化工原理(第二版 华南理工大) 习题

第一章流体力学及应用静力学方程式：连续性方程：（不可压缩流体）柏努利方程：直管局部或阻力计算重要问题1.什么是绝对压强、表压和真空度2.雷诺数的物理意义是什么？3.粘性应力与质点脉动产生的原因是什么？4.试解释层流底层对流动阻力的影响。5.什么是局部阻力？1-1、如图所示，水从储水箱A经异径水平管段B及C流至大气中。已知水箱内液面与管子中心线间的垂直距离为5.5m，保持恒定，管段B的直径为管段C的两倍。水流经B、C段的摩擦阻力分别为∑hf,B=15J/Kg及∑hf,C=30J/Kg。水箱至管段B及由管段B至管段C的突然缩小损失可以忽略，而管段C至外界的出口损失不能忽略。试求：1、水在管段c中的流速；2、水在管段B中的流速；3、管段B末段内侧的压强。解：（1）水在管路C中的流速uC

在水箱1-1面及管C出口内侧面2-2间列柏努利方程，以水平管中心线为基准面：

其中 z1=5.5mp1=0(表压)

u1≈0(因水箱截面很大，故u1很小，可以认为u1≈0)

z2=0u2=uC

p2=0（2-2面在管口内侧，接近外界大气压，故可认为p2与外界大气压相等，其表压为0）

取水的密度为1000kg/m3，故有

解得uC=4.232m/s

注意：c管末端内外两侧的流速不同，因为出口处有阻力方程有两种算法：能量或压头uC（外）=uC（内）/1.414(2)水在管路B中的流速uB据连续性方程所以 (3)管段B末端内侧的压强在水箱1-1面及管B出口内侧面3-3间列柏努利方程，以水平管中心线为基准面：其中u3=uB=1.058m/s所以

解得管B出口表压强 1-2、用离心泵将密度为1200kg/m3的水溶液由敞口贮槽A送至高位槽B.已知离心泵吸入管路上各种流动阻力之和∑hf,a=10J/kg、压出管路的∑hf,b=30J/kg,两槽液面维持恒定，其间垂直距离为20m,每小时液面的输送量为30m3.若离心泵的效率为0.65，试求泵的轴功率。解：列1-1面与2-2面间的柏努利方程，以1-1面为基准面。其中z1=0z2=20mp1=0(表压)p2=0(表压)u1≈0u2≈0J/kg

有效功率：

W轴功率：

即：Pa≈3.7kW1-3、用泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽液面均衡定不变。输送管路尺寸为φ57×3.5mm，泵出口垂直管段A、B截面上的测压口有软管与两支液柱压差计相连，其上指示剂水银柱的读数分别为R=40mm及R′=1200mm。右边压差计的左侧指示剂液面与截面A的垂直距离H＝1000mm，右侧开口水银面上灌有一段R″=20mm的清水。A、B两截面间的管长（即垂直距离）为6m。管路中摩擦系数为0.02。当地大气压强为1.0133×105Pa。试求：1.水在管路中的流速；2.截面A上的压强。解：令Pa＝大气压强。取水的密度为ρH2O=1000kg/m3、水银的密度ρHg＝13600kg/m3。1.水在管路中的流速水在管路中的流速或流量直接影响流动的阻力，故可用式（1-19）计算流速：上式中的∑hf可由柏努利式算出。分析题给数据应取截面A及B作衡算范围，因二者间的垂直距离为已知、压强差可由压差计算出、速度相等、且无外功加入，故可算出∑hf,AB,然后由式（1）计算出管路中的流速。以截面A为基准面：（1）（2）或（3）其中ZA-ZB=0-6=-6muA2-uB2=0（对不可压缩流体uA=uB

