化工原理 习题

1、化工原理化工原理 总习题总习题 例：利用远距离测量控制装置测定一分相槽内油和水的两 相界面位置，已知两吹气管出口的间距为H1m，压差计中 指示液为水银。煤油、水、水银的密度分别为800kg/m3、 1000kg/m3、13600kg/m3。求当压差计指示R67mm时，界 面距离上吹气管出口端距离h。 解：忽略吹气管出口端到U 型管两侧的气体流动阻 力造成的压强差，则： 21 ,pppp ba hHghHgP a 水油 1 （表） 1 gHP b油 (表） gRpp Hg 21 gRhHggh Hg 水油 油水 水 RH h Hg 8201000 067. 0136000 . 11000 m49

2、3. 0 例1：如图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过 10.7103Pa（表压），需在炉外装有安全液封，其作用是 当炉内压强超过规定，气体就从液封管口排出，试求此炉 的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。 解：过液封管口作基准水平面 o-o，在其上取1，2两点。 压强炉内 1 P 3 107 .10 a P ghPP a 2 21 PP ghPP aa 3 107 .10 mh9 .10 例2：真空蒸发器操作中产生的水蒸气，往往送入本题附图 所示的混合冷凝器中与冷水直接接触而冷凝。为了维持操作 的真空度，冷凝器的上方与真空泵相通，不时将器内的不凝 气体（空气）抽走。同时为了防止外界空

3、气由气压管漏入， 致使设备内真空度降低，因此，气压管必须插入液封槽中， 水即在管内上升一定高度h，这种措施称为液封液封。若真空表 读数为 80104Pa，试求气压管内水上升的高度h。 解：设气压管内水面上方的绝对压强为P，作用于液封 槽内水面的压强为大气压强Pa，根据流体静力学基本方程 式知： ghPP a g PP h a g 真空度 81. 91000 1080 3 m15. 8 2、柏努利方程的应用 1）确定流体的流量 例：20的空气在直径为800mm的水平管流过，现于管路 中接一文丘里管，如本题附图所示，文丘里管的上游接一水 银U管压差计，在直径为20mm的喉径处接一细管，其下部插 入

4、水槽中。空气流入文丘里管的能量损失可忽略不计，当U管 压差计读数R=25mm，h=0.5m时，试求此时空气的流量为多 少m3/h? 当地大气压强为101.33103Pa。 分析： 2 4 3600duVh 求流量Vh 已知d 求u 直管 任取一截面 柏努利方程 气体 判断能否应用？ 解：取测压处及喉颈分别为截面1-1和截面2-2 截面1-1处压强 ： gRP Hg 1 截面2-2处压强为 ： ghP 2 流经截面1-1与2-2的压强变化为： )3335101330( )490510330()3335101330( 1 21 P PP 025. 081. 913600表压）(3335Pa 5 .

5、 081. 91000表压）(4905Pa 079. 0%9 . 7%20 在截面1-1和2-2之间列柏努利方程式。以管道中心线作基准水平面。 由于两截面无外功加入，We=0。 能量损失可忽略不计hf=0。 柏努利方程式可写为： 2 2 2 2 1 2 1 1 22 Pu gZ Pu gZ 式中： Z1=Z2=0 P1=3335Pa（表压） ，P2= - 4905Pa（表压 ） 0 0 4 .22TP PTM m m 101330293 )49053335(2/1101330273 4 .22 29 3 /20. 1mkg 2 . 1 4905 220. 1 3335 2 2 2 2 1 uu

6、 化简得： (a) 13733 2 1 2 2 uu 由连续性方程有： 2211 AuAu 2 2 1 12 d d uu 2 1 02. 0 08. 0 u (b) 16 12 uu 联立(a)、(b)两式 137336 2 1 2 1 uu smu/34. 7 1 1 2 1 4 3600udVh 34. 708. 0 4 3600 2 hm /8 .132 3 2）确定容器间的相对位置 例：如本题附图所示，密度为850kg/m3的料液从高位槽 送入塔中，高位槽中的液面维持恒定，塔内表压强为 9.81103Pa，进料量为5m3/h，连接 管直径为382.5mm，料液在连接 管内流动时的能量

7、损失为30J/kg(不包 括出口的能量损失)，试求高位槽内 液面应为比塔内的进料口高出多少？ 分析： 解： 取高位槽液面为截面1-1，连接管出口内侧为截面2- 2, 并以截面2-2的中心线为基准水平面，在两截面间列柏努 利 方程式： 高位槽、管道出口两截面 u、p已知 求Z 柏努利方程 fe h pu gZW pu gZ 2 2 2 2 1 2 1 1 22 式中： Z2=0 ；Z1=? P1=0(表压) ； P2=9.81103Pa(表压） A V u S 2 由连续性方程 2211 AuAu A1A2, We=0 ， kgJh f /30 2 4 d VS 2 033. 0 4 3600

8、5 sm/62. 1 u1P3P4 ，而P4P5 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603.5mm与 453.5mm。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： 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+PB/+h

9、f 1kg水流经A，B的能量损失： hf= （uA2-uB2）/2+（PA- PB）/ =（uA2-uB2）/2+gR/=4.41J/kg （2）压强降与能量损失之间满足： hf=P/ P=hf=4.4110 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

