化工原理(郝曉剛、樊彩梅)課后答案

..第一章流體流動(dòng)1-1在大氣壓強(qiáng)為98.7×103Pa的地區(qū),某真空精餾塔塔頂真空表的讀數(shù)為13.3×103Pa,試計(jì)算精餾塔塔頂內(nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)與表壓強(qiáng)。[絕對(duì)壓強(qiáng)：8.54×103Pa；表壓強(qiáng)：-13.3×103Pa][解]由絕對(duì)壓強(qiáng)=大氣壓強(qiáng)–真空度得到：精餾塔塔頂?shù)慕^對(duì)壓強(qiáng)P絕=98.7×103Pa-13.3×103Pa=8.54×103Pa精餾塔塔頂?shù)谋韷簭?qiáng)P表=-真空度=-13.3×103Pa1-2某流化床反應(yīng)器上裝有兩個(gè)U型管壓差計(jì),指示液為水銀,為防止水銀蒸汽向空氣中擴(kuò)散,于右側(cè)的U型管與大氣連通的玻璃管內(nèi)灌入一段水,如本題附圖所示。測(cè)得R1=400mm,R2=50mm,R3=50mm。試求A、B兩處的表壓強(qiáng)。[A：7.16×103Pa；B：6.05×103Pa][解]設(shè)空氣的密度為ρg,其他數(shù)據(jù)如圖所示a–a′處：PA+ρggh1=ρ水gR3+ρ水銀gR2由于空氣的密度相對(duì)于水和水銀來(lái)說(shuō)很小可以忽略不記即：PA=1.0×103×9.81×0.05+13.6×103×9.81×0.05=7.16×103Pab-b′處：PB+ρggh3=PA+ρggh2+ρ水銀gR1即：PB=13.6×103×9.81×0.4+7.16×103=6.05×103Pa1-3用一復(fù)式Ｕ形管壓差計(jì)測(cè)定水流過(guò)管道上A、B兩點(diǎn)的壓差,壓差計(jì)的指示液為水銀,兩段水銀之間是水,今若測(cè)得h1=1.2m,h2=1.3m,R1=0.9m,R2=0.95m,試求管道中A、B兩點(diǎn)間的壓差[解]如附圖所示,取水平面1-1'、2-2'和3-3',則其均為等壓面,即,,根據(jù)靜力學(xué)方程,有因?yàn)?故由上兩式可得即<a>設(shè)2'與3之間的高度差為h,再根據(jù)靜力學(xué)方程,有因?yàn)?故由上兩式可得<b>其中<c>將式<c>代入式<b>整理得<d>因?yàn)?故由式<a>和式<d>得即=<13600-1000>×9.81×<0.9+0.95>=228.7kPa或1716mmHg1-4測(cè)量氣罐中的壓強(qiáng)可用附圖所示的微差壓差計(jì)。微差壓差計(jì)上部杯中充填有密度為的指示液,下部U管中裝有密度為的指示液,管與杯的直徑之比為。試證氣罐中的壓強(qiáng)可用下式計(jì)算：分析：此題的關(guān)鍵是找準(zhǔn)等壓面,根據(jù)擴(kuò)大室一端與大氣相通,另一端與管路相通,可以列出兩個(gè)方程,聯(lián)立求解[解]由靜力學(xué)基本原則,選取1－1‘為等壓面,對(duì)于Ｕ管左邊ｐ表+ρCg<h1+R>=Ｐ1對(duì)于Ｕ管右邊Ｐ2=ρAgR+ρCgh2ｐ表=ρAgR+ρCgh2–ρCg<h1+R>=ρAgR–ρCgR+ρCg〔h2-h1當(dāng)ｐ表=0時(shí),擴(kuò)大室液面平齊即π<D/2>2<h2-h1>=π<d/2>2R則可得1-5硫酸流經(jīng)由大小管組成的串聯(lián)管路,硫酸密度為1830kg/m3,體積流量為2.5×10-3m3/s,大小管尺寸分別為Φ76mm×4mm和Φ57mm×3.5mm,試分別計(jì)算硫酸在大、小管中的質(zhì)量流量、平均流速及質(zhì)量流速。[質(zhì)量流量：4.575kg/s；平均流速：u小=1.27m/s；u大=0.69m/s；質(zhì)量流速：G小=2324kg/m2?s；G大=1263kg/m2[解]質(zhì)量流量在大小管中是相等的,即ms小=ms大=Vsρ=2.5×10-3×1830=4.575kg/su小=u大=G小=ρu小=1830×1.27=2324kg/m2?sG大=ρu大=1830×0.69=1263kg/m2?s1-620℃水以2.5m/s的流速流經(jīng)Φ38×2.5mm的水平管,此管以錐形管和另一φ53mm×3mm[解]1-7用壓縮空氣將密度為1100kg/m3的腐蝕性液體自低位槽送到高位槽,兩槽的液位恒定。管路直徑均為ф60×3.5mm,其他尺寸見(jiàn)本題附圖。各管段的能量損失為∑hf,2AB=∑hf,CD=u,∑hf,BC=1.18u2。兩壓差計(jì)中的指示液均為水銀。試求當(dāng)R1=45mm,h=200mm時(shí)：〔1壓縮空氣的壓強(qiáng)P1為若干？〔2U管差壓計(jì)讀數(shù)R2為多少？[壓縮空氣的壓強(qiáng)P1：1.23×105Pa；壓計(jì)讀數(shù)R2：609.7mm][解]對(duì)上下兩槽取截面列柏努力方程,并取低截面為基準(zhǔn)水平面0+0+P1/ρ=Zg+0+P2/ρ+∑hf∴P1=Zgρ+0+P2+ρ∑hf=10×9.81×1100+1100<2u2+1.18u2>=107.91×103+3498u2在壓強(qiáng)管的B,C處取截面,由流體靜力學(xué)方程得PB+ρg〔x+R1=Pc+ρg〔hBC+x+ρ水銀R1PB+1100×9.81×<0.045+x>=Pc+1100×9.81×<5+x>+13.6×103×9.81×0.045PB-PC=5.95×104Pa在B,C處取截面列柏努力方程,并取低截面為基準(zhǔn)水平面0+uB2/2+PB/ρ=Zg+uc2/2+PC/ρ+∑ｈf,BC∵管徑不變,∴ub=ucPB-PC=ρ〔Zg+∑hf,BC=1100×<1.18u2+5×9.81=5.95×104Pau=4.27m/s壓縮槽內(nèi)表壓P1=1.23×105Pa〔2在B,D處取截面列柏努力方程,并取低截面為基準(zhǔn)水平面0+u2/2+PB/ρ=Zg+0+0+∑ｈf,BC+∑ｈf,CDPB=〔7×9.81+1.18u2+u2-0.5u2×1100=8.35×104PaPB-ρgh=ρ水銀R28.35×104-1100×9.81×0.2=13.6×103×9.81×R2R2=609.7mm1-8密度為850kg/m3,粘度為8×10-3Pa·s的液體在內(nèi)徑為14mm的鋼管內(nèi)流動(dòng),溶液的流速為1m/s。試計(jì)算：〔1雷諾準(zhǔn)數(shù),并指出屬于何種流型？〔2局部速度等于平均速度處與管軸的距離；〔3該管路為水平管,若上游壓強(qiáng)為147×103Pa,液體流經(jīng)多長(zhǎng)的管子其壓強(qiáng)才下降到127.5×103Pa？[屬于滯流型；與管軸的距離：r=4.95×10-3m；管長(zhǎng)為14.95m[解]〔1Re=duρ/μ=〔14×10-3×1×850/〔8×10-3=1.49×103>2000∴此流體屬于滯流型〔2由于滯流行流體流速沿管徑按拋物線分布,令管徑和流速滿足y2=-2p〔u-um當(dāng)ｕ=0時(shí),y2=r2=2pum∴p=r2/2=d2/8當(dāng)ｕ=ｕ平均=0.5ｕmax=0.5m/s時(shí),y2=-2p〔0.5-1=d2/8=0.125d2∴即與管軸的距離r=4.95×10-3〔3在147×103和127.5×103兩壓強(qiáng)面處列伯努利方程u12/2+PA/ρ+Z1g=u22/2+PB/ρ+Z2g∵u1=u2,Z1=Z2∴PA/ρ=PB/ρ+∑hf損失能量hf=〔PA-PB/ρ=〔147×103-127.5×103/850=22.94∵流體屬于滯流型∴摩擦系數(shù)與雷若準(zhǔn)數(shù)之間滿足λ=64/Re又∵ｈf=λ×〔l/d×0.5u2∴l(xiāng)=14.95m∵輸送管為水平管,∴管長(zhǎng)即為管子的當(dāng)量長(zhǎng)度即：管長(zhǎng)為14.95m1-9某列管式換熱器中共有250根平行換熱管。