）将以上诸值代入式（3）：上式中∑hf,AB即式（1）中的∑hf，故：解得管路中流速u＝2.029m/s2.截面A上的压强前项已算出PA-PB的值，此处再利用右边压差计的数据算出截面B上的压强PB后，即可算出PA。在右边压差计上作等压参口面T及S，PT=PS,参考图知：即：=1.0133×105+0.02×1000×9.81+1.2×13600×9.81-（6+1）×1000×9.81=193000PaPA=PB+△P=193000+63800=256800Pa-1-4、实验室测定离心泵性能时，采用本题附图所示的定态流动流程。每小时以45m3、20℃的清水为工作介质。泵的进口管直径为φ85×4mm，出口管直径为φ75×4mm。在泵的进口和出口附近分别装有真空表及压强表，已测得真空表上读数为2.6×104Pa、压强表读数为2.6×105Pa，两测压口中心线间的垂直距离为0.5m，因其间管路较短，故流体在两表间的摩擦阻力可以忽略。泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，已测得电动机输出功率为5.5kW，试求泵的效率。0.5m11'22'解：在两测压口中心截面1－1'及2－2'间列柏努利式，以2－2'面的中心线为基准面，取ρH2O＝1000kg/m3。Z1=0P1=-2.6×104Pa（表压）（因真空度的负值为表压）We=待求值Z2=0.5mP2=2.6×105Pa（表压）解得：1-5、在如图所示的列管换热器内，管束外的冷溶液与管束内的热苯溶液交换热量。换热器的外壳内径600mm，壳内装有269根Ф25×2.5mm的热交换列管束。215m3/h的热苯在管束内流过，从95℃被冷却到25℃，求苯在管束中流动时的流型。解：以Re准数数值来判断流型，而Re=duρ/μ，其中ρ及μ是温度的函数，本题苯在管束内流过时的温度由95℃降到25℃，固应根据算术平均值60℃查取苯的ρ及μ。查的60℃时的黏度μ=0.4×10-3Pa·s，ρ≈880kg/m3.苯进热交换器封头后即均分进入每根列管，在每根加热管热速度都是相同的，故：d=25-2.5×2=20mm故流型为湍流。1-6、在层流情况下，于圆形直管内以定态条件输送一定量的液体，若换以长度不变而直径减半的新管，试求因摩擦阻力而产生的压强降与原情况时压强降间的关系。解：液体在圆形直管内作层流流动时因摩擦阻力而产生的压强降用哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille)公式计算：液体流动过程中液体的物理性质可视为恒定，管长又没有变化，只有速度是管径的函数，故推导新、旧情况下的关系时，可将式中的u用d表达。以下标“O”代表原情况，以下标“N”代表新情况：湍流时：范宁公式或=16即在层流条件下，若流量和管长不变，而将管径减半，因流动阻力而引起的压强降为原来的16倍，故在特定的管径时，流动阻力是考虑的重要因素。1-7.用泵将密度1100kg/m3、粘度1.2×10-3Pa·s的溶液从贮槽送至表压0.2×l05Pa的密闭高位槽。管子直径为Ф108·4mm、直管长度70m、各管件的当量长度之和为100m(不包括进口与出口阻力)。输送量为50m3/h，两槽液面恒定，其间垂直距离为20m，今用η＝65％、轴功率为7.5kW的库存离心泵，问该泵能否完成任务。解：式中z1=0z2=20mP1=0(表压)P2=0.2×105Pa（表压）u1≈0u2≈0其中=(,)取=0.3mm，故=0.3/100=0.003由化工原理教材查出=0.027。取进口阻力系数=0.5，出口阻力系数≈1.将已知值代入伯努利式：We=20×9.81+0.2×105/1100+74.17=288.6J/kg质量流量=(50×1100)/3600=15.28kg/sN=(288.6×15.28)/0.65=6.784J/s≈6.8kW＜7.5kW只从功率角度考虑该泵合适。1-81-9

1-10如图所示，某厂计划建一水塔，将20℃水分别送至第一、第二车间的吸收塔中。第一车间的吸收塔为常压，第二车间的吸收塔内压力为20kPa（表压）。总管为

57

3.5mm的钢管，管长为（30+z0）m，通向两吸收塔的支管均为25

2.5mm的钢管，管长分别为28m和15m（以上各管长均已包括所有局部阻力的当量长度在内）。喷嘴的阻力损失可以忽略。钢管的绝对粗糙度可取为=0.2mm。现要求向第一车间的吸收塔供应1800kg/h的水，向第二车间的吸收塔供应2400kg/h的水，试确定水塔离地面至少多高才行？已知20

