中北大学化工原理课后答案资料

第一章流体流动a水银蒸汽向空水银蒸汽向空气中扩散，于右侧的U型管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，如本题附图AR=400mm,R=50mm，R=50mm。试求A、B两处的表压强。[A：7.16×103Pa；A123R32PaR32RRAg1水3水银2RR1B即：P=1.0×103×9.81×0.05+13.6×103×9.81×0.05BA3PaBg3Ag2水银1即：P=13.6×103×9.81×0.4+7.16×103=6.05×103PaBU管压差计测定水流过管道上A、B两点的压差，压差计的指示液为水银，两段水银之间是水，今若测得hmh=1.3m，R=0.9m，R=0.95m，试求管道中A、B两点间的压差ΔP为多少mmHg？(先推导关系式，再进行数1212AB即P0p112233hh53hp+pgh=phh53hAHO1124h4h2p+pgR=p'h22Hg11因为p=p'，故由上两式可得1p+pgh=p+pgR2AHO12Hg12即p=p+pghpgR22AHO1Hg12p'+pgh=p2HO32p+pg(hR)+pgR=p'2BHO22Hg232因为p=p'，故由上两式可得33p'+pgh=p+pg(hR)+pgR222HOBHO2222其中h=hh+R211式(c)代入式(b)整理得p'=p+pg(hR)+(pp)gR222BHO11HgHO22因为p=p'，故由式(a)和式(d)得22PPRp+pghpgR=p+pg(hR)+(pp)gR222AHO1Hg1BHO11Hg222p=pp=(pp)g(R+R)2ABABHgHO122CABp=p(pp)ghpghd2/D2BaACC分析：此题的关键是找准等压面，根据扩大室一端与大气相通，另一端与管路相通，可以列出两个方程，联立求解对于U管左边对于U管右边表AAp+表P=2C2C当p=0时，扩大室液面平齐表ρg(h+R)=PC11C2C2C1C2121则可得p=p(pp)ghpghd2/D2BaACCB水银2BABAu=0.69m/s；质量流速：G=2324kg/m2•s；G=1263kg/m2大小大m=m=Vρ=2.5×10-3×1830=4.575s小s大sV2.5103a2mChBR1Au=1.27m/s；小Vu=s=4大大()d4大G=ρu=1830小小G=ρu=1830大大=0.69m/s44【解】mf，2ABf，CDf，BC1h=200mm时：(1)压缩空气的压强P为若干？(2)U管差压计读数R为多少？[压缩空气的压强P：1.23×105Pa；压计读数121R：609.7mm]2【解】对上下两槽取截面列柏努力方程，并取低截面为基准水平面12f12fB1cBC水银1P+1100×9.81×(0.045+x)=Pc+1100×9.81×(5+x)+13.6×10³×9.81×0.045BP-P=5.95×104PaBC0+u²/2+P/ρ=ZBBcCf,BCbcBCf，BC压缩槽内表压P=1.23×105Pa1(2)在B，D处取截面列柏努力方程，并取低截面为基准水平面Bf，BCBf，BCP=(7×9.81+1.18u2+u2-0.5u2)×1100=8.35×104PaB8.35×104-1100×9.81×0.2=13.6×10³×9.81×R2R=609.7mm2m【解】(1)Re=duρ/μ=(14×10-3×1×850)/(8×10-3)=1.49×103>2000(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-u)m当u=0时，y2=r2=2pum当u=u平均=0.5u=0.5m/s时,maxy2=-2p(0.5-1)=d2/8=0.125d2(3)在147×103和127.5×103两压强面处列伯努利方程1A12B2f1212ABf损失能量h=(P-P)/ρ=(147×103-127.5×103)/850=22.94fAB又∵h=λ×(l/d)×0.5u2f为管子的当量长度需使管内水流处于湍流状态，问对管内径有何要求？