化工习题解析

化工原理课后解析课后解析化工原理学院：环境与化学工程学院班级：化学工程与工艺1201班学号：姓名：日期：2014年6月20日化工原理课后解析-1-第一章流体流动2．在本题附图所示的储油罐中盛有密度为960㎏/㎥的油品，油面高于罐底6.9m，油面上方为常压。在罐侧壁的下部有一直径为760mm的圆孔，其中心距罐底800mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应力取为39.23×106Pa，问至少需要几个螺钉？分析：罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力即P油≤σ螺解：P螺=ρgh×A=960×9.81×(9.6-0.8)×3.14×0.762150.307×103Nσ螺=39.03×103×3.14×0.0142×nP油≤σ螺得n≥6.23取nmin=7至少需要7个螺钉3．某流化床反应器上装有两个U型管压差计，如本题附图所示。测得R1=400mm，R2=50mm，指示液为水银。为防止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，其高度R3=50mm。试求A﹑B两处的表压强。分析：根据静力学基本原则，对于右边的Ｕ管压差计，a–a′为等压面，对于左边的压差计，b–b′为另一等压面，分别列出两个等压面处的静力学基本方程求解。解：设空气的密度为ρg，其他数据如图所示a–a′处PA+ρggh1=ρ水gR3+ρ水银ɡR2由于空气的密度相对于水和水银来说很小可以忽略不记即：PA=1.0×103×9.81×0.05+13.6×103×9.81×0.05=7.16×103Pab-b′处PB+ρggh3=PA+ρggh2+ρ水银gR1PB=13.6×103×9.81×0.4+7.16×103化工原理课后解析-2-=6.05×103Pa4.本题附图为远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。已知两吹气管出口的距离H=1m，U管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820Kg／㎥。试求当压差计读数R=68mm时，相界面与油层的吹气管出口距离ｈ。分析：解此题应选取的合适的截面如图所示：忽略空气产生的压强，本题中1－1´和4－4´为等压面，2－2´和3－3´为等压面，且1－1´和2－2´的压强相等。根据静力学基本方程列出一个方程组求解解：设插入油层气管的管口距油面高Δh在1－1´与2－2´截面之间P1=P2+ρ水银gR∵P1=P4，P2=P3且P3=ρ煤油gΔh，P4=ρ水g（H-h）+ρ煤油g（Δh+h）联立这几个方程得到ρ水银gR=ρ水g（H-h）+ρ煤油g（Δh+h）-ρ煤油gΔh即ρ水银gR=ρ水gH+ρ煤油gh-ρ水gh带入数据1.0³×10³×1-13.6×10³×0.068=h(1.0×10³-0.82×10³)ｈ=0.418ｍ7.列管换热气的管束由121根φ×2.5mm的钢管组成。空气以9m/s速度在列管内流动。空气在管内的平均温度为50℃﹑压强为196×103Pa(表压)，当地大气压为98.7×103Pa试求：⑴空气的质量流量；⑵操作条件下，空气的体积流量；⑶将⑵的计算结果换算成标准状况下空气的体积流量。解：空气的体积流量ＶS=uA=9×π/4×0.022×121=0.342m3/s质量流量ws=ＶSρ=ＶS×(MP)/(RT)=0.342×[29×(98.7+196)]/[8.315×323]=1.09㎏/s换算成标准状况V1P1/V2P2=T1/T2ＶS2=P1T2/P2T1×ＶS1=(294.7×273)/(101×323)×0.342化工原理课后解析-3-=0.843m3/s8.高位槽内的水面高于地面8m，水从φ108×4mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按∑ｈf=6.5u2计算，其中u为水在管道的流速。试计算：⑴A—A'截面处水的流速；⑵水的流量，以m3/h计。