流經(jīng)管內(nèi)的總水量為144t/h,平均水溫為10℃,為了保證換熱器的冷卻效果,需使管內(nèi)水流處于湍流狀態(tài),問(wèn)對(duì)管內(nèi)徑有何要求？[管內(nèi)徑≤39mm[解]查附錄可知,10℃水的黏度μ=1.305mPa·s即1.305×10-3Pa·要求Re≥4000,即≥4000,因此d≤0.039m或39mm即管內(nèi)徑應(yīng)不大于39mm。1-1090℃的水流進(jìn)內(nèi)徑20mm的管內(nèi),問(wèn)當(dāng)水的流速不超過(guò)哪一數(shù)值時(shí)流動(dòng)才一定為層流？若管內(nèi)流動(dòng)的是90℃的空氣,則此一數(shù)值應(yīng)為多少？[90℃的水：u≤0.0326m/s；90℃的空氣：[解]層流≤200090℃水ρ=965.3kg·m-3μ=0.315×10-3Pa·u≤m·s-190℃空氣ρ=0.972kg·m-3μ=2.15×10-5Pa·u≤m·s-11-11流體通過(guò)圓管湍流動(dòng)時(shí),管截面的速度分布可按下面經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示：ur=umax〔y/R1/7,式中y為某點(diǎn)與壁面的距離,及y=R—r。試求起平均速度u與最大速度umax的比值。分析：平均速度u為總流量與截面積的商,而總流量又可以看作是速度是ur的流體流過(guò)2πrdr的面積的疊加即：V=∫0Rur×2πrdr解：平均速度u=V/A=∫0Rur×2πrdr/〔πR2=∫0Rumax〔y/R1/7×2πrdr/〔πR2=2umax/R15/7∫0R〔R–r1/7rdr=0.82umaxu/umax=0.82[拓展1-11]黏度為0.075pa?s、密度為900kg/m3的油品,以10kg/s的流量在ф114×3.5mm的管中作等溫穩(wěn)態(tài)流動(dòng),試求該油品流過(guò)15m管長(zhǎng)時(shí)因摩擦阻力而引起的壓強(qiáng)降為多少？drr[解]從半徑為R的管內(nèi)流動(dòng)的流體中劃分出來(lái)一個(gè)極薄的環(huán)形空間,其半徑為r,厚度為ddrr流體通過(guò)此環(huán)隙的體積流量QUOTE為將湍流時(shí)速度分布的經(jīng)驗(yàn)式代入上式,得通過(guò)整個(gè)管截面的體積流量為平均速度QUOTE,即1-12一定量的液體在圓形直管內(nèi)做滯流流動(dòng)。若管長(zhǎng)及液體物性不變,而管徑減至原有1/2,問(wèn)因流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的能量損失為原來(lái)的若干倍？[16倍][解]根據(jù)哈根-泊謖葉公式,即分別用下表1和2表示原來(lái)的與改變管徑后的情況。兩種情況下QUOTE及QUOTE不變,則因QUOTE,及QUOTE即QUOTE所以QUOTEQUOTE1-13在內(nèi)徑為100mm的鋼管內(nèi)輸送一種溶液,流速為1.8m/s。溶液的密度為1100kg/m3,黏度為2.1mPa·s。試求：〔1每100m鋼管的壓力損失及壓頭損失；〔2若管由于腐蝕,其粗糙度增至原來(lái)的10倍,求沿程損失增大的百分率。[壓力損失：38.3kPa；壓頭損失：3.55m；沿程損失增大的百分率：42.3%][解]<1>據(jù)題意有取新鋼管ε=0.05mm,ε/d=0.05/100=0.0005,查圖1-27得λ=0.0215或由下式計(jì)算得壓力損失38300Pa或38.3kPa壓頭損失m<2>腐蝕后,鋼管ε'=0.5mm,ε'/d=0.5/100=0.005,查圖1-27得λ'=0.0306或計(jì)算得沿程損失增大的百分率=%1-14其他條件不變,若管內(nèi)流速越大,則湍動(dòng)程度越大,其阻力損失應(yīng)越大。然而,雷諾數(shù)增大時(shí)摩擦系數(shù)卻變小,兩者是否有矛盾？應(yīng)如何解釋？[不矛盾][解]不矛盾。由范寧公式可知,阻力損失不僅與λ有關(guān),還和u2有關(guān)。層流時(shí),u越大,雖然越小,但ωf越大<因>。完全湍流時(shí),u越大,而λ不隨Re變化,但,故ωf越大。1-15設(shè)市場(chǎng)的鋼管價(jià)格與其直徑的1.37次方成正比,現(xiàn)擬將一定體積流量的流體輸送某一段距離,試求采用兩根小直徑管道輸送和一根大直徑管道輸送兩種方案〔這兩種方案的管內(nèi)流速相同,做以下比較：〔1所需的設(shè)備費(fèi)；〔2若流體在大管中為層流,則改用上述兩根小管后其克服管路阻力所消耗的功率將為大管的幾倍？若管內(nèi)均為湍流〔λ按柏拉修斯公式計(jì)算,則情況又將如何？[小管設(shè)備費(fèi)用/大管設(shè)備費(fèi)用=1.24；層流時(shí)：N小/N大=2；湍流時(shí)：N小/N大=1.54][解]<1>所需的設(shè)備費(fèi)比較因?yàn)樗杂衷O(shè)備費(fèi)故有<或小管設(shè)備費(fèi)用/大管設(shè)備費(fèi)用=1/0.804=1.24><2>所消耗的功率比較按水平管、定壓輸送估算。根據(jù)機(jī)械能衡算方程,對(duì)水平等徑管,有功率消耗N阻力損失①層流時(shí),因?yàn)閂s及u一定,且λ=64/Re,所以阻力損失故②湍流時(shí),因?yàn)閡一定,且,所以阻力損失故習(xí)題17附圖1-16內(nèi)截面為1000mm×1200mm的矩形煙囪的高度為30m。平均摩爾質(zhì)量為30kg/kmol、平均溫度為400℃的煙道氣自下而上流動(dòng)。煙囪下端維持49Pa的真空度。在煙囪高度范圍內(nèi)大氣的密度可視為定值,大氣溫度為20℃,地面處的大氣壓強(qiáng)為101.33×103Pa。流體流經(jīng)煙囪時(shí)的摩擦系數(shù)可取為0.05,試求煙道氣的流量為若干kg/h。[煙道氣的流量：4.62×習(xí)題17附圖[解]煙囪底端為上游截面1—1＇、頂端內(nèi)側(cè)為下游截面2—2＇,并以截面1—1＇為基準(zhǔn)水平面。在兩截面間列泊式,即式中QUOTE由于煙道氣壓強(qiáng)變化不大,煙道氣的密度可按QUOTE及400℃計(jì)算,即以QUOTE＇表示大氣的密度,QUOTE與QUOTE分別表示煙囪底部與頂端大氣壓強(qiáng),即QUOTE因煙囪頂端內(nèi)側(cè)壓強(qiáng)等于同高度處的大氣壓強(qiáng),故標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的密度為1.293QUOTE,所以QUOTE、20℃時(shí)空氣的密度為于是QUOTE將以上各值代入泊式,解得其中QUOTE煙道氣的流速為QUOTE煙道氣的流量為1-17見(jiàn)本題附圖的管路系統(tǒng)。每小時(shí)將2×104kg的溶液用泵從反應(yīng)器輸送到高位槽。反應(yīng)器液面上方保持26.7×103Pa的真空度,高位槽液面上方為大氣壓強(qiáng)。管道為的鋼管,總長(zhǎng)為50m,管線上有兩個(gè)全開的閘閥,一個(gè)孔板流量計(jì)〔局部阻力系數(shù)為4,5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭。反應(yīng)器內(nèi)液面與管路出口的距離為15m。若泵效率為0.7,求泵的軸功率。[泵的軸功率：1.61k[解]在反應(yīng)器液面1—1＇與管路出口內(nèi)側(cè)截面2—2＇間列泊式。以截面1—1＇為基準(zhǔn)水平面,則QUOTE式中QUOTEQUOTEQUOTE將上列數(shù)值代入泊式,并整理得其中QUOTE根據(jù)QUOTE與QUOTE值,查得摩擦系數(shù)QUOTE,并由本教材可查得各管件,閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度分別為閘閥〔全開0.43×2=0.86m標(biāo)準(zhǔn)彎頭2.2×5=11m所以QUOTE于是QUOTE泵的軸功率為1-1810℃的水以500L/min的流量流過(guò)一根300m的水平管,管壁的絕對(duì)粗糙度為0.05mm。