化工原理（上册、下册）课后习题及答案.doc

化工原理上册绪 论1. 从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI单位。（1）水的黏度=0.00856 g/(cms) （2）密度=138.6 kgf s2/m4（3）某物质的比热容CP=0.24 BTU/(lb)（4）传质系数KG=34.2 kmol/(m2hatm) （5）表面张力=74 dyn/cm（6）导热系数=1 kcal/(mh) 解：本题为物理量的单位换算。（1）水的黏度 基本物理量的换算关系为1 kg=1000 g，1 m=100 cm则 （2）密度 基本物理量的换算关系为1 kgf=9.81 N，1 N=1 kgm/s2则 （3）从附录二查出有关基本物理量的换算关系为 1 BTU=1.055 kJ，l b=0.4536 kg 则 （4）传质系数 基本物理量的换算关系为1 h=3600 s，1 atm=101.33 kPa则 （5）表面张力 基本物理量的换算关系为1 dyn=1105 N 1 m=100 cm则 （6）导热系数 基本物理量的换算关系为1 kcal=4.1868103 J，1 h=3600 s则 2 乱堆25cm拉西环的填料塔用于精馏操作时，等板高度可用下面经验公式计算，即式中 HE等板高度，ft；G气相质量速度，lb/(ft2h)；D塔径，ft；Z0每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft；相对挥发度，量纲为一；L液相黏度，cP；L液相密度，lb/ft3A、B、C为常数，对25 mm的拉西环，其数值分别为0.57、-0.1及1.24。试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为SI单位。解：上面经验公式是混合单位制度，液体黏度为物理单位制，而其余诸物理量均为英制。经验公式单位换算的基本要点是：找出式中每个物理量新旧单位之间的换算关系，导出物理量“数字”的表达式，然后代入经验公式并整理，以便使式中各符号都变为所希望的单位。具体换算过程如下：（1）从附录查出或计算出经验公式有关物理量新旧单位之间的关系为 （见1）量纲为一，不必换算1=1=16.01 kg/m2 (2) 将原符号加上“”以代表新单位的符号，导出原符号的“数字”表达式。下面以HE为例：则 同理 (3) 将以上关系式代原经验公式，得整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即第一章 流体流动流体的重要性质1某气柜的容积为6 000 m3，若气柜内的表压力为5.5 kPa，温度为40 。已知各组分气体的体积分数为：H2 40%、 N2 20%、CO 32%、CO2 7%、CH4 1%，大气压力为 101.3 kPa，试计算气柜满载时各组分的质量。解：气柜满载时各气体的总摩尔数各组分的质量： 2若将密度为830 kg/ m3的油与密度为710 kg/ m3的油各60 kg混在一起，试求混合油的密度。设混合油为理想溶液。解： 流体静力学3已知甲地区的平均大气压力为85.3 kPa，乙地区的平均大气压力为101.33 kPa，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？ 解：（1）设备内绝对压力 绝压=大气压-真空度= （2）真空表读数 真空度=大气压-绝压= 4某储油罐中盛有密度为960 kg/m3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5 m，油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为760 mm的孔，其中心距罐底1000 mm，孔盖用14 mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5106 Pa，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3103 Pa）？ 解：由流体静力学方程，距罐底1000 mm处的流体压力为 作用在孔盖上的总力为 每个螺钉所受力为 因此 习题5附图 习题4附图 5如本题附图所示，流化床反应器上装有两个U管压差计。读数分别为R1=500 mm，R2=80 mm，指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3=100 mm。试求A、B两点的表压力。习题6附图 解：（1）A点的压力 （2）B点的压力 6如本题附图所示，水在管道内流动。