江南大学化工原理习题解读

《化工原理》习题集

第一章流体传递过程基本方程

2-1一搅拌槽中原盛有浓度为60%(质量%,下同)的盐水2000kg。今以2kg/s的质量流率向槽中加入0.25%的盐水,同时以1.2kg/s的质量流率由槽中排出混合后的溶液。设槽中溶液充分混合。求槽中溶液浓度降至1%时所需要的时间。(总质量衡算,分别按无化学反应和有化学反应考虑)

2-2在下述情况下简化连续性方程,并指出简化过程的依据。(连续)

(1)不可压缩流体在重力作用下沿倾斜平板壁面作二维稳态流动;

(2)不可压缩流体在水平园管中作轴对称的稳态流动(进口段与充分发展);

(3)不可压缩流体作球心对称的稳态流动;

(4)不可压缩流体在两水平的平行平板间的稳态流动。

2-3下述不可压缩流体的运动可否存在。(连续)

(1)u=x i+y j+z k;

(2)u=yzt i+xzt j+xyt k;

(3)u x=2x2+y,u y=2y2+z,u z=-4(x+y)z+xy;

(4)u x=-2x,u y=x+z,u z=2(x+y)。

2-4一不可压缩流体的流动,x方向的速度分量是u x=ax2+by,z方向的速度分量为零,求y方向的速度分量u y,其中a与b为常数。已知y=0时u y=0。(连续)

2-5加速度向量可表为D u/D t,试写出直角坐标系中加速度分量的表达式,并指出何者为局部加速度项,何者为对流加速度项。(随体)

2-6已知成都和拉萨两地的平均大气压强分别为0.095MPa和0.062MPa。现有一设备需保持设备内绝对压强为3.0kPa。问这一设备若置于成都和拉萨两地,表上读数分别应为多少?

2-7用如附图所示的U型管压差计测定反应器内气体在A点处的压强以及通过催化剂层的压强降。在某气速下测得R1为750mmH2O,R2为80mmH2g,R3为40mmH2O,试求上述值。

2-8如附图所示,倾斜微压差计由直径为D的贮液器和直径为d的倾斜管组成。若被测流体密度为ρ,指示液密度为ρ0,试导出用R1表示的压强差计算式。如倾角α为300时,若要忽略贮液器内的液面高度h的变化,而测量误差又不得超过0.1%时,试确定D/d比值至少应为多少?

2-9一水箱用如附图所示的锥阀封水,锥阀底直径为0.5m,高为0.6m,阀重50kg。当水位达1.5m时,要求阀启动泄水,问外配锤重w应为多少?

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ρ 习题2-7 附图

习题2-8 附图 习题2-9 附图 2-10某流场可用下述速度向量式表达:u (x ,y ,z ,t )=xyz i +y j -3zt k 。试求点(2,1,2,1)处的加速度

向量。(随体) 2-11国际标准大气压取海平面为基准(z=0)。基准面上的物理量取为:t 0=288K ,p 0=101300Pa ,

ρ0=1.225kg/m 3。从海平面一直到11公里的高空是对流层。对流层中温度与高度的关系可用下式表示:T=T 0-βz ,其中T 0=288K ,β=0.0065度/米。11公里以上认为是温度不变(216.5K )的同温层。试分别求出对流层及同温层内压力、密度和高度的依赖关系。可认为重力加速度为一恒量。(静)

2-12不可压缩粘性流体在两无限大平行平板间作稳态层流,试推导其速度分布、截面上的平均流速、壁

面处的剪切力。(运动)

2-13不可压缩流体在两根同心的套管环隙间作轴对称的稳态层流,试导出其速度分布,截面上的平均流

速,体积流量,壁面处的剪切力。(运动)

2-14不可压缩粘性流体在重力作用下,沿内径为R 的圆筒内壁面向下流动。设流动是定常的平行直线运

动,流体厚度为δ。求流体速度分布、流量、平均流速、最大流速及作用在圆筒内壁面上的摩擦力(忽略端效应)。(运动)

2-15具有等深度a 的两层不相混合的不可压缩流体,在两个固定的水平板间作稳态层流,如图所示。上

层流体的粘度和密度为μ1和ρ1,下层流体的粘度和密度为μ2和ρ2。压强梯度为?p /?x 且与x 和z 无关。求平板间的速度分布u=f(z)。(注意在交界面上速度的大小是单值的,而且切应力τzx 也是单值的)。(运动)

2-16温度为208C 的水,以2kg/h 的质量流率流过内径为10mm 的水平园管,试求算流动充分发展以后:

(1)流体在管截面中心处的流速和剪应力;

(2)流体在壁面距中心半距离处的流速和剪应力;

(3)壁面处的剪应力。

2-17一虹吸管放于水桶中,其位置如图所示。如果水桶和虹吸管的截面积分别为A 和B ,且A>>B ,试

计算虹吸管的流量。水看作是不可压缩理想流体,且受重力作用,运动是定常的。(柏)

2-18有一大桶内装有液体,液面距底面高为h 。问在桶侧壁什么位置处开出流小空,流体射柱的射程最远?

