02. 0 08. 0 u (b) 16 12 uu 聯(lián)立(a)、(b)兩式 137336 2 1 2 1 uu smu/34. 7 1 1 2 1 4 3600udVh 34. 708. 0 4 3600 2 hm /8 .132 3 2）確定容器間的相對位置 例：如本題附圖所示，密度為850kg/m3的料液從高位槽 送入塔中，高位槽中的液面維持恒定，塔內(nèi)表壓強為 9.81103Pa，進料量為5m3/h，連接 管直徑為382.5mm，料液在連接 管內(nèi)流動時的能量

7、損失為30J/kg(不包 括出口的能量損失)，試求高位槽內(nèi) 液面應(yīng)為比塔內(nèi)的進料口高出多少？ 分析： 解： 取高位槽液面為截面1-1，連接管出口內(nèi)側(cè)為截面2- 2, 并以截面2-2的中心線為基準水平面，在兩截面間列柏努 利 方程式： 高位槽、管道出口兩截面 u、p已知 求Z 柏努利方程 fe h pu gZW pu gZ 2 2 2 2 1 2 1 1 22 式中： Z2=0 ；Z1=? P1=0(表壓) ； P2=9.81103Pa(表壓） A V u S 2 由連續(xù)性方程 2211 AuAu A1A2, We=0 ， kgJh f /30 2 4 d VS 2 033. 0 4 3600

8、5 sm/62. 1 u1P3P4 ，而P4P5 4000 此流體屬于湍流型 15.在本題附圖所示的實驗裝置中，于異徑水平管段兩 截面間連一倒置U管壓差計，以測量兩截面的壓強差。 當水的流量為10800kg/h時，U管壓差計讀數(shù)R為 100mm，粗細管的直徑分別為603.5mm與 453.5mm。計算：（1）1kg水流經(jīng)兩截面間的能 量損失。（2）與該能量損失相當?shù)膲簭娊禐槿舾蒔a？ 解：（1）先計算A，B兩處的流速： 解：（1）先計算A，B兩處的流速： uA=ws/sA=295m/s，uB= ws/sB 在A，B截面處作柏努力方程： zAg+uA2/2+PA/=zBg+uB2/2+PB/+h

9、f 1kg水流經(jīng)A，B的能量損失： hf= （uA2-uB2）/2+（PA- PB）/ =（uA2-uB2）/2+gR/=4.41J/kg （2）壓強降與能量損失之間滿足： hf=P/ P=hf=4.4110 19用泵將2104 kg/h的溶液自反應(yīng)器送至高位槽（見本題 附圖）。反應(yīng)器液面上方保持25.9103 Pa的真空度，高位槽 液面上方為大氣壓。管道為 76 mm4 mm的鋼管，總長為35 m，管線上有兩個全開的閘閥、一個孔板流量計（局部阻力 系數(shù)為4）、五個標準彎頭。反應(yīng)器內(nèi)液面與管路出口的距 離為17 m。若泵的效率為0.7，求泵的軸功率。（已知溶液的 密度為1073 kg/m3，黏

10、度為6.3 10-4 Pa s。管壁絕對粗糙度可 取為0.3 mm。 解：在反應(yīng)器液面1-1，與管路出口內(nèi)側(cè)截面2-2，間列柏努利方 程，以截面1-1，為基準水平面，得 （1） 式中 z1=0，z2=17 m，ub10 p1=-25.9103 Pa (表)，p2=0 (表) 22 b1b212 12f 22 uupp gzWegzh sm43. 1sm 1073068. 0785. 03600 102 4 2 4 2 b2 d w u s p1=-25.9103 Pa (表)，p2=0 (表) 將以上數(shù)據(jù)代入式（1），并整理得 20如本題附圖所示，貯槽內(nèi)水位維持不變。槽的底 部與內(nèi)徑為100

11、mm的鋼質(zhì)放水管相連，管路上裝有一 個閘閥，距管路入口端15 m處安有以水銀為指示液的 U管壓差計，其一臂與管道相連，另一臂通大氣。壓 差計連接管內(nèi)充滿了水，測壓點與管路出口端之間的 直管長度為20 m。 （1）當閘閥關(guān)閉時，測得R=600 mm、h=1500 mm； 當閘閥部分開啟時，測得R=400 mm、h=1400 mm。摩 擦系數(shù) 可取為0.025，管路入口處的局部阻力系數(shù)取為 0.5。問每小時從管中流出多少水（m3）？ （2）當閘閥全開時，U管壓差計測壓處的壓力為多 少Pa（表壓）。（閘閥全開時Le/d15，摩擦系數(shù)仍可 取0.025。） 解：（1）閘閥部分開啟時水的流量 在貯槽水面

