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化工基础流体流动过程及流体输送设备1、某合成氨工艺以煤为原料的气化法生产中，制得的半水煤气组成为：H242%，N221.5%，CO27.8%，CH41.5%，CO27.1%，O20.1%（均为体积分数），求表压为88.2kPa，温度为25℃时，混合气体的密度。解：解法一：先求混合的摩尔质量；Mm=(M·y)H2+(M·y)N2+(M·y)CO+(M·y)CH4+(M·y)CO2+(M·y)O2=2×0.42+28×0.215+28×0.278+16×0.015+44×0.071+32×0.001=18.04kg/kmol318.04(101.388.2)1.38/8.314(27325)MPkgmRTρ×+===×+解法二：先算出在操作温度和压力下各纯组分的密度，然后再按组分的摩尔分数叠加。解法略。2、套管换热器的内管为φ25mm×2.5mm，外管为φ57mm×3.5mm的无缝钢管。液体以5400kg/h的流量流过环隙。液体的密度为1200kg/m3，粘度为2×10-3Pa·s。试判断液体在环隙流动时的流动形态。解：设大管内径为d1，小管外径为d2流体在环隙流动当量直径为：de=d1-d2d1=0.057-0.0035×2=0.05mm，d2=0.025mm；de=0.05-0.025=0.025mm22124Vuddππ=−=22124()Wddπρ−=22454003.14(0.050.025)12003600××−××=0.85m/sReduρμ==30.0250.851200210−×××=127404000属湍流3、现要求将原油以一定流量，通过一条管道由油库送往车间，并保证原油在管道中呈层流流动，现分别提出如下措施：（1）管道长度缩短20%；（2）管径放大20%；（3）提高原油温度使原油粘度下降20%，而假设密度变化不大，可忽略不计。问上述措施分别可使由于管道沿程摩擦而损失的机械能比原设计降低百分之几？解：层流流动的摩擦损失为：232fulhdμρΣ=（1）、∵l1=0.8l；∴Σhf1=0.8Σhf；Δ(Σhf)=Σhf-Σhf1=0.2Σhf（2）、∵d1=1.2d；∴122320.694(32)0.694(1.2)ffululhhddμμρρΣ==×=Σ；Δ(Σhf)=Σhf-Σhf1=0.306Σhf（3）、μ1=0.8μ；∴Σhf1=0.8Σhf；Δ(Σhf)=Σhf-Σhf1=0.2Σhf4、用泵将密度为850kg·m-1的某液体从低位槽打到高位槽。低位槽据地面高2m，管子出口距地面高20m，管路阻力损失为30J·kg-1，泵入口流速为0.915m·s-1入口管径为φ89mm×6mm，出口管径为φ60mm×4mm，求泵有效功率。解：如图选取低位槽液面为1-1面，高位槽为2-2面，地面为计算基准面，在1→2列柏努利方程，得：221211221122+++=+++Σefppgzuwgzuwρρ2m20mz1=2m；z2=20m；u1=u2≈0；p1=p2=0（表压）；wf=30J·kg-1；代入上式得：22212121()1()()2−=−+−++Σefppwgzzuuwρ19.81(202)30206.58−=×−+=⋅ewJkg11223.14·0.0770.913.6585042kgs2−==⋅⋅=×××=⋅ssmVduπρρNe=we·ms=206.58×3.62=747.79（W）5、用离心泵经φ57mm×3.5mm的钢管，将敞口贮罐内的有机溶剂（粘度为20×10-3）Pa·s，密度为800kg·m-3），输送到反应器中，设贮罐内液面离反应器内液面高度保持16m，见附图。已知钢管总长度（包括局部阻力当量长度）为25m，反应器内压力恒定为4kgf·m-2（表压），有机溶液输送量为6.6m3·h-1，试确定泵提供的压头。解：如图选取截面1，2计算基准面为敞口贮罐液面，压力以表压表示。在1→2列柏努利方程，得：221211221122+++=+++efppzuHzuHggggρρz1=0m；z2=16m；u1=u2≈0；p1=0(表压)；p2=4kgf·m-2(表压)；L=25m；221446.60.3.140.053600934msVudπ−×==⋅=××393480.050.Re20100018682000duρμ−×===××32232320.93425201080090.7.810.560mfulHgdμρ−⋅⋅⋅××××===××449.8110160.7666.768009.81eH××=++=×(m液柱)6、欲建一水塔向某工厂供水，如图所示，从水塔到工厂的管长（包括局部阻力当量长度）为500m，最大流量为0.02m3·s-1。管出口处需保持10m水柱的压头（表压）。若摩擦系数λ=0.023，求：(a)当管内流速为1.05m·s-1，所需管径及塔高；(b)当管内流速为4m·s-1，所需管径及塔高；(c)由(a)、(b)计算结果，分析满足一定流量时，塔高与管径的关系。解：如图选取1，2截面，计算基准面为管出口水平面。压力以表压表示。在1→2列柏努利方程，得：221211221122+++=+++efppzuHzuHggggρρz1=hm；z2=0m；u1≈0；u2=u；p1=0(表压)；p2=10m水柱(表压)；22fLudgHλ⋅=；4Vduπ=(a)、u=1.05m·s-1，40.023.141.050.156d×==×m；25001.050.0234.140.15629.81fH××=×=m水柱21.050104.1414.229.81hm=+++=×16m1122习题5附图1122h(b)u=4m·s-1，40.023.1440.08d×==×m；250040.023117.230.0829.81fH××=×=m水柱2401117.23128.00529.81hm=+++=×当满足流量一定时，塔高与管径呈反比关系。