为测量流体压力，在管道某截面处连接U管压差计，指示液为水银，读数R=100 mm，h=800 mm。为防止水银扩散至空气中，在水银面上方充入少量水，其高度可以忽略不计。已知当地大气压力为101.3 kPa，试求管路中心处流体的压力。解：设管路中心处流体的压力为p根据流体静力学基本方程式，则 7某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过13.3 kPa（表压），在炉外装一安全液封管（又称水封）装置，如本题附图所示。液封的作用是，当炉内压力超过规定值时，气体便从液封管排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。习题7附图解：流体流动概述8. 密度为1800 kg/m3的某液体经一内径为60 mm的管道输送到某处，若其平均流速为0.8 m/s，求该液体的体积流量（m3/h）、质量流量（kg/s）和质量通量kg/(m2s)。解： 9在实验室中，用内径为1.5 cm的玻璃管路输送20 的70%醋酸。已知质量流量为10 kg/min。试分别用用SI和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。 解：（1）用SI单位计算查附录70%醋酸在20 时， 故为湍流。 （2）用物理单位计算 ， 10有一装满水的储槽，直径1.2 m，高3 m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直径为4 cm，测得水流过小孔的平均流速u0与槽内水面高度z的关系为： 试求算（1）放出1 m3水所需的时间（设水的密度为1000 kg/m3）；（2）又若槽中装满煤油，其它条件不变，放出1m3煤油所需时间有何变化（设煤油密度为800 kg/m3）？ 解：放出1m3水后液面高度降至z1，则 由质量守恒，得 ， （无水补充） (A为储槽截面积)故有 即 上式积分得 11如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7 m，水从108 mm4 mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5 m。已知水流经系统的能量损失可按hf=5.5u2计算，其中u为水在管内的平均流速（m/s）。设流动为稳态，试计算（1）A-A截面处水的平均流速；（2）水的流量（m3/h）。 解：（1）A- A截面处水的平均流速 在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得 （1）式中 z1=7 m，ub10，p1=0（表压） z2=1.5 m，p2=0（表压），ub2 =5.5 u2代入式（1）得 （2）水的流量（以m3/h计） 习题11附图 习题12附图1220 的水以2.5 m/s的平均流速流经38 mm2.5 mm的水平管，此管以锥形管与另一53 mm3 mm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力。若水流经A、B两截面间的能量损失为1.5 J/kg，求两玻璃管的水面差（以mm计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。 解：在A、B两截面之间列机械能衡算方程 式中 z1=z2=0， hf=1.5 J/kg 习题13附图 故 13如本题附图所示，用泵2将储罐1中的有机混合液送至精馏塔3的中部进行分离。已知储罐内液面维持恒定，其上方压力为1.0133105 Pa。流体密度为800 kg/m3。精馏塔进口处的塔内压力为1.21105 Pa，进料口高于储罐内的液面8 m，输送管道直径为68 mm 4 mm，进料量为20 m3/h。料液流经全部管道的能量损失为70 J/kg，求泵的有效功率。解：在截面和截面之间列柏努利方程式，得 习题14附图14本题附图所示的贮槽内径D=2 m，槽底与内径d0为32 mm的钢管相连，槽内无液体补充，其初始液面高度h1为2 m（以管子中心线为基准）。液体在管内流动时的全部能量损失可按hf=20 u2计算，式中的u为液体在管内的平均流速（m/s）。试求当槽内液面下降1 m时所需的时间。 解：由质量衡算方程，得 （1） （2） （3）将式（2），（3）代入式（1）得 即 （4）在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程 即 或写成 （5）式（4）与式（5）联立，得 即 i.c. =0，h=h1=2 m；=，h=1m 积分得 动量传递现象与管内流动阻力15某不可压缩流体在矩形截面的管道中作一维定态层流流动。