化工原理习题4.docx
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化工原理习题4
【带泵管路】
【1】采用离心泵将45m3/h水从水池送至一水洗塔，已知水洗塔塔顶表压为49.05kPa，管路系统吸入段管长为50m（包括局部阻力当量长度，下同），泵出口阀全开时排出管线长度为273m所用管线规格均为O108X,4管内流体流动阻力系数为0.024，其它数据如图所示，试求：
1・完成以上输送任务，管路所需泵的压头；
2.现有一台离心泵，其特性曲线方程为H=50・0.008q/，（单位：
H，m；qv，m3/h）该泵能否满足需要？
若在上述管路中使用该离心泵，求在泵出口阀门全开的条件下泵的工作点，此时泵的有效功率为多少？
3.若通过调节阀门使流量达到45m3/h，则损失在阀门上的压头为多少？
4-若水温度升高，使水的密度下降（假设粘度不变），请说明泵的工作点怎样变化，并图示泵工作点的变化情况。
30m
49050150.024502731,592
10009.810.129.81
2.管路特性曲线方程为：
He200.00495qv2（m3/h）
泵的特性曲线方程为：
H=50・0.008q/，联立求解得：
H31.47mqv48.13rr?
/h
有效功率
pHqvg31.4748.1310009.814.13kw
Pe3600100036001000
3.阀门损失压头：
H500.008qv2500.00845233.8m
He200.0049545230m
H33.8303.8m
【2】如图所示的一输水管路。
用泵将水池中的水输送到敞口高位槽，管道直径均
为1084mm，泵的进、出口管路上分别安装有真空表和压力表。
已知在阀门全开时，水池液面至入口真空表所在截面的管路长50m，真空表所
在截面至高位槽液面的管路长150m（均包括局部阻力的当量长度）。
设流
动已进入阻力平方区，摩擦系数0.03。
管路的输水量为36m3/h。
水的
密度1000kg/m3，系统为稳态流动，两水池液面高度保持不变。
试求:
（1）泵入口真空表的读数是多少kPa；
（2）离心泵的有效压头是多少m；若泵的效率为0.6，泵的轴功率为多
少kW；
（3）写出该系统管路特性曲线方程；
（4）若选用特丿性曲线可表示为H650.031qv2的单泵，式中，H的单位为m，qv的单位为m3/h，通过计算说明该泵能否满足以上输送要求；（5）若采用两台这样的泵并联操作，并联后系统的输水量为多少m3/ho
（注：
并联后的管路特性曲线可近似认为与单泵操作时的管路特性曲线相
同）
30m
压力表
真空表
0
3m
1）管道直径：
d10824100mm0.1m
管路中水的流速为：
u肆3.3^1,27m/s
5711.1W5.71kW
d20.7850.12
4
取水池液面为0・0截面，真空表所在液面为2-2截面，列柏努利方程可得:
2u0P0
2
^2P2
"7o
^02
°2g9
22gg
1.272P2
50
1.272
non2
nnq
29.8110009.810.129.81
p242333.2Pa42.33kPa
真空表的读数为：
42.33kPa
2
u0
P0He
2
Lh03
z0
z3
hf03
°2g
g
32gg
000
He30
000.03
501501.272
0.129.81
He34.93m
泵的效率为
0.6，则：
2）取水池液面为0・0截面，高位槽液面为3・3截面，列柏努利方程可得:
PaPeHeqvg
34.9336/360010009.81
0.6
3）管路特性曲线为：
2
20
2U02
2g
P09
He
ZU3^P3h
23o—hf03
3fO3
299
0
00
He
30
000.0350150
（0.7850C123600）
0.1
29.81
He
30
0.0038qv2
2
（4）采用特性曲线为H650.031qv的泵时、输送36m3/h的水，能够提供的
扬程是：
22
H650.031q650.03136224.82m34.93m故该泵不能满足输送要求。
（5）并联操作时，其特性曲线可表示为：
B22
Hkqv2650.00775qv2
4
管路特性曲线为：
He300.0038qv2
HHe
令650.00775qv2300.0038qv2qv55.05m3/h
并联后系统的输水量为55.05m3/h。
3】采用离心泵将水从水池送至一加压塔中，输水管路如图所示。
加压塔塔顶
表压为49.05kPa。
离心泵的特性曲线可表示为H=50・0.008q/，式中，H的单位为m，qv的单位为m3/h。
管道直径均为1084mm。
泵出口阀全开时，管路系统吸入段管长为50m（包括全部局部阻力的当量长度，下同），排出管线长度为273m。
离心泵的效率为=0.6。
其它数据如图所示。
系统为稳态流动，水池液面
高度保持不变。
设水在输水管路的流动已进入阻力平方区，管内流体流动摩擦系数为0.024。
水的密度=1000kg/m3，试求：
1-写出该输水管路的管路特性曲线方程；
2.离心泵的流量及压头；
14m
1m|
3.