7、如图所示，槽内水位维持不变，槽底部与内径为100mm的钢管联结，管路上装有一个闸阀，阀前离管路入口端15m，B处装有一个指示剂为汞的U型管压差计，测压点与管路出口端之间距离为20m。(1)当阀门关闭时读数R=600mm，h=1500mm。阀门部分开启时，测得R=400mm，h=1400mm，管路的摩擦系数取λ=0.02，入口处局部阻力系数取ξ=0.5，问管内流量为多少m3/h？(2)阀门全开时（取闸阀全开le/d=15，λ=0.018），问压差计测压点B处的静压强为多少kPa（表压）？解：(1)a、首先根据当阀门关闭时R，h求水槽液面到出口处的垂直距离H。根据流体静力学方程p4=ρg水(H+h)；p4’=ρgHgR∵p4=p4’；得：ρg水(H+h)=ρgHgR；1000×(H+1.5)=13600×0.6解得：H=6.66m。b、当阀门部分开启时B点的压力为pB=ρgHgR-ρg水h=13600×9.81×0.4-1000×9.81×1.4=3.96×104Pa在1→B列柏努利方程，0-0面为计算基准面2211111122BBBfBppzguzguhρρ→++=+++Σz1=H；zB=0；u1=0；p1=0(表压)；pB=3.96×104Pa(表压)222115()(0.020.5)1.7520.12fBluuhudλξ→Σ=+=+=⋅代入上式解得：2211.752BpHguuρ⋅=++43.96106.669.8110003.38/2.252.25BpHgumsρ×⋅−×−===2233110.13.380.0265/95.4/44Vdumsmhππ=⋅⋅⋅=×××==(2)阀门全开时a、先求阀门全开时管内的流速。H15m20mhR44’11’ABBC0022’在1→2列柏努利方程，得：22121122121122fppzguzguhρρ→++=+++Σz1=H；zB=0；u1=u2=0；p1=0(表压)；p2=0(表压)；222121520()[0.018(15)1.5]4.03520.12eflluuhudλξ→++Σ=+Σ=++=⋅代入上式，得；6.669.814.024/4.0354.035Hgums⋅×===b、在1→B列柏努利方程，0-0面为计算基准面2211111122BBBfBppzguzguhρρ→++=+++Σz1=H；zB=0；u1=0；u2=4.024m/s；p1=0(表压)；222115()(0.0180.5)1.620.12fBluuhudλξ→Σ=+=+=⋅代入上式，得；224Bp(2.1)(6.669.812.14.024)10003.1310HguPaρ=⋅−=×−××=×在B→2列柏努利方程，得2222221122BBBfBppzguzguhρρ→++=+++ΣzB=z2=0；uB=u2=u；p2=0(表压)；222220()[0.018(15)]1.93520.12fBluuhudλξ→Σ=+=×+=⋅代入上式，得；224Bp(1.935)(1.9354.024)10003.1310uPaρ==××=×8、如图所示的输水系统，用泵将水池中的水输送到敞口的高位槽，系统管道均为φ83mm×3.5mm，泵的进出口管道上分别安装有真空表和压力表，真空表安装位置离贮水池的水面高度为4.8m，压力表安装位置离贮水池的水面高度为5m。当输水量为36m3·h-1时，进水管道的全部阻力损失为1.96J·kg-1，出水管道的全部阻力损失为4.9J·kg-1，压力表的读数为2.5kgf·cm-2，泵的效率为70%，求：(1)两液面的高度差h为多少m？(2)泵所需的实际功率为多少？(3)真空表的读数多少(2.5kgf·cm-2)解：如图选取截面。计算基准面为贮水池液面。管内水的流速2244362.204/3.140.0763600Vumsdπ×==××(1)、从压力表3-3`面到高位槽液面4-4`列柏努利方程得：22343344341122fppzguzguhρρ→++=+++Σz3=5m；z4=h3+5m；p3=2.5kgf·cm-2=245.2×103kPa；p4=0(表压)；Σhf3→4=4.9J·kg-1；u3=u4=u代入上式解得：h3=24.5m高位槽液面与贮水池液面高度差h=h3+5=29.5m(2)、在贮水池1-1`面到高位槽液面4-4`列柏努利方程得：22141144141122efppzguwzguhρρ→+++=+++Σhh35m4.8m11443322z1=0m；z4=29.5m；p1=p4=0(表压)；14fh→Σ=1.96+4.9=6.86J·kg-1；u1=u4代入上式解得：we=296.25J·kg-1Ne=we·ms=296.25×10=2962.5；2962.5N4.2370%eNkWη===(3)、在贮水池1-1`面到真空表2-2`列柏努利方程得：22121122121122efppzguwzguhρρ→+++=+++Σz1=0m；z2=4.8m；p1=0(表压)；12fh→Σ=1.96J·kg-1；u1=0；u2=2.204m/s代入上式得：222221211()(4.89.812.2041.96)2251.48fpzguhρ→=−++Σ=−×+×+=−p2=-51.48kPa=-0.5249kgf·cm-2=0.5249kgf·cm-2(真空度)9、某离心泵的允许吸上高度为6.5m(已包括0.3m安全量)，在高原上使用，若当地大气压为90kPa。已知吸入管的阻力和动压头之和为3m水柱。当地夏季最高水温为30℃。拟将该泵安装在水面上3m处，问该泵能否正常工作？解：在当地大气压为90kPa。水温为30℃时的条件下，允许吸上真空高度H``s=H`s+(Ha-10)-(Hv-0.24)，Ha=90kPa=9.174m水柱，水温为30℃Hv=4.247kPa=0.433m水柱，泵允许吸上高度为H`s=6.5m代入上式的H``s=6.6+(9.174-10)-(0.433-0.24)=5.581m水柱安装