化工原理题目答案.docx

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化工原理题目答案

1.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Σｈf=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。

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+Σｈ（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24.66×103a,水流经吸入管与排处管（不包括喷头）的能量损失可分别按Σｈf,1=2u2，入或排出管的流速ｍ/s。

排水管与喷头连接处的压强为98.07×103a（表压）。

试求泵的有效功率。

解：

总能量损失Σhf=Σhf+，1Σhf，2u1=u2=u=2u2+10u212u2在截面与真空表处取截面作方程：

z0g+u02/2+P0/ρ=z1g+u2/2+P1/ρ+Σhf，1（P0-P1）/ρ=z1g+u2/2+Σhf，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+Σhf，2∴We=z2g+u2/2+P2/ρ+Σhf，2—（z1g+u2/2+P1/ρ）=12.5×9.81+（98.07+24.66）/998.2×10310×22=285.97J/kgNe=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36m。

3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245.2×103a时，B处的压强表读数为若干Pa？

解：

（1）由A到B截面处作柏努利方程

0+uA22+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ZBg+uB2／2+PB/ρ+We=0+uA2PA/ρ+49∴We=（PA-PB）/ρ-ZBg+49=98.1+49=147.1J/kg∴WS=VSρ=36/3600×1100=11kg/sNe=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）=245.2×1031100×（7×9.81+98.1）=6.2×104Pa

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+Σhf∴1kg水流经A，B的能量损失：

Σhf=（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：

Σhf=ΔP/ρ∴ΔP=ρΣhf=4.41×103

16.密度为850kg/m3，粘度为8×10-3Pa·s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147×103a，液体流经多长的管子其压强才下降到127.5×103a？

解：

（1）Re=duρ/μ=（14×10-3×1×850）/（8×10-3）=1.49×103>2000∴此流体属于滞流型

（2）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ｕ=0时,y2=r2=2pum∴p=r2/2=d2/8当ｕ=ｕ平均=0.5ｕmax=0.5m/s时,y2=-2p（0.5-1）=d2/8=0.125d2∴即与管轴的距离r=4.95×10-3m（3）在147×103和127.5×103两压强面处列伯努利方程u12/2+PA/ρ+Z1g=u22/2+PB/ρ+Z2g+Σｈf∵u1=u2,Z1=Z2∴PA/ρ=PB/ρ+Σｈf损失能量ｈf=（PA-PB）/ρ=（147×103-127.5×103）/850=22.94∵流体属于滞流型∴摩擦系数与雷若准数之间满足λ=64/Re

又∵ｈf=λ×（ι/d）×0.5u2∴ι=14.95m∵输送管为水平管，∴管长即为管子的当量长度即：

管长为14.95m

18.一定量的液体在圆形直管内做滞流流动。

若管长及液体物性不变，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=r2∴A1=4A2∴u2=4u由能量损失计算公式Σｈf=λ?

（ι/d）×（1/2u2）得Σｈf，1=λ?

（ι/d）×（1/2u12）Σｈf，2=λ?

（ι/d）×（1/2u22）=λ?

（ι/d）×8（u1）2=16Σｈf，1∴hf2=16hf1

20.每小时将2×103g的溶液用泵从反应器输送到高位槽。

反应器液面上方保持26.7×103a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=10.5m2个全开阀的当量长度:

2×0.45=0.9m∴局部阻力当量长度Σιe=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Σｈ=λ×（ι+Σιe）/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+ΣｈWe=Zg+（P1-P2）/ρ+Σｈ=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

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xρ水g（h+x）=ρ水银gR103×（1.5+x）=13.6×103×0.6x=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+Σｈ而Σｈ=［λ（ι+Σιe）/d+ζ］·u2/2=2.125u2∴6.6×9.81=u2/2+39.63+2.125u2u=3.09/s体积流量ωs=uAρ=3.09×π/4×（0.1）2×3600=87.41m3/h⑵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）u2/2u=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

26.用离心泵将20℃水经总管分别送至A，B容器内，总管流量为89m/h3，ф127×5mm。

原出口压强为1.93×105Pa，容器B内水面上方表压为1kgf/cm2，总管的流动阻力可忽略，各设备间的相对位置如本题附图所示。

试求：

（1）离心泵的有效压头He；

（2）两支管的压头损失Hf，o-A，Hf，o-B，。

解：

（1）离心泵的有效压头总管流速u=Vs/A而A=3600×π/4×（117）2×10-6u=2.3m/s在原水槽处与压强计管口处去截面列伯努利方程Z0g+We=u2/2+P0/ρ+Σｈf∵总管流动阻力不计Σｈf=0We=u2/2+P0/ρ-Z0g=2.32/2+1.93×105/998.2-2×9.81

