(1) 离心泵发生“汽蚀”的主要原因是什么?
答:原因是叶轮进口处的压力降至被输送液体的饱和蒸汽压,引起部分液体沸腾汽化。 (2)为什么调节流量的阀门一般均不装在泵的吸入管路上?
答:令p K 为叶轮入口处液体压力。 p K 随∑H f ,吸增大而降低,为了保证泵在实际操作中不发生气蚀现象,要尽量减小吸入管的阻力。这就要求吸上管路短而直且无调节阀门,以使∑H f ,吸尽量小。因此, 调节流量的阀门一般不装在吸入管路上,而装在出口管路上。 三、问答题
(1)如图示,
用一单级悬臂式B 型离心泵,将水由槽A 送到槽B 。试问: ①为了调节流量,拟装一调节阀,应装在何处?并说明理由。
②调节阀开大时试说明装在泵进口和出口处的真空表及压力表将如何变化?
答:① 装在泵的出口。因装在吸入管在阀关小时容易导致汽蚀发生,损坏叶轮,所以应装在出口。 (5分) ②在0-0与1-1之间列伯努利方程 5分
gZ +U 2/2+P /ρ+∑h f =Const ∵ 阀开大时,U ↑
而 U ↑导致∑h f ↑和U 2
/2↑,从而导致P /ρ↓ 即:p 1上的读数(真空度)增大(而绝对压力下降)。 在0-0与2-2之间列伯努利方程式:
W s +E 0=gZ +U 2
/2+P /ρ+∑h f
∵ 阀开大使U ↑导致U 2
/2↑和∑h f ↑
另一方面泵的新工作点处H e 下降(亦即W s 下降),故P /ρ也下降 ∴ 压力表2的读数p 2也降低。
(2) 精馏塔在一定条件下操作,若回流液由饱和液体改为冷液时,其塔顶产品组成有何变化?为什么?
答:从泡点回流改为冷液回流时,xD ↑。其原因是:冷液回流至塔顶时,冷凝一部分蒸气,放出的潜热把冷液加热塔顶第一板的饱和温度。冷凝部分中含难挥发组分较大,使气相易挥发组分增浓。同时,在塔顶回流比保持不变的条件下,增加了塔内的内回流,这也有利于分离。
(3) 现拟做传热实验,以饱和水蒸气加热空气,冷凝水在饱和蒸汽温度下排除。采用套管换热器,换热面积A i 已知,试问: (1)如何确定流程、流向饱和水蒸气走环隙,空气走管程。蒸汽可从任一侧通入,无逆流、并流之分; (2)写出以α表示的传热速率方程
Q=αi Ai Δtm
Δt2 =tw 2 -t2 Δt1 =tw 1 -t1
Δtm = (Δt2 -Δt1 )/Ln(Δt2 /Δt1 );
(3)若要测定K值,应测定哪些参数测定饱和水蒸气温度T 、t1 、t2 和W h 或W c ; (4)测得K值后,如何定性考查K值对否?所测K值应与空气的对流给热系数相近。; (5)现要提高K值,应该采取什么措施最方便?为什么?设法提高管内空气的流速最方便
∴ 此时 K≈αi , 而αi ∝u i 0.8
。
[四]计算题 如图所示输水系统。已知:管路总长度(包括所有局部阻力当量长度)为100m ,压出管路总长80m,管路摩擦
系数λ=0.025,管子内径为0.05m ,水的密度ρ=1000kg/m 3,泵的效率为0.8,输水量为10m 3
/h ,求: ⑴泵轴功率N 轴的值?
