化工原理例題

1、第一章 流體流動例1.高位槽內(nèi)的水面高于地面8m，水從1084mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。在本題特定條件下，水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失可按f = 6.5 u2 計算，其中u為水在管道的流速。試計算： AA 截面處水的流速； 水的流量，以m3/h計。解：設(shè)水在水管中的流速為u ，在如圖所示的11, ，22,處列柏努力方程Z1+ 0 + 1/= Z2+ 22 + 2/ + f （Z1 - Z2）g = u2/2 + 6.5u2 代入數(shù)據(jù) (8-2)9.81 = 7u2 , u = 2.9m/s換算成體積流量 qV = uA= 2.9 /4 0.12 3600 = 82 m3/h 例2.本題附

2、圖所示為冷凍鹽水循環(huán)系統(tǒng)，鹽水的密度為1100kgm3，循環(huán)量為36m3。管路的直徑相同，鹽水由A流經(jīng)兩個換熱器而至B的能量損失為98.1Jkg，由B流至A的能量損失為49Jkg，試求：（1）若泵的效率為70%時，泵的抽功率為若干kw？（2）若A處的壓強表讀數(shù)為245.2103Pa時，B處的壓強表讀數(shù)為若干Pa？: M: l5 y& u0 A7 I: G% g解：（1）由A到B截面處作柏努利方程0 K* I9 d$ 8 V1 L 0+uA2/2+PA/=ZBg+uB2/2+PB/+9.815 ! p; CX9 X7 + ? 管徑相同得uA=uB （PA-PB）/=ZBg+9.81* e1 W:

3、 a7 e% u, k9 Y1 o- H x 由B到A段，在截面處作柏努力方程B ZBg+uB2/2+PB/+W=0+uA2+PA/+49( b; 4 l5 8 o W=（PA-PB）/- ZBg+49=98.1+49=147.1J/kg 3 L& P- D8 i4 N0 F qm= qv=36/36001100=11kg/s - q- i3 M# a$ R/ y) p5 | Pe= qmW=147.111=1618.1w% E5 |0 W* y Z% ( ?* I( V8 b 泵的抽功率N= Ne /76%=2311.57W=2.31kw1 s$ m& Z6 P! K) R: g; Q（2）

4、由第一個方程得（PA-PB）/=ZBg+9.81得7 a6 W, R# w+ E& v9 v PB=PA-（ZBg+9.81） * |% A K+ * $ m) c=245.2103-1100(79.81+98.1)$ M) z: B8 f. q3 u4 L =6.2104Pa: y7 W- m# z m X; p例3.用離心泵把20的水從貯槽送至水洗塔頂部，槽內(nèi)水位維持恒定，各部分相對位置如本題附圖所示。管路的直徑均為762.5mm，在操作條件下，泵入口處真空表的讀數(shù)為24.6610Pa,水流經(jīng)吸入管與排處管（不包括噴頭）的能量損失可分別按f,1=2u，hf,2=10u2計算，由于管徑不變，

5、故式中u為吸入或排出管的流速/s。排水管與噴頭連接處的壓強為98.0710Pa（表壓）。試求泵的有效功率。解：總能量損失hf=hf,1+hf，2 在截面與真空表處取截面作方程： z0g+u02/2+P0/=z1g+u2/2+P1/+hf，1（ P0-P1）/= z1g+u2/2 +hf，1 u=2m/s qm= qv=7.9kg/s 在真空表與排水管-噴頭連接處取截面 z1g+u2/2+P1/+W=z2g+u2/2+P2/+hf，2 We= z2g+u2/2+P2/+hf，2-（ z1g+u2/2+P1/） =12.59.81+（98.07+24.66）/998.210+102=285.97J

