化工原理第二版贾绍义夏清版课后习题答案天津大学.docx
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化工原理第二版贾绍义夏清版课后习题答案天津大学
化工原理课后习题答案
(夏清、陈常贵主编•化工原理•天津大
学出版社,2005.)
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960kg/的油品,油面高于罐底m,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
b螺=x103xxxn
为远距离测量控制装置,用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。
已知两吹气管出口的
距离H=1m,U管压差计的指示液为水银,煤油的密度为820Kg/。
试求当压差计读数R=68mm
时,相界面与油层的吹气管出口距离h。
分析:
解此题应选取的合适的截面如图所示:
忽略空气产生的压强,本题中1-1'和4-4'为等压面,
2-2'和3-3'为等压面,且1-1'和2-2'的压强相等。
根据静力学基本方程列出一个方程组求
解
解:
设插入油层气管的管口距油面高厶h
在1-1'与2-2'截面之间
P1=P2+p水银gR
•••P1=P4,P2=P3
且P3=p煤油gAh,P4=p水g(H-h)+p煤油g(△h+h)
联立这几个方程得到
p水银gR=p水g(H-h)+p煤油g(Ah+h)-p煤油gAh即
p水银gR=p水gH+p煤油gh-p水gh带入数据
x103x1-x103x=hxx103)
h=m
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=,h
2=,h3=,h4=。
锅中水面与基准面之间的垂直距离h5=3m。
大气压强pa=x1O3Pao
试求锅炉上方水蒸气的压强P。
七聘,用田
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P1
对左边的U管取a-a等压面,由静力学基本方程
P0+p水g(h5-h4)=P1+p水银g(h3-h4)代入数据
P0+x103xx
=P1+x103xx对右边的U管取b-b等压面,由静力学基本方程P1+p水g(h3-h2)=
p水银g(h1-h2)+pa代入数据
P1+X103XX(X103XX(+X103
解着两个方程得
P0=x105Pa
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920kg/m3,998kg/m3,U管中油、水交接面高度差R=300m
m,两扩大室的内径D均为60mm,U管内径d为6
=卩水gR-p油gR+p油g(h2-h1)
当p表=0时,扩大室液面平齐
即n(D/2)2(h2-h1)=n(d/2)2R
h2-h1=3mm
p表=X102Pa
7列管换热气的管束由121根©X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50C、压强为196X103Pa俵压),当地大气压为X103Pa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=9Xn/4X2X121=m3/s
质量流量Ws=VSp=VsX(MP)/(RT)
=X[29X+196)]/[X323]=kg/s
换算成标准状况V1P1/V2P2=T1/T2
VS2=P1T2/P2T1XVS1=X273)/(101X323)X
=m3/s
8.高位槽内的水面高于地面8m,水从©108X
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Xhf
=u2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。
分析:
此题涉及的是流体动力学,有关流体动力学主要是能量恒算问题,一般运用的是柏努力方程式。
运用柏努力方程式解题的关键是找准截面和基准面,对于本题来说,合适的截面是高位槽1—1,和出管口2—2,,如图所示,选取地面为基准面。
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
Zig+0+P1/p=Z2g+u2/2+P2/p+Xhf
(Z1-Z2)g=U/2+代入数据
(8-2)X=7U2,u=s
换算成体积流量
VS=uA=Xn/4XX3600
=82m3/h
9.20r水以s的流速流经©38X的水平管,此管以锥形管和另一©53X3m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kg,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、E两截面处的流速分别为uAub
UB=(Aa/Ab)UA=(3347)2X=s
在A、E两截面处列柏努力方程
Zig+ui2/2+P1/p=Z2g+u22/2+P2/p+Xhf
2:
•(Pi-P2)/p=Xhf+(ui2-u22)/2
g(hi-h2)=+/2
hi-h2=m=mm
即两玻璃管的水面差为
10•用离心泵把20°C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①
76X,在操作条件下,泵入口处真空表的读数为x103Pa水流经吸入管与排处管(不包括喷头)的能量损失可分别按Xhf,i=2u2,Xhf,2=10u2计算,由于管径不变,故式中u为吸入或排出管的流速m/s。
排水管与喷头连接处的压强为x103Pa(表压)。
试求泵的有效功率。
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Xhf=Xhf+,iXhf,2
ui=u2=u=2u2+10u2=12u2
在截面与真空表处取截面作方程:
Z0g+U02/2+F0/p=zig+u2/2+Pi/p+Xhf,i
(P0-P1)/p=zig+U/2+Xhf,1•:
u=2m/s
•ws=uAp=s
在真空表与排水管-喷头连接处取截面zig+u^+Pi/p+We=z2g+u2/2+P>/p+Xhf,2
•We=z?