有6m的壓頭可供克服流動(dòng)的摩擦阻力,試求管徑的最小尺寸。[90.4mm[解]由于是直徑相同的水平管,所以單位重量流體的泊式簡(jiǎn)化為而QUOTE〔a將各已知值代入式a,并簡(jiǎn)化得QUOTE〔bQUOTE與QUOTE、QUOTE有關(guān),采用試差法,設(shè)QUOTE=0.021代入式b,算出QUOTE。驗(yàn)算所設(shè)之QUOTE值是否正確。10℃水物性由本教材附錄QUOTEQUOTE,則由QUOTE及QUOTE,查得QUOTE=0.021,故1-19在兩座尺寸相同的吸收塔內(nèi),各填充不同的填料,并以相同的管路并聯(lián)組合。每條支管上均裝有閘閥,兩支路的管長(zhǎng)均為5m〔均包括除了閘閥以外的管件局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度,管內(nèi)徑為200mm。通過(guò)填料層的能量損失可分別折算為5u12與4u22,式中u為氣體在管內(nèi)的流速m/s,氣體在支管內(nèi)流動(dòng)的摩擦系數(shù)為0.02。管路的氣體總流量為0.3m3/s。試求：〔1兩閥全開時(shí),兩塔的通氣量；〔2附圖中AB的能量損失。[Vs1=0.147m3/s,Vs2=0.153m3/s；AB的能量損失：[解]〔1兩塔通氣量直徑200mm管路上的全開閥QUOTE。根據(jù)并聯(lián)管路的流動(dòng)規(guī)律QUOTE即所以QUOTE解得QUOTE<2>AB的能量損失1-20如附圖所示,20℃軟水由高位槽A分別流入反應(yīng)器B和吸收塔C中,反應(yīng)器B內(nèi)的壓力為50kPa,吸收塔C中的真空度為10kPa,總管為57mm×3.5mm,管長(zhǎng)〔20+ZAm,通向反應(yīng)器B、吸收塔C的管路均為25mm×3.5mm,長(zhǎng)度分別為15m和20m〔以上管長(zhǎng)包括所有局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度在內(nèi)。管壁粗糙度可取為0.15mm。如果要求向反應(yīng)器供應(yīng)0.314kg/s的水,向吸收塔供應(yīng)0.471kg/s水,問(wèn)ZA至少為多少m？[ZA至少為11.4m][解]要完成向反應(yīng)器B,吸收塔C的供水量要求,所需在zA大小可能不同,應(yīng)從中選取較大者才行。為此,應(yīng)按供水量要求分別沿支路1、支路2求算zA或分支點(diǎn)O處的機(jī)械能。沿支路1<通向B>：已知ms1=0.314kg·s-1,ρ=1000kg·m-3,d1=0.02m；近似取20℃水的黏度μ=1×10-3Pa·sm·s-1查圖得λ1=0.0383[ε/d1＞0.005,超出式<1-60>的適用范圍]令分支點(diǎn)O處的機(jī)械能為,在點(diǎn)O與通向反應(yīng)器B的管出口外側(cè)之間列機(jī)械能衡算方程J·kg-1沿支路2<通向C>：m·s-1查圖得λ2=0.0375分支點(diǎn)O處的=110.7J·kg-1在、中較大者,即J·kg-1對(duì)總管：m·s-1在高位槽A液面與分支點(diǎn)O間列機(jī)械能衡算方程解得zA=11.4m1-21如附圖所示,某化工廠用管路1和管路2串聯(lián),將容器A中的鹽酸輸送到容器B中。容器A、B液面上方表壓分別為0.5MPa、0.1MPa,管路1、2長(zhǎng)均為50m〔以上管長(zhǎng)包括所有局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度在內(nèi),管道尺寸分別為57mm×2.5mm和38mm×2.5mm。兩容器的液面高度差可忽略,摩擦系數(shù)λ都可取為0.038。已知鹽酸的密度1150kg/m3,黏度2mPa·s。試求：〔1該串聯(lián)管路的輸送能力；〔2由于生產(chǎn)急需,管路的輸送能力要求增加50%?，F(xiàn)庫(kù)存僅有9根38mm×2.5mm、長(zhǎng)6m的管子。于是有人提出在管路1上并聯(lián)一長(zhǎng)50m的管線,另一些人提出應(yīng)在管路2上并聯(lián)一長(zhǎng)50m的管線。試比較這兩種方案。[方案一不可行；方案二可行][解]<1>球Vs在液面A、B之間列機(jī)械能衡算方程已知l1=l2,故解得Vs=0.00283m3·s-1或10.19m3·<2>兩種方案的比較在定量計(jì)算之前,首先定性分析一下。要想增大管路系統(tǒng)的輸送能力,應(yīng)當(dāng)在阻力較大的管線上并聯(lián)一管路,才能明顯的降低整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)阻力。本題管路2管徑較小,顯然阻力較大,應(yīng)當(dāng)在管路2上并聯(lián)一管線,即采用方案二。下面具體計(jì)算。方案一：在管路1上并聯(lián)一長(zhǎng)50m的管線,令其為管路3<見(jiàn)附圖二>。習(xí)題1-21附圖二沿管路3、2在液面A與B之間列機(jī)械能衡算方程<a>再根據(jù)并聯(lián)管路特點(diǎn),有ωf1=ωf3由于l1=l3,故<b>又根據(jù)連續(xù)性方程,有<c>聯(lián)立求解式<a>、式<b>、式<c>得Vs1=0.00219m3·sVs2=0.00289m3·sVs3=0.00070m3·s輸送能力=Vs2=0.00289m3·s-1<或10.40m3·h輸送能力增加百分率=＜50%可見(jiàn)此方案不可行。方案二：在管路2上并聯(lián)一長(zhǎng)50m的管線,設(shè)其為管路3<見(jiàn)附圖三>。沿管路1、2在液面A與B間列機(jī)械能衡算方程習(xí)題1-21附圖三Vs12+9.715Vs22=8.578×10-5<d>對(duì)并聯(lián)管路,有ωf2=ωf3即由于d2=d3,故Vs2=Vs3<e>又據(jù)連續(xù)性方程,有<f>聯(lián)立求解式<d>、式<e>、式<f>可得Vs1=0.005m3·sVs3=Vs2=0.0025m3·s輸送能力=Vs1=0.005m3·s-1或18m3·輸送能力增加的百分率=＞50%可見(jiàn)此方案可行。顯然,定量計(jì)算結(jié)果與定性分析結(jié)果一致。1-22為測(cè)定空氣流量,將皮托管插入直徑為1m的空氣管道中心,其壓差大小用雙液體微壓計(jì)測(cè)定,指示液為氯苯〔ρ0=1106kg/m3和水〔ρw=1000kg/m3。空氣溫度為40℃,壓力為101kPa〔絕壓,試求微差壓差計(jì)讀數(shù)為48mm時(shí)的空氣質(zhì)量流量〔kg/s。[ws：7.08kg[解]查附錄六得空氣ρ=1.128kg·m-3,μ=1.91×10-5Pa·sm·s-1查圖1-43得u/vmax=0.85所以u(píng)=0.85×9.4=7.99m·s-1kg·s-11-23在38mm×2.5mm的管路中裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì),孔板的孔徑為16.4mm,管中流動(dòng)的是20℃的甲苯,采用角接取壓法用U管壓差計(jì)測(cè)量孔板兩側(cè)的壓強(qiáng)差,以水銀為指示液,測(cè)壓連接管中充滿甲苯?，F(xiàn)測(cè)得U管壓差計(jì)的讀數(shù)為600mm,試計(jì)算管內(nèi)甲苯的流量為若干kg/h。[5.43×103[解]已知孔徑板QUOTE及管徑QUOTE,則設(shè)QUOTE,由本教材查得QUOTE由本教材附錄查得20℃甲苯的密度為866QUOTE,黏度為QUOTE。甲苯在孔板處的流速為甲苯的流量為檢驗(yàn)QUOTE值,因管內(nèi)流速為則QUOTE原假設(shè)正確。