=176.38J/Kg∴有效压头He=We/g=17.98m⑵两支管的压头损失在贮水槽和Α﹑Β表面分别列伯努利方程Z0g+We=Z1g+P1/ρ+Σｈf1Z0g+We=Z2g+P2/ρ+Σｈf2得到两支管的能量损失分别为Σｈf1=Z0g+We–（Z1g+P1/ρ）=2×9.81+176.38–（16×9.81+0）=39.04J/KgΣｈf2=Z0g+We-（Z2g+P2/ρ）=2×9.81+176.38–（8×9.81+101.33×103/998.2）=16.0J/Kg∴压头损失Hf1=Σｈf1/g=3.98mHf2=Σｈf2/g=1.63m

28．本题附图所示为一输水系统，高位槽的水面维持恒定，水分别从BC与BD两支管排出，高位槽液面与两支管出口间的距离为11m，AB段内径为38mm，长为58m；BC支管内径为32mm，长为12.5m；BD支管的内径为26mm，长为14m，各段管长均包括管件及阀门全开时的当量长度。

AB与BC管的摩擦系数为0.03。

试

（1）当BD支管的阀门关闭时，BC支管的最大排水量为若干m3h？

（2）当所有的阀门全开时，两支管的排水量各为若干m3h？

BD支管的管壁绝对粗糙度为0.15mm，水的密度为1000kg/m3，解:

（1）BD支管的阀门关闭VS,AB=VS,BC即u0A0=u1A1u0π382/4=u1π322/4∴u0=0.71u1分别在槽面与C-C,B-B截面处列出伯努利方程0+0+Z0g=u12/2+0+0+Σｈf,AC0+0+Z1g=u02/2+0+0+Σｈf,AB而Σｈf,AC=λ?

ιAB/d0）·u02/2+λ?

ιBC/d1）·u12/2=O.03×（58000/38）×u02/2+0.03·（12500/32）×u12/2=22.89u02+5.86u12Σｈf,AB=λ?

ιAB/d0）·u02/2=O.03×（58000/38）×u02/2=22.89u02∴u1=2.46m/sBC支管的排水量VS,BC=u1A1=7.1m3/s⑵所有的阀门全开VS,AB=VS,BC+VS,BDu0A0=u1A1+u2A2u0π382/4=u1π322/4+u2π262/4u0382=u1322+u226假设在BD段满足1/λ1/2=2lg（d/ε）+1.14∴λD=0.0317同理在槽面与C-C,D-D截面处列出伯努利方程Z0g=u12/2+Σｈf,AC=u12/2+λ?

ιAB/d0）·u02/2+λ?

ιBC/d1）·u12/2②Z0g=u22/2+Σｈf,AD=u22/2+λ?

ιAB/d0）·u02/2+λD?

ιBD/d2）·u22/2③

联立①②③求解得到u1=1.776m/s,u2=1.49m/s核算Re=duρ/μ=26×10-3×1.49×103/0.001=38.74×103（d/ε）/Reλ1/2=0.025>0.005∴假设成立即D,C两点的流速u1=1.776m/s,u2=1.49m/s∴BC段和BD的流量分别为VS,BC=32×10×（π/4）×3600×1.776=5.14m3/sVS,BD=26×10×（π/4）×3600×1.49=2.58m3/s

2.用离心泵以40m3h的流量将贮水池中65℃的热水输送到凉水塔顶，并经喷头喷出而落入凉水池中，以达到冷却的目的，已知水进入喷头之前需要维持49kPa的表压强，喷头入口较贮水池水面高6m，吸入管路和排出管路中压头损失分别为1m和3m，管路中的动压头可以忽略不计。

试选用合适的离心泵并确定泵的安装高度。

当地大气压按101.33kPa计。

解：

∵输送的是清水∴选用B型泵查65℃时水的密度ρ=980.5Kg/m3在水池面和喷头处列伯努利方程u12/2g+P1/ρg+Η=u12/2g+P2/ρg+Ηf+Z取u1=u2=0则Η=（P2-P1）/ρg+Ηf+Z=49×103/980.5×9.8+6+（1+4）=15.1m∵Q=40m3/h由图2-27得可以选用3B19A2900465℃时清水的饱和蒸汽压PV=2.544×104Pa当地大气压Ηa=P/ρg=101.33×103/998.2×9.81=10.35m查附表二十三3B19A的泵的流量:

29.5—48.6m3/h

为保证离心泵能正常运转,选用最大输出量所对应的ΗS'即ΗS'=4.5m输送65℃水的真空度ΗS=[ΗS'+（Ηa-10）-（PV/9.81×103–0.24）]1000/ρ=2.5m∴允许吸上高度Hg=ΗS-u12/2g-Ηf,0-1=2.5–1=1.5m即安装高度应低于1.5m

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:

e=（P2–P1）/ρg+△Z+Ηf,1-2=33.74m

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

4.用例2-2附图所示的管路系统测定离心泵的气蚀性能参数，则需在泵的吸入管路中安装调节阀门。

适当调节泵的吸入和排出管路上两阀门的开度，可使吸入管阻力增大而流量保持不变。

若离心泵的吸入管直径为100mm，排出管直径为50mm，孔板流量计孔口直径为35mm，测的流量计压差计读数为0.85mHg吸入口真空表读数为550mmHg时，离心泵恰发生气蚀现象。

试求该流量下泵的允许气蚀余量和吸上真空度。

已知水温为20℃，当地大气压为760mmHg。

解:

确定流速A0/A2=（d0/d2）2=（35/50）=0.49查20℃时水的有关物性常数ρ=998.2Kg/m3,μ=100.5×10-5,PV=2.3346Kpa假设C0在常数区查图1-33得C0=0.694则

u0=C0[2R（ρA-ρ）g/ρ]1/2=10.07m/su2=0.49u0=4.93m/s核算:

Re=d2u2ρ/μ=2.46×105>2×105∴假设成立u1=u2（d2/d1）2=1.23m/s允许气蚀余量△h=（P1-P2）/ρg+u12/2gP1=Pa-P真空度=28.02Kpa△h=（28.02-2.3346）×103/998.2×9.81=2.7m允许吸上高度Hg=（Pa-PV）/ρg-△h-ΣΗf∵离心泵离槽面道路很短可以看作ΣΗf=0∴Hg=（Pa-PV）/ρg-△h=（101.4–2.3346）×103/（998.2×9.81）–2.7=7.42m

6.某型号的离心泵，其压头与流量的关系可表示为H=18-0.6×106Q2（H单位为m，Q单位为m3s）若用该泵从常压贮水池将水抽到渠道中，已知贮水池截面积为100m2，池中水深7m。

输水之初池内水面低于渠道水平面2m，假设输水渠道水面保持不变，且与大气相通。

管路系统的压头损失为Hf=0.4×10Q2（Hf单位为m，Q单位为m3s）。

试求将贮水池内水全部抽出所需时间。

解:

列出管路特性方程Ηe=K+HfK=△Z+△P/ρg∵贮水池和渠道均保持常压∴△P/ρg=0∴K=△Z∴Ηe=△Z+0.4×106Q2在输水之初△Z=2m∴Ηe=2+0.4×106Q2

联立H=18-0.6×106Q2，解出此时的流量Q=4×10-3m3/s将贮水槽的水全部抽出△Z=9m

∴Ηe=9+0.4×106Q'2再次联立H=18-0.6×106Q2，解出此时的流量Q'=3×10-3m3/s∵流量Q随着水的不断抽出而不断变小∴取Q的平均值Q平均=（Q+Q'）/2=3.5×10-3m3/s把水抽完所需时间τ=V/Q平均=55.6h

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.40m2的除尘室回收气体中的球形固体颗粒气体的处理量为3600m3h，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

5.含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m3，气体流量为000m3h，粘度为.6×10-5Pa?

密度为.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=8.0B=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）]1/2=8.04×10-6m=8.04μm

（2）分割粒径根据d50=0.27[μD/ut（ρs-ρ）]计算颗粒的分割粒径∴d50=0.27[3.6×10-5×0.4/（13.889×2300）]1/2=0.00573×10-3m=5.73μm（3）压强降根据△P=ξ·ρui2/2计算压强降∴△P=8.0×0.674×13.8892/2=520Pa

7.验室用一片过滤面积为0.1m3的的滤叶对某种颗粒在水中的悬浮液进行实验，滤叶内部真空读为500mmHg，过滤5min的滤液1L，又过滤5min的滤液0.6L，若再过滤5min得滤液多少？

分析：

此题关键是要得到虚拟滤液体积，这就需要充分利用已知条件，列方方程求解

解：

⑴虚拟滤液体积由过滤方程式V2+2VVe=KA2θ过滤5min得滤液1L（1×10-3）2+2×10-3Ve=KA2×5①过滤10min得滤液1.6L（1.6×10-3）2+2×1.6×10-3Ve=KA2×10②由①②式可以