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习题2-15 附图习题2-17 附图习题2-18 附图

2-19水以湍流形式流过一直径相等的908弯管,该管垂直放置。入口处的压力为p1、平均流速为u1,出口压力为p2、平均流速为u2。求水流对弯管的作用力。(动量)

2-20水从供水管流入水箱,再经水平管流出,如图所示。流入与流出的流量相同。箱中水面保持在离水管中心线以上距离h处。箱中各处流速与管中流速相比均可约而不计。水箱与水管出口之间的阻力损失为h f。(1)求流量V(用h、A与h f表示);(2)如要保持水箱不动,需多大的水平推力F x?(柏,动量)

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习题2-19 附图习题2-20 附图

2-21温度为208C的水稳态流过内径为25mm的镀锌管,流动已充分发展。试求算下述两种质量流率下的阻力损失:(1)120kg/h;(2)1200kg/h。(直管阻力)

2-22一钢球(ρ=7800kg/m3)直径为0.254mm,在水温为258C的水箱中降落,达到稳定的沉降速度为

8.08cm/s。如果一个钢球在温度为258C的甘油中降落,速度达到8.08cm/s(什么速度?)。假定两种

情况下球体周围的流动是动力相似的,钢球直径应为多少?(相似准则)

2-23管流中热充分发展的含义是什么?热充分发展与流动充分发展有何不同?

2-24试由柱坐标形式的能量方程出发,导出不可压缩流体在园管内进行稳态轴对称对流传热时,流动进口段的能量方程。(能量)

2-25温度为310.9K的油以0.0126kg/s的质量流率流过内径25.4mm的铜管,管长6.1m。通过在管外冷凝水蒸汽使管内壁温度保持在374.8K。假定在整个管长上管内流动都是充分发展的,油的物理性质可认为不变,其值如下:C p=2050J.kg-1.K-1,ρ=881kg.m-3,μ=5.87X10-4Pa.s,k=0.143W.m-1.K-1。试计算:

(1)R e;(2)Pr;(3)油的出口温度。(园管内的对流传热,层流)

2-26在长度为5m,内径为54mm的管内加热苯溶液。苯的质量流速为175kg/s.m2。苯在定性温度下的物性数据为:μ=0.49cP;k=0.14W/m.K;C p=1.8kJ/kg.K。试求苯对管壁的给热系数。(对流传热,湍流)2-27一根具有圆形截面的导线,半径为R,电阻率为ρ。通过此导线的电流密度为I,导线表面温度为T0。

试导出截面温度分布和最大温度。(有内热源的稳态导热)

2-28有一半径为R的热圆球悬浮在大量的静止流体中,球表面温度为T0,远离球的流体温度为T∞。试确定稳态时:(1)周围流体的温度分布;(2)球表面与流体间的传热膜系数及鲁塞尔特数Nu。(稳态导热)

2-29有一厚度为L的固体大平板,其初始温度为t0,自某时刻起,突然将其两个侧面(哪两个侧面?最好给个图)的温度升至t s,并维持不变。试由普遍化的能量方程简化成上述情况下的导热方程,并写出定解条件。设导热只沿垂直于侧面的方向进行。(一维不稳态导热)

2-30试证明由A、B两组分组成的双组分系统中,在一般情况下进行分子扩散时(有主体流动,且N A≠N B),在总浓度C恒定的条件下,D AB=D BA。(传质)

2-31在一细管中,底部水在恒定温度298K下向干空气中蒸发。干空气压力为0.1MPa、温度亦为298K。

水蒸汽在管内的扩散距离(油液面至管顶部)△z=20cm。在0.1MPa和298K时,水蒸汽在空气中的扩散系数D AB=2.50X10-5m2/s。试求稳态扩散时水蒸汽的摩尔通量、传质分系数及浓度分布。(一维稳态扩散)

2-32将温度为298K、压力为1.0atm的He和N2的混合气体装在一根直径为5mm、长度为0.1m的管中进行等摩尔反向扩散。已知管子两端He的分压分别(保持)为0.06atm和0.02atm,在上述条件下的扩散系数D He-N2=0.687 X10-4m2/s,式计算:(1)He和N2的扩散通量;(2)传质分系数;(3)在管中点截面上H e和N2的分压。(等摩尔反向扩散)

2-33在总压为2.0atm下,组分A由湿表面向大量的、流动的不扩散气体B中进行质量传递。已知界面上A的分压为0.20atm,在传质方向上一定距离处可近似地认为A的分压为零。已测得A和B在等分子方向扩散时的传质系数k y0=6.78X10-5kmol/m2.s(△y)。求传质系数k y、k g及传质通量N A。(传质系数)2-34在直径为25mm、长度为6m的园管内壁面上有一薄层水膜,将30℃、1atm的空气以0.5 m/s的速度吹入管内,试计算传质系数、出口浓度和传质速率。由于在空气中水分的分压很低,气体的物性可以近似的采用空气的物性值。(管内层流传质)

2-35在常压下大量的干燥空气吹过湿球温度计,当湿球温度为25℃时,试求算干空气的温度。(湍流传质,柯尔本)

第二章流体输送与流体输送机械

3-1烟道气的组成约为N277%,CO213%,O25%,H2O5%(体积百分数)。试计算常压下400℃时,该混合气体的密度和粘度。

3-2用一毕托(测速)管测定空气在管道中的流速,用水作指示剂的U型管压差计显示的压差R读数仅为8mmH2O(附图),为了提高读数精度,拟采用以酒精水溶液和煤油为指示剂的双液柱微压差计。

试计算若要使压差读数放大15倍,酒精水溶液的密度以及质量分率为多少?(水、酒精和煤油的密度可分别取为1000kg/m3、789 kg/m3和850 kg/m3)

3-3蒸汽锅炉上装有一复式U型水银测压计(附图所示),已知对某基准面而言各点的标高为:z0=1.8m,z1=0.9m,z2=2.0m,z3=0.7m,z4=2.5m,截面1、2之间充满了水。试计算锅炉上方水蒸汽压力。

3-4硫酸流经大小管组成的串联管路,硫酸的密度为1830kg/m3,体积流量为9m3/h。大小管尺寸分别为φ57×3.5mm和φ76×4mm,试分别求硫酸在大管和小管中的(1)质量流量;(2)平均流速;(3)质

