流体流动作业及答案.docx
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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=1000kg•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（hw+ho）。
解：
如图所示
50ghw+
0gh0+ghw=ghch0:
hw=5:
1
ghw=ghc
hw—
5°gwg
10001'1_0214mh0+hw=6hw=6x0.214=
58301000
2、质量浓度为16200kg/h的25%氯化钠（NaCI）水溶液在$50x3mm的钢管中流过。
umax滞。
粘度为2.3x10-3Pa-$。
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
16200
3600
2.4972.5m/s
-（0.044）21186
②Re世0.°442・5“8656722
2.3103
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Re
0.088m/s
0.0441186umax滞&/口
2.310彳2000，解得怯滞
9m-s-1的速度在列管内流
0=1.293kg•m-3。
试求
3、列管换热器的管束有13根25x2.5mm的钢管组成。
平均温度为50C的空气以动，管内压强为1.96x105Pa（表压），当地大气压为9.87x104Pa,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。
545
解：
操作压强P=1.96x10+9.87x10=2.947x10Pa
操作条件下空气的密度为
PT0
0tp0
1.293
（273
2.947105273§3.173
1.013105
50）
2
（1）qm=uA=9x13x4x0.02x3.179=0.117kg
-1
231
（2）qv=uA=9x13x4x0.02=0.0368m•s-
31
（3）qv,0=qm/0=0.117/1.293=0.0905m•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：
2
U2.
hf
2
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9.81x=0-5+1.2x9.81x=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=10
5.
；
30%寸。
阻力
解：
hf
[2
L—（范宁公式）
d2
（1）层流时
6464
Redu
hf
64
du
32l
32lqV
d2.2
d
4
hf
hf
B
（1.3d）4
__B~
丄0.35
1.34
（2）Re=10
5时，光滑管
为常数
hf
cv、2B/
）~T5-d2d4
¥
hf
B/
（1.3d）5
BZ
孑
：
0.269
T7
6、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0165X4.5mm,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,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:
Zig
U12P
hf12
各量确定：
乙=0,Z2=35m,0,氏~0,
100
3600
Pi=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-2u
1.453m/s
-（0.156）2
Ile
d
0.02空0
0.156
50
2
吟L182.7j/kg
we、qm及P。
（4）求
we=Z2g+Xh治=35X9.81+182.7=526.05J/kg
q-p=100/3600x1000=27.78kg/s
把各有关量代入柏式可求出
we
PPeWeqm526.0527.7822483
0.65
22.5kw
7、某测水的转子流量计，转子为不锈钢铅=10670kgm-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=7920kgm-3）,测量范围为0.250〜2.50m3h-1。
如将转子改为硬铅（用来测水和乙醇（乙醇=789kgm-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1067010001.18
79201000
q'v,水,1=1.180*5=0.295m3h-1
测量水的流量范围为0.295〜2.95m3h-1
q/V,水,2=1.182.5=2.95m3h-1
q乙醇
qv，水T乙醇（
1000（10670789）1
I.345钢水）.789（79201000）
乙醇）
q/V,乙醇,1=1.3450.25=0.336m3h-1
测量乙醇的流量范围为0.336〜3.36m3h-1
q/V,乙醇,2=1.3452為=3.36m3h-1
8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：
qV26m3/h,H18.4m,P2.45KW,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
P
0
0
0
pB
Pa
PaXa
Pa
P；
P0
yAP
P
i0
Pb
a,
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