设管道宽度为b，高度2y0，且by0，流道长度为L，两端压力降为，试根据力的衡算导出（1）剪应力随高度y（自中心至任意一点的距离）变化的关系式；（2）通道截面上的速度分布方程；（3）平均流速与最大流速的关系。 解：（1）由于by0 ,可近似认为两板无限宽，故有 （1） （2）将牛顿黏性定律代入（1）得 上式积分得 （2）边界条件为 y=0，u=0，代入式（2）中，得 C=-因此 （3）（3）当y=y0，u=umax故有 再将式（3）写成 （4）根据ub的定义，得 16不可压缩流体在水平圆管中作一维定态轴向层流流动，试证明（1）与主体流速u相应的速度点出现在离管壁0.293ri处，其中ri为管内半径；（2）剪应力沿径向为直线分布，且在管中心为零。 解：（1） （1）当u=ub 时，由式（1）得 解得 由管壁面算起的距离为 （2）由 对式（1）求导得 故 （3）在管中心处，r=0，故=0。17流体在圆管内作定态湍流时的速度分布可用如下的经验式表达试计算管内平均流速与最大流速之比u /umax。解：令 18某液体以一定的质量流量在水平直圆管内作湍流流动。若管长及液体物性不变，将管径减至原来的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍？ 解：流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时 = 或 =/= =（式中 =2 ，=（）2 =4因此 =32又由于 =（=（=（2=（0.5）0.25=0.841故 =320.84=26.9 习题19附图 19用泵将2104 kg/h的溶液自反应器送至高位槽（见本题附图）。反应器液面上方保持25.9103 Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为76 mm4 mm的钢管，总长为35 m，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）、五个标准弯头。反应器内液面与管路出口的距离为17 m。若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。（已知溶液的密度为1073 kg/m3，黏度为6.310-4 Pas。管壁绝对粗糙度可取为0.3 mm。） 解：在反应器液面1-1，与管路出口内侧截面2-2，间列机械能衡算方程，以截面1-1，为基准水平面，得 （1）式中 z1=0，z2=17 m，ub10 p1=-25.9103 Pa (表)，p2=0 (表) 将以上数据代入式（1），并整理得 =9.8117+=192.0+其中 =（+） =1.656105 根据Re与e/d值，查得=0.03，并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为 闸阀（全开）： 0.432 m =0.86 m 标准弯头： 2.25 m =11 m故 =(0.03+0.5+4)=25.74J/kg于是 泵的轴功率为 =1.73kW流体输送管路的计算 习题20附图 20如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100 mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15 m处安有以水银为指示液的U管压差计，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直管长度为20 m。 （1）当闸阀关闭时，测得R=600 mm、h=1500 mm；当闸阀部分开启时，测得R=400 mm、h=1400 mm。摩擦系数可取为0.025，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。问每小时从管中流出多少水（m3）？ （2）当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少Pa（表压）。（闸阀全开时Le/d15，摩擦系数仍可取0.025。） 解：（1）闸阀部分开启时水的流量 在贮槽水面1-1，与测压点处截面2-2，间列机械能衡算方程，并通过截面2-2，的中心作基准水平面，得 （a）式中 p1=0(表) ub2=0，z2=0 z1可通过闸阀全关时的数据求取。当闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方程知 （b）式中 h=1.5 m, R=0.6 m将已知数据代入式（b）得 将以上各值代入式（a），即 9.816.66=+2.13 ub2 解得 水的流量为 （2）闸阀全开时测压点处的压力在截面1-1，与管路出口内侧截面3-3，间列机械能衡算方程，并通过管中心线作基准平面，得 （c）式中 z1=6.66 m，z3=0，ub1=0，p1=p3 =将以上数据代入式（c），即 9.816.66=+4.81 ub2解得 再在截面1-1，与2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得 （d）式中 z1=6.66 m，z2=0，ub10，ub2=3.51 m/s，p1=0（表压力） 将以上数值代入上式，则 解得 p2=3.30104 Pa（表压）2110 的水以500 l/min的流量流经一长为300 m的水平管，管壁的绝对粗糙度为0.05 mm。有6 m的压头可供克服流动的摩擦阻力，试求管径的最小尺寸。 解：由于是直径均一的水平圆管，故机械能衡算方程简化为 上式两端同除以加速度g，得 =/g=6 m（题给）即 =69.81 J/kg =58.56 J/kg （a） 将ub代入式（a），并简化得 （b） 与Re及e/d有关，采用试差法，设=0.021代入式（b），求出d=0.0904m。 下面验算所设的值是否正确： 10 水物性由附录查得 =1000 kg/m3，=130.7710-5 Pa 由e/d及Re，查得=0.021故 习题22附图 22如本题附图所示，自水塔将水送至车间，输送管路用mm的钢管，管路总长为190 m（包括管件与阀门的当量长度，但不包括进、出口损失）。水塔内水面维持恒定，并高于出水口15 m。设水温为12 ，试求管路的输水量（m3/h）。 解：在截面和截面之间列柏努利方程式，得 （1）采用试差法，代入式（1）得，故假设正确，管路的输水量 习题23附图 23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均为11 。AB管段内径为38 m、长为58 m；BC支管的内径为32 mm、长为12.5 m；BD支管的内径为26 mm、长为14 m，各段管长均包括管件及阀门全开时的当量长度。AB与BC管段的摩擦系数均可取为0.03。试计算（1）当BD支管的阀门关闭时，BC支管的最大排水量为多少（m3/h）；（2）当所有阀门全开时，两支管的排水量各为多少（m3/h）？（BD支管的管壁绝对粗糙度，可取为0.15 mm，水的密度为1000 kg/m3，黏度为。） 解：（1）当BD支管的阀门关闭时，BC支管的最大排水量 在高位槽水面1-1，与BC支管出口内侧截面C-C,间列机械能衡算方程，并以截面C-C,为基准平面得 式中 z1=11 m，zc=0，ub10，p1=pc故 =9.8111=107.9J/kg （a） （b） （c） （d） （e）将式（e）代入式（b）得 （f）将式（f）、（d）代入式（b）,得 ubC=ub,BC，并以hf值代入式（a），解得 ub,BC=2.45 m/s故 VBC=36000.03222.45 m3/h=7.10 m3/h （2）当所有阀门全开时，两支管的排水量根据分支管路流动规律，有 （a）两支管出口均在同一水平面上，下游截面列于两支管出口外侧，于是上式可简化为 将值代入式（a）中，得 （b） 分支管路的主管与支管的流量关系为 VAB=VBC+VBD 上式经整理后得 （c）在截面1-1，与C-C间列机械能衡算方程，并以C-C为基准水平面，得 （d）上式中 z1=11 m，zC=0，ub10，ub, C0上式可简化为 前已算出 因此 在式（b）、（c）、（d）中，ub,AB、ub,BC、ub,BD即均为未知数，且又为ub,BD的函数，可采用试差法求解。设ub,BD=1.45 m/s，则 查摩擦系数图得=0.034。将与ub,BD代入式（b）得 解得 将ub,BC、ub,BD值代入式（c），解得 将ub,AB、ub,BC值代入式（d）左侧，即 计算结果与式（d）右侧数值基本相符（108.4107.9），故ub,BD可以接受，于是两支管的排水量分别为 24在内径为300 mm的管道中，用测速管测量管内空气的流量。测量点处的温度为20 ，真空度为500 Pa，大气压力为98.66103 Pa。测速管插入管道的中心线处。测压装置为微差压差计，指示液是油和水，其密度分别为835 kg/m3和998 kg/m3 ，测得的读数为100 mm。试求空气的质量流量（kg/h）。解： 查附录得，20 ，101.3 kPa时空气的密度为1.203 kg/m3，黏度为1.8110-5 Pa，则管中空气的密度为查图1-28，得 25在mm的管路上装有标准孔板流量计，孔板的孔径为16.4 mm，管中流动的是20 的甲苯，采用角接取压法用U管压差计测量孔板两侧的压力差，以水银为指示液，测压连接管中充满甲苯。