⑵压力表的读数为多少kgf/cm 2
。
⑴Na =Ne /η Ne =W ·W e W =10×1000/3600=2.778kg/s
We --泵对单位质量流体所做的有效功。 为此:选取1-1与2-2截面,并以 1-1截面为基准面。在两截面间作机械能衡算:
gZ 1+(p 1/ρ)+(u 12/2)+We =gZ 2+(p 2/ρ)+(u 22
/2)+Σh f
∵Z 1=0 Z 2=2+18=20M p 1=p 2=0 u 1=u 2=0 We =g ·Z 2+Σh f
Σh f =λ(ΣL /d )(u 2
/2)
u =(V /3600)/[(π/4)d 2]=(10/3600)/(0.785×0.052
)=1.415m/s
Σh f =0.025×(100/0.05)(1.4152
/2)=50.06J/kg We =9.81×20+50.06=246.25J/kg Ne =W ·We =2.778×246.25=684J/s Na =Ne /0.8=684/0.8=855W
⑵再就3-3与2-2截面作机械能衡算,并取3-3为基准面
gZ 3+(p 3/ρ)+(u 32/2)=g Z 2+(p 2/ρ)+(u 22
/2)+Σh f ,压 ∵Z 3=0 Z 2=18 p 2=0 u 2=0
∴p 3/ρ=gZ 2+Σh f ,压-(u 32/2)=9.81×18+λ(L 压/d )(u 32/2)-(u 32
/2)
=176.58+0.025(80/0.05)×(1.4152/2)-(1.4152
/2) =215.6J/kg
p 3=1000×215.6=215.6×103Pa p 3=215.6×103/(9.81×104)=2.198kgf/cm 2 (表)
[五]计算题
在传热面积为20m 2
的某换热器中, 用温度为20℃, 流量为13200kg/h 的冷却水,冷却进口温度为110℃的醋酸, 两流体逆流流动。换热器刚投入使用时,冷却水出口温度为45℃, 醋酸出口温度为40℃, 运转一段时间后, 冷热流体流量不变, 进口温度不变, 而冷却水的出口温度降至38℃, 试求传热系数下降的百分率。水的比热c p =4.2kJ/(kg ?℃),热损失可忽略。 Q =(W 2c p2)(t 2-t 1)=13200×4.2(45-20)/3600=385kW Δt m =(65-20)/Ln(65/20)=38.2℃
K =Q /(A Δt m )=385/(38.2×20)=0.5039kW/(m 2
?℃) 过一段时间之后: Q '=13200×4.2×18/3600=277.2kW
W 1c p1=385/70=5.5 T 2'=110-277.2/5.5=59.6℃
Δt m =[(110-38)-(59.6-20)]/Ln[(110-38)/(59.6-20)]=54.2℃
K '=Q '/(A Δt m ')=277.2/(20×54.2)=0.2557kW/(m 2
?K)
∴[(K -K ')/K ]×100%=[(0.5039-0.2557)/0.5039]×100%=49.3% [六]计算题
用一连续精馏塔分离二元理想溶液,进料量为100kmol/h ,进料组成为0.4(摩尔分率,下同),馏出液组成为0.9,残液组成为0.1,相对挥发度为2.5,饱和液体进料。塔顶冷凝器为全凝器,塔釜间接蒸汽加热。操作回流比为3。试求: (1)馏出液及残液量;(2)塔釜每小时产生的蒸汽量为多少kmol ?(3)离开塔釜上一块理论板液相组成为多少?
(1) ???+=+=W D F W x Dx Fx W D F 即 :???+=?+?=?W D W D 1001.09.04.0100
解之得:
h kmol W h
kmol D /5.62/5.37==
(2)()()()()h kmol F F q D R V /150115.371311=-+?+=-++='
(3) 提馏段操作线方程为:
0417
.0417.11501.05.621505.621501-=?-
+='-'+'='-''=
+n n W n W n n x x V W x x V W V V W x x V L y
()217
.01
.05.111.05.211=?+?=-+=
w W w x x y αα 设离开塔釜上一块理论板液相组成为x N ,则
183
.0417.10417
.0217.00417.0417.1=+=
∴-=N N w x x y
[七]计算题 j08c10027
气体混合物中含丙酮3%(体积百分率)。要在逆流吸收塔内用水吸收丙酮的98% ,若平衡关系为y = 1.05x , (1)用含 0.01%(摩尔%)丙酮的水作吸收剂,且液气比为2,则所需的气相总传质单元数是多少? (2)若气液两相进料组成不变,液气比变为1.04,当填料层无限高时,丙酮的极限回收率为多少? 属低浓气体吸收
(1) 525.0205.11===G L m A
()()0006.0%98103.0112=-?=-=ηy y
??????+--??? ??--=
A mx y mx y A N A OG 111ln 112
2211
()
1
.7525.0%01.005.10006.0%01.005.103.0525.01ln 525.011=???
??
?+?-?---=
(2)当 y 1、x 2不变,L/G 变为1.04(小于m ),填料层高度为∞时,气液两相将在塔底处达到相平衡,如图所示,操作线与平行线将交于点B '。新的操作线为 A 'B '线,此时塔顶气体的组成 y 2'为:
()2112x x G L y y e -'
??? ??-='000390.0%01.005.103.004.103.0=??? ??--=
∴回收率%
7.9803.0000390
.01112=-='-='y y η
[四]计算题 j01b 20061
如图,离心泵将敞口槽中的碱液打入吸收塔,泵吸入管路为φ108×4mm 、长2m 的钢管。泵压出管路为φ76×3mm 、长30m 的钢管, 压出管路上装有标准阀一只,闸阀一只,90℃弯头4 只。在压出管路上还装有孔板流量计,孔板孔径为40mm ,孔
流系数Co =0.62,水银压差计读数R =456mm 。吸收塔喷咀处压力为0.5kgf/cm 2 (表压),碱液密度ρ=1100kg/m 3
,泵的效率η=0.6,直管阻力系数λ=0.02(吸入、压出管道近似取相同值),弯头ζ=0.75,标准阀ζ=6,闸阀ζ=0.17,孔板ζ=8,试求
泵所需功率。
V=(π/4)×0.042
×0.62[2g ×0.456×(13.6×103
-1100)/1100] 0.5
=0.00786m 3/s u 1=0.00786/[(π/4)×0.12]=1.0m/s u 2=1.0×(0.1/0.07) 2=2.04m/s
Σh f =(0.02×2/0.1+0.5)×1.02/2g +(0.02×30/0.07+4×0.75+6+0.17+8)×2.042
/2g =5.51m He =5.51+(20-1.5)+0.5×104/1100+2.042/2g =28.77m Na =28.77×0.00786×1100×9.81/(103×0.6)=4.07kw
[五]计算题 某列管换热器,用100℃水蒸气将物料由20℃加热至80℃,传热系数K=100W /(m2
?K)。经半年运转后,由于污垢的影响,在相同操作条件下物料出口温度仅为70℃,现欲使物料出口温度仍维持80℃,问加热蒸汽温度应取何值?