6、/kg Pe= qmW =285.977.9=2.26kw例4. 用壓縮空氣將密度為1100kg/m3的腐蝕性液體自低位槽送到高位槽，兩槽的液位恒定。管路直徑均為603.5mm，其他尺寸見本題附圖。各管段的能量損失為f，AB=f，CD=u2，f，BC=1.18u2。兩壓差計中的指示液均為水銀。試求當R1=45mm，h=200mm時：（1）壓縮空氣的壓強P1為若干？（2）U管差壓計讀數(shù)R2為多少？解：對上下兩槽取截面列柏努力方程0+0+P1/=Zg+0+P2/+fP1= Zg+0+P2 +f =109.811100+1100（2u2+1.18u2） =107.9110+3498u在壓強管的B，C

7、處去取截面，由流體靜力學方程得 PB+g（x+R1）=Pc +g（hBC+x）+水銀R1g PB+11009.81（0.045+x）=Pc +11009.81（5+x）+13.6109.810.045PB-PC=5.95104Pa在B，C處取截面列柏努力方程 0+uB/2+PB/=Zg+uc2/2+PC/+f，BC 管徑不變，ub=u cPB-PC=（Zg+f，BC）=1100（1.18u2+59.81）=5.95104Pau=4.27m/s壓縮槽內(nèi)表壓P1=1.23105Pa（2）在B，D處取截面作柏努力方程0+u2/2+PB/= Zg+0+0+f，BC+f，CDPB=（79.81+1.18

8、u2+u2-0.5u2）1100=8.35104PaPB-gh=水銀R2g8.35104-11009.810.2=13.6109.81R2R2=609.7mm例5. 從設(shè)備送出的廢氣中有少量可溶物質(zhì)，在放空之前令其通過一個洗滌器，以回收這些物質(zhì)進行綜合利用，并避免環(huán)境污染。氣體流量為3600m/h，其物理性質(zhì)與50的空氣基本相同。如本題附圖所示，氣體進入鼓風機前的管路上安裝有指示液為水的U管壓差計，起讀數(shù)為30mm。輸氣管與放空管的內(nèi)徑均為250mm，管長與管件，閥門的當量長度之和為50m，放空機與鼓風機進口的垂直距離為20m，已估計氣體通過塔內(nèi)填料層的壓強降為1.9610Pa。管壁的絕對粗糙

9、度可取0.15mm，大氣壓強為101.3310。求鼓風機的有效功率。解：查表得該氣體的有關(guān)物性常數(shù)=1.093 , =1.9610-5Pas氣體流速 u = 3600/(36004/0.252) = 20.38 m/s質(zhì)量流量 qm = 20.384/0.2521.093 =1.093 Kg/s流體流動的雷偌準數(shù) Re = du/= 2.84105 為湍流型所有當量長度之和 總=+e=50m 取0.15時 /d = 0.15/250= 0.0006 查表得=0.0189所有能量損失包括出口,入口和管道能量損失 即: = 0.5u2/2 + 1u2/2 + (0.018950/0.25) u2/

10、2 =1100.66J/kg 在1-12-2兩截面處列伯努利方程 u2/2 + P1/+ W = Zg + u2/2 + P2/ + W = Zg + (P2- P1)/+而1-12-2兩截面處的壓強差 P2- P1 = P2-水gh = 1.96103 - 1039.8131103 = 1665.7 Pa W = 2820.83 W/Kg 泵的有效功率 pe = Weqm = 3083.2W = 3.08 KW 例6.如本題附圖所示，貯水槽水位維持不變。槽底與內(nèi)徑為100mm 的鋼質(zhì)放水管相連，管路上裝有一個閘閥，距管路入口端15m 處安有以水銀為指示液的U管差壓計，其一臂與管道相連，另一臂

11、通大氣。壓差計連接管內(nèi)充滿了水，測壓點與管路出口端之間的長度為20m。 （1）.當閘閥關(guān)閉時，測得R=600mm，h=1500mm；當閘閥部分開啟時，測的R=400mm，h=1400mm。摩擦系數(shù)可取0.025，管路入口處的局部阻力系數(shù)為0.5。問每小時從管中水流出若干立方米。 （2）.當閘閥全開時，U管壓差計測壓處的靜壓強為若干（Pa，表壓）。閘閥全開時le/d15，摩擦系數(shù)仍取0.025。解: 根據(jù)流體靜力學基本方程, 設(shè)槽面到管道的高度為x 水g(h+x)= 水銀gR 103(1.5+x) = 13.61030.6 x = 6.6m 部分開啟時截面處的壓強 P1 =水銀gR -水gh =