[管内径≤39mm]pudm144103/3600156.2Re==s==Re≥4000，即d≥4000，因此s将湍流时速度分布的经验式代入上式，得将湍流时速度分布的经验式代入上式，得um·s-1流流体通过此环隙的体积流量为drdrr通过整个管截面的体积流量为【解】根据哈根-泊谡叶公式，即即即6868p38300压头损失hf3.55mfg11009.81'0.100(0.00568fd2ffffff两根小直径管道输送和一根大直径管道输送两种方案(这两种方案的管内流速相同)，做以下比较：(1)所需的设备费；(2)若流体在大管中为层流，则改用上述两根小管后其克服管路阻力所消耗的功率将为大管的几倍？若管内均为湍流(λ按柏拉修斯公式计算)，则情况又将如何？[小管设备费用/大管设备费用=1.24；层流时：N/N=2；湍流时：N/N=1.54]小大小大Vdudus小大m51m51小大d=2d大小大管设备费用1d(2)1.37小管设备费用2d2=(大管设备费用1d(2)1.37小管设备费用2d2小=1/0.804=1.24)(2)所消耗的功率比较按水平管、定压输送估算。根据机械能衡算方程，对水平等径管，有功率消耗Ns阻力损失64lu21/d2pudd2故N/N=(d/d)2=(2)2=2故小大大小故N/N=(d/d)1.25=(2)1.25=1.54小大大小kg/kmol、平均温度为400℃的烟道气自下而上流动。烟囱下端维持49Pa内大气的密度可视为定值，大气温度为20℃，地面处的大气压为计算，即以＇表示大气的密度，与分别表示烟囱底部与顶端大气压强，即将以上各值代入泊式，解得mm51将上列数值代入泊式，并整理得1-19在两座尺寸相同的吸收塔内，各填充不同的填料，并以相同的管路并联组合。每条支管上均装有闸阀，两支路的管长均为5m1-19在两座尺寸相同的吸收塔内，各填充不同的填料，并以相同的管路并联组合。每条支管上均装有闸阀，两支路的管长均为5m(均包括除了闸阀以外的管件局部阻力的当量长度)，管内径为12体总流量为0.3m3/s。试求：(1)两阀全开时，两塔的通ss2根据根据与值，查得摩擦系数，并由本教材可查得各管件，阀门的当量长度分别为闸阀(全开)2=0.86m【解】由于是直径相同的水平管，所以单位重量流体的泊式简化为而(a) 附录由及，查得=0.021，故BB2ACB4mCB4m两塔通气量根据并联管路的流动规律即C真空度为10kPa，总管为057mm×3.5mm，管长(20+Z)m，通向反应器B、吸收塔C的管路均为025mm×3.5mm，长AAAAAA沿支路1(通向B)：已知m=0.314kg·s-1，s1ZAZA11(/4)d2(/4)0.0221Re11==210Re11==210411103要求，所需在z大小可Aρ=1000kg·m-3，ee d20111令分支点O处的机械能为E，在点O与通向反应器B的管出口外侧之间列机械能衡算方程tOBpd210000.0221C)：2Re=22==3Re=22==310410一312分支点O处的E=gz+pC+入l2u22tO2Cp2d222在E、E中较大者，即E=E=110.7J·kg-1OOOOOOO2对总管：u=s1s2==0.4m·s-1d(/4)0.052Re=2104Re=2104ddRe2104lu2lu2AtOd2AtOd2A0.052AAAPBPPBA2BABOf1f3sA=B+1Vpp2d5s2d5s1212AB=p2d5d5s2=(+)V2=(+)V2sA=B+Vpp2d5s32d5s232ssV2+V2=8.830106(a)s2s31V2=1V2=3V22d5s12d5s31313d5V2=d5V2VV)2V=sds30.033s3s33有V+V=Vsss2(a)、式(b)、式(c)得s1s2s3输送能力=V=0.00289m3·s-1(或10.40m3·h-1)s2A=B+V2+V2pp2d5s12d5s22对并联管路，有即23又据连续性方程，有V2+9.715V2=8.578×10-5s1s2f2f3 d5s22d5s323V=Vs2s3V=V+Vd)、式(e)、式(f)可得s1Vmss3s2输送能力=V=0.005m3·s-1或18m3·h-1s1100%=76.6%100%=76.6%＞50%1-22为测定空气流量，将皮托管插入直径为1m的空气管道中心，其压差大小用双液体微压计测定，指示液为氯苯 (ρ=1106kg/m3)和水(ρ=1000kg/m3)。