解: 原:W 2c p2(80-20)=KA Δt m ……(1) Δt 1m =(80-20)/Ln(80/20)=43.28℃
半年后:W 2c p2(70-20)=K ’A Δt m ’ … …(2) Δt m ’=(80-30)/Ln(80/30)=50.98℃ (2)/(1)得:
(70-20)/(80-20)=K ’Δt m ’/(K Δt m )
=(K ’/100)×50.98/43.28
K ’=70.75W/(m 2
·℃)
保持原生产能力,即 KA Δt m =K ’A Δt m ’’
Δt m ’’=K Δt m /K ’=100×43.28/70.75=61.17℃
Δt m ’’=((T -20)-(T -80))/Ln(T -20)/(T -80)=61.17 ∴ T =116℃
[六] 计算题 j08a10037
在逆流操作的吸收塔中,用纯溶剂等温吸收某气体混合物中的溶质。在常压、27°C 下操作时惰性气体的流量为
()h m kmol ?288.60,气体混合物的初始浓度为0.05(摩尔分率),塔截面积为0.8m 2,填料层高为4m ,气相体积总传质系数
K y a 为100kmol/(m 3
?h),气液平衡关系符合亨利定律,且已知吸收因数为1.2。试求混合气离开吸收塔的浓度和回收率。
属低浓气体吸收
()()
()
h
m kmol G h
m kmol G ?=?+?=?=?+???=225
88.608.01272.2732.2734.22120088.608.0272.273831410013.11200或
m a K G H y OG 6088.0100
88.60===
57.66088.04
===
OG OG H H N
833.02.111==A
又
??????+--??? ??--=A y y A N A OG 10011ln 11
211
即
()?
?????+--=833.005
.0833.01ln 833.01157.62y 解之得:00386.02=y
%3.9205.000386.01112=-=-
=y y η
四、计算题
用离心泵将密闭储槽中20℃的水通过内径为100mm 的管道送往敞口高位槽。两储槽液面高度差为10m,密闭槽液面上有一真空表P 1读数为600mmHg(真),泵进口处真空表P 2读数为294mmHg(真)。出口管路上装有一孔板流量计,其孔口直径d 0=70mm, 孔流系数C 0= 0.7, U 形水银压差计读数R =170mm 。已知管路总能量损失为44J/kg ,试求:⑴出口管路中水的流速。
⑵泵出口处压力表P 3(与图对应)的指示值为多少?(已知P 2与P 3相距0.1m)。
⑴V =C 0(π/4)d 02[2(ρi -ρ)gR /ρ]0.5=0.7×0.785×0.072×[2×12.6×9.81×0.170]0.5
=0.0174 m 3
/s
∴u =V /(0.785d 2)=0.0174/(0.785×0.12
)=2.22[m/s]
⑵选低位水池的水平面为基准面,取1-1、2-2两截面建立伯努利方程: Z 1+(p 1/ρg )+(u 12/2g )+He =Z 2+(p 2/ρg )+(u 2/2g )+Σh f ′ u 1= u 2= 0 Z 1= 0 p 2/ρg ≈0
∴He =Z 2+Σh f ′-(p 1/ρg )=10+(44/9.81)+0.6×13.6=22.7(mH 2O)
再选泵入口管所在面为基准面,取3-3、4-4两截面建立伯努利方程: 42
3Z He ρg p ρg p -+=
=- (0.294×13.6)+22.7-0.1 =18.6m
∴ p 3=1.86at
五、计算题
拟在单程逆流列管换热器中用35℃的冷水将流量为1kg/s 、温度为150℃的热油冷却至65℃,油走管内,软水走壳程,水
的出口温度为75℃,已知油与水均处在湍流,并知此条件下对流给热系数分别为水:2000W/(m 2?℃),油1000W/(m 2
?℃), 油的平
均比热为4kJ/kg ℃,若换热器传热面积为11m 2
,热损失、垢层及管壁热阻均可不计,试求: 1.该换热器是否可用?