量流速。

3-5如附图将槽A 中的NaOH 和NaCl 的混合水溶液放入反应槽B 中,阀C 和D 同时打开。问如A 槽液

面降至0.3m 需要多少时间?已知槽A 和槽B 的直径为2m ,管道尺寸为φ32×2.5mm ,溶液在管中的瞬时流速m/s 7.0u

Z ?=,式中ΔZ 为该瞬时两槽的液面高差。

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习题3-2 附图

习题3-3 附图 习题3-5 附图

3-6直径为1.0m 的水箱底部有一泄水孔,其孔径为25mm 。当以5.0m 3/h 的固定流量向水箱加水的同时底

部泄水孔也在向外泄水。若小孔的流量系数C d 为0.62(C d 为孔口实际流量与理想流量之比),试求:

(1)达到出水与进水流量相等时水箱的水位;

(2)达到与上述水位相差0.1m 时所需的(假设水箱最初是空的)时间。

3-7用一长度为0.35m 的渐缩管将输水管路由内径100mm 缩至30mm 。当管内水流量为0.52m 3/h ,温度

为10℃时,问:

(1) 在该渐缩管段中能否发生流型转变;

(2) 管内由层流转为过渡流的截面距渐缩管大端距离为多少?

3-8用压缩空气将密度为1513kg/m 3的硝酸从密闭容器中送至高位槽,要求每批的压送量为0.5m 3,10分

钟压完,管路能量损失为15J/kg ,管内径为25mm ,求压缩空气的压力为多少Pa (表压)?(计算时密闭容器中近似以最终液面为准)。

3-9高位槽内的水面离地面10m ,水从φ108×4mm 的导管中流出。导管出口与地面距离为2m ,在本题特

定条件下,管路摩擦损失可按Σh f =6.5u 2J/kg(不包括导管出口的局中阻力)计算,u 为水在管内的流速m/s 。试计算:(1)A —A 截面处水的流速;(2)水的流量。

3-10如附图所示,水从离地面18m 处用φ273×5mm ,长35m (包括局部阻力损失的当量长度)的管道

连接到离地面10m 处,并测得高低两处压强分别为345kPa 和415kPa (表压)。试确定:(1)水的流动方向;(2)若管路摩擦系数取0.026,管路中水的流量为多少?

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习题3-9 附图习题10 附图

3-11欲在一内径为200mm的输水管路中安装一文丘里流量计(附图)。若输水量为180m3/h时,要求在文丘里流量计的入口和喉口两截面间检测的R读数不大于700mmHg,且允许的阻力损失不大于静压能差的5%。试计算该流量计的喉口直径d0和流量系数C v。

3-12如图所示的一冷冻盐水循环系统,盐水循环量为40m3/h时,盐水由A流至B的阻力损失为100J/kg,由B流至A的阻力损失为50J/kg。管路系统采用同直径管子,盐水密度为1100kg/m3(忽略泵进、出口的高差),试计算:

(1)若泵的效率为68%,泵的轴功率为多少kW?

(2)若泵出口压力为0.26MPa(表压),B处压力表读数为多少Pa?

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习题3-11 附图习题3-12 附图

3-13水库引水发电,水流经水轮机后经尾水管流入下水池(如附图所示)。已知H=60m,h=4m,引水和尾水管内径d=1.2m,引水管阻力损失可取管路动能的8.5倍,尾水管的阻力损失取该管动能的1.0倍。试求:流量为1.5m3/s时,水轮机进、出口处的压强以及水轮机的功率。

3-14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,管路中B处装有一U型管压差计(指示剂为水银)。当阀门关闭时读数R=600mm,h=1500mm。

(1)阀门部分开启时,测得R=500mm,h=1450mm,若AB段能量损失为10J/kg,问管内流量为多少m3/h?

(2)阀门全开时,若AB段与AC段的能量损失分别按Σh fAB=1.6u2J/kg,Σh fAC=7u2J/kg计算(不包括管出口阻力),u为管内流速。问压差计测压点B处水的静压强为多少?

3-15如附图所示,高25m,内径0.6m的烟囱,烟气的密度为0.6 kg/m3,外部的空气密度为1.2 kg/m3,炉膛流通面积为烟囱流通面积的2倍,烟囱内壁烟气流动的摩擦系数可取0.025,烟气由炉膛进入烟囱的局部阻力系数为0.65。试求:

(1)、当测得炉膛内外气体流动的压强差为12mmH2O时,烟囱通过的燃气质量流量为多少?(2)、若每小时需排出燃气7000 m3/h,考虑炉膛真空度仍为12mmH2O,则烟囱的高度为多少?

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p

习题3-13 附图习题3-14 附图

3-16如附图所示,活塞以一定的速度将油缸中的油推至排油口。已知油的密度为920kg/m3,缸内径为100mm,排油口直径为30mm,油由油缸进入排油口的局部阻力系数为0.46。求当活塞上受力6000N 时,排油流量及作用在油缸上的力(活塞与缸壁的摩擦可不计)。

3-17试求如附图所示管路中长为L的连续泄流管段的阻力损失。已知管内径为100mm,泄流管段长10m,水流入该管段流量为0.1 m3/s,流出流量为0.02 m3/s。假设沿管长单位长度泄出的水流量相同,且沿管长摩擦系数可取为0.027。

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V

3s

m

习题3-16 附图

3-18要求向精馏塔中以均匀的速度进料,现装设一高位槽,使料液自动流入精馏塔中(如附图所示)。高位槽内的液面保持距槽底1.5米的高度不变,塔内的操作压力为0.04MPa(表压),塔的进料量须维持在每小时为50m3,则高位槽的液面要高出塔的进料口多少米才能达到要求?已知料液的密度为900kg/m3,粘度为1.5cp,连接管的尺寸为φ108×5mm的钢管,其长度为[(x-1.5)+3]m,管道上的管件有180°回弯管一个,截止阀一个及90°弯头一个。

3-19水由水箱A经一导管路流入敞口贮槽B中,各部分的相对位置如图所示。水箱液面上方压力为

0.02MPa(表压),导管为φ108×4mm的钢管,扩大管D内径为200mm,管路中装有一闸阀(1/2开),

转弯处均为90°标准弯头,试计算:

(1)水的流量(设输水管很短,即直管阻力可忽略不计);

(2)若此系统其它条件不变,仅输水管增长200m,此系统阻力为若干?