1-24在160mm×5mm的空氣管道上安裝一孔徑為75mm的標(biāo)準(zhǔn)孔板,孔板前空氣壓力為0.12MPa〔絕壓,溫度為25℃。問(wèn)當(dāng)U形液柱壓差計(jì)上指示的讀數(shù)為145mmH2O時(shí),流經(jīng)管道空氣的質(zhì)量流量為多少kg/h？[ws：628kg/h][解]kg·m-3查附錄六知μ=1.835×10-5Pa·s由查圖1-45水平段知C0=0.625m·s-1m3·h-1kg·h-1校驗(yàn)：孔口處由及Re1再查圖1-45,知C0=0.625,與原取C0=0.625相符。又孔板的壓差為145mmH2O。即1.42kPa,與孔板前空氣壓力120kPa相比甚小,可以作為不可壓縮流體處理。1-25用20℃水標(biāo)定的某轉(zhuǎn)子流量計(jì),其轉(zhuǎn)子為硬鉛〔ρf=11000kg/m3,現(xiàn)用此流量計(jì)測(cè)量20℃、101.3kPa〔絕壓下的空氣流量,為此將轉(zhuǎn)子換成形狀相同、密度為ρ?f=1150kg/m3的塑料轉(zhuǎn)子,設(shè)流量系數(shù)C[解]kg·m-3對(duì)水對(duì)空氣故第二章流體輸送機(jī)械2-1某水泵的吸入口與水池液面的垂直距離為3m,吸入管直徑為50mm的水煤氣管〔ε=0.2mm。管下端裝有一帶濾水網(wǎng)的底閥,泵吸入口處裝有一真空表。底閥至真空表間的直管長(zhǎng)8m,其間有一個(gè)90°的標(biāo)準(zhǔn)彎頭。操作是在20℃進(jìn)行。試估算：1當(dāng)泵的吸水量為20m3/h時(shí)真空表的讀數(shù)為多少？2當(dāng)泵的吸水量增加時(shí),該真空表的讀數(shù)是增加還是減小？[真空表的讀數(shù)為：[解]〔1取水池液面為上游截面0—0＇,真空表所在截面為下游截面1—1＇,并以水池液面為基準(zhǔn)水平面,在兩截面間列伯努利方程式,得因?yàn)镼UOTEQUOTEQUOTEQUOTE=5.2×104Pa〔2當(dāng)泵的吸水量增加時(shí),則u1增加,增加根據(jù)可知,該式右側(cè)初z1保持不變外,其余兩項(xiàng)均增加,因此可知當(dāng)泵的吸水量增加時(shí),該真空表的讀數(shù)增加。2-2在用水測(cè)定離心泵性能的實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)流量為26m3/h時(shí),泵出口處壓強(qiáng)表和入口處真空表的讀數(shù)分別為152kPa和24.7kPa,軸功率為2.45kW,轉(zhuǎn)速為2900r/min,若真空表和壓強(qiáng)表兩測(cè)壓口間的垂直距離為0.4m,泵的進(jìn)出口管徑相同,兩測(cè)壓口間管路流動(dòng)阻力可忽略不計(jì),試求該泵的效率,并列出該效率下泵的性能。[泵的效率[解]取20℃時(shí)水的密度ρ=998.2Kg/m在泵出口和入口處列伯努利方程u12/2g+P1/ρg+Η=u12/2g+P2/ρg+Ηf+Z∵泵進(jìn)出口管徑相同,u1=u2不計(jì)兩測(cè)壓口見(jiàn)管路流動(dòng)阻力Ηf=0∴P1/ρg+Η=P2/ρg+ZΗ=<P2-P1>/ρg+Z=0.4+<152+24.7>×103/998.2×9.8=18.46m該泵的效率η=QHρg/N=26×18.46×998.2×9.8/<2.45×103×3600>=53.1%2-3要將某減壓精餾塔塔釜中的液體產(chǎn)品用離心泵輸送至高位槽,釜中的真空度p0〔真=67kPa〔其中液體處于沸騰狀態(tài),即其飽和蒸汽壓等于釜中絕對(duì)壓強(qiáng)pv=p0〔絕。泵位于地面上,Hg=3.5m,吸入管的阻力損失Hf,0-1=0.87m。液體的密度ρ=986kg/m3,已知該泵的必需汽蝕余量Δh=3.7m[解]QUOTE因此,該泵的安裝位置不適宜。2-4擬用一臺(tái)離心泵以15m3/h的流量輸送常溫的清水,此流量下的允許吸上真空度Hs′=5.6m。已知吸入管的管內(nèi)徑為75mm,吸入管段的壓頭損失為0.5m。若泵的安裝高度為4.0m,該泵能否正常操作？設(shè)當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?8.1[解]所以該泵能正常工作。2-5用例2-1附圖所示的管路系統(tǒng)測(cè)定離心泵的氣蝕性能參數(shù),則需在泵的吸入管路中安裝調(diào)節(jié)閥門。適當(dāng)調(diào)節(jié)泵的吸入和排出管路上兩閥門的開度,可使吸入管的阻力增大而流量保持不變。若離心泵的排出管直徑為50mm,吸入管直徑為100mm,孔板流量計(jì)孔口直徑為35mm,測(cè)的流量壓差計(jì)讀數(shù)為0.85mmHg,吸入口真空表讀數(shù)為550mmHg時(shí)離心泵恰好發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。試求該流量下泵的允許氣蝕余量和吸上真空度。已知水溫為20℃,當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?60mmHg。[允許氣蝕余量：2.69m[解]確定流速：A0/A2=<d0/d2>2=<35/50>2=0.49查20℃時(shí)水的有關(guān)物性常數(shù)ρ=998.2Kg/m3,μ=100.5×10-5,PV假設(shè)C0在常數(shù)區(qū)查圖,得C0=0.694則u0=C0[2R<ρA-ρ>g/ρ]1/2=10.07m/su2=0.49u0=4.93m/s核算:Re=d2u2ρ/μ=2.46×105>2×105∴假設(shè)成立u1=u2<d2/d1>2=1.23m/s允許氣蝕余量 △h=<P1-P2>/ρg+u12/2gP1=Pa-P真空度=28.02Kpa△h=<28.02-2.3346>×103/998.2×9.81=2.允許吸上高度 Hg=<Pa-PV>/ρg-△h-∑Ηf∵離心泵離槽面道路很短可以看作∑Ηf=0∴Hg=<Pa-PV>/ρg-△h=<101.4–2.3346>×103/<998.2×9.81>–2.7=7.42-6某離心水泵在轉(zhuǎn)速為2900r/min下流量為50m3/h時(shí),對(duì)應(yīng)的壓頭為32m,當(dāng)泵的出口閥門全開時(shí),管路特性方程為He=20+0.4×105Qe2〔Qe的單位為m3/s為了適應(yīng)泵的特性,將管路上泵的出口閥門關(guān)小而改變管路特性。試求：<1>關(guān)小閥門后的管路特性方程；<2>關(guān)小閥門造成的壓頭損失占泵提供壓頭的百分?jǐn)?shù)。[管路特性方程：；關(guān)小閥門損失占泵提供壓頭的百分?jǐn)?shù)：13.4%][解]〔1關(guān)小閥門后的管路特性方程管路特性方程的通式為式中的K=Δz+Δp/ρg不發(fā)生變化,關(guān)小閥門后,管路的流量與壓頭應(yīng)與泵提供的流量和壓頭分別相等,而B值則不同,以B’表示,則有解得關(guān)小閥門后管路特性方程為關(guān)小閥門后的壓頭損失關(guān)小閥門前管路要求的壓頭為因關(guān)小閥門而多損失的壓頭為則該損失的壓頭占泵提供壓頭的百分?jǐn)?shù)為2-7某離心泵壓頭與流量的關(guān)系可表示為：H=18-0.6×106Q2〔H單位為m,Q單位為m3/s若用該泵從常壓貯水池將水抽到河道中,已知貯水池截面積為100m2,池中水深7m。輸水前池內(nèi)水面低于河道水平面2m,假設(shè)輸水河道水面保持不變,且與大氣相通。管路系統(tǒng)的壓頭損失可表示為：Hf=0.4×10Q2〔Hf單位為m,Q單位為m3/s。試求將貯水池內(nèi)水全部抽出所需時(shí)間。