g+u2/2+P>/p+Xhf,2—(zig+u2/2+Pi/p)
=X+(+)/Xi03+i0X22
=kg
11.本题附图所示的贮槽内径D为2m,槽底与内径
do为33mm的钢管相连,槽内无液体补充,其液面高度ho为2m(以管子中心线为基准)。
液体在本题管内流动时的全部能量损失可按刀hf=20u2公式来计
算,式中u为液体在管内的流速m/s。
试求当槽内液面下降1m所需的时间。
分析:
此题看似一个普通的解柏努力方程的题,分析题中槽内无液体补充,则管内流速并不是一个定值而是一个关于液面高度的函数,抓住槽内和管内的体积流量相等列出一个微分方
程,积分求解。
解:
在槽面处和出口管处取截面1-1,2-2列柏努力方程
hig=u2/2+刀hf=u2/2+20u2
u=1/2=2
槽面下降dh,管内流出uA2dt的液体
.Adh=uA2dt=2A2dt
.dt=A1dh/
(2)
对上式积分:
t=1.8.h
13.用压缩空气将密度为1100kg/m3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e6ox,
其他尺寸见本题附图。
各管段的能量损失为刀hf,AB=Eh
f,CD=u2,刀hf,BC=。
两压差计中的指示液均为水银。
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R,为多少
解:
对上下两槽取截面列柏努力方程
0+0+P1/p=Zg+0+P?
/p+Ehf
--P1=Zgp+0+P2+p刀hf
=10XX1100+1100(2u2+)
=X103+3498u2
在压强管的B,C处去取截面,由流体静力学方程得
Pb+pg(x+Ri)=Pc+pg(hBc+x)+p水银Rig
PB+1100xx(+x)=Pc+1100XX(5+x)+x103XX
Pb_Pc=x104Pa
在B,C处取截面列柏努力方程
0+ub2/2+Pb/p=Zg+uc2/2+FC/p+Ehf,bc
•••管径不变,•••Ub=uc
Pb-Pc=p(Zg+Ehf,bc)=1100X(+5X)=X104Pau=s
压缩槽内表压P1=x105Pa
(2)在B,D处取截面作柏努力方程
0+u2/2+Pb/p=Zg+0+0+Ehf,Bc+Ehf,CD
Pb=(7X++)X1100=X104Pa
Pb-pgh=p水银R?
g
X104-1100XX=X103XXR2
R2=
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①60X与①45X。
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/psA=295m/s,ub=ws/psb
在A,B截面处作柏努力方程:
ZAg+UA2/2+PA/p=ZBg+UB2/2+PB/p+Ehf
•1kg水流经A,B的能量损失:
Ehf=(Ua2-ub2)/2+(Pa-Pb)/p=(ua2-ub2)/2+pgR/p=kg
(2)•压强降与能量损失之间满足:
16.密度为850kg/m3,粘度为8x10-3Pa-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147X103Pa,液体流经多长的管子其
压强才下降到x103Pa
解:
(1)Re=dup/
=(14x10-3x1x850)/(8x10-3)
=x103>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=Umax=S时,
y2=-2p()=d2/8
=d2
•即与管轴的距离r=x10-3m
(3)在147X103和X103两压强面处列伯努利方程
u12/2+FA/p+Z1g=u22/2+Pb/p+Z?
