化工原理答案.docx

1、化工原理答案1. 某设备上真空表的读数为 103 Pa,试计算设备内的绝对压强与表压强。已知该地区大气压强为 103 Pa。 解：由 绝对压强 = 大气压强 真空度 得到：设备内的绝对压强P绝 = 103 Pa 103 Pa =103 Pa设备内的表压强 P表 = -真空度 = - 103 Pa 2在本题附图所示的储油罐中盛有密度为 960 /? 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 760 mm 的圆孔，其中心距罐底 800 mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应力取为106 Pa k问至少需要几个螺钉分析：罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力

2、即 P油 螺解：P螺 = ghA = 960 =103 N螺 = 103n ,P油 螺 得 n 取 n min= 7 至少需要7个螺钉 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 = 400 mm ， R2 = 50 mm，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 = 50 mm。试求AB两处的表压强。分析：根据静力学基本原则，对于右边的管压差计，aa为等压面，对于左边的压差计，bb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g，其他数据如图所示 aa处 PA + ggh1 = 水

3、gR3 + 水银R2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 = 103 + 103 = 103 Pa b-b处 PB + ggh3 = PA + ggh2 + 水银gR1 PB = 103 + 103 =103Pa4. 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。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11和44为等压面，22和33为等压面，且11和22的压强相等。根据静力学基

4、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h 在11与22截面之间P1 = P2 + 水银gRP1 = P4 ，P2 = P3 且P3 = 煤油gh ， P4 = 水g（H-h）+ 煤油g（h + h）联立这几个方程得到 水银gR = 水g（H-h）+ 煤油g（h + h）-煤油gh 即水银gR =水gH + 煤油gh -水gh 带入数据 31031 - 103 = h103103)= 5用本题附图中串联管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸气压，管压差计的指示液为水银，两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：1，2=, 3=,4=。锅中水面与基准面之间的垂直距离5

5、=3m。大气压强a= 103。试求锅炉上方水蒸气的压强。分析：首先选取合适的截面用以连接两个管，本题应选取如图所示的11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11截面处的压强为1对左边的管取-等压面， 由静力学基本方程 0 + 水g(h5-h4) = 1 + 水银g(h3-h4) 代入数据0 + 103 = 1 + 103对右边的管取-等压面，由静力学基本方程1 + 水g(h3-h2) = 水银g(h1-h2) + 代入数据1 + 103 103 + 103解着两个方程 得0 = 105Pa6. 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。压差计中以油和

6、水为指示液，其密度分别为9203 ,9983,管中油水交接面高度差R = 300 ，两扩大室的内径D 为60 ，管内径为6 。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11为等压面， 对于管左边 表 + 油g(h1+R) = 1 对于管右边 2 = 水gR + 油gh2 表 =水gR + 油gh2 -油g(h1+R) =水gR - 油gR +油g（h2-h1） 当表= 0时，扩大室液面平齐 即 （D/2）2（h2-h1）= （d/2）2R h2-h1 = 3 mm

7、 表= 102Pa7.列管换热气 的管束由121根的钢管组成。空气以9m/s速度在列管内流动。空气在管内的平均温度为50压强为196103Pa(表压)，当地大气压为103Pa试求： 空气的质量流量； 操作条件下，空气的体积流量； 将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 S = uA = 9/4 2 121 = m3/s质量流量 ws =S=S (MP)/(RT)= 29+196)/323=/s换算成标准状况 V1P1/V2P2 =T1/T2S2 = P1T2/P2T1 S1 = 273)/(101323) = m3/s8 .高位槽内的水面高于地面8m，水从1084mm的

8、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f = u2 计算，其中u为水在管道的流速。试计算： AA 截面处水的流速； 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11,和出管口 22,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11, ，22,处列柏努力方程Z1 + 0 + 1/= Z2+ 22 + 2/ + f （Z1 - Z2）g = u2/2 + 代入数据 (8-2) = 7u2

9、, u = s换算成体积流量 VS = uA= /4 3600= 82 m3/h 9. 20 水以s的流速流经38的水平管，此管以锥形管和另一533m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，求两玻璃管的水面差（以计），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：设水流经两截面处的流速分别为uA、 uB uAAA = uBAB uB = （AA/AB ）uA = （33/47）2 = s在两截面处列柏努力方程Z1 + 122 + 1/

10、 = Z2+ 222 + 2/ + f Z1 = Z2 （1-2）/ = f +（12-22）2 g（h1-h 2）= + /2 h1-h 2 = m = mm 即 两玻璃管的水面差为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76，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为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f,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/s。排水管与喷头连接处的压强为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