分析：此题涉及的是流体动力学，有关流体动力学主要是能量恒算问题，一般运用的是柏努力方程式。运用柏努力方程式解题的关键是找准截面和基准面，对于本题来说，合适的截面是高位槽1—1,和出管口2—2,,如图所示，选取地面为基准面。解：设水在水管中的流速为u，在如图所示的1—1,，2—2,处列柏努力方程Z1ｇ+0+Ｐ1/ρ=Z2ｇ+ｕ2／2+Ｐ2/ρ+∑ｈf（Z1-Z2）g=u2/2+6.5u2代入数据(8-2)×9.81=7u2,u=2.9m/s换算成体积流量VS=uA=2.9×π/4×0.12×3600=82m3/h9.20℃水以2.5m/s的流速流经φ38×2.5mm的水平管，此管以锥形管和另一φ53×3m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强。若水流经A﹑B两截面的能量损失为1.5J/㎏，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。分析:根据水流过A、B两截面的体积流量相同和此两截面处的伯努利方程列等式求解解：设水流经Ａ﹑Ｂ两截面处的流速分别为uA、uBuAAA=uBAB∴uB=（AA/AB）uA=（33/47）2×2.5=1.23m/s在Ａ﹑Ｂ两截面处列柏努力方程Z1ｇ+ｕ12／2+Ｐ1/ρ=Z2ｇ+ｕ22／2+Ｐ2/ρ+∑ｈf化工原理课后解析-4-∵Z1=Z2∴（Ｐ1-Ｐ2）/ρ=∑ｈf+（ｕ12-ｕ22）／2g（h1-h2）=1.5+(1.232-2.52)/2h1-h2=0.0882m=88.2mm即两玻璃管的水面差为88.2mm10.用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示。管路的直径均为Ф76×2.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.66×10³Pa,水流经吸入管与排处管（不包括喷头）的能量损失可分别按∑ｈf,1=2u²，∑hf,2=10u2计算，由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速ｍ/s。排水管与喷头连接处的压强为98.07×10³Pa（表压）。试求泵的有效功率。分析：此题考察的是运用柏努力方程求算管路系统所要求的有效功率把整个系统分成两部分来处理，从槽面到真空表段的吸入管和从真空表到排出口段的排出管，在两段分别列柏努力方程。解：总能量损失∑hf=∑hf+，1∑hf，2u1=u2=u=2u2+10u²=12u²在截面与真空表处取截面作方程：z0g+u02/2+P0/ρ=z1g+u2/2+P1/ρ+∑hf，1（P0-P1）/ρ=z1g+u2/2+∑hf，1∴u=2m/s∴ws=uAρ=7.9kg/s在真空表与排水管-喷头连接处取截面z1g+u2/2+P1/ρ+We=z2g+u2/2+P2/ρ+∑hf，2∴We=z2g+u2/2+P2/ρ+∑hf，2—（z1g+u2/2+P1/ρ）=12.5×9.81+（98.07+24.66）/998.2×10³+10×2²=285.97J/kgNe=Wews=285.97×7.9=2.26kw12.本题附图所示为冷冻盐水循环系统，盐水的密度为1100kg／m³，循环量为36m³。管路的直径相同，盐水由A流经两个换热器而至B的能量损失为98.1J／kg，由B流至A的能量损失为49J／kg，试求：（1）若泵的效率为70%时，泵的抽功率为若干kw？（2）若A处的压化工原理课后解析-5-强表读数为245.2×10³Pa时，B处的压强表读数为若干Pa？分析：本题是一个循环系统，盐水由A经两个换热器被冷却后又回到A继续被冷却，很明显可以在A-换热器-B和B-A两段列柏努利方程求解。