4
泵的有效功率和轴功率；
4.离心泵入口真空表的读数；
5•该输水管路要求通过调节泵出口阀使流
量达到40m3/h。
因调节流量多消耗在阀门上的局部阻力是多少；
6•塔操作压力增大，对泵操作有什么影
响？
试用图解说明，应采取什么措施稳定生产。
（1）管道直径：
d10824100mm0.1m管路
特性曲线取水池液面为
0-0截面，塔喷头所在液面为3-3截面），
20
2g
He
00
He
15
U3P3
z3
32gg49050
00.02450273
10009.81qv0.1
列机械能衡算方程可得：
2
u
29.81
qv
d2
4
20
He
qv/3600
0.7850.1236000.7850.01
2
0.004952qv2
2
2）H50o.OO8q
管路特性曲线He200.004952qv2
为：
HHe
qv=48.13m3/hr
He=31.46m
（3）泵的效0.6，
率为
则：
PeHeqvg31.4648.13/360010009.814.12kWPape6.87kW
4）管路中水的流速为：
"Vqv/360（）21?
m/s
4"0785°-1
取水池液面为0・0截面，真空表所在液面2-2截面，列机械能衡算方程可为彳最
2U2
2g9
p20.0249
2
9u°
2g
po
^02
00
10
50
0.1
1,72
29.81
卩227.14kPa
真空表的读数27.14kPa
为：
5）输送40m3/h的泵能够提供的扬程
是：
37.2m
疋O2
H500.008q
500.008402
管路特，性曲线He
200.004952qv2
9.28m
220°-°04952
160027.92m
H37.227.92
（6压力波动必将导致流量的波动。
塔压增高，流量下降，此时应开大阀门，系统阻力下A-B
降
4】如图所示，用离心泵将水送至敞口容器A、B，两水槽在相同的水平面上，所用管线规格均为①159x4.5，泵吸入段管路总长（包括所有局部阻力当量长度，下同）为60m。
排出管线的长度为：
从泵出口到分支点C点处为300m，在阀门全开的条件下，C到A为200m,C到B为400m,已知水的密度p=1000kg/m3，流动摩擦系数为0.02，其它数据见图示，试求：
1•写出阀门1全开、阀门2完全矢闭时的管路特性曲线方程；
2.当阀门1全开、阀门2完全尖闭时，测得系统的水流量为80m3/h，且泵的效率为70%，求此时泵的压头和轴功率；
3.现使阀门1、2均处于全开状态，并读得泵入口真空表读数为25kPa，则系统的总流量和送至水槽A和B的水量各多少m/h；
4.图示从阀门1全开、阀门2全矢状态到阀门1和阀2均处于全开状态泵的工
偉变化情况
1.求管路特性曲线方程
HeZa
ZA
51
2
hfOA510.0260300200u2
htoa51O.O2603002001
9.41310-4qv^2（m^/h）
0.15
0.15
29.81
29.81
qv\2
（0.7850.1523600）%
2.He
51
9.413
10-4qv（m3/h）
519.413
-42
10480257.02m
Pe
Hqv
57.02
2
8010009.81u2“
12.43kw
3600
124317.76RW
Pa0.7
3.总流量
Pi
h01
251
22
002O6.1o529.81uiU1
29.81
9.81
29.81
U1
1.837m/
qv总
117m3/h
并联管路
s
有：
%A
ua2ubhc
得：
所以有：
管径相
同，
U
总Ua
Ub2UbUb
1.837
3
qA68.53m3/h
qB
3
48.47m3/h
4.
一阀全开
两阀个开
【传热】
[5]Pg99第9题
【6】用单壳程单管程列管换热器将流量为32500kg/h某溶液由55°C预热到
85°C，加热饱和蒸气温度为130°C，已知操作条件下该溶液的物性为：
=898kg/m3,=0.360mPas,cP=4.358kJ/（kg°C）,X=0.322W/（m°C）,加热蒸气的汽化热潜为r=2192kJ/kg。
其蒸气走壳程，溶液走管程。
管程污垢热阻Rdi=5x10-4m2OC/W，壳程蒸气表面传热系数o=1.2x104W/（m2t），壳程污垢热阻忽略不计。
换热管规格为①19X,2管子根数为70根，管壁热导率Xw=45W/（m°C），试求：
1.消耗蒸气量为多少？
2管内表面传热系数是多少？
3.以管子外表面为基准的换热器的总传热系数？
4•换热器单程管的长度？
5•因技术改造提压操作，欲将该溶液由55°C升至95°C，若仍采用以上换热器，
为保证完成任务，加热蒸气温度至少应提高到多少度？
解：
1.Q论p2«2>i>qmir
325004.358（8555）1938.4kg/h0.538kg/S
0.4
pr°・42970W/（m2C）
0.023Re
di
qm1
2192
qm2Cp2（t2tl）
—4.358（8555）1180.3kW
3600
2.Re
djujGjdj
3§8b0.785di2n」
44
j2.4104104
cP
4.872
0.8
3）
1do
do
bdo
1
idi
Rdi
Rd0
Ko
di
wdm
0
Ko=838.3W/（m2K）
（13055）（13085）58?