现测得U管压差计的读数为600 mm，试计算管中甲苯的流量为多少（kg/h）？ 解：已知孔板直径do=16.4 mm，管径d1=33 mm，则 设ReReo，由教材查图1-30得Co=0.626，查附录得20 甲苯的密度为866 kg/m3，黏度为0.610-3 Pas。甲苯在孔板处的流速为 甲苯的流量为 检验Re值，管内流速为 原假定正确。习题26附图非牛顿型流体的流动26用泵将容器中的蜂蜜以6.2810-3 m3/s流量送往高位槽中，管路长（包括局部阻力的当量长度）为20 m，管径为0.l m，蜂蜜的流动特性服从幂律，密度=1250 kg /m3，求泵应提供的能量（J /kg）。解：在截面和截面之间列柏努利方程式，得；第二章 流体输送机械 1用离心油泵将甲地油罐的油品送到乙地油罐。管路情况如本题附图所示。启动泵之前A、C两压力表的读数相等。启动离心泵并将出口阀调至某开度时，输油量为39 m3/h，此时泵的压头为38 m。已知输油管内径为100 mm，摩擦系数为0.02；油品密度为810 kg/m3。试求（1）管路特性方程；（2）输油管线的总长度（包括所有局部阻力当量长度）。习题1 附图解：（1）管路特性方程甲、乙两地油罐液面分别取作1-1与2-2截面，以水平管轴线为基准面，在两截面之间列柏努利方程，得到 由于启动离心泵之前pA=pC,于是=0则 又 mh2/m5=2.5102 h2/m5则 （qe的单位为m3/h）（2）输油管线总长度m/s=1.38 m/s于是 m=1960 m2用离心泵（转速为2900 r/min）进行性能参数测定实验。在某流量下泵入口真空表和出口压力表的读数分别为60 kPa和220 kPa，两测压口之间垂直距离为0.5 m，泵的轴功率为6.7 kW。泵吸入管和排出管内径均为80 mm，吸入管中流动阻力可表达为（u1为吸入管内水的流速，m/s）。离心泵的安装高度为2.5 m，实验是在20 ，98.1 kPa的条件下进行。试计算泵的流量、压头和效率。解：（1）泵的流量由水池液面和泵入口真空表所在截面之间列柏努利方程式（池中水面为基准面），得到将有关数据代入上式并整理，得m/s则 m3/h=57.61 m3/h(2) 泵的扬程(3) 泵的效率=68%在指定转速下，泵的性能参数为：q=57.61 m3/h H=29.04 m P=6.7 kW =68%3对于习题2的实验装置，若分别改变如下参数，试求新操作条件下泵的流量、压头和轴功率（假如泵的效率保持不变）。（1）改送密度为1220 kg/m3的果汁（其他性质与水相近）；（2）泵的转速降至2610 r/min。解：由习题2求得：q=57.61 m3/h H=29.04 m P=6.7 kW（1）改送果汁改送果汁后，q，H不变，P随加大而增加，即 (2) 降低泵的转速根据比例定律，降低转速后有关参数为 4用离心泵（转速为2900 r/min）将20 的清水以60 m3/h的流量送至敞口容器。此流量下吸入管路的压头损失和动压头分别为2.4 m和0.61 m。规定泵入口的真空度不能大于64 kPa。泵的必需气蚀余量为3.5 m。试求（1）泵的安装高度（当地大气压为100 kPa）；（2）若改送55 的清水，泵的安装高度是否合适。解：(1) 泵的安装高度在水池液面和泵入口截面之间列柏努利方程式（水池液面为基准面），得即 m（2）输送55 清水的允许安装高度55 清水的密度为985.7 kg/m3，饱和蒸汽压为15.733 kPa则 =m=2.31m原安装高度（3.51 m）需下降1.5 m才能不发生气蚀现象。5对于习题4的输送任务，若选用3B57型水泵，其操作条件下（55 清水）的允许吸上真空度为5.3 m，试确定离心泵的安装高度。解：为确保泵的安全运行，应以55 热水为基准确定安装高度。泵的安装高度为2.0 m。6用离心泵将真空精馏塔的釜残液送至常压贮罐。塔底液面上的绝对压力为32.5 kPa(即输送温度下溶液的饱和蒸汽压)。已知：吸入管路压头损失为1.46 m，泵的必需气蚀余量为2.3 m，该泵安装在塔内液面下3.0 m处。试核算该泵能否正常操作。解：泵的允许安装高度为式中 则 泵的允许安装位置应在塔内液面下4.26m处，实际安装高度为3.0m，故泵在操作时可能发生气蚀现象。为安全运行，离心泵应再下移1.5 m。7在指定转速下，用20 的清水对离心泵进行性能测试，测得qH数据如本题附表所示。习题7 附表1 q (m3/min)00.10.20.30.40.5H /m37.238.03734.531.828.5在实验范围内，摩擦系数变化不大，管路特性方程为（qe的单位为m3/min）试确定此管路中的q、H和P(=81%)习题7 附图qeHeMqH解：该题是用作图法确定泵的工作点。由题给实验数据作出qH曲线。