化工原理考题.docx

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化工原理考题

3．某流化床反应器上装有两个U型管压差计，如本题附图所示。

测得R1=400mmR2=50mm，指示液为水银。

为防止水银蒸汽向空气中扩散，于右侧的U型管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3=50mm。

试求A﹑B两处的表压强。

分析：

根据静力学基本原则，对于右边的Ｕ管压差计，a–a′为等压面，对于左边的压差计，b–b′为另一等压面，分别列出两个等压面处的静力学基本方程求解。

解：

设空气的密度为ρg，其他数据如图所示

a–a′处PA+ρggh1=ρ水gR3+ρ水银ɡR2

由于空气的密度相对于水和水银来说很小可以忽略不记

即：

PA=1.0×103×9.81×0.05+13.6×103×9.81×0.05

=7.16×103Pa

b-b′处PB+ρggh3=PA+ρggh2+ρ水银gR1

PB=13.6×103×9.81×0.4+7.16×103=6.05×103Pa

4.本题附图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Δh

在1－1´与2－2´截面之间P1=P2+ρ水银gR

∵P1=P4，P2=P3且P3=ρ煤油gΔh，P4=ρ水g（H-h）+ρ煤油g（Δh+h）联立这几个方程得到

ρ水银gR=ρ水g（H-h）+ρ煤油g（Δh+h）-ρ煤油gΔh即

ρ水银gR=ρ水gH+ρ煤油gh-ρ水gh带入数据

1.0³×10³×1-13.6×10³×0.068=h（1.0×10³-0.82×10³）

ｈ=0.418ｍ

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920㎏／ｍ3,998㎏／ｍ3,Ｕ管中油﹑水交接面高度差R=300ｍｍ，两扩大室的内径D均为60ｍｍ，Ｕ管内径ｄ为6ｍｍ。

当管路内气体压强等于大气压时，两扩大室液面平齐。

分析：

此题的关键是找准等压面，根据扩大室一端与大气相通，另一端与管路相通，可以列出两个方程，联立求解

解：

由静力学基本原则，选取1－1‘为等压面，

对于Ｕ管左边ｐ表+ρ油g（h1+R）=Ｐ1

对于Ｕ管右边Ｐ2=ρ水gR+ρ油gh2

ｐ表=ρ水gR+ρ油gh2-ρ油g（h1+R）

=ρ水gR-ρ油gR+ρ油g（h2-h1）

当ｐ表=0时，扩大室液面平齐即π（D/2）2（h2-h1）=π（d/2）2Rh2-h1=3mmｐ表=2.57×102Pa

8.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∑ｈf=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。

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

Z1ｇ+0+Ｐ1/ρ=Z2ｇ+ｕ2／2+Ｐ2/ρ+∑ｈf

（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24.66×10³Pa,水流经吸入管与排处管（不包括喷头）的能量损失可分别按∑ｈf,1=2u²，∑hf,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98.07×10³Pa（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∑hf=∑hf+，1∑hf，2u1=u2=u=2u2+10u²=12u²

在截面与真空表处取截面作方程：

z0g+u02/2+P0/ρ=z1g+u2/2+P1/ρ+∑hf，1（P0-P1）/ρ=z1g+u2/2+∑hf，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+∑hf，2

∴We=z2g+u2/2+P2/ρ+∑hf，2—（z1g+u2/2+P1/ρ）

=12.5×9.81+（98.07+24.66）/998.2×10³+10×2²=285.97J/kg

Ne=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36m³。

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245.2×10³Pa时，B处的压强表读数为若干Pa？

分析：

本题是一个循环系统，盐水由A经两个换热器被冷却后又回到A继续被冷却，很明显可以在A-换热器-B和B-A两段列柏努利方程求解。

解：

（1）由A到B截面处作柏努利方程

0+uA²/2+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BZBg+uB²／2+PB/ρ+We=0+uA²+PA/ρ+49

∴We=（PA-PB）/ρ-ZBg+49=98.1+49=147.1J/kg

∴WS=VSρ=36/3600×1100=11kg/s

Ne=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）=245.2×10³-1100×（7×9.81+98.1）