空气温度为40℃，压力为101kPa(绝压)，试求微差压差计读数为48mm时的0ws==0pRe=maxmax1.91105u/v=0.85maxsmmmm【解】已知孔径板及管径设,由本教材查得2V=CV=CAsR2A则则2s【解】p=pM=0.1210629=1.405kg·m-3RT8314(273+25)0=(0)2=()2AAd1501001ms00p0p1.405s00ss校验：孔口处Re=00==1.615105校验：孔口处Re=00==1.6151051AA11-25用20℃水标定的某转子流量计，其转子为硬铅(ρ=11000kg/m3)，现用此流量计测量20℃、101.3kPa(绝压)f下的空气流量，为此将转子换成形状相同、密度为ρ΄=1150kg/m3的塑料转子，设流量系数C不变，问在同一刻度下，空fR2(pp)VgfHOfpHOfpH2pH2O=11501.2061000=9.8倍p1100010001.206airV'故s=Vs2V'=CAsR22(p'p)VgfairfpAairfp'pfairppfHO二章流体输送机械2-1某水泵的吸入口与水池液面的垂直距离为3m，吸入管直径为50mm的水煤气管(ε=0.2mm)。管下端装有一带滤水网的底阀，泵吸入口处装有一真空表。底阀至真空表间的直管长8m，其间有一个90°的标准弯头。操作是在20℃进行。试mh泵的吸水量增加时，该真空表的读数是增加还是减小？[真为：5.2×104Pa；真空表的读数增加]因为=5.2×104Pa (2)当泵的吸水量增加时，则u增加，h增加1f,01ppup根据0pg+hf,01可知，该式右侧初z1保持不变外，其余两项均增加，因此可知当泵的吸水量增加m3/h时，泵出口处压强表和入口处真空表的读数分别为152kPa和24.7rminm【解】取20℃时水的密度ρ=998.2Kg/m3在泵出口和入口处列伯努利方程u2/2g+P/ρg+Η=u2/2g+P/ρg+Η+Z1112f∵泵进出口管径相同，u=u12不计两测压口见管路流动阻力Η=0f∴P/ρg+Η=P/ρg+Z12Η=(P-P)/ρg+Z=0.4+(152+24.7)×103/998.2×9.8218.46m2-3要将某减压精馏塔塔釜中的液体产品用离心泵输送至高位槽，釜中的真空度p(真)=67kPa(其中液体处于沸腾状0态，即其饱和蒸汽压等于釜中绝对压强p=p(绝)。泵位于地面上，H=3.5m，吸入管的阻力损失H=0.87m。液体的密度ρ=v0gf,0-1【解】【解】不适宜。2-4拟用一台离心泵以15m3/h的流量输送常温的清水，此流量下的允许吸上真空度H´=5.6m。已知吸入管的管内径为75s【解】【解】gmd0202查20℃时水的有关物性常数ρ=998.2Kg/m3，µ=100.5×10-5，假设C在常数区查图，得C=0.694则00Vu=C[2R(ρ-ρ)g/ρ]1/2=10.07m/s00Au=0.49u=4.93m/s20核算:Re=duρ/μ=2.46×105>2×10522uuddm/s1221△h=(P-P)/ρg+u2/2g121P=Pa-P真空度=28.02Kpa1h3346)×103/998.2×9.81=2.69mgaVf∵离心泵离槽面道路很短可以看作∑Η=0fgaV=(101.4–2.3346)×103/(998.2×9.81)–2.7=7.48meeeHQee为H=K+BQ2ee50|2ee(2)关小阀门后的压头损失关小阀门前管路要求的压头为H50)|2=27.7me(3600)因关小阀门而多损失的压头为f则该损失的压头占泵提供压头的百分数为4.32-7某离心泵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m3/s)若用该泵从常压贮水池将水且与大气相通。