同时计算出对应流量下管路所要求的He，在同一坐标图中作qeHe曲线，如本题附图所示。两曲线的交点M即泵在此管路中的工作点，由图读得q=0.455 m3/min，H=29.0 m，则习题7 附图 q / (m3/min)kW=2.66 kW习题7 附表2qe / (m3/min)00.10.20.30.40.5He /m12.012.815.219.224.832.0注意：在低流量时，qH曲线出现峰值。8用离心泵将水库中的清水送至灌溉渠，两液面维持恒差8.8 m，管内流动在阻力平方区，管路特性方程为 （qe的单位为m3/s）单台泵的特性方程为 （q的单位为m3/s）试求泵的流量、压头和有效功率。 解：联立管路和泵的特性方程便可求泵的工作点对应的q、H，进而计算Pe。管路特性方程 泵的特性方程 联立两方程，得到 q=4.52103 m3/s H=19.42 m则 W=861 W9对于习题8的管路系统，若用两台规格相同的离心泵（单台泵的特性方程与习题8相同）组合操作，试求可能的最大输水量。解：本题旨在比较离心泵的并联和串联的效果。（1）两台泵的并联解得： q=5.54103 m3/s=19.95 m3/h(2) 两台泵的串联解得： q=5.89103 m3/s=21.2 m3/h在本题条件下，两台泵串联可获得较大的输水量21.2 m3/h。10采用一台三效单动往复泵，将敞口贮槽中密度为1200 kg/m3的粘稠液体送至表压为1.62103 kPa的高位槽中，两容器中液面维持恒差8 m，管路系统总压头损失为4 m。已知泵的活塞直径为70 mm，冲程为225 mm，往复次数为200 min-1，泵的容积效率和总效率分别为0.96和0.91。试求泵的流量、压头和轴功率。解：（1）往复泵的实际流量m3/min=0.499 m3/min(2)泵的扬程m=149.6 m(3)泵的轴功率kW=16.08 kW11用离心通风机将50 、101.3 kPa的空气通过内径为600 mm，总长105 m（包括所有局部阻力当量长度）的水平管道送至某表压为1104 Pa的设备中。空气的输送量为1.5104 m3/h。摩擦系数可取为0.0175。现库房中有一台离心通风机，其性能为：转速1450 min-1，风量1.6104 m3/h，风压为1.2104 Pa。试核算该风机是否合用。解：将操作条件的风压和风量来换算库存风机是否合用。Pa=106300Pakg/m3=1.147 kg/m3m/s=14.40 m/s则 Pa=10483 PaPa=10967 Pa库存风机的风量q=1.6104 m3/h，风压HT=1.2104 Pa均大于管路要求（qe=1.5104 m3/h，HT=10967 Pa），故风机合用。12有一台单动往复压缩机，余隙系数为0.06，气体的入口温度为20 ，绝热压缩指数为1.4，要求压缩比为9，试求（1）单级压缩的容积系数和气体的出口温度；（2）两级压缩的容积系数和第一级气体的出口温度；（3）往复压缩机的压缩极限。解：（1）单级压缩的容积系数和气体的出口温度K=548.9K（2）两级压缩的容积系数和第一级气体出口温度改为两级压缩后，每级的压缩比为则重复上面计算，得到K=401 K（3）压缩极限即 解得 第三章 非均相混合物分离及固体流态化1颗粒在流体中做自由沉降，试计算（1）密度为2 650 kg/m3，直径为0.04 mm的球形石英颗粒在20 空气中自由沉降，沉降速度是多少？（2）密度为2 650 kg/m3，球形度的非球形颗粒在20 清水中的沉降速度为0.1 m/ s，颗粒的等体积当量直径是多少？（3）密度为7 900 kg/m3，直径为6.35 mm的钢球在密度为1 600 kg/m3的液体中沉降150 mm所需的时间为7.32 s，液体的黏度是多少？解：（1）假设为滞流沉降，则： 查附录20 空气，所以，核算流型： 所以，原假设正确，沉降速度为0.1276 m/s。（2）采用摩擦数群法依，查出：，所以：（3）假设为滞流沉降，得： 其中 将已知数据代入上式得： 核算流型 2用降尘室除去气体中的固体杂质，降尘室长5 m，宽5 m，高4.2 m，固体杂质为球形颗粒，密度为3000 kg/m3。气体的处理量为3000（标准）m3/h。试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。（1）若操作在20 下进行，操作条件下的气体密度为1.06 kg/m3，黏度为1.810-5 Pas。（2）若操作在420 下进行，操作条件下的气体密度为0.5 kg/m3，黏度为3.310-5 Pas。解：（1）在降尘室内能够完全沉降下来的最小颗粒的沉降速度为： 设沉降在斯托克斯区，则： 核算流型： 原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为1.98510-5 m。