流体流动作业及答案.docx

1、流体流动作业及答案流体流动作业1某油水分离池液面上方为常压，混合液中油（ 0）与水（w）的体积比为5:1，油的密度为o = 830kg m-3，水的密度为=1000 kg m-3。池的液位计读数 hc=1.1m。试求混合液分层的油水界面高 hw和液面总高度 （h w + h o）。解：如图所示5 0ghw +0gh0 + ghw = ghc h 0 : h w = 5:1ghw = ghchw 5 g wg1000 11_ 0214m h 0 +hw = 6 h w = 6 x 0.21 4 =5 830 10002、质量浓度为16200kg/h的25%氯化钠（NaCI）水溶液在$ 50x 3

2、mm的钢管中流过。u m ax 滞。粘度为2.3 x 10-3Pa- $。求（1）判断该水溶液的流动类型。 （2）计算在滞流时的最大流速解：（1）算出R准数后即可判断流动类型1620036002.497 2.5m/s-(0.044)2 1186 Re 世 0.44 25 “86 567222.3 10 3,流型为湍流（2）求Umax滞：滞流时，Re准数最大值为2000，相应的流速即为 Umax滞 Re0.088 m/s0.044 1186 umax滞 & /口2.3 10彳2000，解得怯滞9m-s-1的速度在列管内流0 = 1.29 3kg m-3。试求3、列管换热器的管束有 13根25 x

3、 2.5mm的钢管组成。平均温度为 50 C的空气以 动，管内压强为 1.96 x 105Pa（表压），当地大气压为 9.87 x 104Pa,标准状况下空气的密度 换热器内：（1）空气的质量流量；（2）操作条件下空气的体积流量； （3）换算为标准状况下的体积流量。5 4 5解：操作压强 P = 1.96 x 10 + 9.87 x 10 = 2.947 x 10 Pa操作条件下空气的密度为PT00 tp01.293(2732.947 1 05 273 3.17 31.013 10550)2(1) q m = uA = 9 x 13x 4 x 0.02 x 3.179 = 0.117kg-12

4、 3 1(2) q v = uA = 9 x 13x 4 x 0.02 = 0.0368 m s-3 1（3） q v,0 = q m/ 0 = 0.117/1.293 =0.0905 m s-4、如图所示，将高位槽内料液向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为大气压。要求料液在管内以 0.5m/s的速度流动。设料液在管内压头损失为 1.2m （不包括出口压头损失），试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米？解：取管出口高度的0-0为基准面，高位槽的液面为 面比塔入口处高出多少米， 面处的U1及p均为已知值。1 -1截面，因要求计算高位槽的液 所以把1-1截面选在此就可以直接算出所求的高度 x,同时

5、在此液2-2截面选在管出口处。在 1-1及2-2截面间列柏努利方程：2U2 .hf2式中p1=0 （表压）高位槽截面与管截面相差很大，故高位槽截面的流速与管内流速相比，其值很小，即Z=x, p2=0 （表压）,U2=0.5m/s ,乙=0, hf / g=1.2m将上述各项数值代入，则 9.81 x= 0-5 +1.2 x 9.81 x=1.2m计算结果表明，动能项数值很小，流体位能的降低主要用于克服管路阻力。5、若管路的长度和流体流量不变，用加粗管径来减小阻力损失。讨论下面二种情况下，当管径增大 损失减少的百分比。（1）流体在管内层流；流体在光滑管内湍流,Re =105.；30%寸。阻力解：

6、hf2L(范宁公式)d 2（1）层流时64 64Re duhf64du32 l32 l qVd2 .2d4hfhfB(1.3d)4_B丄 0.351.34(2) Re = 105时，光滑管为常数hfcv、2 B/) T5 -d2 d 4hfB/(1.3d)5BZ孑：0.269T76、用离心泵将贮水池中的水送到高位槽中水池液面与高位槽液面间的垂直距离为 0 165X 4.5mm,管路中直管总长为65%摩擦系数 入可取为0.02 , 解：（1）取水池液面为1-1如图所示。1300m所有局部阻力的当量长度为3水的密度取1000kg/m。求：泵的轴功率 N截面，且定为基准水平面。取高位槽液面为35m,

7、定态流动。输水管直径为 若泵的流量为50mo(kw)。2-2 截面,（2）在两截面间列出柏努利方程:ZigU12 Phf1 2各量确定：乙=0, Z2=35m, 0,氏0,1003600Pi=P2=0 （表压），we待求，必须先求出100m/h，泵的效率为.Sh 竹-2 及 u。(3)求u及Xh竹-2 u1.453m/s-(0.156)2I led0.02 空00.156502吟L 182.7j/kgwe、qm及 P。(4)求we=Z2g+Xh 治=35X 9.81+182.7=526.05J/kgq - p =100/3600 x 1000=27.78kg/s把各有关量代入柏式可求出weP

