化工基础学习知识原理例题.doc

,. 第一章 流体流动 例1.高位槽内的水面高于地面8m，水从φ1084mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按∑ｈf = 6.5 u2 计算，其中u为水在管道的流速。试计算： ⑴ A—A 截面处水的流速； ⑵ 水的流量，以m3/h计。 解：设水在水管中的流速为u ，在如图所示的1—1, ，2—2,处列柏努力方程 Z1ｇ+ 0 + Ｐ1/ρ= Z2ｇ+ ｕ2／2 + Ｐ2/ρ + ∑ｈf （Z1 - Z2）g = u2/2 + 6.5u2 代入数据 (8-2)9.81 = 7u2 , u = 2.9m/s 换算成体积流量 qV = uA= 2.9 π/4 0.12 3600 = 82 m3/h 例2.本题附图所示为冷冻盐水循环系统，盐水的密度为1100kg／m3，循环量为36m3。管路的直径相同，盐水由A流经两个换热器而至B的能量损失为98.1J／kg，由B流至A的能量损失为49J／kg，试求：（1）若泵的效率为70%时，泵的抽功率为若干kw？（2）若A处的压强表读数为245.2103Pa时，B处的压强表读数为若干Pa？ : M: l5 y& u0 A7 I: G% g解：（1）由A到B截面处作柏努利方程 0 K* I9 d$ `8 V1 L 0+uA2/2+PA/ρ=ZBg+uB2/2+PB/ρ+9.815 ~! p; CX9 X7 }+ ? 管径相同得uA=uB ∴（PA-PB）/ρ=ZBg+9.81* e1 W: a7 e% u, k9 Y1 o- H" x 由B到A段，在截面处作柏努力方程B ZBg+uB2/2+PB/ρ+W=0+uA2+PA/ρ+49 ( b; [4 l5 }8 o ∴W=（PA-PB）/ρ- ZBg+49=98.1+49=147.1J/kg 3 L& P- @" D8 i4 N0 F ∴qm= qvρ=36/36001100=11kg/s - q- i3 M# a$ R/ y) p5 | Pe= qmW=147.111=1618.1w% E5 |0 W* y Z% ]( ?* I( V8 b 泵的抽功率N= Ne /76%=2311.57W=2.31kw1 s$ m& Z6 P! K) R: g; Q （2）由第一个方程得（PA-PB）/ρ=ZBg+9.81得7 a6 W, @" R# w+ E& v9 v PB=PA-ρ（ZBg+9.81） * |% A" K+ {* {$ m) c=245.2103-1100(79.81+98.1)$ M) z: B8 f. q3 u4 L =6.2104Pa: y7 W- m# z m" X; p 例3.用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示。管路的直径均为Ф762.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.6610Pa,水流经吸入管与排处管（不包括喷头）的能量损失可分别按∑ｈf,1=2u，∑hf,2=10u2计算，由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速ｍ/s。排水管与喷头连接处的压强为98.0710Pa（表压）。试求泵的有效功率。 解：总能量损失∑hf=∑hf,1+∑hf，2 在截面与真空表处取截面作方程： z0g+u02/2+P0/ρ=z1g+u2/2+P1/ρ+∑hf，1 （ P0-P1）/ρ= z1g+u2/2 +∑hf，1 ∴u=2m/s ∴qm= qvρ=7.9kg/s 在真空表与排水管-喷头连接处取截面 z1g+u2/2+P1/ρ+W=z2g+u2/2+P2/ρ+∑hf，2 ∴We= z2g+u2/2+P2/ρ+∑hf，2-（ z1g+u2/2+P1/ρ） =12.59.81+（98.07+24.66）/998.210+102 =285.97J/kg Pe= qmW =285.977.9=2.26kw 例4. 用压缩空气将密度为1100kg/m3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液位恒定。管路直径均为ф603.5mm，其他尺寸见本题附图。各管段的能量损失为∑ｈf，AB=∑ｈf，CD=u2，∑ｈf，BC=1.18u2。两压差计中的指示液均为水银。试求当R1=45mm，h=200mm时：（1）压缩空气的压强P1为若干？（2）U管差压计读数R2为多少？ 解：对上下两槽取截面列柏努力方程 0+0+P1/ρ=Zg+0+P2/ρ+∑ｈf ∴P1= Zgρ+0+P2 +ρ∑ｈf =109.811100+1100（2u2+1.18u2） =107.9110+3498u 在压强管的B，C处去取截面，由流体静力学方程得 PB+ρg（x+R1）=Pc +ρg（hBC+x）+ρ水银R1g PB+11009.81（0.045+x）=Pc +11009.81（5+x）+13.6109.810.045 PB-PC=5.95104Pa 在B，C处取截面列柏努力方程 0+uB/2+PB/ρ=Zg+uc2/2+PC/ρ+∑ｈf，BC ∵管径不变，∴ub=u c PB-PC=ρ（Zg+∑ｈf，BC）=1100（1.18u2+59.81）=5.95104Pa u=4.27m/s 压缩槽内表压P1=1.23105Pa （2）在B，D处取截面作柏努力方程 0+u2/2+PB/ρ= Zg+0+0+∑ｈf，BC+∑ｈf，CD PB=（79.81+1.18u2+u2-0.5u2）1100=8.35104Pa PB-ρgh=ρ水银R2g 8.35104-11009.810.2=13.6109.81R2 R2=609.7mm 例5. 从设备送出的废气中有少量可溶物质，在放空之前令其通过一个洗涤器，以回收这些 物质进行综合利用，并避免环境污染。气体流量为3600m/h，其物理性质与50℃的空气基本相同。如本题附图所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的U管压差计，起读数为30mm。