tC
0
PakPa
kPa
tC
0
PakPa
压pBkPa
113.7
10.0
7.70
117.8
11.99
9.06
114.6
10.4
7.94
118.6
12.43
9.39
115.4
10.8
8.2
119.4
12.85
9.70
116.3
11.19
8.5
120.0
13.26
10.0
117.0
11.58
8.76
1、苯酚（C6H5OH）（A）和对甲酚（C6H4（CH3）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5101.310kPaXa
760
利用上述式子计算相关数据列表如下:
温度
tC
苯酚蒸汽压
0
PakPa
对甲酚蒸汽压
Xa
yA
a
0
Pb
kPa
113.7
10.0
7.70
1.0
1.0
1.299
114.6
10.4
7.94
0.837
0.871
0.310
115.4
10.8
8.2
0.692
0.748
1.317
116.3
11.19
8.5
0.558
0.624
1.316
117.0
11.58
8.76
0.440
0.509
1.322
117.8
11.99
9.06
0.321
0.385
1.323
118.6
12.43
9.39
0.201
0.249
1.324
119.4
12.85
9.70
0.0952
0.122
1.325
120.0
13.26
10.0
0.000
0.000
1.326
x
1.318x
计算
1.318y
1（
1）x
10.318x
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
p
p甲苯
20.3
7.6
12.7
0.84；
0卄
p苯
p0甲苯
22.7
7.6
15.1
y苯
0
p苯
p
X苯
22.7
20.3
0.84
0.94;
x甲苯
1x苯10.840.16;y甲苯1y苯10.940.06）
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）D
F
（Xf
Xd
XW）
Xw
0.35
0.025
0.3476
0.96
0.025
R
xD
3.2
0.96c“c
2）精馏段操作线
y
X
X
0.762x0.229
R1
R1
3.21
3.21
L'
W
提馏段操作线
y
L'W
XL'WXW
泡点进料，q=1,L'=L+qF=L+F=RD+F;V'V,W=F-D=（1-D/F）F
L'
x
L'W
W
BXw
RDFFD
（R1）DX（R1）DXw
RD1
F
x
D
（R1）-
（R
3.20.347610.3476
x
（3.21）0.3476（3.21）0.3476
5、苯—甲苯理想溶液在总压为101.3kpa下,
0.0251.447X0.0112
饱和蒸气压和温度的关系如下:
0
85C时，p苯116.9kpa,
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
0
p甲苯
迪2.54
在105C时:
204.2
平均相对挥发度
■,22.542.37
2.46
2=
2.37
（2）用m求y苯（85C时）
y苯亡苯2.460.780.897
11x苯11.460.78
6、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、
Xf
xw
50/7850/92
1/78
0.541馏出液组成：
xD
0.012
1/7899/92
取F=100kmol/h为计算基准，由全塔物料衡算可得:
F=D+W,
98/78
0.983
98/782/92
及FXfDXdWXw联立两式可得:
100°.541°.°1254.48kmol/h
XdXw
0.9830.012
WFD10054.4845.52kmol/h
（3）求甲苯回收率W,即求釜残液中难恢复组分的回收率（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°.°1210°%97.98%
F1Xf
10010.541
7、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yn
2.50.65
Yn
Xn
11.50.65
0.823
（3）
可解出:
2R=R+1,R=1
（2）
Xn-1
①由精馏段操作线方程
yn
R
R1Xn
Xd
1
，得0.75=-
2
0.65+$
解出xd=0.85
2
②因yn
R
R1Xn1
Xd
R1
代入已知量得
0.823
1
1Xn
085
T，解出30796
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
800C和120C。
240mm的普通砖砌成。
测得炉壁内、外温度分别为
0.2Wm-1-1，之后测得三种材质界面温度
（2）求耐火砖和普通砖的导热系数。
t3
b3
410601167Wm2
0.06
0.2
qt1
b1
800680
0.12~
1167
0.12
800680
1.167W
同理
1167
680
0.24
1.037Wm1
加石棉前的热损失
800
2034W
0.120.24
2034116742.6%
2034
1.1671.037
2-3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-1C-1和0.040Wm-1C-1。
冷藏室内外壁分别为-12C和21C，若要求墙壁传热量不大于10W•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（12）