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习题3-19 附图Array 3-20如附图所示含有少量可溶物质的废气,在放空之前令其通过一洗

涤塔,以避免环境污染。该气体物理性质与50℃的空气基本相同,

鼓风机入口处气体压力为30mmH2O(表压),流量为3600m3/h。

输气管与放空管的内径均为250mm,管长与管件、阀门的当量

长度之和为50m(不包括进、出塔及管出口阻力),放空口与鼓

风机进口的垂直距离为20m,估计气体通过塔内填料层的压力降

为200mmH2O,管壁绝对粗糙度ε可取为0.15mm,大气压为

0.1MPa。求鼓风机的有效功率。

3-21用φ60×3.5mm钢管从敞口高位槽中引水至一常压吸收塔内。高

位槽液面与水喷头出口高差10m,管路流量最大可达15 m3/h。

现需将流量增加到25 m3/h,试求:(1)管路不变,在管路中增

加一台泵,该泵的功率;(2)管路布局不变,换新的管子,管子的直径。以上计算中摩擦系数可视为不变。

3-22用钢管将密度为1010kg/m3的稀水溶液由敞口贮槽甲送往敞口贮槽乙。贮槽乙的液面较贮槽甲的液面低8m,管路总长1500m(忽略局部阻力损失),摩擦系数均取0.029,每天输液量为110吨,每日工作8小时,泵的轴功率10kW,效率60%,试计算:

(1)若流量增加20%,仍用原管路,问需耗轴功率多少kW(设λ保持不变)?

(2)流量增加后,管道总长及两贮槽位置不变,而将输水管改作内径为100mm的钢管,问能否利用位差来完成输送任务。

3-23从山上的湖泊中引水至贮水池,湖面与池面的高差为45米,管道长度约为4000m,要求的流量是306m3/h,湖水温度可取为10℃,如采用新铸铁管,问需多大直径的管子?如果长期锈蚀ε变为1mm,你所选的管子能否继续使用?

3-24距水箱A液面2.5m深处用一根水管向水箱B放水,连接AB水箱的水管由φ60×33.0mm与φ45×

2.5mm不锈钢管组成,长度分别为10m与15m,水出口距水箱B液面0.5m,如附图所示。两液面高

度稳定不变时,求流经管道的流量。

3-25为了调节温度,在空气加热器的进出口并联一旁路(附图)。已知鼓风机出口压强为0.03MPa(表),温度为25℃,流量为每小时340m3/h,空气通过换热器的压降为0.01MPa。若旁路管长6m,管路上标准弯头两个,调节阀一个(按1/2开计),试确定当旁路通过最大气量为总气量的15%时,所用管

子的规格。

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习题3-24 附图习题3-25 附图

3-26温度为20℃的空气以2000m3/h的流量通过φ194×6mm的钢管管路ABC于C处进入一常压设备,如附图所示。现因生产情况变动,C处的设备要求每小时送风量减少为1200m3/h。另需在管道上的B 处接出一支管BD,要求从此支管按每小时800m3的流量分气,于D处进入另一常压设备。设管道BC间和BD间各层局部阻力系数之和分别为7及4,试计算BD分气支管的直径。

3-27如附图所示,齿轮泵同时从A、B两油箱吸油,油的密度为850kg/m3,粘度为2.5×10 -3 Pa.s,吸入流量为3L/s。A、B两油箱液面差0.6m, A、B两油箱出口到汇合点M处油管长分别为20m和8m,油管内径均为50mm。不计局部阻力损失。试求(1)若两油箱液面保持不变,每个油箱流出油的流量;

(2)若保持A油箱液面高度不变,当B油箱流出流量为零时,两油箱液面差为多少?(V A=V时,可取λA=0.03)

3-28附图所示的双扩散管汽化器。已知内扩散管喉管直径d1为25mm,出口直径d2为42mm,外扩散管喉管直径d3为60mm。内扩散管收缩阻力系数ζ1为0.06,扩散阻力系数ζ2为0.12(对d1处流速而言),外扩散管收缩阻力系数ζ3为0.08。试验测得空气在内扩散管喉管处的真空度R为150mmHg。

空气由大气吸入,密度为1.2 kg/m3,入口阻力可不计。试求由管子入口处吸入的空气质量流量。

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习题3-26 附图习题3-27 附图习题3-28 附图

3-29温度为20℃的软水由高位槽分别流入反应器B和吸收塔C中,如附图所示。器B内压力为0.05MPa (表压),塔C中真空度为0.01MPa。总管为φ57×3.5mm,管长(20+Z A)m,通向器B的管路为φ25×2.5mm,长15m,通向塔C的管路为φ25×2.5mm,长20米(以上各管长均包括各种局部阻力的当量长度在内)。所有管道皆为无缝钢管,绝对粗糙ε取为0.15mm。如果要求向反应器供应0.314kg/s 的水,向吸收塔供应0.471kg/s的水,问高位槽液面至少应高于地面多少米?

