化工原理習題課

1.為了確定容器中石油產品的液面，采用如附圖所示的裝置。壓縮空氣用調節(jié)閥1調節(jié)流量，使其流量控制得很小，只要在鼓泡觀察器2內有氣泡緩慢逸出即可。因此，氣體通過吹氣管4的流動阻力可忽略不計。吹氣管內壓力用U管壓差計3來測量。壓差計讀數(shù)R的大小，反映貯罐5內液面高度。指示液為汞。2023/11/201.分別由a管或由b管輸送空氣時，壓差計讀數(shù)分別為R1或R2，試推導R1、R2分別同Z1、Z2的關系。2.當（Z1－Z2）＝1.5m，R1＝0.15m，R2＝0.06m時，試求石油產品的密度ρ及Zio2023/11/20

解（1）在本例附圖所示的流程中，由于空氣通往石油產品時，鼓泡速度很慢，可以當作靜止流體處理。因此可以從壓差計讀數(shù)R1，求出液面高度Z1，即（2）將式（a）減去式（b）并經整理得

故（a）（b）2023/11/20

2.

當20℃的甘油(ρ=1261kg.m-3,μ=1499厘泊)在內徑為100mm的管內流動時,若流速為2.0m.s-1時,其雷諾準數(shù)Re為__________,其摩擦阻力系數(shù)λ為________.2023/11/203.

如圖所示，用內徑d＝100mm的管道，從水箱中引水。如水箱中水面恒定，水面高出管道出口中心高度H＝4m，忽略水箱入管道的入口阻力損失。水在管內流動損失，沿管長均勻發(fā)生，hfA-B＝3·ｕ2/（2ｇ）。求：（1）水在管內的流速ｕ及流量Q（2）管道中點處M的靜壓強PM。假設AB高度差為3m2023/11/20（1）列0－0與2－2截面柏努利方程：

Z0＋P0/ρｇ＋ｕ00/2ｇ＝Z2＋P2/ρｇ＋ｕ22

/2ｇ＋∑ｈf以2－2截面為基準面，Z2＝0，u0＝0，P0＝P2∴4＝ｕ22

/2ｇ＋3ｕ22

/2ｇ＝4×ｕ22

/2g解得ｕ2＝4.43m.s-1∴V＝ｕA＝0.785×0.12×4.43

＝0.0348m3.s-1＝125m3.h-1（2）列M點與出口截面的柏努利方程

ZM＋PM/ρｇ＋ｕM2

/2ｇ＝Z2＋P2/

ρｇ＋ｕ22

/2ｇ＋∑ｈfM-2

1＋PM/ρｇ＋ｕM2

/2ｇ＝ｕ22

/2ｇ＋3/3×ｕ22

/2ｇ∵ｕM＝ｕ2∴PM/ρｇ＝3/3×ｕ22

/2ｇ－1

2023/11/20水在一傾斜管中流動，如附圖所示，已知壓差計讀數(shù)為200mm，試問測量段的阻力為多少？2023/11/204.

在內管為φ180×10mm的套管換熱器中,將流量為3500kg.h-1的某液態(tài)烴從100℃冷卻到60℃,其平均比熱為2.38kJ.kg-1.K-1,環(huán)隙走冷卻水,其進出口溫度分別為40℃和50℃,平均比熱為4.17kJ.kg-1K-1,基于傳熱外面積的總傳熱系數(shù)K0=1800w.m-2K-1,設其值恒定,忽略熱損失。試求：(1)冷卻水用量；(2)分別計算兩流體為逆流和并流情況下的平均溫差及所需管長。2023/11/20冷卻水用量ｗhCph(T1-T2)＝ｗcCpc(t2-t1)3500×2.38×(100-60)＝ｗc×4.17×(50-40)

ｗc＝7990kg.h-1Δt逆＝(50-20)/ｌｎ(50/20)＝32.75℃Δt并＝(60-10)/ｌｎ(60/10)＝27.91℃Q＝KAΔtmQ＝7990×4.17×(50-40)=3.332×106kJ.h-1∴A＝3.332×105/[(1800/1000)×32.75×3600]