g+刀hf
■/u1=u2,Z1=Z2
•-Pa/p=FB/p+Ehf
损失能量hf=(Pa-Pb)/p=(147XX103)/850
•••流体属于滞流型
•摩擦系数与雷若准数之间满足入=64/Re
又Thf=入X(|/d)xu2
•l=
•••输送管为水平管,•管长即为管子的当量长度即:
管长为
19.内截面为1000mmx1200mm的矩形烟囱的高度为30Aim。
平均分子量为30kg/kmol,
平均温度为400C的烟道气自下而上流动。
烟囱下端维持49Pa的真空度。
在烟囱高度范围
内大气的密度可视为定值,大气温度为20C,地面处的大气压强为x103Pa。
流体经烟囱时
的摩擦系数可取为,试求烟道气的流量为若干kg/h
解:
烟囱的水力半径rh=A/n=(ix/2(1+=
20.每小时将2x103kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽。
反
流体流经烟囱损失的能量
Ehf=入(1/de)•u2/2
=x(30/xu2/2
空气的密度
p空气=PM/RT=m3
烟囱的上表面压强
(表压)P上=-p空气gh=xx30
=Pa
烟囱的下表面压强
(表压)P下=-49Pa
烟囱内的平均压强
P=(P上+P下)/2+P0=101128Pa
由p=PM/RT可以得到烟囱气体的密度
(30x10-3x101128)/(x673)
Kg/m3
在烟囱上下表面列伯努利方程
P上/p=P下/p+Zg+Ehf
•••Ehf=(P上-P下”p—Zg
=(-49+/-30x
应器液面上方保持x103Pa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,求泵的轴功率。
解:
流体的质量流速3s=2x104/3600=kg/s
流速u=3s/(Ap)=s
雷偌准数Re=dup/卩=165199>4000
查本书附图1-29得5个标准弯头的当量长度:
5X=
2个全开阀的当量长度:
2X=
•••局部阻力当量长度刀ie=+=
假定1/入1/2=2lg(d/&)+=2lg(68+
•••入=
检验d/(eXRex入1/2)=>
•符合假定即入=
•••全流程阻力损失Eh=^x(I+Ele)/dXu2/2+zxu2/2
=[X(50+/(68X103)+4]X2
=J/Kg
在反应槽和高位槽液面列伯努利方程得
P1/p+We=Zg+P/p+Eh
We=Zg+(R-巳)/p+Eh
=15X+X103/1073+
=J/Kg
有效功率Ne=WeXws=X=X103
轴功率N=Ne/n=x103/=x103W
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3600m3/h,其物理性质与50C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。
输气管与放空管的内径均为250mm,管长与管件,阀门的当量长度之和为50m,放空机与鼓风机进口的垂直距离为20m,已估计气体通过塔内填料层的压强降为x103Pa。
管
壁的绝对粗糙度可取,大气压强为x103。
求鼓风机的有效功率。
解:
查表得该气体的有关物性常数P=,卩=x10-5Pa•s
气体流速u=3600/(3600x4/nX=m/s
质量流量3s=uAs=X4/nXX
=Kg/s
流体流动的雷偌准数Re=dup/卩=x105为湍流型
所有当量长度之和I总=I+Sie
=50m
&取时&/d=250=查表得入=
所有能量损失包括出口,入口和管道能量损失
即:
Eh=Xu2/2+1Xu2/2+X50/•u2/2
在1-1、2-2两截面处列伯努利方程
u2/2+Pi/p+We=Zg+lf/2+F2/p+Eh
We=Zg+(P2-F1)/p+Eh
而1-1、2-2两截面处的压强差P2-F1=F2-p水gh=X103-103XX31X103
Fa
•••We=W/Kg
<1題22吋樹
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,管路入口处的局部阻力系数为。
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
疋15,摩擦系数仍取。
解:
⑴根据流体静力学基本方程,设槽面到管道的高度为x