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3-30用泵将水送至蓄水池,输水管长2000m ,管内径为0.2m ,流量为0.05 m 3/s 。当发现进蓄水池流量减少为0.04 m 3/s

时,测得泵出口流量略有增加为0.052 m 3/s ,而出口压

力则下降了0.035 MPa 。试确定:

(1)泄漏发生点距泵出口的大致距离:

(2)泄漏孔口与圆孔相当的直径。(摩擦系数可视为不

变,局部阻力忽略不计)。 3-31压力为0.35MPa (表压),温度为25℃的天然气(以甲烷计)经过长100m (包括局部阻力的当量长

度)φ25×3mm 的水平钢管后,要求压力保持0.05MPa (表压)。如视为等温流动,天然气的粘度为0.011cp ,钢管的绝对粗糙度取为0.15mm ,大气压力为0.1MPa 。求天然气的质量流量。

3-32进吸收塔的空气管道上安装一毕托管用于测量其流量。已知管道的内径为350mm ,空气温度为35℃,

压强为0.1MPa 。检测压差用习题2所示的双液柱压差计。试求所测管中心处双液柱压差计读数为300mm 时,管道内空气的流量。

3-33用20℃、0.1MPa 空气标定其刻度,转子材料

江南大学化工原理习题解读

为铝材的转子流量计测定温度为60℃,压力为0.3MPa 的二氧化碳气体。当转子流量计上读

数为5 m 3/h 时,二氧化碳的实际流量应为多

少?若将转子换为同形状、同大小的不锈钢转

子,在此读数下二氧化碳的流量又为多少?

3-34用离心泵将敞口贮槽中温度为20℃的水送住

一容器中,如附图所示。容器内压力保持

0.01MPa (表压),贮槽液面与容器入口之间的垂直距离为40m ,管路为φ83×4mm 的钢管(ε=0.2mm ),管道总长45m ,其上装有孔径d 0=30mm 的孔板流量计,1/2开闸阀和1/2开球心阀各一个,此外还有4个90°标准弯头。今测得连接孔板的指示剂为水银的U 型管差压计的读数R=320mm ,孔板阻力可取所测得压差的80%。试求泵消耗的轴功率,泵的效率取为65%。贮槽很大,液面视为稳定。

3-35拟用泵将20℃水由贮池打入一常压洗涤塔内。贮池液面距塔内水喷淋器出口有10m 位差,管路为φ

76×4mm 钢管,绝对粗糙度为0.2mm 。出口管路上有一调节阀,管路总长40m (包括除调节阀以外的所有局部阻力的当量长度)。试求:(1)在阀1/2开度和全开两种情况下,流动处于阻力平方区时管路特性方程;(2)流量为30m 3/h 时,两种情况下管路所需的压头及功率。

3-36某油田用φ300×15mm 的钢管,将原油送到炼油厂。管路总长160[公里],送油量为240000kg/h ,油

管允许承受的最大压力为6.0MPa (表)。已知原油

粘度为1.87×10-3Pa.s ,密度890kg/m 3,忽略两地高

江南大学化工原理习题解读

差和局部阻力损失,试求中途需要多少个泵站?

3-37在用水测定离心泵的性能中,当排水量为12m 3/h

时,泵的出口压力表读数为0.38MPa ,泵入口真空

读者数为200mmHg ,轴功率为2.3kW 。压力表和真空表两测压点的垂直距离为0.4m 。吸入管和压

出管的内径分别为68mm 和41mm 。两测点间管路阻力损失可忽略不计。大气压力为0.1MPa 。试计算该泵的效率,并列出该效率下泵的性能。

3-38拟用泵将20℃的软水由A 槽同时打入B 、C 两塔中(附图)。已知塔B 内压力为0.04MPa (表压)。

塔C 中真空度为0.01MPa 。总管为φ48×3.5mm ,管长10m 。两支管均为φ42.25×3.25,DB 与DC 管段长度分别为10m 和13m (以上各管长均包括局部阻力的当量长度)。A 槽液面与塔B 和塔C 的喷淋器出口垂直距离分别为4m 和6m 。管路摩擦系数均可取为0.036。如要求向塔B 供水3500kg/h ,向塔C 供水4800kg/h 。试选用一合适的离心泵。

3-39某厂根据生产任务购回一台离心水泵,泵的铭牌上标着:V=30m 3/h 、H=24mH 2O 、n=2900r·p·m 、

H s =5.7m 。现流量和扬程均符合要求,且已知吸入管路的全部阻力为 1.5m 水柱,当地大气压为736mmHg 。试计算:(1)输送20℃的水时,离心泵允许的安装高度?(2)若将水温提高到80℃时,离心泵允许的安装高度又为多少?

3-40在海拔为2000米的高原上,使用一台离心泵输送水。已知吸入管路的全部阻力损失为3mH 2O ,在

操作条件下泵的汽蚀余量为2.5mH 2O 。今拟将该泵安装于水源水面以上3米处,问此泵能否正常操作?(该处夏季水温为20℃)。

3-41某厂为节约用水,用一离心泵将常压热水池中60℃的废热水经φ89×3.5mm 的管子输送至凉水塔顶,

并经喷头喷出而入凉水池,以达冷却目的,水的输送量为42m 3/h ,喷头入口处需维持0.05MPa (表压),喷头入口的位置较热水池液面高5m ,吸入管和排出管的阻力损失分别为1mH 2O 和4mH 2O 。试选用一台合适的离心泵。并确定泵的安装位置。(当地大气压为740mmHg )

3-42 某离心泵经试验测得特性数据如下:

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若将此泵用于习题3-34的管路中,问:

a)

该管路系统输送的最大流量为多少? b)

阀门开启度为1/2时,流量是否正好减半? c) 当系统流量要求为35m 3/h 时,泵的轴功率为多少?