管路系统的压头损失可表示为：H=0.4×10Q2(H单位为m，Q单位为m3/s)。试求将贮水池内水全部抽出所需ff【解】列出管路特性方程：Η=K+HefK=△Z+△P/ρg∴Η=△Z+0.4×106Q2em的水全部抽出△Z=9m∴Η=9+0.4×106Q'2eQQQQ3.5×10-3m3/sτ=V/Q=55.6h平均H=10+1×105Q2，式中Q的单位为m3/s，H的单位为m。试问两泵如何组合才能使输液量最大？(输水过程为稳态流动)[并联组ee分析：两台泵有串联和并联两种组合方法串联时单台泵的送水量即为管路中的总量，泵的压头为单台泵的两倍；并联时泵的压头即为单台泵的压头，单台送水量为管路总送水量的一半。【解】①若采用串联：则H=2He10+1×105Q2=2×(25-1×106Q2)e∴Q=0.436×10-2m2/seeeQ0-2m2/se总送水量Q'=2Q=0.765×10-2m2/see【解】(1)活塞的冲程气体经绝热压缩后出口温度为121输气量(即换算为进口气体状态)为minr缩机的容积系数为p5001p50010p1001压缩机中活塞扫过体积(V-V)可由式2-48求得，即130活塞的冲程由下式计算13=活塞的冲程由下式计算13=D2S4即S=0.0072/0.220.23m4(2)轴功率应用式2-52计算压缩机的理论功率，即KpK1N=pV[(2)K一1一1]115kWNNa=9.73kWn122min123。如将两层热系数分QL=141r1r1rln2+ln3+ln4Wm=一34.4WmWm=一34.4WmQL=141r1r1rln2+ln3+ln4i1.40.20.72单位面积上的热损失q=1==804W/m1入12(2)(2(2)(2)t=40C33838解：因为=想2，所以可以用算术平均半径计算导热面积。管长用L表示时，黄铜管的热阻为38_4_232R=b1=b1=0.0021m11m1bb0.001mm2：R垢=0.001R0.002铜铜12m22d0.015空气与管壁间的对流传热系数。(2)如空气流速增加一倍，其他条件均不变，对流传热系数又为多少？(3)若空气从管壁间12(1)计算αm2p空气被加热n=0.4(2)空气流速增加一倍=32.6W/m2.℃) (u)(1)wmwtcμ，导热系数λ，流体的体积膨胀系数和重力加速度的乘积βg。试应用量纲分析法求证其ppa=3b-1 w(1)L=2md2d0.025(2)L=6md6解：甲苯的温度T=72℃，T=38℃，平均T=55℃12mm1qq/p=2530/830=3.05m3/hv1m1套管的内管外径d=0.038m，外管内径d=0.051m124Pr=p=..=6.15et+t90+30t=b1b2=。C=60。Cf22pw1500u==ms=0.256msbππbππ4i4Re=ib==26539(湍流)流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大，此时可用下式计，即Ra—直管中的对流传热系数，W(m2.oC)；id (R)(0.6)f22p44d0.0255e则deawsswssww22t=133.3℃时水的汽化热r=2168×103J/kgssw此值大于硝酸吸收的热量，说明假设t偏小，重新用α=11600W／(m2·℃)估算。wswS(1)水蒸气冷凝：r=2258kJ/kg(2)苯胺：T=(2)苯胺：T=m2m2pss2m2ss2m2mps23600K=1=1=208W/(m2.C)RRdsoaiiimo iiio222由Q=KSt，故变化前后K不变时mt9261.4KSt=KSt：S=Sm=11.4.