C水的黏度Pa

s，可用下式计算：

57

3.5mm（30+z0）

25

2.5mm28m15m20kPa(表)1800kg/h2400kg/h解：这是分支管路设计型问题，可沿两分支管路分别计算所需的z0，从中选取较大者。总管：

通向吸收塔一的支路：通向吸收塔二的支路：为计算满足吸收塔一的供水量水塔应处的高度，在0-0面和1-1面间列机械能衡算方程：将有关数据代入得：解之得：

再计算为满足吸收塔二的供水量，水塔应处的高度，为此在0-0面和2-2面间列机械能衡算方程：将有关数据代入得：解之得： 为了同时满足第一、二车间的供水要求，应取z0、z

0中较大者，即水塔离地面至少13.9m才行。实际操作时，第一车间供水量可通过关小阀门来调节。

1-11解：1-1面和2-2面（出口截面外侧）间有：

1-12

因为Et1不变，Et2变小证明：（1）k1关小，则V1

减小。假设V不变V2、V3不变V变小，故假设不成立假设V变大V2、V3变小V变小，故假设不成立现将支路1上的阀门k1关小，则下列流动参数将如何变化？

(1)总管流量V、支管1、2、3的流量V1、V2、V3；

(2)压力表读数pA、pB。

复杂管路的操作型问题分析1-13V2、V3变大pA变大、pB变小现将支路1上的阀门k1关小，则下列流动参数将如何变化？

(1)总管流量V、支管1、2、3的流量V1、V2、V3；

(2)压力表读数pA、pB。第二章流体输送机械理论压头：实际压头测量：轴功率与效率比例定律泵的特性曲线管路的特性曲线重要问题1、分析离心泵实际压头低于理想压头的影响因素有哪些？2、什么是气蚀现象？3、如何确定离心泵的安装高度？4、离心泵并联与串联后产生何种效果？5、流量调节的两种方式是什么？2-1

用离心泵将江水送至高位槽。若管路条件不变，则下列参数随着江面的下降有何变化？（设泵仍能正常工作）泵的压头H，管路总阻力损失hf，泵出口处压力表读数，泵入口处真空表读数。管路特性曲线平行上移不变管径较大，动能变化较小VV

H

he

(2)a.采用调节出口阀门的方法节流损失泵特性曲线方程管路特性曲线方程b.采用调节转速的方法VV

泵特性曲线方程管路特性曲线方程2-3

用离心泵把20℃的水从开口槽送至表压为1.5×105Pa的密闭容器，贮槽和容器的水位恒定，各部分相对位置如本题附图所示。管道均为φ108×4mm的无缝钢管，吸入管长为20m，排出管长为100m（各段管长均包括所有局部阻力的当量长度）。当阀门为3/4开度时，真空表读数为42700Pa，两测压口的垂直距离为0.5m，忽略两测压口之间的阻力，摩擦系数可取0.02，求：阀门3/4开度时管路的流量（m3/h）及压强表读数（Pa）各为多少。解：在贮槽液面0-0'及真空表所在截面1-1'间列伯努利式，并以0-0'面为基准面：其中z0=0z1=3mP0=0(表压)P1=-42700Pa（表压）u0≈0u1=待求所以0=3-42700/(9.8×1000)++

u1=2.3m/s所以Q==0.785×0.12×2.3×3600=65m3/h再在泵出口压强表测压口中心2-2'截面与容器内液面3-3'间列伯努利式，并仍以0-0'面为基准面：解得P2=3.23×105Pa（表压）2-4、用一离心泵将敞口水槽中的水输送到表压强为147.2kPa的高位密闭容器中。管路系统尺寸如下图示。供水量为36m3/h，此时管内流动已进入阻力平方区。并知泵的特性曲线方程为H＝45-0.00556Q2（Q的单位为m3/h）。若用此泵输送密度为1200kg/m3的碱液，阀门开度及管路其它条件不变，求输送碱液时的流量和离心泵的有效功率为多少？水的密度为1000kg/m3，两液面差值为10m。解：供水量就是管路特性曲线与泵特性曲线交点对应的流量，即H=HeQ=Qe