8、Pe We qm 526.05 27.78 224830.6522.5 kw7、某测水的转子流量计，转子为不锈钢 铅=10670kg m-3）,保持形状、大小不变, 解：不锈钢转子测水的流量为 W,水,/qV，水（钢=7920kg m-3）,测量范围为 0.2502.50 m3 h-1。如将转子改为硬铅 （ 用来测水和乙醇（乙醇=789kg m-3），问转子流量计的测量范围各为多少？ 铅转子测水的流量为 qS,铅铅水 10670 1000 1.187920 1000qv,水,1 = 1.18 0*5 =0.295 m3 h-1测量水的流量范围为 0.2952.95 m3 h-1q/V,水,2

9、= 1.18 2.5 = 2.95 m3 h-1q乙醇qv，水T乙醇（1000(10670 789) 1I .345 钢 水).789(7920 1000)乙醇）q/V,乙醇,1 = 1.345 0.25 =0.336 m3 h-1测量乙醇的流量范围为 0.3363.36 m3 h-1q/V,乙醇,2 = 1.345 2為=3.36 m3 h-18在用水测定离心泵性能实验中，流量为 26m3/h时，泵出口压强表读数为 152kPa,泵入口真空表读数为 24.7kPa,轴功率为2.45KW，转速为2900r/min，真空表与压强表两测压口垂直距离为 0.4m，泵进出口管径相等，两测压口间管路的流

10、动阻力可以忽略不计，实验用水密度近似为 1000kg/m3，试计算该泵效率并列出该效率下泵的性能。解：在真空表和压强表测压口截面间列伯努利方程可得：性能参数：qV 26m3/h,H 18.4m,P 2.45KW, 53.2%“t -y数据，并计算在x=0 至 x=1范围内各点的相对挥发度P000p BPaPaXaPaP；P0yA PPi 0Pba,精馏作业温度苯酚蒸汽压对甲酚蒸汽压pBJ温度苯酚蒸汽压对甲酚蒸汽t C0Pa kPakPat C0Pa kPa压 pB kPa113.710.07.70117.811.999.06114.610.47.94118.612.439.39115.410.

11、88.2119.412.859.70116.311.198.5120.013.2610.0117.011.588.761、苯酚（C6H5OH）（ A）和对甲酚（C6H4（ CH 3）OH）（ B）的饱和蒸汽压数据（假设此物系为理想物系）为:试按总压P=75mmHg （绝压）计算该物系的 和平均相对挥发度；写出相平衡方程式。解：总压 P 丄5 101.3 10kPa Xa760利用上述式子计算相关数据列表如下:温度t C苯酚蒸汽压0Pa kPa对甲酚蒸汽压XayAa0PbkPa113.710.07.701.01.01.299114.610.47.940.8370.8710.310115.410.

12、88.20.6920.7481.317116.311.198.50.5580.6241.316117.011.588.760.4400.5091.322117.811.999.060.3210.3851.323118.612.439.390.2010.2491.324119.412.859.700.09520.1221.325120.013.2610.00.0000.0001.326x1.318x计算1.318 y1 (1)x1 0.318x纯甲苯的饱和蒸气压 p0甲苯 7.6kpa。求其气液相的平衡组成。解:X苯pp甲苯20.37.612.70.84 ；0卄p苯p0甲苯22.77.615.1

13、y苯0p苯pX苯22.720.30.840.94 ;x甲苯1 x苯 1 0.84 0.16; y甲苯 1 y苯 1 0.94 0.06)3、某二元物系，原料液浓度Xf =0.42，连续精馏分离得塔顶产品浓度Xd =0.95。已知塔顶产品中易挥发组分回收4、混合液含易挥发组分 0.35,泡点进料，经连续精馏塔分离， 塔顶产品浓度xd=0.96,塔底产品浓度xw=0.025 （均 为易挥发组分的摩尔分率），设满足恒摩尔流假设。试计算塔顶产品的采出率 D/F ;若回流比R=3.2，泡点回流，写出精馏段与提馏段操作线方程。解: 1) DF(XfXdXW )Xw0.350.0250.34760.960.