3-43一管路系统的特性曲线方程为20065.020V H L +=。现有两台同型号的离心泵,该泵的特性曲线可

用方程20025.030V H -=表示(上两式中H L 和H 的单位为m ,V 的单位为m 3/h )

。试求: (1) 当管路输送量为30m 3/h 时,安装一台泵能否满足要求?

(2)若将两泵联合安装在管路中,该管路可输送的最大流量为多少?

3-44某双动往复泵,其活塞直径为180mm ,活塞杆直径为50mm ,曲柄半径为145mm 。活塞每分种往复

55次。实验测得此泵的排水量为42m 3/h 。试求该泵的容积效率η。

3-45温度为15℃的空气直接由大气进入风机,并通过内径为800mm 的管道送至燃烧炉底,要求风量为

20000m 3/h (以风机进口状态计),炉底表压为1100mmH 2O 。管长100m (包括局部阻力当量长度),管壁粗糙度0.3mm 。现库存一离心通风机,其铭牌上的流量为21800m 3/h ,全风压为1290mmH 2O ,问此风机是否合用?(大气压为760mmH 2O )。

3-46实验中测定一离心通风机的性能,得以下数据:气体出口处压力为23mmH 2O ,入口处真空度为

15mmH 2O ,送风量为3900m 3/h 。吸入管路与排出管路的直径相同。通风机的转数为960(转/分),其所需要轴功率为0.81kW 。试求此通风机的效率。若将此通风机的转数增为1150(转/分),问转速

增大后,此通风机的送风量和所需的轴功率各为若干?

3-47某单级双缸、双动空气压缩机将空气从0.1MPa (绝对)压缩到0.35MPa (绝对)。活塞直径为300mm ,

冲程200mm ,每分钟往复480次。气缸余隙系数为8%;排气系数为容积系数的85%,压缩过程为绝热过程,绝热指数为1.4,总效率0.7。试计算该压缩机的排气量和轴功率?

3-48一具有中间冷却的双级压缩机,将空气压缩到0.8MPa (表压),进入压缩机的空气流量为360m 3/h ,

余隙系数6%,空气的温度及离开中间冷却器后的温度均为20℃,压缩过程为多变过程,多变指数为

1.25。试求此双级压缩机所消耗的理论功率,压缩后的空气温度及压缩机的容积系数。对于双级压缩,已知中间压力21P P P =',而双级所耗外功为第一级与第二级之和。(大气压为735.6mmHg )。

第三章 传 热

传导传热

7-1 某燃烧炉的炉壁由耐火砖、保温砖和建筑砖组成,相邻各层材料间接触紧密,各层材料的厚度和导热系数分别为:1501=b mm ,05.11=k W/(m ·℃),2902=b mm ,15.02=k W/(m ·℃),

2283=b mm ,81.03=k W/(m ·℃)

。已测得耐火砖与保温砖接触界面上的温度8202=t ℃,保温砖与建筑砖接触界面上的温度为2603=t ℃,试求:

⑴ 通过炉壁单位面积上传热速率;

⑵ 耐火砖内侧和建筑砖外侧的温度;

⑶ 各层材料以单位面积计的热阻、各层的传热温差,并分析传热温差与热阻的关系。

7-2厚度为240mm 的砖墙,内壁温度为200℃,外壁温度为20℃,砖墙的导热系数与温度的关系可以表示为)105.21(2.03t k -?+= W/(m ·℃),试求:

⑴ 穿过砖墙的热流密度;

⑵ 砖墙中心平面的温度。

7-3 测定一平板状材料的导热系数,该平板材料的一侧用电加热器加热,另一侧用水冷却,穿过平板的热流量由加至电热器的电压和电流算出,平板两侧的表面温度用热电偶测定,平板的导热面积为0.02m 2,厚度为0.01m ,测得的数据如下表所示,试求:

⑴ 平板材料的平均导热系数;

⑵ 设该材料的导热系数为)1(0at k k +=,t 为温度,℃,试求a 和0k 之值。

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7-4 φ119×6mm 钢质蒸汽管,外面包裹一层厚度为50mm 、导热系数为0.05 W/(m ·℃)的绝热材料A ,在该保温层外面再包裹一层厚度25mm 、导热系数为0.06 W/(m ·℃)的绝热材料B ,设材料A 的内侧温度和材料B 的外侧温度分别为170℃和40℃,试求每米管长的热损失及A 、B 界面的温度。

7-5 有一球罐,热量通过球罐壳壁向环境大气进行热传导,已知球罐内、外表面的半径分别为r 1、r 2,球罐内、外表面的温度分别为t 1、t 2,罐壁材料的导热系数为k ,试推导热量通过球罐壳壁的导热速率式。

7-6 将一直径3mm 、长1m 的不锈钢棒状电加热器浸入100℃的沸水中,加热器通电进行加热,测得加热器的电阻为0.1Ω,通入的电流为100A ,加热器材料的导热系数为19 W/(m ·℃),加热器表面与沸水间的对流给热系数为10000 W/(m 2·℃),试求加热器的中心温度及沿加热器横截面的温度分布。

提示;设单位体积的加热器产生的热量为q ',考虑热量仅沿棒状加热器的径向进行传递,取任意半径为r 的单元圆柱体,其中产生的热量必然以导热的方式沿径向向外传递,即:

对上式积分即可得解。 7-7 有一列管换热器,换热管为φ25×2.5mm 的钢管,依靠管外蒸汽冷凝放出的热量加热管内的原油,管外蒸汽冷凝的给热系数为10000 W/(m 2·℃),管内原油的对流给热系数为1000 W/(m 2·℃),原油侧的污垢热阻为1.5×10-3m 2·℃/W ,管外污垢热阻可以忽略不计,试求总传热系数及各部分热阻的分配。