=1.85mt926mmt78.1m均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，并流时：热流体(重油)：T=243℃→T167℃12=冷流体(原油)：t=128℃→t=157℃12mhph12mhphmcpc21mcpcmmt2431281221TqcqctttqcKStmhph122mhphmcpc212mhphmt128243T2222tt(243t)(T128)ln1ln2t=1t2=2t——(ln1ln2tT128m2由(1)(2)(3)解得t′=161.41℃；T′=155.443℃22mmhr2169编tQ1758人103S===111m3m的体积流量为1650m3／h，常压下苯的沸ooMhhcpc21360022m→80.131.620————————————————m60.1m热系数Kiommhph12mcpc21mhph12mcpc21总传热热阻xR=1-1=(|1-1)|m2.oCW=1.9根10-3m2.oCWSKK,(255497.16)T1212当冷流体的流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数可视为相同，换热器TT：t=85℃←t=20℃1221热流体放热Q=qC(T-T)冷流体吸热Q=qC(t-t)放mhph12吸mcpc12由传热Q=KSΔtmm70201221tm 22QQ2QQ2mcpc21mhph12mcpc2mhph222,K空蒸空2p221m空Tt2p221m空Ttln12qclnTt1S2p2Tt空2'q'空(2)0.820.81.741q空2q'c(tt)'Stt21T't22p22T't22qclnT't11.741S2p2T't空2(2)/(1)得：T' (2)银壁φ=10.05的辐射遮热板，试计算：(1)没有辐射遮热板时，单位面积的传热量为多少？(2)有辐射遮热板时，单位面积的传热量？(3)辐射遮热板的温度？1-21-2L100)」| (2)(3)稳定状态下：Q=Q1-31-2c1-3=c1-3=011=1.1=0.253813323(注：红色字体标注部分对教材所给答案进行了修正，请核查)【6-1】含有8%(体积分数)CH的某种混合气体与水充分接触，系统温度为20℃，总压为101.3kPa。试求达平衡时液22相中CH的物质的量浓度。22解：混合气体按理想气体处理，则CH在气相中的分压为22总CH为难溶于水的气体，故气液平衡关系符合亨利定律，并且溶液的密度可按纯水的密度计算。22由c*=Hp，H=pAEMS故*=A ppEMS查表8-1可知，20℃时CH在水中的亨利系数E=1.23105kPa，22故的水溶液接触。试判断二氧化硫的传递方向，并计算以二氧化硫的分压和液相摩尔分数表示的总传质推动力。已知操作条件总计算)：x=64 p＞p*，二氧化硫由气相向液相传递，进行吸收过程。p3.039x*===0.000856E3.55103【6-3】在某填料塔中用清水逆流吸收混于空气的CO，空气中CO的体积分数为8.5%，操作条件为15℃、405.3kPa，2215℃时CO在水中的亨利系数为1.24105kPa，吸收液中CO的组成为x=1.65104。试求塔底处吸收总推动力y、221解：相平衡常数为p405.3总由亨利定律y*=mx=305.91.65104=5.04710211y0.085x*=1==2.7791041m305.91总11yy0.085则则1M18s1M18sX=x1必x=1.651041X*=x*1必x*=2.77910411111x11m1【6-4】在填料吸收塔内用水吸收混合于空气中的甲醇，已知某截面上的气液两相组成为p=5kPa,c=2kmol/m3，AALkkmolmskPa力、总传质速率并分析阻力Gc2p*=A==4kPaAH0.5AAA111kKGLGGLG1 HkL1=1105 KG吸收系数L，气相总吸收系数G。