Q
°）怙13U00
ni3085
KAtm
3
_Q—118°・310323.97m2
Ktm838.358.7
ndol
A
5./4m
ndo
5）Q*qm2Cp2（t2'tl）
KAtm*
3-4.358103（95
3600
55）838.323.97
（T*20）（T95）
InT55「95
TT55C
【7】某生产过程，要求从储罐中将常温液体苯输送至原料预热器进行预热至
90°C（不出现气化）后，进入反应器中。
苯流量14400kg/h，设计入口温度30°C。
初选预热器为单管程列管式换热器，加热热源采用12CTC饱和水蒸气，蒸汽走壳程，液态苯走管程。
管束由60根（p25x2.5mm钢管组成，长度为6m。
壳程表面传热系数为10000W/（m2°C），管程污垢热阻为0.0002m2°C/W，壳程污垢热阻为0.0001m2°C/W，忽略管壁热阻和热损失。
已知水蒸气气化热（相变热）
r2205kJ/kg，苯的物性取密度p=800kg/m3，热导率X=0.151W（/m.°C），粘
度=0.40x10-3Pa-S，定压比热容Cp2=1.6kJ/（kg-°C）。
试求：
1・加热蒸汽消耗量；
2.换热器总传热系数；
3.通过计算判断换热器是否够用；
4.冬天，苯的入口温度降为10°C，加热蒸汽量充足，物性参数不变，试判断该换热器能否满足要求；
5.若加热蒸汽量充足，在设计工况下，试估算换热器出口苯的温度。
解：
（1）Qtcpqm2qmir384kW
K=347W/（m2°C）
l1l2
ln（丿）
A*，换热器可用
4）4分）Qfrcp2qm2512kW
t'lt'2
ln（占1）
t*2
fi=120-10=110°C5t2=120-90=30°C5fm61.6°C
Q*Kt'mA”，
A"k!
23-9m2
A”A，可以满足要求
5）（3分）设出口温度匕
Q"（t'2tl）CP2qm2
Q"KtHmA
得：
（t2ti）cpmc
In
KA竽
Tti|门Bi
Tf2丁f2
.TtiKA
nTt*2
cP2qm2
1.534
tf2100.6°C
8］用一单管程单壳程列管式换热器，将质量流量为8000kg/h的常压空气于管程由20C加热到85C；该换热器装有（p19x2钢管300根，管长为1m。
要求选用110C饱和蒸汽于壳程冷凝加热之，该温度下蒸汽的汽化潜热
（相变热）为2232kJ/kg。
若饱和蒸汽的表面传热系数o1104W/（m2
K），管材的热导率为45W/（mK），管程污垢热阻FU0.0004m?
K/W，壳程污垢热阻Rao0.0002m2K/W。
已知空气在平均温度下的物性常数为
1.2kg/m3，CP1kJ/（kgK）2.85102W/（mK），
1.98105PaS，不计热损失，试求：
（1）加热蒸汽的消耗量为多少？
（2）空气在管内的表面传热系数？
（3）
110C蒸汽加热，则空气
通过计算说明该换热器能否满足需要？
（4）若将该换热器变为双管程，且仍采用的实际出口温度为多少？
四、解：
（1）qm1=?
Qqm2Cp2（t2tl）qmir
2232
^m2cp2（l2
l1）
30001（8520）
3600
5
144.4kW1.444105W
2）
i=?
qm2
di
Re
G.d,
36000.785di2n
44
3.177104104
「°-6947
0-023Re0-8prdi°-4150.9W/（m2'C）
能否够用？
3）1do
1Rdid°dibdd°RdO
Koidiwdm
Ko=108W/（m2K）
（11020）（11085）60?