解：（1）由A到B截面处作柏努利方程0+uA²/2+PA/ρ1=ZBg+uB²／2+PB／ρ+9.81管径相同得uA=uB∴（PA-PB）/ρ=ZBg+9.81由B到A段，在截面处作柏努力方程BZBg+uB²／2+PB/ρ+We=0+uA²+PA/ρ+49∴We=（PA-PB）/ρ-ZBg+49=98.1+49=147.1J/kg∴WS=VSρ=36/3600×1100=11kg/sNe=We×WS=147.1×11=1618.1w泵的抽功率N=Ne/76%=2311.57W=2.31kw（2）由第一个方程得（PA-PB）/ρ=ZBg+9.81得PB=PA-ρ（ZBg+9.81）=245.2×10³-1100×(7×9.81+98.1)=6.2×104Pa第二章流体输送机械1.在用水测定离心泵性能的实验中，当流量为26m³/h时，泵出口处压强表和入口处真空表的读数分别为152kPa和24.7kPa，轴功率为2.45kw，转速为2900r/min，若真空表和压强表两测压口间的垂直距离为0.4m，泵的进出口管径相同，两测压口间管路流动阻力可忽略不计，试求该泵的效率，并列出该效率下泵的性能。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u12/2g+P1/ρg+Η=u12/2g+P2/ρg+Ηf+Z∵泵进出口管径相同,u1=u2不计两测压口见管路流动阻力Ηf=0∴P1/ρg+Η=P2/ρg+Z化工原理课后解析-6-Η=(P2-P1)/ρg+Z=0.4+(152+24.7)×103/998.2×9.8=18.46m该泵的效率η=QHρg/N=26×18.46×998.2×9.8/(2.45×103×3600)=53.2.﹪2.用离心泵以40m³/h的流量将贮水池中65℃的热水输送到凉水塔顶，并经喷头喷出而落入凉水池中，以达到冷却的目的，已知水进入喷头之前需要维持49kPa的表压强，喷头入口较贮水池水面高6m，吸入管路和排出管路中压头损失分别为1m和3m，管路中的动压头可以忽略不计。试选用合适的离心泵并确定泵的安装高度。当地大气压按101.33kPa计。解：∵输送的是清水∴选用B型泵查65℃时水的密度ρ=980.5Kg/m3在水池面和喷头处列伯努利方程u12/2g+P1/ρg+Η=u12/2g+P2/ρg+Ηf+Z取u1=u2=0则Η=(P2-P1)/ρg+Ηf+Z=49×103/980.5×9.8+6+(1+4)=15.1m∵Q=40m3/h由图2-27得可以选用3B19A2900465℃时清水的饱和蒸汽压PV=2.544×104Pa当地大气压Ηa=P/ρg=101.33×103/998.2×9.81=10.35m查附表二十三3B19A的泵的流量:29.5—48.6m3/h为保证离心泵能正常运转,选用最大输出量所对应的ΗS'即ΗS'=4.5m输送65℃水的真空度ΗS=[ΗS'+(Ηa-10)-(PV/9.81×103–0.24)]1000/ρ=2.5m∴允许吸上高度Hg=ΗS-u12/2g-Ηf,0-1=2.5–1=1.5m即安装高度应低于1.5m3．常压贮槽内盛有石油产品，其密度为760kg/m³，粘度小于20cSt，在贮槽条件下饱和蒸汽压为80kPa，现拟用65Y-60B型油泵将此油品以15m³流量送往表压强为177kPa的设备内。化工原理课后解析-7-贮槽液面恒定，设备的油品入口比贮槽液面高5m，吸入管路和排出管路的全部压头损失为1m和4m。试核算该泵是否合用。若油泵位于贮槽液面以下1.2m处，问此泵能否正常操作？当地大气压按101.33kPa计.解:查附录二十三65Y-60B型泵的特性参数如下流量Q=19.8m3/s,气蚀余量△h=2.6m扬程H=38m允许吸上高度Hg=(P0-PV)/ρg-△h-Ηf,0-1=-0.74m-1.2扬升高度Z=H-Ηf,0-2=38–4=34m如图在1-1,2-2截面之间列方程u12/2g+P1/ρg+Η=u22/2g+P2/ρg+Ηf,1-2+△Z其中u12/2g=u22/2g=0管路所需要的压头:Ηe=(P2–P1)/ρg+△Z+Ηf,1-2=33.74mZ=34m游品流量Qm=15m3/sQ=19.8m3/s离心泵的流量,扬升高度均大雨管路要求,且安装高度有也低于最大允许吸上高度因此,能正常工作5.用3B33A型离心泵从敞口水槽中将70℃清水输送到它处，槽内液面恒定。输水量为35～45m3/h，在最大流量下吸入管路的压头损失为1m，液体在