14、025RxD3.20.96 c “ c2）精馏段操作线yXX0.762x 0.229R 1R 13.2 13.2 1LW提馏段操作线yL WX LWXW泡点进料，q=1 , L =L+qF=L+F=RD+F ; V V , W=F-D=(1-D/F)FLxL WWBXwRD F F D(R 1)DX (R 1)DXwRD 1FxD(R 1)-(R3.2 0.3476 1 0.3476 x (3.2 1) 0.3476 (3.2 1) 0.34765、苯甲苯理想溶液在总压为 101.3kpa下,0.025 1.447X 0.0112饱和蒸气压和温度的关系如下:085C时，p 苯 116.9kpa

15、 ,p0甲苯46kpa ；在 105C时，p0苯 204.2kpa , p甲苯86kpa。求：（1）在85C和105C时该溶液的相对挥发度及平均相对挥发度;（2）在此总压下，若 85C时，x苯0.78，用平均相对挥发度值求 y解：（1 ）在85C时:p0苯0p甲苯迪 2.54在105 C时:204.2平均相对挥发度, 2 2.54 2.372.462=2.37(2)用 m求y苯(85C时)y苯 亡苯 2.46 0.78 0.8971 1 x苯 1 1.46 0.786、在连续精馏塔中分离含苯 50%(质量百分数，下同)的苯甲苯混和液。要求馏出液组成为98%,釜残液组成为1%(均为苯的组成)。M

16、苯=78 , M甲苯=92。求：甲苯的回收率。解：解：(1)把已知的质量分数换算成摩尔分数M 苯=78, M甲苯=92进料组成:50/78釜残液组成:(2)求 D、Xfxw50/78 50/921/780.541馏出液组成：xD0.0121/78 99/92取F= 100kmol/h为计算基准，由全塔物料衡算可得:F=D+W ,98/780.98398/78 2/92及F Xf D Xd W Xw联立两式可得:100 .541 .12 54.48kmol/hXd Xw0.983 0.012W F D 100 54.48 45.52kmol/h(3)求甲苯回收率 W ,即求釜残液中难恢复组分的回

17、收率 (釜残液中难挥发组分的量与其在原料液中的量之比)w 理1土 100% 的521 .12 10% 97.98%F 1 Xf100 1 0.5417、在一两组分连续精馏塔中，进入精馏段中某层理论板n的气相组成yn+1为0.75，从该板流出的液相组成 xn为0.65 (均为摩尔分数)，塔内气液比V/L=2，物系的相对挥发度 为2.5，求：(1 )从该板上升的蒸气组成 yn； (2)流入该板的液相组成Xn-1； (3)回流比 R。解：解：(1)求Yn可用气液平衡方程由Xn求出yn2.5 0.65YnXn1 1.5 0.650.823(3)可解出:2R = R + 1, R = 1(2)Xn-1由

18、精馏段操作线方程ynRR 1 XnXd1，得 0.75=-20.65+ $解出 xd = 0.852因ynRR 1 Xn 1XdR 1代入已知量得0.82311Xn0 85T，解出 3 0796传热练习题2-2平壁炉的炉壁由厚为减少热损失，又在炉壁外加一石棉保温层，其厚 60mm，导热系数为依次为800C、680C、410C和60C。(1)问加石棉后热损失减少多少? 解：定常传热，在传热路径上，传热速率处处相等；任两层接触面同一个温度，说明接触良好，无接触热阻120mm的耐火砖和厚800 C 和 120C。240mm的普通砖砌成。测得炉壁内、外温度分别为0.2 W m-1-1，之后测得三种材质

19、界面温度(2)求耐火砖和普通砖的导热系数。t3b3410 60 1167W m 20.060.2q t1b1800 6800.1211670.12800 6801.167W同理11676800.241.037W m 1加石棉前的热损失8002034W0.12 0.242034 1167 42.6%20341.167 1.0372-3冷藏室的墙壁由两层厚 15mm的杉木板之间夹一层软木板构成，W- m-1 C -1和0.040 W m-1 C -1。冷藏室内外壁分别为-12C和21 C，若要求墙壁传热量不大于 10 W m-2，试计算墙壁中软木板的最小厚度及软木板的热阻占总热阻的分数。21 (

20、12)杉木板和软木板的导热系数分别为0.107解: qmax 100.015 20.107b2. min0.04330.2804 匹味0.040.1208b2 = 0.1208m 121mm0.040.28040.12080.0491.5%50mm,170 C和2-4外径为100mm的蒸汽管外包有一层厚0.1Wm-1 C -1),才能使保温层内、外温度分别为=0.06W m-1 C -1的绝热材料，问再包多厚的石棉层(30 C时，热损失不大于 60 Wm1。解: Q 2 (t3 t )l 1 . r2 1 . r3ln ln -1 A 2 2r3 = 0.136m = 136mm石棉层厚为 1

21、36-100 =36mmdm,2，内层平均直径dm,12倍，导热系数为内层的 2倍。若两层互2-5蒸汽管外包扎两层厚度相同的绝热层，外层的平均直径为内层的 换位置，其他条件不变，问每米管长热损失改变多少？哪种材料放内层好? 解：设外层平均直径dm,2 = 2 d m,1t d m,1l5 b1Sm,1 2Sm,21 d m,1 l2 1 2d m,11两种材料互换位置243 C 和互换位置后热损失减少。说明在其他条件相同时，将导热系数小的材料放在内层好。2-12 若石油精馏的原料预热器是套管换热器，重油与原油并流流动，重油进、出口温度分别为167 C,原油进、出口温度分别为 128 C和157