求该截面处:(1)膜吸收系数G、吸收系数L，气相总吸收系数G。求该截面处:(1)膜吸收系数G、kkk=1.176103kmol/(m2s)k=1.553103kmol/(m2skPa)k=1.553103kmol/(m2s)yxx；G；y]KKK (2)总吸收系数L、K、K、X及Y；xy[K=5.64106m/sLyK=3.124104kmol/(m2s)xXY]N=6.327105kmol/(m2s)XY]N=6.327105kmol/(m2s)(3)吸收速率。[A]k=ck=2.12105=1.17610-3kmol/m2sxL18S1=kKHkGGL11ay总GH.995 (2)Kkk2.121051.533105LLGLE8总=+Kkkyyx1xyX总L18Y总G(3)c*=pH=6.51.995kmol/m3AL【6-6】用清水除去SO与空气混合气中的SO。操作条件20℃，101.3kPa下，混合气的流量为1000m3/h，其中含SO222X由全塔物料衡算求X1体积分数为9%，要求SO的回收率为90%。若吸收剂用量为理论最小用量的1.5倍，试计算：(1)吸收剂用量及塔底吸收液2的组成；(2)当用含0.0003(物质的量比)SO的水溶液作为吸收剂时，欲保持二氧化硫回收率不变，吸收剂用量有何变2化？塔底吸收液组成变为多少？101.3kPa20℃条件下SO在水中的平衡数据见下表。2SO汽-液平衡组成2气气相中SO平衡摩尔比Y2气相中SO平衡摩尔比Y2SO溶液摩尔比X2SO溶液摩尔比X2进塔气体中SO的组成为Y=y1=0.09=0.0991221由表中X-Y数据，采用内插法得到与气相进口组成Y相平衡的液相组成X*=0.0032。11塔底吸收液的组成X由全塔物料衡算求得1(2)吸收率不变，即出塔气体中SO的组成Y=0.0099，而X=0.00032221395含0.0003(物质的量比)SO的水溶液用量为：2L,=L=1395=1399kmol/h其中x=X1=0.0027必0.00271即12L逆流操作，且>m，平衡线与操作线交点位置在塔顶，即V2221V11L1220.9其中二氧化硫的体积分数为5％，要求回收率为95％，吸收剂用量为最小用量的1.5，已知操作条件下气液平衡关系为Y=y1=0.05=0.05263121AX*=1==0.0439X=0,2minX*X0.0439(2)填料层高度22Nln0.702]=6.366OGH=V=190=0.764m4 (摩尔比)，出塔含氨0.001(摩尔比)。吸收塔操作时的总压为101.3，温度为293K，在操作浓度范围内，氨水系统的minX*X0.02/1.20VXYYX01391L/V21.37L(L(L)液-气比V0.0318OGKa0.0522ym2AY1min121AL)L)1VV1VV112L122L1A1824V1V1(3)填料层高度VL1824OGSYmX22降低到0.04％(均为摩尔百分数)。填料塔直径为0.8m，填料层体积为3m3，平衡关系为Y*=1.4X，已知y=38.5y=38.5kmol/m3.h。(1)出塔氨水浓度为出口最大浓度的80％时，该塔能否使用？(该塔不能使用)(2)若在上述操作条件下，将吸收剂用量增大10％，该塔能否使用？(注：在此条件下不会发生液泛)(该塔合用)h22.4301X*=1==0.03761V(YY)7.69(0.052630.0004)L=12==13.34kmol/hXX0.030102111Y'=Y=0.00042YY'Y=12=0.00309mYln1Y'2Z12==6.72mZ12==6.72mKY38.50.7850.820.003093该塔现在有填料层高度Z==6m因为Z>Z，所以该塔不能使用。(2)吸收剂用量增大10%时L=12=XXX011111Y=Y=0.00042Y==0.00389m0.01427lnZ=12==5.34mZ=12==5.34m (1)液气比为最小液气比的多少倍？((L/V)=1.286)(L/V)(2)所需