=6.2×104Pa

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ф60×3.5mm，其他尺寸见本题附图。

各管段的能量损失为∑ｈf，AB=∑ｈf，CD=u2，∑ｈf，BC=1.18u2。

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R2为多少？

解：

对上下两槽取截面列柏努力方程

0+0+P1/ρ=Zg+0+P2/ρ+∑ｈf∴P1=Zgρ+0+P2+ρ∑ｈf

=10×9.81×1100+1100（2u2+1.18u2）=107.91×10³+3498u²

在压强管的B，C处去取截面，由流体静力学方程得

PB+ρg（x+R1）=Pc+ρg（hBC+x）+ρ水银R1g

PB+1100×9.81×（0.045+x）=Pc+1100×9.81×（5+x）+13.6×10³×9.81×0.045PB-PC=5.95×104Pa

在B，C处取截面列柏努力方程

0+uB²/2+PB/ρ=Zg+uc2/2+PC/ρ+∑ｈf，BC

∵管径不变，∴ub=uc

PB-PC=ρ（Zg+∑ｈf，BC）=1100×（1.18u2+5×9.81）=5.95×104Pa

u=4.27m/s压缩槽内表压P1=1.23×105Pa

（2）在B，D处取截面作柏努力方程

0+u2/2+PB/ρ=Zg+0+0+∑ｈf，BC+∑ｈf，CD

PB=（7×9.81+1.18u2+u2-0.5u2）×1100=8.35×104Pa

PB-ρgh=ρ水银R2g

8.35×104-1100×9.81×0.2=13.6×10³×9.81×R2

R2=609.7mm

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+∑hf

∴1kg水流经A，B的能量损失：

∑hf=（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：

∑hf=ΔP/ρ∴ΔP=ρ∑hf=4.41×10³

20.每小时将2×10³kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽。

反应器液面上方保持26.7×10³Pa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=10.5m

2个全开阀的当量长度:

2×0.45=0.9m

∴局部阻力当量长度∑ιe=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∑ｈ=λ×（ι+∑ιe）/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+∑ｈ

We=Zg+（P1-P2）/ρ+∑ｈ=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

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50℃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1.96×10³Pa。

管壁的绝对粗糙度可取0.15mm，大气压强为101.33×10³。

求鼓风机的有效功率。

解：

查表得该气体的有关物性常数ρ=1.093,μ=1.96×10-5Pa·s

气体流速u=3600/（3600×4/π×0.252）=20.38m/s

质量流量ωs=uAs=20.38×4/π×0.252×1.093=1.093Kg/s流体流动的雷偌准数Re=duρ/μ=2.84×105为湍流型所有当量长度之和ι总=ι+Σι=50m

ε取0.15时ε/d=0.15/250=0.0006查表得λ=0.0189

所有能量损失包括出口,入口和管道能量损失

即:

∑ｈ=0.5×u2/2+1×u2/2+（0.0189×50/0.25）·u2/2=1100.66

在1-1﹑2-2两截面处列伯努利方程

u2/2+P1/ρ+We=Zg+u2/2+P2/ρ+∑ｈ

We=Zg+（P2-P1）/ρ+∑ｈ

而1-1﹑2-2两截面处的压强差P2-P1=P2-ρ水gh=1.96×103-103×9.81×31×103=1665.7P

∴We=2820.83W/Kg

泵的有效功率Ne=We×ωs=3083.2W=3.08KW

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x

ρ水g（h+x）=ρ水银gR103×（1.5+x）=13.6×103×0.6

x=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+∑ｈ

而∑ｈ=［λ（ι+Σιe）/d+ζ］·u2/2=2.125u2

∴6.6×9.81=u2/2+39.63+2.125u2

u=3.09/s

体积流量ωs=uAρ=3.09×π/4×（0.1）2×3600=87.41m3/h

⑵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）u2/2

u=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

1.在用水测定离心泵性能的实验中，当流量为26m³/h时，泵出口处压强表和入口处真空表的读数分别为152kPa和24.7kPa，轴功率为2.45kw，转速为2900r/min，若真空表和压强表两测压口间的垂直距离为0.4m，泵的进出口管径相同，两测压口间管路流动阻力可忽略不计，试求该泵的效率，并列出该效率下泵的性能。