对流传热

7-8 在一逆流操作的套管换热器中用水将流量为4000kg/h 的甲醇溶液从60℃冷却至20℃,套管换热器长25m ,外管内径为80mm ,内管外径为57mm ,内管壁厚度3.5mm ,冷却水流经套管环隙,水温从20℃升至30℃,已知甲醇密度为770kg/m 3,试求甲醇和水对管壁的对流给热系数。

7-9 流量为3000kg/h 、初温为15℃的燃料油,在φ51×3.5mm 的水平钢管中流过而被加热至85℃,测得换热管内壁温度为110℃,试计算管壁与燃料油间的对流给热系数。已知定性温度下燃料油的物性数据为:密度ρ=900kg/m 3;比热C p =1.88kJ/(kg ·℃);导热系数k =0.181W/(m ·℃);粘度μ=0.18N ·s/m 2;体积膨胀系数β=0.0003 1/℃。

7-10 铜氨溶液在一蛇管冷却器的管内流动时,温度从40℃降至10℃,蛇管由φ45×3.5mm 的钢管制成,蛇管的平均曲率半径为0.6m ,已知铜氨溶液的流量为 3.6m 3/h ,粘度为 2.2×10-3Pas ,密度为1200kg/m 3,其余的物性参数可按水的0.9倍来取,试求铜氨溶液对管壁的对流给热系数。

7-11 某化工厂用海水冷却精馏塔引出的柴油馏份,冷却器为φ114×4.5mm 的钢管制成的排管,水平浸没在一个很大的海水槽中,海水由槽下部通入,上部溢出,海水通过槽时的流速很小,设海水的平均温度为30℃,钢管外壁温度为56℃,试求海水对管壁的对流给热系数。

7-12 绝压为0.3MPa 的饱和水蒸气在长2m 、外径0.1m 的单根直立园管的外表面上冷凝,管外壁的平均温度为92℃,试求蒸汽冷凝的给热系数和每小时蒸汽的冷凝量。若将管子水平放置,再求蒸汽冷凝的给热系数和每小时蒸汽的冷凝量。

7-13 水平列管式换热器由37根φ25×2mm 的钢管组成,管间通入0.3MPa 的饱和水蒸气作为热源加热原油,管外壁温度为100℃,试求蒸汽在管间冷凝的给热系数。

7-14 在1atm 的绝压下,水在温度为t w =113.9℃的机械磨光的不锈钢容器内沸腾,试求沸腾给热系数。 7-15 液氨在一蛇管换热器管外沸腾汽化,已知其操作压力为258kN/m 2(绝压),沸腾温度为-13℃,热量通量q =4170W/m 2,试计算其对流给热系数。已知液氨表面张力σ=27×10-2N/m ,密度ρL =656kg/m 3,氨蒸汽密度ρV =2.1kg/m 3。

q l r r

t rl k '=-2d d )

2(ππ

辐射传热

7-16 两平行大平板,在空气中相距5mm,一平板的黑度为0.1,温度为350K,另一平板的黑度为0.05,温度为300K,若将第一板加涂层,使其黑度为0.025,试计算由此引起的辐射传热量变化的百分率。

7-17 在一钢管中心装有热电偶,以测定管内空气的温度,设热电偶的温度读数为300℃,热电偶的黑度为0.8,空气与热电偶之间的对流给热系数为25 W/m2·℃,钢管内壁温度为250℃,试求由于热电偶与管壁之间的辐射传热而引起的测温误差。并讨论减小测量误差的措施。提示:热电偶辐射到管壁的热

等于热电偶以自然对流方式自空气得到的热量。

7-18 外径为50mm的钢管,其外包扎有一层厚度为40mm、导热系数为0.13 W/(m·℃)的绝缘材料,钢管外表面的平均温度为800℃,现拟在绝热材料外再包扎一层导热系数为0.09 W/(m·℃)的氧化镁绝热层,使该层的外表面温度为85℃,设钢管的外表面温度仍为800℃,外界环境的温度为20℃,试求氧化镁绝热层的厚度。假设各层间接触良好。

传热计算

7-19 在一夹套式容器中加热熔融某固体有机物,夹套内通入绝压为0.2MPa的饱和水蒸气,冷凝水于饱和温度下排出,每次投入容器的固体有机物为600kg,进料温度为25℃,熔融后继续加热至在100℃,已知:该有机固体的熔点为70℃,固体比热为2.0kJ/(kg·℃),液体比热为3.2 kJ/(kg·℃),相变潜热为120.8 kJ/kg。若不计热损失,试求加热每批投料所消耗的蒸汽量。

7-20 工厂因生产需要,用表压0.2MPa的饱和水蒸气通过间壁式换热器将流量为2000kg/h的水从20℃加热至98℃,若忽略热损失,试求蒸汽消耗量。若将蒸汽直接通入水中进行加热,再求完成上述加热任务所需的蒸气用量,并对计算结果加以分析。

7-21 在一套管式换热器中,利用某油品冷却放出的热量加热原油,油品从240℃冷却至160℃,将原油从100℃加热至140℃,试求套管换热器在并流操作和逆流操作时的对数平均温差t m。

7-22 用90℃的热水将流量为10000kg/h的原油从20℃预热至70℃,原油的比热为2.0kJ/(kg·℃),试分别计算换热器在逆流操作或并流操作两种情况下加热剂的最小用量。

7-23 在一单壳程、四管程列管式换热器中,用水冷却异丙苯溶液,冷却水流经管内,温度从20℃升至40℃,异丙苯溶液有80℃冷却至50℃,试求该换热器的平均传热温度差。