11、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+，1hf，2 u1=u2=u=2u2+10u2=12u2在截面与真空表处取截面作方程： z0g+u02/2+P0/=z1g+u2/2+P1/+hf，1（ P0-P1）/= z1g+u2/2 +hf，1 u=2m/s ws=uA=s 在真空表与排水管-喷头连接处取截面 z1g+u2/2+P1/+We=z2g+u2/2+P2/+hf，2 We= z2g+u2/2+P2/+hf，2（ z1g+u2/2+P1/） =+（+）/103+1022=kg Ne= We

12、ws=11.本题附图所示的贮槽内径D为2，槽底与内径d0为33mm的钢管相连，槽内无液体补充，其液面高度h0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hf=20u2公式来计算，式中u为液体在管内的流速ms。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 h1g=u2/2+hf =u2/2+20u2 u=1/2=2 槽面下降dh，管内流出uA2dt的液体 A

13、dh=uA2dt=2A2dtdt=A1dh/（2） 对上式积分：t=1.h12.本题附图所示为冷冻盐水循环系统，盐水的密度为1100kgm3，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kg，由B流至A的能量损失为49Jkg，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/1=ZBg+uB22+PB+ 管径

14、相同得uA=uB （PA-PB）/=ZBg+由B到A段，在截面处作柏努力方程B ZBg+uB22+PB/+We=0+uA2+PA/+49 We=（PA-PB）/- ZBg+49=+49=kg WS=VS=36/36001100=11kg/s Ne= WeWS=11= 泵的抽功率N= Ne /76%=（2）由第一个方程得（PA-PB）/=ZBg+得 PB=PA-（ZBg+）=103-1100(7+=104Pa13. 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60，其他尺寸见本题附图。各管段的能量损失为f，AB=f，CD=u2，f，BC=。两压

15、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/=Zg+0+P2/+fP1= Zg+0+P2 +f =101100+1100（2u2+） =103+3498u2在压强管的B，C处去取截面，由流体静力学方程得 PB+g（x+R1）=Pc +g（hBC+x）+水银R1g PB+1100（+x）=Pc +1100（5+x）+103PB-PC=104Pa在B，C处取截面列柏努力方程 0+uB2/2+PB/=Zg+uc2/2+PC/+f，BC 管径不变，ub=u cPB-PC=（Zg

16、+f，BC）=1100（+5）=104Pau=s压缩槽内表压P1=105Pa（2）在B，D处取截面作柏努力方程0+u2/2+PB/= Zg+0+0+f，BC+f，CDPB=（7+）1100=104PaPB-gh=水银R2g104-1100=103R2R2=14. 在实验室中,用玻璃管输送20的70%醋酸.管内径为,流量为10kg/min,用SI和物理单位各算一次雷诺准数,并指出流型。 解：查20，70的醋酸的密度= 1049Kg/m3,粘度 = s用SI单位计算：d=10-2m,u=WS/(A)=sRe=du/=10-21049)/103)=103用物理单位计算：=cm3, u=WS/(A)=

17、90cm/s,d=10-3Pa?S=10-3kg/(s?m)=10-2g/s?cm-1 Re=du/=90/10-2)=103 103 4000 此流体属于湍流型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60与45。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/sA=295m/s，uB= ws/sB在A，B截面处作柏努力方程：zAg+uA2/2+PA/=zBg+uB2/2+

18、PB/+hf1kg水流经A，B的能量损失：hf= （uA2-uB2）/2+（PA- PB）/=（uA2-uB2）/2+gR/=kg （2）.压强降与能量损失之间满足： hf=P/ P=hf=103 16. 密度为850kg/m3，粘度为810-3Pas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147103Pa，液体流经多长的管子其压强才下降到103Pa 解：（1）Re =du/=（1410-31850）/（810-3）=103 2000 此流体属于滞流型（2）

19、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=0时 ,y2 = r2 = 2pum p = r2/2 = d2/8 当=平均=max= s时, y2= - 2p（）= d2/8 = d2 即 与管轴的距离 r=10-3m (3)在147103和103两压强面处列伯努利方程 u 12/2 + PA/ + Z1g = u 22/2 + PB/+ Z2g + f u 1 = u 2 , Z1 = Z2 PA/= PB/+ f损失能量f=（PA- PB）/=（147103）/850 =流体属于滞流型摩擦系数与雷若准数之间满足=64/ Re又 f=（/d） u

20、 2 =输送管为水平管，管长即为管子的当量长度即：管长为17 . 流体通过圆管湍流动时，管截面的速度分布可按下面经验公式来表示：ur=umax（y/R）1/7 ，式中y为某点与壁面的距离，及y=Rr。试求起平均速度u与最大速度umax的比值。分析：平均速度u为总流量与截面积的商，而总流量又可以看作是速度是ur的流体流过2rdr的面积的叠加 即：V=0R ur2rdr解：平均速度u = V/A =0R ur2rdr/（R2）=0R umax（y/R）1/72rdr/（R2）= 2umax/R15/7 0R（R r）1/7rdr= u/ umax=18. 一定量的液体在圆形直管内做滞流流动。若管长

