化工原理习题课

2020/3/31.为了确定容器中石油产品的液面，采用如附图所示的装置。压缩空气用调节阀1调节流量，使其流量控制得很小，只要在鼓泡观察器2内有气泡缓慢逸出即可。因此，气体通过吹气管4的流动阻力可忽略不计。吹气管内压力用U管压差计3来测量。压差计读数R的大小，反映贮罐5内液面高度。指示液为汞。2020/3/31.分别由a管或由b管输送空气时，压差计读数分别为R1或R2，试推导R1、R2分别同Z1、Z2的关系。2.当（Z1－Z2）＝1.5m，R1＝0.15m，R2＝0.06m时，试求石油产品的密度ρ及Zio2020/3/3解•（1）在本例附图所示的流程中，由于空气通往石油产品时，鼓泡速度很慢，可以当作静止流体处理。因此可以从压差计读数R1，求出液面高度Z1，即（2）将式（a）减去式（b）并经整理得故（a）11HGPzR（b）22HGPzR2020/3/32.当20℃的甘油(ρ=1261kg.m-3,μ=1499厘泊)在内径为100mm的管内流动时,若流速为2.0m.s-1时,其雷诺准数Re为__________,其摩擦阻力系数λ为________.2020/3/33.如图所示，用内径d＝100mm的管道，从水箱中引水。如水箱中水面恒定，水面高出管道出口中心高度H＝4m，忽略水箱入管道的入口阻力损失。水在管内流动损失，沿管长均匀发生，hfA-B＝3·ｕ2/（2ｇ）。求：（1）水在管内的流速ｕ及流量Q（2）管道中点处M的静压强PM。假设AB高度差为3m2020/3/3（1）列0－0与2－2截面柏努利方程：Z0＋P0/ρｇ＋ｕ00/2ｇ＝Z2＋P2/ρｇ＋ｕ22/2ｇ＋∑ｈf以2－2截面为基准面，Z2＝0，u0＝0，P0＝P2∴4＝ｕ22/2ｇ＋3ｕ22/2ｇ＝4×ｕ22/2g解得ｕ2＝4.43m.s-1∴V＝ｕA＝0.785×0.12×4.43＝0.0348m3.s-1＝125m3.h-1（2）列M点与出口截面的柏努利方程ZM＋PM/ρｇ＋ｕM2/2ｇ＝Z2＋P2/ρｇ＋ｕ22/2ｇ＋∑ｈfM-21＋PM/ρｇ＋ｕM2/2ｇ＝ｕ22/2ｇ＋3/3×ｕ22/2ｇ∵ｕM＝ｕ2∴PM/ρｇ＝3/3×ｕ22/2ｇ－12020/3/3•水在一倾斜管中流动，如附图所示，已知压差计读数为200mm，试问测量段的阻力为多少？2020/3/34.在内管为φ180×10mm的套管换热器中,将流量为3500kg.h-1的某液态烃从100℃冷却到60℃,其平均比热为2.38kJ.kg-1.K-1,环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热为4.17kJ.kg-1K-1,基于传热外面积的总传热系数K0=1800w.m-2K-1,设其值恒定,忽略热损失。试求：(1)冷却水用量；(2)分别计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及所需管长。2020/3/3•冷却水用量•ｗhCph(T1-T2)＝ｗcCpc(t2-t1)•3500×2.38×(100-60)＝ｗc×4.17×(50-40)•ｗc＝7990kg.h-1•Δt逆＝(50-20)/ｌｎ(50/20)＝32.75℃•Δt并＝(60-10)/ｌｎ(60/10)＝27.91℃•Q＝KAΔtm•Q＝7990×4.17×(50-40)=3.332×106kJ.h-1•∴A＝3.332×105/[(1800/1000)×32.75×3600]•＝1.57(m2)•πｄ0ｌ＝1.57•3.14×0.18×ｌ＝1.57∴ｌ逆＝2.77(m)•A并＝3.332×106/[(1800/1000)×27.91×3600]＝1.84(m2)•3.14×0.18×ｌ并＝1.84∴ｌ并＝3.26(m)2020/3/320℃的空气在直径为80mm的水平管流过。现于管路中接一文丘里管，如本题附图所示。文丘里管的上游接一水银U管压差计，在直径为20mm的喉颈处接一细管，其下部插入水槽中。空气流过文丘里管的能量损失可忽略不计。当U管压差计读数R=25mm、h=0.5m时，试求此时空气的流量为若干m3/h。当地大气压强为101.33×103Pa。2020/3/3•解：文丘里管上游测压口处的压强为•p1=ρHggR=13600×9.81×0.025•=3335Pa(表压)•喉颈处的压强为•p2=－ρgh=－1000×9.81×0.5=－4905P（表压）•空气流经截面1-1'与2-2'的压强变化为%20%9.7079.0333510133049051013303335101330121ppp故可按不可压缩流体来处理。2020/3/3•在截面1-1‘与2-2’之间列柏努利方程式，以管道中心线作基准水平面。两截面间无外功加入，即We=0；能量损失可忽略，即=0。据此，柏努利方程式可写为fh2222121122pugZpugZ2.1490522.1333522221uu137332122uu据连续性方程u1A1=u2A2212211211202.008.0udduAAuu/hm8.13234.708.0436004360032121udVs2020/3/3•用泵将贮槽中密度为1200kg/m3的溶液送到蒸发器内，贮槽内液面维持恒定，其上方压强为101.33×103Pa，蒸发器上部的蒸发室内操作压强为26670Pa（真空度），蒸发器进料口高于贮槽内液面15m，进料量为20m3/h，溶液流经全部管路的能量损失为120J/kg，求泵的有效功率。管路直径为60mm。