7-24 工厂拟用一列管式换热器将流量为5m3/h的某溶液从60℃加热至120℃,热源为表压0.5MPa 的饱和水蒸气,已知该溶液的密度为1080kg/m3,平均比热为2.5 kJ/(kg·℃),设换热器的总传热系数为1500 W/(m2·℃),试求所需的传热面积。

7-25在列管换热器中用初温20℃的冷却水将某溶液从100℃冷却至40℃,溶液流量为2500kg/h,溶液比热为3.0kJ/(kg·℃),已测得水出口温度为30℃,试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知总传热系数K =1000W/(m2·℃),求并流操作和逆流操作所需的传热面积。

7-26在一逆流操作的列管式换热器中用水将油品冷却,换热器管束由φ25×2mm的钢管组成,油品的比热为2.5 kJ/(kg·℃),油走管间,流量为5000kg/h, 温度从100℃冷却至65℃,水走管内,温度从20℃升至45℃,油和水的对流给热系数分别为500 W/(m2·℃)和2000 W/(m2·℃)。

⑴如果忽略污垢热组,求总传热系数K和所需的传热面积A;

⑵该换热器在使用一年后,有油垢和水垢生成,设油垢和水垢的热阻分别为0.0002 m2·℃/W和

0.00025 m2·℃/W,再求总传热系数K和所需的传热面积A。

⑶若要提高K值,应采取什么措施?

7-27 有一列管式空气加热器, 120℃饱和水蒸汽在管间冷凝, 将管内作湍流流动的空气从20℃加热到80℃,现由于生产需要,将空气出口温度降至76℃,拟通过调节空气流量来实现,忽略管壁和污垢热阻,空气的物性常数可视为不变,且α蒸汽>>α空气,问空气的质量流量增加的百分率为多少?

7-28 某厂有一台列管式换热器, 管束由37根φ19×2mm、长3m的钢管组成,130℃的饱和水蒸气在管间冷凝,将流经管内的某溶液从20℃加热至60℃,冷凝水于饱和温度下排出,设蒸汽冷凝给热系数为10000 W/(m2·℃),溶液侧对流给热系数为3500 W/(m2·℃),管壁及污垢热阻忽略不计。

⑴试计算这台换热器每小时能处理的溶液量。

⑵现要求在保持溶液处理量不变的情况下,将此溶液的出口温度提高到80℃,该厂拟增加一台同规格的换热器,问这两台换热器应当并联连接还是串联连接?试通过计算予以说明(假设溶液的物性随温度变化很小)。

7-29 在一逆流换热器中以水作为冷却剂将管内流动的热气体从180℃冷却至60℃,水的温度从20℃升至35℃,气侧给热系数为40W /(m2?℃),水侧给热系数为3000W /(m2?℃), 现将气体的流量增加20%,冷却水的进口温度不变,忽略管壁和污垢热阻,试求:

⑴气体流量增加后,不调节冷却水的流量,气体的出口温度和冷却水的出口温度;

⑵气体流量增加后,拟通过调节冷却水的流量以使气体出口温度保持在60℃不变,调节后水的流量和水的出口温度。

7-30在一逆流操作的换热器中,用冷却水将油品从200℃冷却至80℃,冷却水流经管程,温度从15℃升至40℃,油侧h1=700 W/(m2?℃),水侧h2=2500 W/(m2?℃),现由于上游工序的生产状况发生变化,油品的进口温度升高至210℃,忽略管壁和污垢热阻,冷却水的进口温度不变,试求:

⑴油品进口温度升高后,冷却水的流量不作调节,油品的出口温度和冷却水的出口温度;

⑵油品进口温度升高后,拟通过调节冷却水的流量以使油品出口温度保持在50℃不变,调节后水的流量和水的出口温度。

7-31苯蒸汽在精馏塔的塔顶冷凝器中冷凝成饱和液体,冷却剂用水,苯蒸汽在管间冷凝,冷凝温度为81.5℃,水侧给热系数h1=2000 W/(m2?℃),蒸汽给热系数侧h2=4000 W/(m2?℃),冷却水的出口温度为40℃,而进口温度受季节的影响,夏季平均水温为20℃,而冬季则降至10℃,若忽略管壁和污垢热阻,试求:

⑴若冷却水的流量不作调节,由于水温的变化引起的苯蒸汽冷凝量变化的百分率;

⑵若调节冷却水的流量以使苯冷凝量不变,调节后水的流量和水的出口温度。

7-32 一列管式换热器以饱和水蒸气加热某气体,气体在管内作湍流流动,饱和水蒸气在管间冷凝,已知气体的质量流量w=1.0kg/s,定压比热C P=1.0kJ/(kg·℃),进口温度t1=20℃,t2=100℃,总传热系数K=75 W/(m2·℃),A=20m2,问加热蒸汽的温度T为多少?此换热器在使用多年以后,有6%的管子因腐蚀而被盲掉,并在管内生成污垢层,其R s1=0.001 m2·℃/W,而气体的处理量提高了8%,问此时加热蒸汽的温度T应为多少?

7-33 设计一列管式换热器,用水冷凝苯-甲苯蒸汽。苯-甲苯蒸汽处理量8000kg/h,蒸汽饱和温度80.2℃,蒸汽组成:苯45%(摩尔分率,下同),甲苯55%。

第四章气体吸收

1、当总压为101.3 kPa,温度为25℃时,100克水中含氨1克,该溶液上方氨的平衡分压为0.933 kPa;

若在此浓度范围内亨利定律适用,试求溶解度系数H和相平衡常数m(溶液密度近似取为1000kg/m3)。

2、含有4%(体积)氨气的混合气体,逆流通过水喷淋的填料塔,试求氨溶液的最大浓度,分别以摩尔

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