[所需時(shí)間[解]列出管路特性方程：Ηe=K+HfK=△Z+△P/ρg∵貯水池和渠道均保持常壓∴△P/ρg=0∴K=△Z∴Ηe=△Z+0.4×106Q2在輸水之初△Z=2m∴Ηe=2+0.4×106Q2聯(lián)立H=18-0.6×106Q2,解出此時(shí)的流量Q=4×10-3m將貯水槽的水全部抽出△Z=9m∴Ηe=9+0.4×106Q'2再次聯(lián)立H=18-0.6×106Q2,解出此時(shí)的流量Q'=3×10-3m3∵流量Q隨著水的不斷抽出而不斷變小∴取Q的平均值Q平均=〔Q+Q'/2=3.5×10-3m3把水抽完所需時(shí)間τ=V/Q平均=55.6h2-8用兩臺(tái)離心泵從水池向高位槽送水,單臺(tái)泵的特性曲線方程為：H=25-1×106Q2,管路特性曲線方程可近似表示為：He=10+1×105Qe2,式中Q的單位為m3/s,H的單位為m。試問(wèn)兩泵如何組合才能使輸液量最大？〔輸水過(guò)程為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)[并聯(lián)組合]分析：兩臺(tái)泵有串聯(lián)和并聯(lián)兩種組合方法 串聯(lián)時(shí)單臺(tái)泵的送水量即為管路中的總量,泵的壓頭為單臺(tái)泵的兩倍；并聯(lián)時(shí)泵的壓頭即為單臺(tái)泵的壓頭,單臺(tái)送水量為管路總送水量的一半。[解]①若采用串聯(lián)：則He=2H10+1×105Qe2=2×<25-1×106Q2>∴Qe=0.436×10-2m②若采用并聯(lián)：Q=Qe/225-1×106×Qe2=10+1×105<Qe/2>2∴Qe=0.383×10-2m總送水量Qe'=2Qe=0.765×10-2m∴并聯(lián)組合輸送量大2-9某單級(jí)、單動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī),活塞直徑為200mm,每分鐘往復(fù)300次,壓縮機(jī)進(jìn)口的氣體溫度為10℃、壓強(qiáng)為100kPa,排氣壓強(qiáng)為505kPa,排氣量為0.6m3/min〔按排氣狀態(tài)計(jì)。設(shè)氣缸的余隙系數(shù)為5%,絕熱總效率為70%,氣體絕熱指數(shù)為1.4,計(jì)算活塞的沖程和軸功率。[活塞的沖程：[解]〔1活塞的沖程氣體經(jīng)絕熱壓縮后出口溫度為 輸氣量〔即換算為進(jìn)口氣體狀態(tài)為第一沖程實(shí)際吸入氣體體積為壓縮機(jī)的容積系數(shù)為壓縮機(jī)中活塞掃過(guò)體積〔V1-V3可由式2-48求得,即=活塞的沖程由下式計(jì)算=即〔2軸功率應(yīng)用式2-52計(jì)算壓縮機(jī)的理論功率,即==6.55kW故壓縮機(jī)功率為第三章非均相物系分離[3-1]某種圓柱形顆粒催化劑其直徑為dp,高為h,試求等體積的當(dāng)量直徑de及球形度ψ。解：[3-2]第四章傳熱習(xí)題答案4-1一爐壁由三層不同材料組成,第一層為耐火磚,導(dǎo)熱系數(shù)為1.7W/<m·℃>,允許最高溫度為1450℃,第二層為絕熱磚,導(dǎo)熱系數(shù)為0.35W/<m·℃>,允許最高溫度為1100℃,第三層為鐵板,導(dǎo)熱系數(shù)為40.7W/<m·℃>,其厚度為6mm,爐壁內(nèi)表面溫度為1350℃,外表面溫度為220℃。在穩(wěn)定狀態(tài)下通過(guò)爐壁的熱通量為4652W/m2,試問(wèn)各層應(yīng)該多厚時(shí)才能使壁的總厚度最??？解：當(dāng)絕熱材料達(dá)到最高允許溫度時(shí),總壁厚為最小,因第二層絕熱磚已達(dá)到最高溫度,故第一層耐火磚的厚度不可再小,所以現(xiàn)在所得總厚為其最小厚度：4-2一根直徑為φ60mm×3mm的鋁銅合金鋼管,導(dǎo)熱系數(shù)為45W/<m·℃>。用30mm厚的軟木包扎,其外又用30mm厚的保溫灰包扎作為絕熱層?，F(xiàn)測(cè)得鋼管內(nèi)壁面溫度為-110℃,絕熱層外表面溫度10℃。求每米管每小時(shí)散失的冷量。如將兩層絕熱材料位置互換,假設(shè)互換后管內(nèi)壁溫度及最外保溫層表面溫度不變,則傳熱量為多少？已知軟木和保溫灰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.043和0.07W/〔m·℃>。解：兩層互換位置后,熱損失為4-3一爐壁面由225mm厚的耐火磚,120mm厚的絕熱轉(zhuǎn)及225mm厚的建筑轉(zhuǎn)所組成。其內(nèi)側(cè)壁溫1200K,外側(cè)壁溫為330K,如果其導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.4、0.2和0.7W/<m·K>,試求單位壁面上的熱損失及接觸面上的溫度。解：?jiǎn)挝幻娣e上的熱損失4-4在外徑為140mm的蒸汽管道外包扎一層厚度為50mm的保溫層,以減少熱損失。蒸汽管外壁溫度為180℃。保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ與溫度t的關(guān)系為λ=0.1+0.0002t<t的單位為℃,λ的單位為W／<m·℃>>。若要求每米管長(zhǎng)熱損失造成的蒸汽冷凝量控制在9.86·10-5kg/<m·s>,試求保溫層外側(cè)面溫度。解：查附錄有180℃蒸汽的汽化熱為2019.3kJ/kg,據(jù)蒸汽冷凝量有式中代入上式,解得4-5有直徑為φ38mm×2mm的黃銅冷卻管,假如管內(nèi)生成厚度為1mm的水垢,水垢的導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.163W/〔m·℃>。試計(jì)算水垢的熱阻是黃銅熱阻的多少倍？黃銅的導(dǎo)熱系數(shù)λ=110W/〔m·℃>。解：因?yàn)?所以可以用算術(shù)平均半徑計(jì)算導(dǎo)熱面積。管長(zhǎng)用L表示時(shí),黃銅管的熱阻為水垢的熱阻4-6冷卻水在φ19mm×2mm,長(zhǎng)為2m的鋼管中以1m/s的流速通過(guò)。水溫由288K升至298K。求管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：水的平均溫度查附錄得20℃的水的物理性質(zhì)水被加熱時(shí),n=0.44-7空氣以4m/s的流速通過(guò)φ75.5mm×3.75mm的鋼管,管長(zhǎng)5m?？諝馊肟跍囟葹?2℃,出口溫度為68℃?！?試計(jì)算空氣與管壁間的對(duì)流傳熱系數(shù)?！?如空氣流速增加一倍,其他條件均不變,對(duì)流傳熱系數(shù)又為多少？〔3若空氣從管壁間得到的熱量為578W,試計(jì)算鋼管內(nèi)壁平均溫度。解：已知〔1計(jì)算α空氣的平均溫度查附錄得空氣的物理性質(zhì)空氣被加熱n=0.4〔2空氣流速增加一倍〔3若空氣從管壁得到的熱量為578W,計(jì)算鋼管內(nèi)壁平均溫度用式計(jì)算鋼管內(nèi)壁的平均溫度tw。鋼管內(nèi)表面積鋼管內(nèi)的平均溫度4-8已知影響壁面與流體間自然對(duì)流傳熱系數(shù)α的因素有：壁面的高度L,壁面與流體間的溫度差?t,流體的物性,即流體的密度ρ,比熱容cp,黏度μ,導(dǎo)熱系數(shù)λ,流體的體積膨脹系數(shù)和重力加速度的乘積βg。試應(yīng)用量綱分析法求證其量綱與數(shù)群的關(guān)系為Nu=f<Gr·Pr>證：令寫成量綱等式對(duì)M：1=c+d+e對(duì)L：0=a+b+c+d-3e+2f對(duì)θ：-3=-2b-c-3d-2f對(duì)T：-1=-d-f根據(jù)π定律N=n-m=7-4=36個(gè)未知數(shù),4個(gè)方程,設(shè)b、f已知,則c=-2b+fe=2ba=3b-1代入原式整理得：即4-9有160℃的機(jī)油以0.3m/s的速度在內(nèi)徑為25mm的鋼管內(nèi)流動(dòng),管壁溫度為150℃。取平均溫度下的物性為：λ=132W/〔m·℃>,Pr=84,μ=4.513×10-3Pa·s,ρ=805.89kg/m3,壁溫下的黏度μw=5.518×10-3Pa·s,試求管長(zhǎng)為2m和6m的對(duì)流傳熱系數(shù)各為多少？