12、 39.63103Pa 在槽面處和1-1截面處列伯努利方程 Zg + 0 + 0 = 0 + u2/2 + P1/ + 而= (+e)/d + u2/2 = 2.125 u2 6.69.81 = u2/2 + 39.63 + 2.125 u2 u = 3.09/s 體積流量qm = uA= 3.09/4(0.1)23600 = 87.41m3/h 閘閥全開時 取2-2,3-3截面列伯努利方程 Zg = u2/2 + 0.5u2/2 + 0.025(15 +l/d)u2/2 u = 3.47m/s 取1-13-3截面列伯努利方程 P1/ = u2/2 + 0.025(15+/d)u2/2 P1

13、= 3.7104Pa例7.用效率為80%的齒輪泵將粘稠的液體從敞口槽送至密閉容器中，兩者液面均維持恒定，容器頂部壓強表讀數(shù)為30103Pa。用旁路調(diào)節(jié)流量，起流程如本題附圖所示，主管流量為14m3/h，管徑為663mm，管長為80m（包括所有局部阻力的當量長度）。旁路的流量為5m3/h，管徑為322.5mm，管長為20m（包括除閥門外的管件局部阻力的當量長度）兩管路的流型相同，忽略貯槽液面至分支點o之間的能量損失。被輸送液體的粘度為50mPas，密度為1100kg/m3，試計算：（1）泵的軸功率（2）旁路閥門的阻力系數(shù)。$ n6 f, P$ + e& R1 f4 7 Y7 Y- v4 h; l

14、解：泵的軸功率 W8 u! v. : V$ u+ O4 w* b分別把主管和旁管的體積流量換算成流速% ?+ u5 p* C& - . h& z主路流速 u = qV/A = 14/3600(/4)(60)210-6# J8 J O, x V9 = 1.38 m/s 4 L( * f. L1 M# V2 p% a$ V8 R: s$ _旁路流速 u1 = qV1/A = 5/3600(/4)(27)210-6! U) |8 f# N/ G5 N& D% P4 V/ P7 e, n = 2.43 m/s+ E/ N5 ( C. G- Y% a先計算主管流體的雷偌準數(shù)7 D1 j- 0 A3 &

15、K4 m Re = du/= 1821.6 2000 屬于滯流% t( w2 W; D8 E! U# za摩擦阻力系數(shù)可以按下式計算8 L N% P- a3 O! w# m! P, r = 64/ Re = 0.03513 1 J# L x5 B7 Z2 z MB$ h在槽面和容器液面處列伯努利方程: F1 o- A0 x4 s0 A W= Z2g + P2/+ f( , L, Y/ g: G/ f _, w = 59.81 + 30103/1100 + 0.035131.38280/(6010-3)4 k+ i% 6 8 C1 F4 t =120.93 J/Kg. a2 0 f( w) L1

16、 u主管質(zhì)量流量 qm= uA= 1.38(/4)(60)211000 a- v+ p+ w! A+ a e = 5.81Kg/s K4 r; ?& D$ Y. K泵的軸功率 pe/= Wqm/ = 877.58 W2 C4 D3 V5 l* p, I. - x0 Q =0.877KW$ |; 7 V( r# 旁路閥門的阻力系數(shù)( b5 a N6 K+ - p+ j旁管也為滯流 其摩擦阻力系數(shù)1 = 64/ Re1 = 0.04434: l4 I6 H! N5 O) H6 u3 有效功W = 0+ u12/2 + 0 + fs9 M: b0 S5 V5 n* r# G& 2 c) c 旁路閥門