解：

取20℃时水的密度ρ=998.2Kg/m3

在泵出口和入口处列伯努利方程

u12/2g+P1/ρg+Η=u12/2g+P2/ρg+Ηf+Z

∵泵进出口管径相同,u1=u2

不计两测压口见管路流动阻力Ηf=0

∴P1/ρg+Η=P2/ρg+Z

Η=（P2-P1）/ρg+Z=0.4+（152+24.7）×103/998.2×9.8=18.46m

该泵的效率η=QHρg/N=26×18.46×998.2×9.8/（2.45×103×3600）=53.2.﹪

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流量送往表压强为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:

Ηe=（P2–P1）/ρg+△Z+Ηf,1-2

=33.74m

游品流量Qm=15m3/s

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

5.水对某离心泵做实验，得到下列各实验数据：

Q，L/min

0100200300400500

H，m

37.2383734.531.828.5

送液体的管路系统：

管径为ф76×4mm，长为355m（包括局部阻力的当量长度），吸入和排出空间为密闭容器，其内压强为129.5kPa（表压），再求此时泵的流量。

被输送液体的性质与水相近。

解:

⑴根据管路所需要压头Ηe与液体流量Qe的关系:

Ηe=K+BQe2而K=△Z+△P/ρg且吸入排出空间为常压设备,△P=0∴K=△Z=4.8

B=λ•（ι+Σιe）/d·1/2g（60×103A）2

=（0.03×355/0.068）/2×9.81（0.0682×π×60×103/4）2=1.683×10-4

∴管道特性方程为:

Ηe=4.8+1.683×10-4Qe2

由下列数据绘出管道特性曲线Ηe--Qe

Qe,L/min

0

100

200

300

400

500

Ηe,m

4.8

6.48

11.53

19.95

31.73

46.88

绘出离心泵的特性曲线H--Q于同一坐标系中,如图所示:

两曲线的交点即为该泵在运转时的流量

∴泵的流量为400L/min

⑵若排出空间为密闭容器,则K=△Z+△P/ρg

=4.8+129.5×103/998.2×9.81

=1.802∵而B的值保持不变

∴管路的特性方程为Ηe=18.02+1.683×10-4Qe2

重新绘出管路的特性曲线和泵的特性曲线

Qe,L/min

0

100

200

300

400

500

Ηe,m

18.02

19.70

24.75

33.17

44.95

60.10

可以得到泵的流量为310L/min

8.现采用一台三效单动往复泵，将敞口贮罐中密度为1250kg/m³的液体输送到表压强为1.28×106Pa的塔内，贮罐液面比塔入口低10m，管路系统的总压头损失为2m，已知泵活塞直径为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.在底面积为40m²的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒固体的处理量为3600m³/h，

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

4.一多层降尘室除去炉气中的矿尘。

矿尘最小粒径为8µm，密度为4000kg/m³。

除尘室长4.1m，宽1.8m，高4.2m，气体温度为427℃，粘度为3.4Pa•s，密度为0.5kg/m³。

若每小时的炉气量为2160标准m³，试确定降尘室内隔板的间距及层数。

解：

假设沉降在滞流区，按ut=d2（ρs-ρ）g/18μ计算其沉降速度ut=（8×10-6）2×（4000-0.5）×9.8/（18×3.4×10-5）

=41×10-4m/s

核算Re=dutρ/μ〈1，符合假设的滞流区

把标准生产能力换算成47℃时的生产能力

Vs=V（273+427）/273=5538.46m3/h

由Vs=blut（n-1）得

n=Vs/blut-1=5538.46/（4.1×1.8×41×10-4×3600）-1=50.814–1=49.8

取n=50层，板间距△h=H/（n+1）=4.2/51

=0.0824m=82.4mm

5.含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m³，气体流量为1000m³/h，粘度为3.6×10-5Pa•s密度为0.674kg/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=8.0

B=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