管路特性曲线方程为：（1）

泵特性曲线方程为：H＝45-0.00556Q2=45-0.0056×362

（2）联立式（1）及式（2），求出管路特征曲线方程中系数B=0.00987送碱液时，B值不变，则管路特性曲线方程为：上式与泵特性曲线方程联立，解得：Q=38.19m3/h相应的泵压头为：He=H=45-0.00556×38.192=36.89m泵的有效功率Ne=（36.89×38.19×1200×9.8）/3600=4600W=4.6kW第三章非均相机械分离过滤基本方程：恒压过滤：洗涤时间：板框：横穿洗涤，Aw=1/2A,Lw=2L回转：置换洗涤转筒过滤机的生产能力：重要问题1、过滤中流体产生压降的原因是什么？2、影响过滤速率的因素有哪些？3、什么是操作周期与生产能力？4、板框过滤机的优点与缺点是什么？5、试分析转筒过滤机的生产能力与哪些因素有关？3-1、实验室用一片虑面积为0.1m2的滤叶对某种悬浮液进行实验，滤叶内部真空度为8×104Pa，测出qe为0.01m3/m2，θe为20s，且知每获1升滤液，便在滤叶表面积累1mm厚的滤渣，今选用板框过滤机在3.2×105Pa的表压下过滤该悬浮液，所用过滤介质与实验相同，该压滤机滤框为正方形，其边长为810mm，框厚为42mm，共20个框，滤饼不可压缩。试求：（1）滤框完全充满滤饼所需的过滤时间；（2）若滤饼洗涤与装卸时间为0.5h，求以滤液体积计的生产能力。解：1）滤框完全充满滤饼所需的过滤时间θ过滤面积：滤饼体积：

Vc=l2bn=0.812×0.042×20=0.551

m3滤液体积

真空度为，即

K∝，而滤饼不可压缩s=0则(q+qe)=K(θ+θe)2q=0,θ=0恒压过滤方程qe'=qe=0.01m3/m2则过滤时间：2）过滤机的生产能力3-2、在板框压滤机中以300kPa的压强差过滤含钛白粉的水悬浮液。通过实验已测得过滤常数K=4.5×10-5m2/s，qe=0.01m3/m2,且每获得1L滤液得滤饼0.06L。采用的正方形板框压滤机的尺寸为：滤框边长810mm，框厚：25mm，25个框。过滤推动力及所用滤布与试验时相同。试求：1.过滤至框内全部满滤饼后，用相当滤液量1/10的清水进行洗涤，求洗涤时间；2.若每次卸渣、重装等辅助时间为0.25h，求以滤饼体积计的过滤机的生产能力。解：（1）洗涤时间过滤面积A=2L2n=2×0.812×25=32.8m2滤饼体积Vc=L2bn=0.812×0.025×25=0.41m3c=0.06m3滤饼/m3滤液过滤至框内全部充满滤饼的滤液量：V=Vc/c=0.41/0.06=6.83m3q=V/A=6.83/32.8=0.208m3/m2洗涤速率为洗涤时间

（2）生产能力Qc

因为先求出过滤时间θ将框内全部充满滤饼之滤液量q和过滤常数qe及K代入恒压过滤方程q2+2qqe=Kθ中，则：生产能力3-3某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为635

635

25mm。过滤操作在20℃、恒定压差下进行，过滤常数K=4.24

10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比c=0.08m3/m3，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为10分钟。试求框全充满滤饼所需时间。现改用一台回转真空过滤机过滤滤浆，所用滤布与前相同，过滤压差也相同。转筒直径为1m，长度为1m，浸入角度为120

。问转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？

假设滤饼不可压缩。【解】以一个框为基准进行计算滤液量过滤面积再根据恒压过滤方程得：K=4.24

10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2改用回转真空过滤机后，压差不变，故K不变；滤布不变，故qe不变。K=4.24

10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2过滤面积板框过滤机的生产能力为：设转筒每分钟转n转，则回转真空过滤机生产能力回转真空过滤机V=Q/nV～nn=Q/(KA/3–2QVe)