解：〔1L=2m〔2L=6m4-10有一套管式換熱器,內(nèi)管為φ38mm×2.5mm,外管為φ57mm×3mm的鋼管,內(nèi)管的傳熱管長(zhǎng)2m。質(zhì)量流量為2530kg/h的甲苯在環(huán)隙間流動(dòng),進(jìn)口溫度為72℃,出口溫度為38℃。試求甲苯對(duì)內(nèi)管外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：甲苯的溫度T1=72℃,T2=38℃,平均Tm=55℃甲苯在55℃時(shí)的物性數(shù)據(jù)查附錄有：甲苯的質(zhì)量流量體積流量甲苯在環(huán)隙間的流速u的計(jì)算：套管的內(nèi)管外徑d1=0.038m,外管內(nèi)徑d2=0.051m流速甲苯對(duì)內(nèi)管外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算：套管環(huán)隙的當(dāng)量直徑甲苯被冷卻n=0.34-11溫度為90℃的甲苯以1500kg/h的流量通過(guò)蛇管而被冷卻至30℃。蛇管的直徑為φ57mm×3.5mm,彎曲半徑為0.6m解：甲苯的定性溫度為由附錄查得60時(shí)甲苯的物性為ρ＝830kg/m3,Cp＝1840J/<kg·℃>,μ=0.4×10－3Pa·s,λ=0.1205,則〔湍流流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí),由于受離心力的作用,增大了流體的湍動(dòng)程度,使對(duì)流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大,此時(shí)可用下式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù),即式中—彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù),；—直管中的對(duì)流傳熱系數(shù),；di—管內(nèi)徑,m；R—管子的彎曲半徑,m。4-12常壓下溫度為120℃的甲烷以10m/s的平均速度在管殼式換熱器的管間沿軸向流動(dòng)。離開換熱器時(shí)甲烷溫度為30℃,換熱器外殼內(nèi)徑為190mm,管束由37根φ19mm×2mm的鋼管組成,試求甲烷對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)?！泊穑害?62.4W／<m2·℃>>解：甲烷的定性溫度為由附錄查得75C時(shí)甲烷的物性為ρ＝0.717kg/m3,Cp＝1.70J/<kg·℃>,μ=1.03×10－5Pa·s,λ=0.0300,Pr=0.367,冷卻時(shí)n=0.3流動(dòng)截面積潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)當(dāng)量直徑則4-13質(zhì)量流量為1650kg/h的硝酸,在管徑為φ80mm×2.5mm,長(zhǎng)度為3m的水平管中流動(dòng)。管外為300kPa〔絕對(duì)壓力的飽和水蒸氣冷凝,使硝酸得到3.8×104W的熱量。試求水蒸氣在水平管外冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：據(jù)已知,飽和水蒸氣冷凝傳給硝酸的熱量為,取,估算壁溫tw300kPa〔絕對(duì)壓力時(shí),水蒸氣飽和溫度ts=133.3℃,用式估算先假設(shè)tw=128℃,定性溫度為膜溫冷凝水膜的物性參數(shù)查附錄有ρ＝934kg/m3,μ=2.16×10－4Pa·s,λ=6.86×10-1ts=133.3℃時(shí)水的汽化熱r=2168×103J/kg水蒸氣在水平管外冷凝時(shí)：用式計(jì)算此值大于硝酸吸收的熱量,說(shuō)明假設(shè)tw偏小,重新用α=11600W／<m2·℃>估算。假設(shè)tw=129℃,膜溫,與前面假設(shè)的膜溫基本一致,故冷凝水膜的物性數(shù)據(jù)一致,只是不同則用α=12200W／<m2·℃>驗(yàn)算壁溫,與假設(shè)相同。4-14水在大容器內(nèi)沸騰,如果絕對(duì)壓力保持在P=200kPa,加熱面溫度保持130℃,試計(jì)算加熱面上的熱通量q。解：P=200kPa,ts=120.2℃,tw=130℃,?t=tw-ts=130-120.2=9.8℃水沸騰時(shí)則4-15載熱體的流量為1500kg/h,試計(jì)算下列過(guò)程中載熱體放出或吸收的熱量。〔1100℃的飽和水蒸氣冷凝成100℃的水；〔2苯胺由383K降至283K；〔3常壓下20℃的空氣加熱到150℃；〔4絕對(duì)壓力為250KPa的飽和水蒸氣冷凝成40℃的水。解：〔1水蒸氣冷凝：r=2258kJ/kg〔2苯胺：放熱量〔3空氣加熱：吸熱量〔4飽和水蒸氣：P=250kPa,ts=127℃,r=2185kJ/kg,冷凝水從ts=127℃降至t2=40℃,放熱量4-16在管殼式換熱器中用冷水冷卻油。水在直徑為φl(shuí)9mm×2mm的列管內(nèi)流動(dòng)。已知管內(nèi)水側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)為3490W／<m2·℃>,管外油側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)為258W／<m2·℃>。換熱器在使用一段時(shí)間后,管壁兩側(cè)均有污垢形成,水側(cè)污垢熱阻為0.00026m2·℃／W,油側(cè)污垢熱阻為0.000176m2·℃／W。管壁導(dǎo)熱系數(shù)λ為45W／<m·℃>。試求：<1>基于管外表面積的總傳熱系數(shù)；<2>產(chǎn)生污垢后熱阻增加的百分?jǐn)?shù)。解：熱阻增加的百分?jǐn)?shù)為4-17在并流換熱器中,用水冷卻油。水的進(jìn)、出口溫度分別為15℃和40℃,油的進(jìn)、出口溫度分別為150℃和100℃?，F(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)要求油的出口溫度降至80℃,假設(shè)油和水的流量、進(jìn)口溫度及物性均不變,若原換熱器的管長(zhǎng)為1m。試求此換熱器的管長(zhǎng)增至若干米才能滿足要求。設(shè)換熱器的熱損失可忽略。解：變化前變化后物性數(shù)據(jù)不變時(shí),由,故變化前后傳遞的熱量變化由,故變化前后K不變時(shí)1.44-18重油和原油在單程套管換熱器中呈并流流動(dòng),兩種油的初溫分別為243℃和128℃；終溫分別為167℃和157℃。若維持兩種油的流量和初溫不變,而將兩流體改為逆流,試求此時(shí)流體的平均溫度差及它們的終溫。假設(shè)在兩種流動(dòng)情況下,流體的物性和總傳熱系數(shù)均不變化,換熱器的熱損失可以忽略。解：由題意得：并流時(shí)：熱流體〔重油：T1=243℃→T2=167℃冷流體〔原油：t1=128℃→t2=157℃改為逆流后：熱流體〔重油：T1=243℃→T2′=？冷流體〔原油：t2′=？←t1=128℃同理：——〔1——〔2又——〔3由〔1〔2〔3解得t2′=161.41℃；T2′=155.443℃4-19某廠用0.2MPa〔表壓的飽和蒸汽〔冷凝熱為2169KJ/Kg,溫度為132.9℃將環(huán)丁砜水溶液由105℃加熱至115℃后送入再生塔。已知流量為200m3/h,溶液的密度為1080kg/m3,比熱容為2.93KJ/<Kg·℃>,試求水蒸氣消耗量,又設(shè)所用傳熱器的總傳熱系數(shù)為700W／<m2·℃>,試求所需的傳熱面積。解：蒸汽消耗量4-20在一管殼式換熱器中,用冷水將常壓下純苯蒸氣冷凝成飽和液體。苯蒸氣的體積流量為1650m3／h,常壓下苯的沸點(diǎn)為80.1℃,汽化熱為394kJ/kg。