4
lm
J1020
11085
KAtm
1.444105
26.35m
Ktm10850.74
（ui）0.82O.8ui
2〜
262.73W/（m2C）
K176W/（m2C）
【吸收】
Pg134第7题
Pg145第12题
Pg145第11题：
在一填料塔中，用含苯0.0001（摩尔分数，下同）的洗油逆流吸收混合气体中的苯。
已知混合气体的流量为2400m3/h（标准状态），进塔气中含苯0.06，要求苯的吸收率为90%。
该塔塔径为0.6m，操作条件下的平衡尖系为ye=24x，气相总传质单元高度为1.36m，实际操作液气比为最小液气比的1・3倍，洗油摩尔质量为170kg/kmol。
试求：
（1）吸收剂用量（kg/h）及出塔洗油中苯的含量；
⑵气相总体积传质系数Kya；
⑶所需填料层高度，m；
（4）增大填料层高度，若其它操作条件不变，定性分析出塔气组成和塔底吸收液组成的变化情况，并图示操作线的变化。
（1）G2400107.14kmolh
22.4
107.14
G
379.13kmolh
4
0.62
Y21
L
yi
0.006
y20.060.006
yi
22.5
G
m泊
xei
X20叫40.0001
m泊xei
l1.3l1.322.529.25
GGmin
L29.25107.143133.8kmolh170533000kgh
⑵
Xi
L1
gyi*2
X2292500600060.0001
0.001946
kya
G
"9J3278.77kmolm3h
1.36
HOG
（3）yi0.06240.0019460.013296
y20.06240.00010.0036
三、（20分）在一填料塔中，用含苯0.00015（摩尔分数，下同）的洗油逆流吸收混合气体中的苯。
已知混合气体的流量为1467.8m3/h（标准状态），进塔气中
含苯0.05，要求苯的吸收率为90%。
该塔塔径为0.6m，操作条件下的平衡矢系为ye=26x，气相总体积传质系数Kya=0.045kmol/（m3.s），实际操作液气比为最小液气比的1・3倍，洗油摩尔质量为170kg/kmol。
试求：
（D吸收剂用量（kg/h）；
（2）出塔洗油中苯的含量；
（3）所需填料层高度，m；
（4）
1467.8
22.4
65.53
降低填料层高度，若其它操作条件不变，定性分析出塔气组成和塔底吸收液组成的变化情况，并图示操作线的变化。
65.53kmolh
231.87kmolm3h
0.62
yiy20.050.005
xeix2
25.38
min
oo50.00015
oe
¥
1
yi0.005
L
L
1.3
1.3253832.99
G
Gmin
170367500kgh
L
32.99
65.532161.83kmolh
X1
L
yi
1
\/oYoA2
0.0050.000150.00151
g1
2232.99
G
231.873600
HOG
1.43m
kya
0.045
yi
0.05
260.001510.01074
y2
0.05
260.000150.0011
ymyiy20.00423
Inyiy2
0.050.005
MmA4
0.00423
H1.4310.6415.2m；
其它条件不变LGH°g不变。
Nog¥Xi32.99,
m261
y2
【精馆】
Pgi6i第5题
Pg180第10题
Pg180第11题
（25分）用一精镭塔分离某二元理想混合物，进料量为200kmol/h，其中易挥发组分的摩尔分率为0.5，进料为饱和液体，塔顶采用全凝器且为泡点回流，塔釜用间接蒸汽加热。
已知两组分间的平均相对挥发度为2.0，精镭段
操作线方程为ym0.70Xn0.285，塔底产品中易挥发组分的摩尔分率为
0.05，试求:
1）操作回流比、塔顶产品中易挥发组分的摩尔分率（2分）
2）塔顶产品的流量和塔顶产品中易挥发组分的回收率（5分）
3）精镭段的气相负荷、提镭段的液相负荷（kmol/h）（2分）
4）实际回流比是最小回流比的多少倍（4分）；
5）提镭段操作线方程和q线方程（4分）；
二、解：
R
0.7
XD
1・070.R=
2333
0285.XnO95
R1
10.7
R1
200DW
190
0.95D
0.95W
200*0.50.95D
0.05W
100
0.95D
0.05W
6）塔顶第2块理论板上升蒸汽的组成（4分）；
7）若塔顶第1块实际板的液相默弗里板效率为0.6，求塔顶第2块实际板上升蒸汽的组成（4分）。
（R1）D（2.3331）*100333.3kmol/hLqF2.333*
100200433.3kmol/h
0.95*100
1200*0.5
1.3714
2*0.5
4・Xq0.5,
Rmi
Rmin〔
Vq1（21）*0.5
0.6666
xdyq0.950.6666
n«9QQ
pXq0.950.5
Rmin
0.6298
10.6298
1.7012,
R2.333
min
1.7012
WXw
vXn
433.3100*0.05
333.3』333.3
1.3Xn0.015
Xq0.5
yiXd0.95,
0.95
2（21）*0.95
0.9048
『2
0.7*0.90480.2850.9183
XdXi0.95Xi
7、El
d1*10.6,
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