（2）计算过程与（1）相同。完全能够沉降下来的最小颗粒的沉降速度为： 设沉降在斯托克斯区，则： 核算流型： 原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为4.13210-5 m。3对2题中的降尘室与含尘气体，在427 下操作，若需除去的最小颗粒粒径为10 m，试确定降尘室内隔板的间距及层数。解：取隔板间距为h，令 则 （1） 10 m尘粒的沉降速度 由（1）式计算h 层数取18层 核算颗粒沉降雷诺数： 核算流体流型： 4在双锥分级器内用水对方铅矿与石英两种粒子的混合物进行分离。操作温度下水的密度r996.9 kg/m3，黏度m0.897 310-3 Pas。固体颗粒为棱长0.080.7mm的正方体。已知：方铅矿密度rs17 500 kg/m3，石英矿密度rs22 650 kg/m3。假设粒子在上升水流中作自由沉降，试求（1）欲得纯方铅矿粒，水的上升流速至少应为多少？（2）所得纯方铅矿粒的尺寸范围。解：（1）水的上升流速 为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出，因此，水的上升流速应等于或略大于最大石英粒子的自由沉降速度。对于正方体颗粒 ，应先算出其当量直径和球形度。设l代表棱长，Vp代表一个颗粒的体积。颗粒的当量直径为因此，颗粒的球形度，用摩擦数群法计算最大石英粒子的沉降速度，即 已知=0.806，由图3-3查得Ret=70，则所以水的上升流速应取为0.07255 m/s或略大于此值。（2）纯方铅矿粒的尺寸范围 所得到的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是沉降速度恰好等于0.07255 m/s的粒子。用摩擦数群法计算该粒子的当量直径： 已知 =0.806，由图3-3查得Ret=30，则与此当量直径相对应的正方体棱长为所得纯方铅矿粒的棱长范围为0.30.7 mm。5用标准型旋风分离器处理含尘气体，气体流量为0.4 m3/s、黏度为3.610-5 Pas、密度为0.674 kg/m3，气体中尘粒的密度为2 300 kg/m3。若分离器圆筒直径为0.4 m，(1) 试估算其临界粒径、分割粒径及压力降。（2）现在工艺要求处理量加倍，若维持压力降不变，旋风分离器尺寸需增大为多少？此时临界粒径是多少？（3）若要维持原来的分离效果（临界粒径），应采取什么措施？解：临界直径式中 ， Ne=5 将有关数据代入，得 分割粒径为 压强降为 （2）不变所以，处理量加倍后，若维持压力降不变，旋风分离器尺寸需增大，同时临界粒径也会增大，分离效率降低。（3）若要维持原来的分离效果（临界粒径），可采用两台圆筒直径为0.4 m的旋风分离器并联使用。6在实验室里用面积0.1 m2的滤叶对某悬浮液进行恒压过滤实验，操作压力差为67 kPa，测得过滤5 min后得滤液1 L，再过滤5 min后，又得滤液0.6 L。试求，过滤常数，并写出恒压过滤方程式。解：恒压过滤方程为： 由实验数据知： ， ， 将上两组数据代入上式得： 解得 所以，恒压过滤方程为 （m3/m2，s）或 （m3，s）7用10个框的板框过滤机恒压过滤某悬浮液，滤框尺寸为635 mm635 mm25 mm。已知操作条件下过滤常数为， 滤饼与滤液体积之比为v=0.06。试求滤框充满滤饼所需时间及所得滤液体积。解：恒压过滤方程为，代入恒压过滤方程得 8在0.04 m2的过滤面积上以110-4 m3/s的速率进行恒速过滤试验，测得过滤100 s时，过滤压力差为3104 Pa；过滤600 s时，过滤压力差为9104 Pa。滤饼不可压缩。今欲用框内尺寸为635 mm635 mm60 mm的板框过滤机处理同一料浆，所用滤布与试验时的相同。过滤开始时，以与试验相同的滤液流速进行恒速过滤，在过滤压强差达到6104 Pa时改为恒压操作。每获得1 m3滤液所生成的滤饼体积为0.02 m3。试求框内充满滤饼所需的时间。 解：第一阶段是恒速过滤，其过滤时间与过滤压差之间的关系可表示为： 板框过滤机所处理的悬浮液特性及所用滤布均与试验时相同，且过滤速度也一样，因此，上式中a，b值可根据实验测得的两组数据求出： 3104=100a+b 9104=600a+b解得 a=120，b=1.8104即 恒速阶段终了时的压力差，故恒速段过滤时间为 恒速阶段过滤速度与实验时相同 根据方程3-71， 解得： ， 恒压操作阶段过滤压力差为6104 Pa，所以 板框过滤机的过滤面积 滤饼体积及单位过滤面积上的滤液体积为 应用先恒速后恒压过滤方程 将K、qe、qR、q的数值代入上式，得： 解得 9.