冷卻水的進(jìn)口溫度為20℃,流量為36000kg／h,水的平均比熱容為4.18KJ／<kg·℃>。若總傳熱系數(shù)Ko為450W/<m2·℃>,試求換熱器傳熱面積S解：苯蒸氣的密度為解出℃求苯80.1→80.1水31.620————————————————48.560.14-21一傳熱面積為50m2的單程管殼式換熱器中,用水冷卻某種溶液。兩流體呈逆流流動(dòng)。冷水的流量為33000kg／h,溫度由20℃升至38℃。溶液的溫度由110℃降至60℃。若換熱器清洗后,在兩流體的流量和進(jìn)口溫度不變的情況下,冷水出口溫度增到45℃。試估算換熱器清洗前傳熱面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)：<1>兩種情況下,流體物性可視為不變,水的平均比熱容可取為4.187kJ/<kg·℃>；<2>可按平壁處理,兩種工況下αi和αo解：求清洗前總傳熱系數(shù)K求清洗后傳熱系數(shù)由熱量衡算清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻4-22在一逆流套管換熱器中,冷、熱流體進(jìn)行熱交換。兩流體的進(jìn)、出口溫度分別為t1=20℃、t2=85℃,T1=100℃、T2=70℃。當(dāng)冷流體的流量增加一倍時(shí),試求兩流體的出口溫度和傳熱量的變化情況。假設(shè)兩種情況下總傳熱系數(shù)可視為相同,換熱器熱損失可忽略。解：熱：T1=100℃→T2=70℃冷：t2=85℃←t1=20℃熱流體放熱Q放=qmhCph〔T1-T2冷流體吸熱Q吸=qmcCpc〔t1-t2由傳熱Q=KSΔtm,∴Q=29.07KS冷流體流量增加一倍后：熱：T1=100℃→T2,冷：t2←t1=20℃而K,S不變,又,用試差法得t2′=63.8℃；T2′=59.8℃∴Q′/Q=1.344-23一定流量的空氣在蒸汽加熱器中從20℃加熱到80℃。空氣在換熱器的管內(nèi)呈湍流流動(dòng)。絕壓為180kPa的飽和水蒸氣在管外冷凝?，F(xiàn)因生產(chǎn)要求空氣流量增加20％,而空氣的進(jìn)、出口溫度不變。試問(wèn)應(yīng)采取什么措施才能完成任務(wù)。作出定量計(jì)算。假設(shè)管壁和污垢熱阻均可忽略?！泊穑簩柡驼羝麎簭?qiáng)提高到200kPa>解：絕壓為180kPa的飽和水蒸氣溫度為116.6℃則原工況：〔1流量加倍后,空氣進(jìn)、出口溫度不變：〔2〔2/〔1得：解得：℃。即加熱蒸汽應(yīng)上升為200kPa。4-24液態(tài)氨儲(chǔ)存于壁面鍍銀的雙層壁容器內(nèi),兩壁間距較大。外壁表面溫度為20℃,內(nèi)壁外表面溫度為-180℃,鍍銀壁的黑度為0.02,試求單位面積上因輻射而損失的冷量。解：按一物體被包住處理：φ=14-25黑度分別為0.3和0.5的兩個(gè)大的平行板,其溫度分別維持在800℃和370℃,在它們中間放一個(gè)兩面的黑度皆為0.05的輻射遮熱板,試計(jì)算：〔1沒(méi)有輻射遮熱板時(shí),單位面積的傳熱量為多少？〔2有輻射遮熱板時(shí),單位面積的傳熱量？〔3輻射遮熱板的溫度？解：〔1〔2〔3穩(wěn)定狀態(tài)下：第六章吸收習(xí)題參考答案〔注：紅色字體標(biāo)注部分對(duì)教材所給答案進(jìn)行了修正,請(qǐng)核查[6-1]含有8%〔體積分?jǐn)?shù)的某種混合氣體與水充分接觸,系統(tǒng)溫度為20℃,總壓為101.3kPa。試求達(dá)平衡時(shí)液相中的物質(zhì)的量濃度。解：混合氣體按理想氣體處理,則在氣相中的分壓為為難溶于水的氣體,故氣液平衡關(guān)系符合亨利定律,并且溶液的密度可按純水的密度計(jì)算。查得20℃水的密度為=998.2。由,故查表8-1可知,20℃時(shí)在水中的亨利系數(shù)E=1.23kPa,故[6-2]總壓為101.3kPa,溫度為20℃的條件下,使含二氧化硫?yàn)?.0％〔體積分?jǐn)?shù)的混合空氣與含二氧化硫?yàn)?50的水溶液接觸。試判斷二氧化硫的傳遞方向,并計(jì)算以二氧化硫的分壓和液相摩爾分?jǐn)?shù)表示的總傳質(zhì)推動(dòng)力。已知操作條件下,亨利系數(shù)E=3.55kPa,水溶液的密度為998.2kg/。解：由道爾頓分壓定律液相摩爾分?jǐn)?shù)為〔溶液近似按純水計(jì)算：稀溶液符合亨利定律,所以：＞,二氧化硫由氣相向液相傳遞,進(jìn)行吸收過(guò)程。用氣相分壓表示的總推動(dòng)力為：與氣相濃度相平衡的液相平衡濃度：用液相摩爾分?jǐn)?shù)表示的總推動(dòng)力為：[6-3]在某填料塔中用清水逆流吸收混于空氣的,空氣中的體積分?jǐn)?shù)為8.5%,操作條件為15℃、405.3kPa,15℃時(shí)在水中的亨利系數(shù)為1.24kPa,吸收液中的組成為。試求塔底處吸收總推動(dòng)力、、、、和。解：相平衡常數(shù)為由亨利定律由道爾頓分壓定律由亨利定律吸收液的密度可近似按純水計(jì)算,查手冊(cè)得,15℃水的密度為998.95則吸收液的摩爾比為混合氣的摩爾比為塔底處吸收總推動(dòng)力為[6-4]在填料吸收塔內(nèi)用水吸收混合于空氣中的甲醇,已知某截面上的氣液兩相組成為,設(shè)在一定的操作溫度、壓力下,甲醇在水中的溶解度系數(shù)H為0.5,液膜吸收系數(shù)為,氣膜吸收系數(shù)為。試求以分壓表示吸收總推動(dòng)力、總阻力、總傳質(zhì)速率并分析阻力的分配情況。解：以分壓表示吸收總推動(dòng)力總阻力總傳質(zhì)速率液相阻力的分配由計(jì)算結(jié)果可以看出此吸收過(guò)程為液相傳質(zhì)阻力控制過(guò)程。[6-5]用填料塔在101.3及20℃下,以清水吸收混合于空氣中的甲醇蒸氣。若在操作條件下平衡關(guān)系符合亨利定律,甲醇在水中的亨利系數(shù)為27.8。測(cè)得塔內(nèi)某截面處甲醇的氣相分壓為6.5,液相組成為2.615,液膜吸收系數(shù),氣相總吸收系數(shù)。求該截面處:〔1膜吸收系數(shù)、及；[；；]〔2總吸收系數(shù)、、、及；[；；]〔3吸收速率。[]解：〔1溶液中溶質(zhì)含量很低,近似以純水的密度代替溶液的密度,查附錄得,20℃時(shí)水的密度為998.2kg/m3。溶解度系數(shù)〔2相平衡常數(shù)〔3[6-6]用清水除去與空氣混合氣中的。操作條件20℃,101.3kPa下,混合氣的流量為1000,其中含體積分?jǐn)?shù)為9%,要求的回收率為90%。若吸收劑用量為理論最小用量的1.5倍,試計(jì)算：〔1吸收劑用量及塔底吸收液的組成；〔2當(dāng)用含0.0003〔物質(zhì)的量比的水溶液作為吸收劑時(shí),欲保持二氧化硫回收率不變,吸收劑用量有何變化？塔底吸收液組成變?yōu)槎嗌伲?01.3kPa,20℃條件下在水中的平衡數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。汽-液平衡組成溶液摩爾比X氣相中平衡摩爾比Y溶液摩爾比X氣相中平衡摩爾比Y解按題意進(jìn)行組成換算：進(jìn)塔氣體中的組成為出塔氣體中的組成為進(jìn)吸收塔惰性氣體的摩爾流量為由表中X-Y數(shù)據(jù),采用內(nèi)插法得到與氣相進(jìn)口組成相平衡的液相組成?！?實(shí)際吸收劑用量塔底吸收液的組成由全塔物料衡算求得〔2吸收率不變,即出塔氣體中的組成=0.0099,而=0.0003所以實(shí)際純吸收劑用量塔底吸收液的組成由全塔物料衡算求得含0.0003〔物質(zhì)的量比的水溶液用量為：其中[6-7]在填料塔中用循環(huán)溶劑吸收混合氣中的溶質(zhì)。進(jìn)塔氣體組成為0.091〔溶質(zhì)摩爾分率,入塔液相組成為21.74g溶質(zhì)/kg溶液。操作條件下氣液平衡關(guān)系為。當(dāng)液氣比L/V為0.9時(shí),試求逆流的最大吸收率和出塔溶液的濃度。