2020/3/3•解：取贮槽液面为1―1截面，管路出口内侧为2―2截面，并以1―1截面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程。fehpugZWpugZ2222121122式中Z1=0Z2=15mp1=0（表压）p2=－26670Pa（表压）u1=0m/s97.106.0785.036002022ufh=120J/kgJ/kg9.246120026670120297.181.9152eW泵的有效功率Ne为：Ne=We·mskg/s67.63600120020ssVw2020/3/3•某板框压滤机共有10个框,框空长、宽各为500mm,在一定压力下恒压过滤30min后,获得滤液5m3,假设滤布阻力可以忽略不计,试求:•(1)过滤常数K;•(2)如果再过滤30min,还能获得多少m3滤液?2020/3/3（1）过滤面积m2（2）m2/sm2/s过滤获得的滤液量m3m32020/3/3•在一φ60×3.5mm的钢管外层包有两层绝热材料，里层为40mm的氧化镁粉，平均导热系数λ=0.07W/m·℃，外层为20mm的石棉层，其平均导热系数λ=0.157W/m·℃。现用热电偶测得管内壁温度为500℃，最外层表面温度为80℃，管壁的导热系数λ=45W/m·℃。试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。解(a)每米管长的热损失r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m2020/3/3(b)保温层界面温度t3t3=131.2℃2020/3/3•一列管换热器，由φ25×2mm的136根不锈钢管组成。平均比热为4.187kJ/kg.℃的某溶液在管内作湍流流动,其流量为15000kg/h,并由15℃被加热到100℃。温度为110℃的饱和水蒸汽在壳方冷凝。已知单管程时管壁对溶液的对流传热系数为520w/m2.℃,蒸汽对管壁的对流传热系数为1.16×104w/m2.℃,不锈钢管的导热系数λ=17w/m.℃,忽略垢层热阻和热损失,试求4管程时的列管长度（有效长度）。2020/3/31、某液体在一等径直管中始终处于层流装状态流动，若体积流量不变，管内径减小为原来的一半，假定管内的相对粗糙度不变，则层流时，流动阻力变为原来的多少倍222322642dluudlduudlhf162442122122122121212ddddddduduhhff解：(1)由得2020/3/32.两颗直径不同的玻璃球分别在水中和空气中以相同的速度自由沉降。已知玻璃球的密度为2500kg/m3，水的密度为998.2kg/m3，水的粘度为1.00510-3Pas，空气的密度为1.205kg/m3，空气的粘度为1.8110-5Pas。（1）若在层流区重力沉降，则水中颗粒直径与空气中颗粒直径之比为多少。（2）若在层流区离心沉降，已知旋风分离因数与旋液分离因数之比为2，则水中颗粒直径与空气中颗粒直径之比为多少2020/3/3182gdustgudst18612.91081.12.998250010005.1205.1250053awswasawdd解：(1)由得所以2020/3/3RuduTsr2218gRuKTc2csrgKdu182csrgKud18593.1311081.12.9982500210005.1205.1250053cwawscawasawKKdd(2)由得，所以2020/3/3•3.某一球形颗粒在空气中自由重力沉降。已知该颗粒的密度为5000kg/m3，空气的密度为1.205kg/m3，空气的粘度为1.8110-5Pas。则在层流区沉降的最大颗粒直径为多少。tduRe解：(1)由dutRe得182gdust而mgds53253210639.4807.9205.15000205.111081.118Re18所以2020/3/3•4.对某悬浮液进行恒压过滤。已知过滤时间为300s时，所得滤液体积为0.75m3，且过滤面积为1m2，恒压过滤常数K=510-3m2/s。若要再得滤液体积0.75m3，则又需过滤时间为多少8251055.1625.025.12322Kqqqes525300825Kqqqe22解：由22qKqqe得625.075.0275.03001052232qqKqe所以2020/3/35.某流体在水平串联的两直管1、2中稳定流动，已知，，。今测得该流体流径管道1的压力降为0.64m液柱，流径管道2的压力降为0.064m液柱，试计算管道2的长度。，2/21ddml10011800Re1071.090064Re642222udlhpfgudlHgpf22221dd解：由4121222112dduu，得21412ReRe1212112212uuddudud所以900Re21Re12所以0356.0180064Re6411所以，又，2020/3/312211112222222ffHHgudlgudl122121221212ffHHdduull所以mHHdduullff16064.0064.024211002121222212112所以2020/3/3•6.在如图所示的平板导热系数测定装置中，试样直径，且由于试样厚度b远小于直径d，可以忽略试样径向的热损失。由于安装不好，试样与冷、热表面之间均存在着一层厚度为0.1mm的空气隙。设热表面温度，冷表面温度。测试时测得的传热速率。空气隙在下的导热系数，在下的导热系数。试计算空气隙的存在给导热系数的测定带来的误差。（提示：不考虑空气隙计算得到的导热系数为表观值，考虑空气隙计算得到的导热系数为真实值，即要计算）mmd120