＝1.57(m2)πｄ0

ｌ＝1.573.14×0.18×ｌ＝1.57∴ｌ逆＝2.77(m)A并＝3.332×106/[(1800/1000)×27.91×3600]＝1.84(m2)3.14×0.18×ｌ并＝1.84∴ｌ并＝3.26(m)2023/11/2020℃的空氣在直徑為80mm的水平管流過?，F(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的喉頸處接一細管，其下部插入水槽中?？諝饬鬟^文丘里管的能量損失可忽略不計。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若干m3/h。當?shù)卮髿鈮簭姙?01.33×103Pa。2023/11/20解：文丘里管上游測壓口處的壓強為

p1=ρHggR=13600×9.81×0.025=3335Pa(表壓)喉頸處的壓強為

p2=－ρgh=－1000×9.81×0.5=－4905P（表壓）空氣流經截面1-1'與2-2'的壓強變化為

故可按不可壓縮流體來處理。2023/11/20在截面1-1‘與2-2’之間列柏努利方程式，以管道中心線作基準水平面。兩截面間無外功加入，即We=0；能量損失可忽略，即=0。據(jù)此，柏努利方程式可寫為據(jù)連續(xù)性方程u1A1=u2A22023/11/20

用泵將貯槽中密度為1200kg/m3的溶液送到蒸發(fā)器內，貯槽內液面維持恒定，其上方壓強為101.33×103Pa，蒸發(fā)器上部的蒸發(fā)室內操作壓強為26670Pa（真空度），蒸發(fā)器進料口高于貯槽內液面15m，進料量為20m3/h，溶液流經全部管路的能量損失為120J/kg，求泵的有效功率。管路直徑為60mm。2023/11/20解：取貯槽液面為1―1截面，管路出口內側為2―2截面，并以1―1截面為基準水平面，在兩截面間列柏努利方程。式中Z1=0Z2=15mp1=0（表壓）p2=－26670Pa（表壓）u1=0

=120J/kg泵的有效功率Ne為：Ne=We·ms2023/11/20某板框壓濾機共有10個框,框空長、寬各為500mm,在一定壓力下恒壓過濾30min后,獲得濾液5m3,假設濾布阻力可以忽略不計,試求:(1)過濾常數(shù)K;(2)如果再過濾30min,還能獲得多少m3濾液?2023/11/20（1）過濾面積

m2

（2）m2/sm2/s

過濾獲得的濾液量m3

m3

2023/11/20在一φ60×3.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導熱系數(shù)λ=0.07W/m·℃，外層為20mm的石棉層，其平均導熱系數(shù)λ=0.157W/m·℃?，F(xiàn)用熱電偶測得管內壁溫度為500℃，最外層表面溫度為80℃，管壁的導熱系數(shù)λ=45W/m·℃。試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。解(a)每米管長的熱損失r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m2023/11/20(b)保溫層界面溫度t3

t3=131.2℃2023/11/20一列管換熱器，由φ25×2mm的136根不銹鋼管組成。平均比熱為4.187kJ/kg.℃的某溶液在管內作湍流流動,其流量為15000kg/h,并由15℃被加熱到100℃。溫度為110℃的飽和水蒸汽在殼方冷凝。已知單管程時管壁對溶液的對流傳熱系數(shù)為520w/m2.℃,蒸汽對管壁的對流傳熱系數(shù)為1.16×104w/m2.℃,不銹鋼管的導熱系數(shù)λ=17w/m.℃,忽略垢層熱阻和熱損失,試求4管程時的列管長度（有效長度）。2023/11/201、某液體在一等徑直管中始終處于層流裝狀態(tài)流動，若體積流量不變，管內徑減小為原來的一半，假定管內的相對粗糙度不變，則層流時，流動阻力變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦?/p>

解：(1)由

得

2023/11/202.兩顆直徑不同的玻璃球分別在水中和空氣中以相同的速度自由沉降。已知玻璃球的密度為2500kg/m3，水的密度為998.2kg/m3，水的粘度為1.005

10-3Pas，空氣的密度為1.205kg/m3，空氣的粘度為1.8110-5Pas。（1）若在層流區(qū)重力沉降，則水中顆粒直徑與空氣中顆粒直徑之比為多少。（2）若在層流區(qū)離心沉降，已知旋風分離因數(shù)與旋液分離因數(shù)之比為2，則水中顆粒直徑與空氣中顆粒直徑之比為多少2023/11/20解：(1)由