2.若油的流量增至1.2kg/s,油、水出口温度及其他条件均不变,仅将流程改为双程并知双程时温差校正系数?为0.85,该换热器能否用? 略去水侧对流给热系数的变化。 解:1.校核换热所需面积
Q =W 1c p 1ΔT 1=1×4×103×(150-65)=3.4×105
W
Δt =(Δt 1-Δt 2)/Ln(Δt 1/Δt 2)
=((150-75)-(65-35))/Ln(150-75)/(65-35)=49.11℃
K =1/(1/α1+1/α2)=1/(1/1000+1/2000)=666.7 W/(m 2
·℃)
A =Q /(K Δt m )=3.4×105/(666.7×49.11) =10.38m 2
而换热的面积A =11m 2
∴可用 2.改双程后 ∵
)
C m /(W 20141000
741.1157.122.128.08.08
.08
.011 ?=??=α'∴?=???
?
??'???? ??'=αα'p p N N W W K ’=1/(1/2000+1/2014.5)=1003.6W/(m 2
·℃) Δt m ’=?Δt m =0.85×49.11=41.74℃
Q ’=1.2Q =4.08×105
W A ’=Q ’/(K ’Δt m ’)
=4.08×105/(1003.6×41.74)=9.74m 2<11m 2
∴ 可用。 六、计算题
在常压逆流操作吸收塔中,用纯溶剂回收混合气体中A 组分。入塔气体流量为1120m 3
/h (标准状况),入塔y 1=5%(体积%),
吸收率为90%,吸收因数L/mG = 2,亨利系数E=152kpa 。该塔塔径为0.8米,体积传质系数K y a=100 kmol/(m 3
?h)。试求:
(1) 出塔液体组成x 1; (2) 填料层高度H ; [八]计算题
(1) 属低浓气体吸收
()()005.0%90105.0112=-?=-=ηy y
5
.13.101152===P E m
0.35.122=?==m G L
015.000.3005
.005.0211=+-=-=
G L y y x
(2)5
.01
,2==A A
??
????+??? ??--=
A y y A N A OG 111ln 11211
()41
.35.0005
.005.05.01ln 5.011=??
?
??
?+--=
)/(52.994.228.04112022h m kmol G ?=?
??
???=
π m
a K G H y OG 995.0100
52
.99=== m N H H OG OG 4.341.3995.0=?=?=
(3) y 1增大后,1/A 不变,H OG 不变,所以N OG 不变,则有
()?
?????+''--==5.05.01ln 5.011
41.321y y N OG
01.01.01.01.012
=?='='∴y y
03.00.301.01.021
1
=-='-'='G L y y x
七计算题
用板式精馏塔在常压下分离苯一甲苯溶液,塔顶采用全凝器,塔釜用间接蒸汽加热,平均相对挥发度为2.47。当进料为150kmol/h 、含苯为0.4(摩尔%)的饱和蒸汽、回流比为4时,塔顶馏出液中苯的回收率为0.97,塔釜采出液中甲苯的回收率为0.95,求: ①精馏段及提馏段操作线方程; ②回流比与最小回流比的比值。 (1) ①
塔顶苯回收率=
97.0=F
D
Fx Dx
塔釜甲苯回收率=()
()95
.011=--F W x F x W 即 ()()95
.04.01150197.04.0150=-?-=?W D
x W Dx
()h
kmol x W h
kmol Dx W D /5.851/2.58=-=∴ (1)
又由全塔物料衡算可知:604.0150=?==+F W D Fx W x Dx (2)
联立解式(1)(2)得:W=87.3kmol/h
而 7.623.87150=-=-=W F D kmol/h 代入式1得:
0206.0928.07
.622
.582.58====
W D x D x ∴精馏段操作线方程为:
1856.08.05928.054111+=+=+++=
+n n D n n x x R x x R R y
()()()h kmol F q D R V /5.163150107.62511=?-+?=-++='
∴
h kmol W V L /8.2503.875.163=+=+'=' 提馏段操作线方程为: 011.053.15.1630206.03.875.1638.2501-=?-='-''=
+m m W m m x x V W x x V L y
②
()倍42.1816
.24
816
.22125
.04.04
.0928.02125
.04
.047.147.24
.01min *
min *
===--=
--=
∴?-=--=
R R x y y x R y y x F
F F
D F F F αα
(2)98.01==D x y
()1
1
11*147.1147.211x x x x y +=
-+=αα
6.02
*
12
11,=--=y y y y E mV 且全回流下,x 1=y 2
6
.047.1147.298.02
22
2
1,=-+-=∴y y y y E mV
解之得: y 2=0.969
y 1x
D
=0.98
x 1y 2