10、度为6.3 10-4 Pa s。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，间列柏努利方 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) 22 b1b212 12f 22 uupp gzWegzh sm43. 1sm 1073068. 0785. 03600 102 4 2 4 2 b2 d w u s p1=-25.9103 Pa (表)，p2=0 (表) 将以上数据代入式（1），并整理得 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

11、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

12、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 22 b1b212 12f 12 22 uupp gzgzh ， 式中 p1=0(表) （表）Pa39630 Pa4 . 181. 910004 . 081. 913600 OHHg2 2 gRgRp 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 2 H O1Hg ()g zhgR 式中 h=1.5 m, R=0.6 m 将已知数据代入式（b）得 m66. 6m5 . 1 1000 6 . 013600 1 z 22 22 bb f,1-2

13、cbb 15 ()2.13(0.0250.5)2.13 20.12 uuL huu d 将以上数值代入上式，则 2 .26 10002 51. 3 66. 681. 9 2 2 p 解得 p2=3.30104 Pa（表压） 式中 z1=6.66 m，z2=0，ub10，ub2=3.51 m/s，p1=0（表压力） kgJ26.2kgJ 2 51. 3 5 . 0 1 . 0 5 . 1 025. 0 2 2f,1 h 第四第四章章 课后习题课后习题 1. 平壁炉的炉壁由三种材料组成，其厚度导热系数列于本题 附表中： 若耐火砖层内表面的温度t1为1150，钢板外表面温 度t4为30，又测得通过炉

14、臂的热损失为300W/m2，试计算导 热的热通量。若计算结果与实测的热损失不符，试分析原因和 计算附加热阻。 序 号 材料 厚度，mm 导热系数，w/（m） 1（内层） 耐火砖 200 1.07 2 绝缘砖 100 0.14 3 钢 6 45 解：提取表中所给出的数据 耐火砖 ：b1 = 0.2 m ，1= 1.07w/（m） 绝缘层 ： b2 = 0.1 m ，2= 0.14 w/（m ） 钢 ： b3 = 0.006 m ，3= 45 w/（m ） 2 14 312 123 115030 1242/ 0.20.10.006 1.070.1445 tt qW m bbb SSS 这与实际册得

15、的热损失q = 300w/m 有一定的差距，因此有可 能存在一部分附加热阻，设此附加热阻为R 14 312 123 2 2 115030 300/ 0.20.10.006 1.070.1445 2.83/ tt q bbb R SSS W m R RmC W 9.在逆流换热器中，用初温为20的水将1.25kg/s的液体（比热 容为1.9kJ/kg，密度为850kg/m），由80冷却到30。换热 器的列管直径为252.5mm，水走管方。水侧和液体侧的对流 传热系数分别为0.85 W/（m2）和1.70 W/（m2）。污垢热 阻忽略。若水的出口温度不能高于50，试求换热器的传热面 积。 解：热流体

16、：T1=80 T2=30 冷流体： t2=50 t1=20 t1=30 t2=100 tm =（t1- t2）/ln（t1/t2）=18.205 Q =WhCph（T1 - T2 ）=1.9101.2550=118.75W 又Q= K0S0tm，其中 1/ K0 = d0/idi+1/0 解得 K0=0.48610m2/W 0.4861018.205 S0=118.7510 S0=13.4m 11.在一传热面积为50m2的单程列管式换热器中，用水冷却某种 溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为33000kg/h，温度由 20升至38。溶液的温度由110降至60。若换热器清洗 后，在两流体的流量和

17、进口温度不变的情况下，冷水出口温度 增至45。试估算换热器清洗前后传热面两侧的总污垢热阻。 假设（1）两种情况下，流体物性可视为不变，水的比热容可 取4.187kJ/（kg）；（2）可按平壁处理，两种工况下i和0 分别相同；（3）忽略管壁热阻和热损失。 解：换洗前：热流体：T1=110 T2=60 冷流体： t2=38 t1=20 t1=72 t2=40 tm =（t1- t2）/ln（t1/t2）=54.4 Q= WhCph（T1 - T2 ）=50WhCph =WcCpc（t2-t1）=18WcCpc =K0S0tm =54.4K0S0 代入数据计算得K0=254 W/（m2） 换洗后：热

18、流体：T1=110 T2=? 冷流体：t2=45 t1=20 t1=72 t2=40 tm =（t1- t2）/ln（t1/t2）=54.4 Q= WhCph（T1 - T2 ）=（100-T2）WhCph =WcCpc（t2-t1） =25WcCpc =K0，S0tm， 50/（100-T2）=18/25 T2=40.56 tm， =（t1，- t2，）/ln（t1，/t2，）=35 Q= =WcCpc（t2-t1）= K0，S0tm， 代入数据计算得K0，=548.3 W/（m2） 总污垢热阻为：1/ K0-1/ K0，=1/245-1/548.3 =2.110-3 m2/W 例：有一列管换热器，由252.5的钢管组成。CO2在管内 流动，冷却水在管外流动。已知管外的1=2500W/m2k，管 内的2= 50W/m2k 。 （1）试求传热系数K； （2）若1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大