21、及液体物性不变，而管径减至原有的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的若干倍解：管径减少后流量不变u1A1=u2A2而r1=r2A1=4A2 u2=4u由能量损失计算公式f=?（/d）（1/2u2）得f，1=?（/d）（1/2u12） f，2=?（/d）（1/2u22）=?（/d） 8（u1）2=16f，1hf2 = 16 hf119. 内截面为1000mm1200mm的矩形烟囱的高度为30 A1m。平均分子量为30kg/kmol，平均温度为400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20，地面处的大气压强为103Pa。流体经

22、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 r= A/= (1/2(1+= 当量直径 de= 4r= 流体流经烟囱损失的能量 f=?（/ de）u2/2 =(30/u2/2 = u2 空气的密度 空气= PM/RT = m3 烟囱的上表面压强 (表压) P上=-空气gh = 30 = Pa烟囱的下表面压强 (表压) P下=-49 Pa烟囱内的平均压强 P= (P上+ P下)/2 + P0 = 101128 Pa由= PM/RT 可以得到烟囱气体的密度 = （3010-3101128）/（673） = Kg/m3在烟囱上下表面列伯努利方程 P上/= P下/+ Zg+

23、f f= (P上- P下)/ Zg =(-49+/ 30 = = u2流体流速 u = m/s质量流量 s= uA= 1 = 104 Kg/h20. 每小时将2103kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽。反应器液面上方保持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，求泵的轴功率。解： 流体的质量流速 s = 2104/3600 = kg/s 流速 u =s/(A)=s 雷偌准数Re=du/= 165199 4000 查本书附图1-29得 5个

24、标准弯头的当量长度: 5= 2个全开阀的当量长度: 2 = 局部阻力当量长度 e= + = 假定 1/1/2=2 lg(d /) + = 2 lg(68/ + = 检验 d/(Re1/2) = 符合假定即 = 全流程阻力损失 =(+ e)/d u2/2 + u2/2 = (50+/(68103) + 42 = J/Kg 在反应槽和高位槽液面列伯努利方程得 P1/+ We = Zg + P2/+ We = Zg + (P1- P2)/+ = 15 + 103/1073 + = J/Kg有效功率 Ne = Wes = = 103 轴功率 N = Ne/=103/ = 103W = 21. 从设备送

25、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103Pa。管壁的绝对粗糙度可取，大气压强为103。求鼓风机的有效功率。解：查表得该气体的有关物性常数= , =10-5Pas气体流速 u = 3600/(36004/ = m/s质量流量 s = uA

26、s = 4/ = Kg/s流体流动的雷偌准数 Re = du/= 105 为湍流型所有当量长度之和 总=+e =50m 取时 /d = 250= 查表得=所有能量损失包括出口,入口和管道能量损失 即: = u2/2 + 1u2/2 + 50/ u2/2 = 在1-12-2两截面处列伯努利方程 u2/2 + P1/+ We = Zg + u2/2 + P2/ + We = Zg + (P2- P1)/+而1-12-2两截面处的压强差 P2- P1 = P2-水gh = 103 - 10331103 = Pa We = W/Kg 泵的有效功率 Ne = Wes= = KW 22. 如本题附图所示，

27、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/d15，摩擦系数仍取。解: 根据流体静力学基本方程, 设槽面到管道的高度为x 水g(h+x)

28、= 水银gR 103+x) = 103 x = 部分开启时截面处的压强 P1 =水银gR -水gh = 103Pa 在槽面处和1-1截面处列伯努利方程 Zg + 0 + 0 = 0 + u2/2 + P1/ + 而= (+e)/d + u2/2 = u2 = u2/2 + + u2 u = s 体积流量s= uA= /423600 = h 闸阀全开时 取2-2,3-3截面列伯努利方程 Zg = u2/2 + 2 + (15 +/d)u2/2 u = s 取1-13-3截面列伯努利方程 P1/ = u2/2 + (15+/d)u2/2 P1 = 104Pa23. 10的水以500L/min 的流量流过一根长为300m 的水平管，管壁的绝对粗糙度为。有6m 的压头可供克服流动阻力，试求管径的最小尺寸。解:查表得10时的水的密度= m3 = 10-5 Pas u = Vs/A = 10-3/d2 f = 6 = Kg f=(/d) u2/2 =150 u2/d 假设为滞流= 64/Re = 64/du Hfgf d10-3 检验得Re = 200