得

所以

2023/11/20(2)由

得

，所以

2023/11/203.某一球形顆粒在空氣中自由重力沉降。已知該顆粒的密度為5000kg/m3，空氣的密度為1.205kg/m3，空氣的粘度為1.81

10-5Pa

s。則在層流區(qū)沉降的最大顆粒直徑為多少。

解：(1)由

得

而

所以

2023/11/204.對某懸浮液進行恒壓過濾。已知過濾時間為300s時，所得濾液體積為0.75m3，且過濾面積為1m2，恒壓過濾常數(shù)K=5

10-3m2/s。若要再得濾液體積0.75m3，則又需過濾時間為多少解：由

得

所以

2023/11/205.某流體在水平串聯(lián)的兩直管1、2中穩(wěn)定流動，已知，

，。今測得該流體流徑管道1的壓力降為0.64m液柱，流徑管道2的壓力降為0.064m液柱，試計算管道2的長度。，

解：由

，得

所以

所以

所以

，又，2023/11/20所以

所以

2023/11/206.在如圖所示的平板導熱系數(shù)測定裝置中，試樣直徑，且由于試樣厚度b遠小于直徑d，可以忽略試樣徑向的熱損失。由于安裝不好，試樣與冷、熱表面之間均存在著一層厚度為0.1mm的空氣隙。設熱表面溫度，冷表面溫度。測試時測得的傳熱速率?？諝庀对谙碌膶嵯禂?shù)，在下的導熱系數(shù)。試計算空氣隙的存在給導熱系數(shù)的測定帶來的誤差。（提示：不考慮空氣隙計算得到的導熱系數(shù)為表觀值，考慮空氣隙計算得到的導熱系數(shù)為真實值，即要計算）2023/11/20d=120mm解：由

得

又由

得所以

所以

2023/11/20某離心泵以20℃水進行性能實驗測得體積流量為720m3/h，壓出口壓力表數(shù)為3.82kgf/cm2，吸入口真空表讀數(shù)為210mmHg，壓力表和真空表間垂直距離為410mm，吸入管和壓出管內徑分別為350mm及300mm。試求泵的壓頭。2023/11/20查得水在20℃時密度為ρ＝998kg/m3，則

HM=3.82×10.01=38.2mH2OHV=0.210×13.6=2.86MH2O將已知數(shù)據(jù)代入，則

=41.47+0.1872023/11/20離心泵的特性曲線為輸水管路的特性曲線為Q的單位為m3/h,試問（1）此時的輸水量為多少？（2）若要求輸水量為16m3/h，應采取什么措施？（兩條特性曲線有何變化）解：

若要求輸水量為16m3/h，流量變小，可以采用調節(jié)閥門開度的方法，即改變管路的特性曲線，而泵的特性曲線不變。把帶入得B=0.068所以關小閥門后管路特性曲線變?yōu)椋?/p>

2023/11/20舉出五種間壁式換熱器提高間壁式換熱器傳熱系數(shù)的主要方法是夾套式，蛇管式，套管式，列管式，板式，螺旋板式，板翅式等任選五種。提高傳熱系數(shù)的主要途徑是提高流體流速，增強人工擾動；防止結垢，及時清除污垢。2023/11/20列管換熱器，在殼程設置折流擋板的目的是什么，折流擋板都有哪些形狀？提高殼程流體的流速,使殼程對流傳熱系數(shù)提高,園缺形（弓形）,園盤和環(huán)形2023/11/20簡訴雷諾數(shù)的物理意義？（列出簡要推導過程）它反映了流體中慣性力與粘性力的對比關系。

2分分子反映的是慣性力，分母反映的剪切力也就是粘性力。2023/11/201.用水作為吸收劑來吸收某低濃度氣體生成稀溶液（服從亨利定律），操作壓力為850[mmHg]，相平衡常數(shù)m=0.25，已知其氣膜吸收分系數(shù)kG=1.25[kmol.m-2.h-1.atm]，液膜吸收分系數(shù)kL＝0.85[m.h-1]，試分析該氣體被水吸收時,是屬于氣膜控制過程還是液膜控制過程?2023/11/20

m=E/P∴E=mP=0.25×850/760=0.28(大氣壓)∵是稀溶液∴H=ρ/Ms.E=1000/(0.28×18)=198.4(kmol.m-3.atm)

根據(jù)1/ＫG=1/ｋG+1/(HｋL)

即1/ＫG=1/