17、的阻力系數(shù) = (W -u12/2 -?u12/2?20/d1)- 2/u12= 7.11例8.第四章 傳熱例9.在200kPa、20下，流量為60m3/h的空氣進入套管換熱器的內(nèi)管，并被加熱到80，內(nèi)管的直徑為573.5mm，長度為3m。試求管壁對空氣的對流傳熱系數(shù)。解：定性溫度=（20+80）/2=50。50下空氣性質(zhì)=2.8310-2W/（m.）；=1.9610-5Pa.s；Pr=0.698空氣在進口處的速度：空氣在進口處的密度空氣的質(zhì)量流速例10.在一室溫為20的大房間中，安有直徑為0.1m、水平部分長度為10m、垂直部分高度為1.0m之蒸汽管道，若管道外壁平均溫度為120，試求該管道

18、因自然對流的散熱量。解：大空間自然對流的可由式計算，即：，該溫度下空氣的有關(guān)物性由附錄查得：，（1）水平管道的散熱量Q1 其中所以由表查得：，所以（2）垂直管道的散熱量由表查得：，所以蒸汽管道總散熱量為：例11.換熱器由長度為1.5m，外徑為89mm，正三角形錯列圓鋼管組成。常壓下空氣在管外垂直流過，最大流速8m/s ，進口溫度10 C，出口溫度50 C , 管束有20排，每排20根管子，管中心距為110mm，管內(nèi)有飽和蒸汽冷凝。求管壁對空氣的平均對流傳熱系數(shù)。例12. 在逆流換熱器中，用初溫為20oC的水將1.25kg/s的液體比熱容為1.9kJ/（kgoC）、密度為850kg/m3，由80

19、oC冷卻到30oC。換熱器的列管直徑為252.5mm，水走管方。水側(cè)和液體側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為0.85 kW/（m2oC）和1.70 kW/（m2oC），污垢熱阻可忽略。若水的出口溫度不能高于50oC，試求換熱器的傳熱面積。解：由傳熱速率方程知 其中 kw oC W/（m2oC）所以 m2例13.重油和原油在單程套管換熱器中呈并流流動，兩種油的初溫分別為243oC和128oC；終溫分別為167oC和157oC。若維持兩種油的流量和初溫不變，而將兩流體改為逆流，試求此時流體的平均溫度差及它們的終溫。假設(shè)在兩種流動情況下，流體的物性和總傳熱系數(shù)均不變化，換熱器的熱損失可以忽略。解：以上標“”表示

20、并流的情況。由傳熱速率和熱量衡算式知： 兩式相除，得 （a）將和比定律應(yīng)用于上式，得 而 oC 所以 或 （b） 由式a得 即 （c） 聯(lián)立式b和式c解得 t2=161.3 oC T2=155.4 oC 所以 oC例14.在一單程列管換熱器中，用飽和蒸汽加熱原料油。溫度為160 oC的飽和蒸汽在殼程冷凝（排出時為飽和液體），原料油在管程流動，并由20 oC加熱到106 oC。列管換熱器尺寸為：列管直徑為192mm，管長為4m，共有25根管子。若換熱器的傳熱量為125kW，蒸氣冷凝傳熱系數(shù)為7000W/（m2oC），油側(cè)污垢熱阻可取為0.0005 m2oC /W，管壁熱阻和蒸汽側(cè)垢層熱阻可忽略，

21、試求管內(nèi)油側(cè)對流傳熱系數(shù)。 又若油的流速增加一倍，此時若換熱器的總傳熱系數(shù)為原來總傳熱系數(shù)的1.75倍，試求油的出口溫度。假設(shè)油的物性不變。解：（1）管內(nèi)油側(cè)1： oC W/（m2oC） 即 解得 i=360 W/（m2oC） （2）油的出口溫度： 由熱量衡算得 而 W/（m2oC） 所以 （a） 由總傳熱速率方程得 （b） 聯(lián)合式a和式b，得 oC例15.流量為720kg/h的常壓飽和水蒸氣在直立的列管外冷凝，列管換熱器直徑為252.5 mm，管長為2m，列管外壁溫度為94 C ，試按冷凝要求估算列管根數(shù)。解：查常壓下水蒸氣的有關(guān)物性數(shù)據(jù)：T=100 第五章 吸收例16. 根據(jù)附圖所列雙塔吸