12、1-1，與測壓點處截面2-2，間列機械能衡算方程，并通過截面2- 2，的中心作基準水平面，得 22 b1b212 12f 12 22 uupp gzgzh ， 式中 p1=0(表) （表）Pa39630 Pa4 . 181. 910004 . 081. 913600 OHHg2 2 gRgRp ub2=0，z2=0 z1可通過閘閥全關(guān)時的數(shù)據(jù)求取。當閘閥全關(guān)時，水靜止不動 ，根據(jù)流體靜力學基本方程知 2 H O1Hg ()g zhgR 式中 h=1.5 m, R=0.6 m 將已知數(shù)據(jù)代入式（b）得 m66. 6m5 . 1 1000 6 . 013600 1 z 22 22 bb f,1-2

13、cbb 15 ()2.13(0.0250.5)2.13 20.12 uuL huu d 將以上數(shù)值代入上式，則 2 .26 10002 51. 3 66. 681. 9 2 2 p 解得 p2=3.30104 Pa（表壓） 式中 z1=6.66 m，z2=0，ub10，ub2=3.51 m/s，p1=0（表壓力） kgJ26.2kgJ 2 51. 3 5 . 0 1 . 0 5 . 1 025. 0 2 2f,1 h 第四第四章章 課后習題課后習題 1. 平壁爐的爐壁由三種材料組成，其厚度導熱系數(shù)列于本題 附表中： 若耐火磚層內(nèi)表面的溫度t1為1150，鋼板外表面溫 度t4為30，又測得通過爐

14、臂的熱損失為300W/m2，試計算導 熱的熱通量。若計算結(jié)果與實測的熱損失不符，試分析原因和 計算附加熱阻。 序 號 材料 厚度，mm 導熱系數(shù)，w/（m） 1（內(nèi)層） 耐火磚 200 1.07 2 絕緣磚 100 0.14 3 鋼 6 45 解：提取表中所給出的數(shù)據(jù) 耐火磚 ：b1 = 0.2 m ，1= 1.07w/（m） 絕緣層 ： b2 = 0.1 m ，2= 0.14 w/（m ） 鋼 ： b3 = 0.006 m ，3= 45 w/（m ） 2 14 312 123 115030 1242/ 0.20.10.006 1.070.1445 tt qW m bbb SSS 這與實際冊得

15、的熱損失q = 300w/m 有一定的差距，因此有可 能存在一部分附加熱阻，設(shè)此附加熱阻為R 14 312 123 2 2 115030 300/ 0.20.10.006 1.070.1445 2.83/ tt q bbb R SSS W m R RmC W 9.在逆流換熱器中，用初溫為20的水將1.25kg/s的液體（比熱 容為1.9kJ/kg，密度為850kg/m），由80冷卻到30。換熱 器的列管直徑為252.5mm，水走管方。水側(cè)和液體側(cè)的對流 傳熱系數(shù)分別為0.85 W/（m2）和1.70 W/（m2）。污垢熱 阻忽略。若水的出口溫度不能高于50，試求換熱器的傳熱面 積。 解：熱流體

16、：T1=80 T2=30 冷流體： 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.在一傳熱面積為50m2的單程列管式換熱器中，用水冷卻某種 溶液。兩流體呈逆流流動。冷水的流量為33000kg/h，溫度由 20升至38。溶液的溫度由110降至60。若換熱器清洗 后，在兩流體的流量和

17、進口溫度不變的情況下，冷水出口溫度 增至45。試估算換熱器清洗前后傳熱面兩側(cè)的總污垢熱阻。 假設(shè)（1）兩種情況下，流體物性可視為不變，水的比熱容可 取4.187kJ/（kg）；（2）可按平壁處理，兩種工況下i和0 分別相同；（3）忽略管壁熱阻和熱損失。 解：換洗前：熱流體：T1=110 T2=60 冷流體： t2=38 t1=20 t1=72 t2=40 tm =（t1- t2）/ln（t1/t2）=54.4 Q= WhCph（T1 - T2 ）=50WhCph =WcCpc（t2-t1）=18WcCpc =K0S0tm =54.4K0S0 代入數(shù)據(jù)計算得K0=254 W/（m2） 換洗后：熱

18、流體：T1=110 T2=? 冷流體：t2=45 t1=20 t1=72 t2=40 tm =（t1- t2）/ln（t1/t2）=54.4 Q= WhCph（T1 - T2 ）=（100-T2）WhCph =WcCpc（t2-t1） =25WcCpc =K0，S0tm， 50/（100-T2）=18/25 T2=40.56 tm， =（t1，- t2，）/ln（t1，/t2，）=35 Q= =WcCpc（t2-t1）= K0，S0tm， 代入數(shù)據(jù)計算得K0，=548.3 W/（m2） 總污垢熱阻為：1/ K0-1/ K0，=1/245-1/548.3 =2.110-3 m2/W 例：有一列管換熱器，由252.5的鋼管組成。CO2在管內(nèi) 流動，冷卻水在管外流動。已知管外的1=2500W/m2k，管 內(nèi)的2= 50W/m2k 。 （1）試求傳熱系數(shù)K； （2）若1增大一倍，其它條件與前相同，求傳熱系數(shù)增大