p水g(h+x)=p水银gR
103X+x)=x103x
x=
部分开启时截面处的压强Pi=p水银gR-p水gh=x103Pa
在槽面处和1-1截面处列伯努利方程
Zg+0+0=0+u2/2+P1/p+Eh
•••P1'=x104Pa
•••x=u2/2++u2
u=s
体积流量3s=uAp=Xn/4x2x3600=h
⑵闸阀全开时取2-2,3-3截面列伯努利方程
Zg=u2/2+2+X(15+i/d)u2/2
取1-1、3-3截面列伯努利方程
=u2/2+X(15+i'/d)u2/2
25.在两座尺寸相同的吸收塔内,各填充不同的填料,并以相同的
管路并联组合。
每条支管上均装有闸阀,两支路的管长均为5m(均包括除了闸阀以外的管件局部阻力的当量长度),管内径为200mm。
通过田料层的能量损失可分别折算为5u12与4u22,式中u为气
两阀全开时,两塔的通气量;
(2)附图中AB的能量损失。
分析:
并联两管路的能量损失相等,且各等于管路总的能量损失,各个管路的能量损失由两
部分组成,一是气体在支管内流动产生的,而另一部分是气体通过填料层所产生的,即刀h
(i+Eie/d)•u2/2+hf填而且并联管路气体总流量为个支路之和,即Vs=Vs1+
Vs2
解:
⑴两阀全开时,两塔的通气量
由本书附图1一29查得d=200mm时阀线的当量长度ie=150m
Ehfi=入・(ii+Eiei/d)•ui2/2+5ui2
=X(50+i50)/•ui2/2+5ui2
Ehf2=入・(i2+Eie2/d)•U22/2+4Ui2
=X(50+i50)/•U22/2+4ui2
'/Ehfi=Ehf2
•••Ui2/U22=即Ui=
又•••Vs=Vsi+Vs2
=uiA1+U2A2,Ai=A2=2n/4=n
=+U2)n
U2=suiA=m/s
即两塔的通气量分别为Vsi=m3/s,Vsi2=m3/s
⑵总的能量损失Ehf=Ehfi=Ehf2
=X155/•ui2/2+5ui2
=ui2=J/Kg
26.用离心泵将20C水经总管分别送至A,B容器内,总管流量为89m/h3,总管直径为
©127X5mm。
原出口压强为X
105Pa,容器B内水面上方表压为
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=3600Xn/4X(117)2X10-6
u=s
在原水槽处与压强计管口处去截面列伯努利方程
Zog+We=『/2+Pb/p+EhfT总管流动阻力不计刀hf=0
We=u2/2+Pb/p-Zog
=2+X1b5/-2X
=Kg
•••有效压头He=We/g=
⑵两支管的压头损失
在贮水槽和A、B表面分别列伯努利方程
Zog+We=Zig+Pi/p+Ehfi
Zog+We=Z2g+P>/p+Ehf2得到两支管的能量损失分别为
Ehfi=Z)g+We—(Zig+Pi/p)
=2X+
-(16X+0)
=Kg
Eh
f2=Z0g+We
-(Z2g+P2/p)
=2X+
-(8X+X103/
=J/Kg
•••压头损失
Hf1=
Ehf1/g=m
Hf2=
Ehf2/g=
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;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。
试计算:
(1)当BD支管的阀门关闭时,BC支管的最大排水量为若干m3/h
(2)当所有的阀门全开时,两支管的排水量各为若干m3/hBD支管的管壁绝对粗糙度为,水的
密度为1000kg/m3,粘度为・s。
分析:
当BD支管的阀门关闭时,BC管的流量就是AB总管的流量;当所有的阀门全开时,
AB总管的流量应为BC,BD两管流量之和。
而在高位槽内,水流速度可以认为忽略不计。
解:
(1)BD支管的阀门关闭
VS,AB=VS,BC即
uoAo=uiAiuon38/4=uin322/4••U0=
分别在槽面与C-C,B-B截面处列出伯努利方程
0+0+Z)g=U12/2+0+0+Ehf,Ac
0+0+Zig=U02/2+0+0+Ehf,AB
而Ehf,AC=入(IAB/d0)•U02/2+入(IBC/d1)•U12/2
=X(58000/38)Xu02/2+•(12500/32)Xu12/2
22
=u0+u1
=ui2/2+入(iAB/d0)•uo2/2+入(