22、收的五種流程布置方案，示意繪出與各流程相對應(yīng)的平衡線和操作線，并用圖中邊式濃度的符號標明各操作線端點坐標。例17.在填料塔中用清水吸收氨與空氣的混合氣中的氨?；旌蠚饬髁繛?500標，氨所占體積分率為5%，要求氨的回收率達95%。已知塔內(nèi)徑為0.8m，填料單位體積有效傳質(zhì)面積，吸收系數(shù)。取吸收劑用量為最少用量的1.5倍。該塔在30和壓力下操作，在操作條件下的平衡關(guān)系為，試求：（1） 出塔溶液濃度x1；（2） 用平均推動力法求填料層高度Z；（3） 用吸收因數(shù)法求Z。解：例18.某填料吸收塔，用清水吸收某氣體混合物中的有害物質(zhì)A，若進塔氣中含A5%（體積%），要求吸收率為90%，氣體流率為，液體流率

23、為，此時的液氣比是最小液氣比的1.5倍。如果物質(zhì)服從亨利定律（即平衡關(guān)系為直線），并已知液相傳質(zhì)單元高度為0.44m，氣相體積傳質(zhì)分系數(shù)，試求：（1） 塔底排出液組成x1；（2） 用吸收因數(shù)法求所需填料層高度Z；（3）用平均推動力法求Z。解：例19.有一吸收塔，填料層高度為3m，在常壓、20用清水來吸收氨和空氣混合氣體中的氨。吸收率為99%，進口氣體中含氨6%（體積%），進口氣體速率為580，進口清水速率為770，假設(shè)在等溫條件下逆流吸收操作，平衡關(guān)系，且與氣體質(zhì)量流速的0.8次方成正比，分別計算改變下列操作條件后，達到相同分離程度所需填料層高度。（1） 將操作壓強增加一倍（P=202.6kP

24、a），其他條件不變。（2） 將進口清水量增加一倍，其他條件不變。（3） 將進口氣體流量增加一倍，其他條件不變。解：一、 求現(xiàn)有條件下的 二分別計算：第六章 精餾例20.在一常壓精餾塔內(nèi)分離苯和甲苯混合物，塔頂為全凝器，塔釜間接蒸汽加熱。進料量為1000kmol/h，含苯0.4，要求塔頂餾出液中含苯0.9（以上均為摩爾分率），苯的回收率不低于90%，泡點進料，泡點回流。已知a=2.5，取回流比為最小回流比的1.5倍。試求：（1）塔頂產(chǎn)品量D、塔底殘液量W及組成xw；（2）最小回流比；（3）精餾段操作線方程；（4）提餾段操作線方程；（5）從與塔釜相鄰的塔板上下降的液相組成為多少？（6）若改用飽和蒸

25、汽進料，仍用（4）中所用回流比，所需理論板數(shù)為多少？解：（1）塔頂產(chǎn)品量D、塔底殘液量W及組成xw； 由 ，得： W=F- D=1000-400=600kmol/h又由物料衡算 得 （2）最小回流比； 泡點進料，q=1, (3) 精餾段操作線方程； (4) 提餾段操作線方程； 則 （5）從與塔釜相鄰的塔板上下降的液相組成 由操作線方程 得 （6）若改用飽和蒸汽進料，仍用（4）中所用回流比，所需理論板數(shù)又為多少。飽和蒸氣進料， q=0，由 得 因 ， 故 例21.用一連續(xù)精餾塔分離由組分AB組成的理想混合液。原料液中含A 0.44，餾出液中含A 0.957（以上均為摩爾分率）。已知溶液的平均相對揮發(fā)度為