22、 C。现改为逆流操作，冷、热流体的初温和流量不变。由计算结果讨论其传热推动力和终温的变化情况。假设流体的物性和总传热系数不变，并忽略热损失。(243 128) (167 157)可见，tm,逆 tm,并逆流传热推动力大，提高了原油的出口温度，降低了重油的出口温度，热量得到充分利用。流量为每小时1900kg的正丁醇由90 C冷却至50 C, Cp = 2.98 103解：(1)求冷却水出口温度2-14 在逆流换热器中，用 20 C的水将1.5kg s-1的苯由80 C冷却到30 C。换热器列管直径为 25 2.5mm。 水走管内，水侧和苯侧的传热系数分别为 0.85kWm-2 C-1和1.7 k

23、W m-2 C -1，管壁的导热系数为 45 W- m-1 C -1,忽略污垢热阻。若水的出口温度为 50 C。试求换热器的传热面积 S0及冷却水的消耗量 qm,c。操作条件下水的cp =4.174 103 J kg-1 C -1,苯的 Cp = 1.90 103 J kg-1 C -1。3 5解：Q qm,h (T1 T2) 1.5 1.9 10 (80 30) 1.425 10 W (80 50) (30 20),80 50 ln30 20472W m2 C 1 1 0.0025 25 1 251700 45 22.5 1700 202.826 10 4、0.8 0.40.023-25-

24、(4.34 10 ) (0-986) 57.7W mL 3120 60 不必校正d 0.052-16在列管换热器内，用冷水冷却甲烷气， 120C的常压甲烷气以10m s-1平均流速在壳程沿轴向流动，出口温度30C，水在管程流动，其传热系数为 0.85kW m-2 - C-1。换热器外壳内径为 190mm。管束由37根19 2mm的75 C 下甲烷的 =1.15 10-5Pa s, = 0.0407 W m-1 C-1, Cp钢管组成，忽略管壁及污垢热阻，求总传热系数。已知=2.5 103 J kg-1 C-1。解：定性温度120 + 302=75 C,甲烷的物性:=1.115 10-5Pa s

25、,=0.0407 W m -1 C-1,Cp = 2.5 103 J kg-1 C -1PrPM 1.013 10216RT 8.314 (273 75)壳程当量直径RedeU2.50.56 kgn4d2-D2de 4 -D n d.255 10 0.56 1.2421.15 103 510 115 10 0.7060.040702乜 ReWD237d2D 37d1040.023 0.0407 (1.2420.02550.192 37 0.01920.0255m37 0.0190.19104)0.8(0.706)0.3 62.3W匚丄50 i d i 62.3K 57.01W m 2180kg

26、 h-1的过热氨气冷却并冷凝至饱和温度 30 C的液态氨。现采用 15C的水为冷却剂在换热器中逆流操作。测得水的出口温度为流体间的平均温度差。已知 95 C氨蒸气的焓为1647kJ kg-1, 30 C氨蒸气的焓为kJ kg-1，忽略热损失，20C 的水 Cp = 4183 J kg -1 C -1。解：该传热过程应分为冷却段和冷凝段。过热氨蒸气冷却至饱和温度的放热速率为A OQ Q (1647 1467) 103 9000W36002-19 工艺上要求将绝对压强为11206kPa、温度为 95 C、流量为146727C。试计算水的用量及两kJ kg-1, 30C液氨的焓为 32318030C

27、氨蒸气冷凝过程放出的热为Q融(1467 323) 103 57200W水吸收的总热量Q = Q1 + Q2 = 9000 + 57200 = 66200WT2水的定性温度2 + 152=21 C近似取 Cp = 4183 J kg-1 -C -1水的流量q m,cQCp(t2 t1)662004183 (27 15)1.319k s冷凝段 57200 = 1.319t/ = 25.4 C4183 (t/ -15)tm(30 15) (30 25.4)30 1530 25.48.8 C冷却段tm(95 27) (30 25.4)ln730 25.424.17 C2-20室内装有两根等长的简易水平暖气管，管内通以饱和蒸汽，暖气通过自然对流向室内供暖。设大管直 径为小管直径的4倍。小管的(Gr Pr) 109，且两管间无相互影响，试求两管的供暖比值，并讨论顶层楼房另加粗直 管暖气的作用。两管子所处条件相同，式中只有管径不同( D = 4d)，其他参数相同0.13 j(Gr Pr)3大 (1/D) (D3)： 1 两管的 相同，k相同小(1/d) (d3)