杉木板和软木板的导热系数分别为
0.107
解:
qmax10
0.0152
0.107
b2.min
0.04
33
0.2804匹味
0.04
0.1208
b2=0.1208m~121mm
0.04
0.2804
0.1208
0.04
91.5%
50mm,
170C和
2-4外径为100mm的蒸汽管外包有一层厚
0.1Wm-1C-1）,才能使保温层内、外温度分别为
=0.06Wm-1C-1的绝热材料，问再包多厚的石棉层（
30C时，热损失不大于60Wm1。
解:
Q2（t3t°）
l1.r21.r3
lnln-
1A2「2
r3=0.136m=136mm
石棉层厚为136-100=36mm
dm,2，内层平均直径dm,1
2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=2dm,1
tdm,1l
5b
1Sm,12Sm,2
1dm,1l
212dm,11
两种材料互换位置
243C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
167C,原油进、出口温度分别为128C和157C。
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。
（243128）（167157）
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90C冷却至50C,Cp=2.98103
解：
（1）求冷却水出口温度
2-14在逆流换热器中，用20C的水将1.5kgs-1的苯由80C冷却到30C。
换热器列管直径为252.5mm。
水走管内，水侧和苯侧的传热系数分别为0.85kW・m-2•C-1和1.7kWm-2•C-1，管壁的导热系数为45W-m-1•C-1,
忽略污垢热阻。
若水的出口温度为50C。
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=
4.174103Jkg-1C-1,苯的Cp=1.90103Jkg-1C-1。
35
解：
Qqm,h（T1T2）1.51.910（8030）1.42510W
（8050）（3020）
8050ln
3020
472Wm2C
1
10.002525125
17004522.5170020
2.826104、0.80.4
0.023-^25-（4.3410）（0-986）57.7Wm
L3
12060不必校正
d0.05
2-16在列管换热器内，用冷水冷却甲烷气，120C的常压甲烷气以10ms-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0.85kWm-2-C-1。
换热器外壳内径为190mm。
管束由37根192mm的
75C下甲烷的=1.1510-5Pas,=0.0407Wm-1C-1,Cp
钢管组成，忽略管壁及污垢热阻，求总传热系数。
已知
=2.5103Jkg-1C-1。
解：
定性温度
120+30
2
=75C,甲烷的物性:
=1.11510-5Pas,
=0.0407Wm-1C-1,
Cp=2.5103Jkg-1C-1
Pr
PM1.013102
16
RT8.314（27375）
壳程当量直径
Re
deU
2.5
0.56kg
n4d2
-D2
de4--
Dnd
°.°255100.561.242
1.1510
35
10「115100.706
0.0407
°02乜ReW
D2
37d2
D37d
104
0.0230.0407（1.242
0.0255
0.192370.0192
0.0255m
370.019
0.19
104）0.8
（0.706）0.362.3W
匚丄5
0idi62.3
K57.01Wm2
180kgh-1的过热氨气冷却并冷凝至饱和温度30C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95C氨蒸气的焓为1647kJkg-1,30C氨蒸气的焓为
kJkg-1，忽略热损失，20C的水Cp=4183Jkg-1C-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
AOQQ（16471467）1039000W
3600
2-19工艺上要求将绝对压强为
11206kPa、温度为95C、流量为
1467
27C。
试计算水的用量及两
kJkg-1,30C液氨的焓为323
180
30C氨蒸气冷凝过程放出的热为Q融（1467323）10357200W
水吸收的总热量
Q=Q1+Q2=9000+57200=66200W
T2
水的定性温度
2+15
2
=21C
近似取Cp=4183Jkg-1-°C-1
水的流量
qm,c
Q
Cp（t2t1）
66200
4183（2715）
1.319ks
冷凝段57200=1.319
t/=25.4C
4183（t/-15）
tm
（3015）（3025.4）
3015
3025.4
8.8C
冷却段
tm
（9527）（3025.4）
ln^7
3025.4
24.17C
2-20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（GrPr）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
0.13j（GrPr）'3
大（1/D）（D3）：
1两管的相同，k相同
小（1/d）（d3）
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