已知溶質(zhì)摩爾質(zhì)量為40kg/kmol,溶劑摩爾質(zhì)量為18kg/kmol。解：先將已知的氣液相組成換算為摩爾比,即逆流操作,且,平衡線與操作線交點(diǎn)位置在塔頂,即此時(shí)吸收液相組成[6-8]在一直徑為1.2的填料塔內(nèi),用清水吸收某工業(yè)廢氣中所含的二氧化硫氣體?；旌蠚獾奶幚砹繛?00,其中二氧化硫的體積分?jǐn)?shù)為5％,要求回收率為95％,吸收劑用量為最小用量的1.5,已知操作條件下氣液平衡關(guān)系為,氣相總體積吸收系數(shù)為220。求水的用量<及所需的填料層高度。[5843；4.86]解：〔1由已知可知,惰性氣體流量最小吸收劑用量實(shí)際用水量〔2填料層高度[6-9]在一逆流操作的吸收塔中用清水吸收氨和空氣混合氣中的氨,惰性氣流量為0.025,混合氣入塔含氨0.02〔摩爾比,出塔含氨0.001〔摩爾比。吸收塔操作時(shí)的總壓為101.3,溫度為293K,在操作濃度范圍內(nèi),氨水系統(tǒng)的平衡方程為,總傳質(zhì)系數(shù)為0.0522。若塔徑為1m,實(shí)際液氣比為最小液氣比的1.2倍,求所需塔高度。[]解：最小液氣比液相出口濃度平均推動(dòng)力惰性氣體摩爾流量傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)所需塔高[6-10]用清水逆流吸收混合氣體中的,已知混合氣體的流量為300〔標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,進(jìn)塔氣體中含量為0.06〔摩爾分?jǐn)?shù),操作液-氣比為最小液-氣比的1.6倍,傳質(zhì)單元高度為0.8。操作條件下物系的平衡關(guān)系為。要求吸收率為95％,試求：〔1吸收液組成及吸收劑流量；[；]〔2寫出操作線方程；[]〔3填料層高度。[]解〔1由已知可知,惰性氣體流量最小液-氣比操作液-氣比吸收劑流量吸收液組成〔2操作線方程整理得〔3填料層高度[6-11]一填料吸收塔,在28℃及101.3下操作,用清水吸收200氨-空氣混合氣中的氨,使其中氨含量由5％降低到0.04％〔均為摩爾百分?jǐn)?shù)。填料塔直徑為0.8,填料層體積為3,平衡關(guān)系為,已知=38.5?！?出塔氨水濃度為出口最大濃度的80％時(shí),該塔能否使用？〔該塔不能使用〔2若在上述操作條件下,將吸收劑用量增大10％,該塔能否使用？〔注：在此條件下不會(huì)發(fā)生液泛〔該塔合用解：〔1惰性氣體流量該塔現(xiàn)在有填料層高度因?yàn)?所以該塔不能使用?！?吸收劑用量增大10%時(shí)因?yàn)?所以該塔合用。[6-12]一填料塔用清水逆流吸收混合氣中的有害組分。已知操作條件下氣相總傳質(zhì)單元高度為1.5,進(jìn)塔混合氣相組成為0.04〔的摩爾分率,下同,出塔尾氣組成為0.0053,出塔水溶液濃度為0.0128,操作條件下平衡關(guān)系為。試求：〔1液氣比為最小液氣比的多少倍？〔〔2所需填料層高度？〔〔3若氣液流量和初始組成不變,要求尾氣組成為0.0033,求此時(shí)所需的填料層高度?！步猓骸?則〔2所需填料層高度故〔3其他條件不變,尾氣組成為0.0033時(shí)的填料層高度。[6-13]廠內(nèi)有一直徑880,填料層高6的填料吸收塔,所用填料為拉西環(huán),每小時(shí)處理2000、含5％〔體積分?jǐn)?shù)丙酮的空氣〔25℃,1。用水作溶劑,塔頂送出的廢氣含丙酮0.263％〔體積分?jǐn)?shù),塔底送出的溶液每千克含丙酮61.2,根據(jù)上述測(cè)出數(shù)據(jù),計(jì)算氣相體積總傳質(zhì)系數(shù),在此操作條件下平衡關(guān)系為,目前情況下每小時(shí)可回收多少丙酮？若把填料層加高3,又可回收多少丙酮？〔,；解：〔1〔2每小時(shí)所能回收的丙酮量為：〔3填料層加高3m,即z=9m,因而有：[6-14]某吸收塔在101.3、293K下用清水逆流吸收丙酮-空氣混合物中的丙酮,當(dāng)操作液氣比為2.1時(shí),丙酮回收率可達(dá)95％。已知物系在低濃度下的平衡關(guān)系為,操作范圍內(nèi)總傳質(zhì)系數(shù)近似與氣體流量的0.8次方成正比。今氣體流量增加20％,而液體量及氣液進(jìn)口含量不變,試求：〔1丙酮的回收率有何變化？〔2單位時(shí)間內(nèi)被吸收的丙酮增加多少？〔3吸收塔的平均推動(dòng)力有何變化？〔；1.167；解：對(duì)于低濃度吸收,可近似以摩爾分?jǐn)?shù)代替摩爾比,具體計(jì)算如下原工況由回收率定義可求出氣體出口含量由物料衡算式可計(jì)算液體出口含量吸收塔的平均推動(dòng)力傳質(zhì)單元數(shù)新工況：傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)由物料衡算式〔a由吸收過(guò)程基本方程式〔b由式〔a、式<b>求得新工況的丙酮回收率：在單位時(shí)間內(nèi)新、舊工況所回收的丙酮量之比為新工況下的平均推動(dòng)力第七章蒸餾習(xí)題參考答案[7-1]苯和甲苯在92℃時(shí)的飽和蒸汽壓分別為143.73和57.6,苯-甲苯的混合液中苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.4。試求：在92℃混合液中各組分的平衡分壓、系統(tǒng)壓力及平衡蒸汽組成。此溶液可視為理想溶液。[苯57.492、甲苯34.56、系統(tǒng)壓力92.025、、]解：根據(jù)拉烏爾定律,理想溶液上方的平衡分壓為[7-2]在連續(xù)精餾塔中分離苯〔和甲苯〔兩組分理想溶液。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得：塔頂全凝器,第一層理論板的溫度計(jì)讀數(shù)為83℃,壓力表讀數(shù)；塔釜溫度計(jì)讀數(shù)為112℃,壓力表讀數(shù)。試計(jì)算塔頂、塔釜的兩產(chǎn)品組成和相對(duì)揮發(fā)度。兩純組分的飽和蒸汽壓用安托尼方程計(jì)算。當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3。〔安托尼方程表達(dá)式為：；苯：A=6.03055、B=1121.033、C=220.79；甲苯：A=6.07954、B=1344.8、C=219.482[、：、]解：〔1塔頂餾出液的組成及相對(duì)揮發(fā)度對(duì)于理論板,氣液相組成互為平衡,兩相溫度相等,塔頂?shù)谝粚永碚摰臍庀嘟M成即餾出液組成。將℃代入安托尼方程求得總壓力為則對(duì)于理想物系,相對(duì)揮發(fā)度為〔2塔釜組成及相對(duì)揮發(fā)度用塔頂相同的方法計(jì)算。將℃代入安托尼方程求得。則[7-3]將含24％〔摩爾分?jǐn)?shù),下同輕組分的某液體混合物送入一連續(xù)精餾塔中。要求餾出液含95％易揮發(fā)組分,釜液含3％易揮發(fā)組分。送至冷凝器的蒸汽摩爾流量為850,流入精餾塔的回流液量為670。試求：①每小時(shí)能獲得多少千摩爾的餾出液？多少千摩爾的釜液？②回流比R為多少？[①、；②]解：〔1由全塔物料衡算得：〔2[7-4]在連續(xù)精餾塔中分離甲醇〔A水溶液。原料液的處理量為3250,其中甲醇含量0.37〔摩爾分?jǐn)?shù),下同,泡點(diǎn)進(jìn)料,操作回流比為2.5。要求餾出液中甲醇的收率為94％,組成為0.96。試求：①餾出液流量及釜?dú)堃旱牧髁亢徒M成；②精餾段、提餾段的汽、液相流量；③欲獲得餾出液46,其最大可能的組成；④若保持餾出液組成為0.96,可能獲得的最大餾出液量。[①、、；②、；、；③；④]解：將原料液的流量變?yōu)槟柫髁俊?由題意知：〔2精餾段的汽、液相流量提餾段的汽、液相流量：泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí),q=1〔3當(dāng)理論板層數(shù)為無(wú)窮多時(shí),輕組分的收率