22V=Q/n=0.166m3=0.17r.p.m=4.773×10×602-84.24×10×3.14×1/3-2×4.773×10×0.0631-52-4第四章热量传递及设备=

t2

-t1

/⊿tm=T1

-T2

/⊿tm导热：传热：热衡算：重要问题1、分别说明热量传递过程的三种基本方式？2、对流传热中流体的流动状态如何影响传热速率？3、比较分析膜状冷凝与滴状冷凝的传热效果？4、分析液体沸腾对传热的影响？5、什么是辐射传热？它有哪些特性？4-1、在逆流操作的冷凝器中，用15℃的水使绝对压强为11206kPa、温度为95℃、流量为200kg/h的过热氨气冷却并冷凝。液态氨在冷凝温度下排出，相应的液氨饱和温度为30℃。在操作过程中，冷凝器内各截面上氨与水的温差不允许低于5℃。试求冷水的用量、水的出口温度及两流体的平均温度差。设热损失可忽略不计。数据：95℃氨蒸气的焓=1647kJ/kg；30℃氨蒸气的焓=1467kJ/kg；30℃液氨的焓=323kJ/kg；水的比热容为4.183kJ/(kg·℃).传热面

S/m230温度/℃氨水冷却冷凝1595解：过热蒸气放出的热量为：氨由30℃饱和蒸气变为30℃液氨放出的能量为：Qr=200（1467-323）×103/3600=63600W冷却水吸收的总热量为：Q=Q1+Qr=10000+63600=73600W

冷凝段内水的平均温度=

已知20℃时水的平均比热容为4183J/(kg·℃)63600=W2×4183×（25-15）解得W2=1.52kg/s水的出口温度t2可通过总热量衡算求得，若能近似的取水的比热容为4183J/(kg·℃)，则：73600=1.52×4183（t2-15）解得t2=26.6℃两流体间的平均温差应分两段计算，即：冷却段

冷凝段

4-2、在传热面积为20m2的新购列管换热器中用温度为20℃、流量为13500kg/h的冷水以逆流流动方式将醋酸从110℃冷却到40℃，冷水被加热到45℃。运转一段时间后，两流体的流量和入口温度均不变，而冷水的出口温度降至38℃。试查找原因并作定量论证。计算时可忽略热损失；比热容为4.2kJ/(kg·℃)。解：在原工况条件下：在新工况条件下：根据热量衡算确定醋酸的出口温度T2'，即：运转一段时间后，增加的热阻比例为：运转一段时间后，由于污垢的沉积，使总热阻增加为新换热器热阻的1.972倍。为了提高传热效果，工厂通常都定期进行设备检修，清洗垢层。4-3一卧式列管冷凝管,钢制换热管长为3m,直径为

25×2mm。水以0.7m/s的流速在管内流过，并从17℃被加热到37℃。流量为1.25kg/s、温度为72℃烃的饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。烃蒸气的冷凝潜热为315kJ/kg。已测得：蒸气冷凝传热系数

0=800W/(m2·℃)，管内侧热阻为外侧的40%，污垢热阻又为管内侧热阻的70%，试核算换热管的总根数和换热器的管程数。[计算时可忽略管壁热阻及热损失，水的比热为4.18kJ/(kg·℃)]。解：由冷却水的总流量和单管内水的流量确定每程管子的数目；再根据所需的传热面积确定管程数。计算如下：取水的比热容为则效果计算：温变、流量单管内水的流量为：每程所需管子数为：取每程管子数为20，则每程所能提供的传热外表面积为：由题给数据

任务所需的传热外表面积为：

需要管程数为：Nt=S0/S1=18.7/4.71=3.97（取4）

换热管的总根数为4×20=80过程计算：面积、热阻、温差4-4在套管换热器中用110℃的饱和蒸汽加热管内的冷流体,使其温度由15℃升至55℃。已知蒸汽的冷凝传热系数为α0=1.1×104W/(m2·℃)，试针对如下两种冷流体估算总传热系数K值和传热壁面的平均温度tw.1.管内流动着空气，其对流传热系统αi=90W/(m2·℃)；2.管内流动为水，其对流传热系统αi=4000W/(m2·℃).计算时可忽略管壁热阻、污垢热阻和热损失，且可当平壁处理。解：总传热系数K可按下面简化式子计算，即：传热壁面的平均温度可用总传热速率方程和对流传热速率方程联解进行估算，即：壁温也可由联解冷、热流体的对流传热速率方程估算，即：2.管内流体为水或1.管内流体为空气1.逆流时：并流时：Q、t2、K与逆流时相同