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，放空机与鼓风机进口的垂直距离为20m，已估计气体通过塔内填料层的压强降为1.9610Pa。管壁的绝对粗糙度可取0.15mm，大气压强为101.3310。求鼓风机的有效功率。 解：查表得该气体的有关物性常数ρ=1.093 , μ=1.9610-5Pas 气体流速 u = 3600/(36004/π0.252) = 20.38 m/s 质量流量 qm = 20.384/π0.2521.093 =1.093 Kg/s 流体流动的雷偌准数 Re = duρ/μ= 2.84105 为湍流型 所有当量长度之和 ι总=ι+Σιe=50m ε取0.15时 ε/d = 0.15/250= 0.0006 查表得λ=0.0189 所有能量损失包括出口,入口和管道能量损失 即: ∑ｈ= 0.5u2/2 + 1u2/2 + (0.018950/0.25) u2/2 =1100.66J/kg 在1-1﹑2-2两截面处列伯努利方程 u2/2 + P1/ρ+ W = Zg + u2/2 + P2/ρ + ∑ｈ W = Zg + (P2- P1)/ρ+∑ｈ 而1-1﹑2-2两截面处的压强差 P2- P1 = P2-ρ水gh = 1.96103 - 1039.8131103 = 1665.7 Pa ∴W = 2820.83 W/Kg 泵的有效功率 pe = Weqm = 3083.2W = 3.08 KW 例6.如本题附图所示，，贮水槽水位维持不变。槽底与内径为100mm 的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15m 处安有以水银为指示液的U管差压计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的长度为20m。 （1）.当闸阀关闭时，测得R=600mm，h=1500mm；当闸阀部分开启时，测的R=400mm，h=1400mm。摩擦系数可取0.025，管路入口处的局部阻力系数为0.5。问每小时从管中水流出若干立方米。 （2）.当闸阀全开时，U管压差计测压处的静压强为若干（Pa，表压）。闸阀全开时le/d≈15，摩擦系数仍取0.025。 解: ⑴根据流体静力学基本方程, 设槽面到管道的高度为x ρ水g(h+x)= ρ水银gR 103(1.5+x) = 13.61030.6 x = 6.6m 部分开启时截面处的压强 P1 =ρ水银gR -ρ水gh = 39.63103Pa 在槽面处和1-1截面处列伯努利方程 Zg + 0 + 0 = 0 + u2/2 + P1/ρ + ∑ｈ 而∑ｈ= ［λ(ι+Σιe)/d +ζ］ u2/2 = 2.125 u2 ∴6.69.81 = u2/2 + 39.63 + 2.125 u2 u = 3.09/s 体积流量qm = uAρ= 3.09π/4(0.1)23600 = 87.41m3/h ⑵ 闸阀全开时 取2-2,3-3截面列伯努利方程 Zg = u2/2 + 0.5u2/2 + 0.025(15 +l/d)u2/2 u = 3.47m/s 取1-1﹑3-3截面列伯努利方程 P1/ρ = u2/2 + 0.025(15+ι/d)u2/2 ∴P1 = 3.7104Pa 例7.用效率为80%的齿轮泵将粘稠的液体从敞口槽送至密闭容器中，两者液面均维持恒定，容器顶部压强表读数为30103Pa。用旁路调节流量，起流程如本题附图所示，主管流量为14m3/h，管径为φ663mm，管长为80m（包括所有局部阻力的当量长度）。旁路的流量为5m3/h，管径为Φ322.5mm，管长为20m（包括除阀门外的管件局部阻力的当量长度）两管路的流型相同，忽略贮槽液面至分支点o之间的能量损失。被输送液体的粘度为50mPas，密度为1100kg/m3，试计算：（1）泵的轴功率（2）旁路阀门的阻力系数。$ n6 f, P$ ]+ e& R1 f4 }7 Y7 Y- v4 h; l 解：⑴泵的轴功率 " W8 u! v. ~: V$ u+ O4 w* b分别把主管和旁管的体积流量换算成流速% ?+ u5 p* C& `- ^. h& z 主路流速 u = qV/A = 14/[3600(π/4)(60)210-6]# J8 J" O, x V9 ^ = 1.38 m/s 4 L( ]* f. L1 M# V2 p% a$ V8 R: s$ _旁路流速 u1 = qV1/A = 5/[3600(π/4)(27)210-6] ! U) |8 f# N/ G5 N& D% P4 V/ P7 e, n = 2.43 m/s + E/ N5 [( C. G- Y% a先计算主管流体的雷偌准数7 D1 j- `0 A3 \& K4 m Re = duρ/μ= 1821.6 < 2000 属于滞流 % t( w2 W; D8 E! U# za摩擦阻力系数可以按下式计算8 L" N% P- a3 O! w# m! P, r λ= 64/ Re = 0.03513 " @1 J# L" x5 B7 Z2 z" MB$ h在槽面和容器液面处列伯努利方程 : F1 o- A0 x4 s0 A W= Z2g + P2/ρ+ ∑ｈf( ^, L, Y/ g: G/ f _, w = 59.81 + 30103/1100 + 0.035131.38280/(6010-3)4 k+ i% {6 `8 C1 F4 t =120.93 J/Kg. a2 {0 f( w) L1 u 主管质量流量 qm= uAρ= 1.38(π/4)(60)21100 0 a- v+ p+ w! A+ a e = 5.81Kg/s " K4 r; ?& D$ Y. K泵的轴功率 pe/η= Wqm/η = 877.58 W 2 C4 D3 V5 l* p, I. \- x0 Q =0.877KW $ |; {7 V( r# {⑵旁路阀门的阻力系数( b5 a" N6 K+ `- p+ j 旁管也为滞流 其摩擦阻力系数λ1 = 64/ Re1 = 0.04434: l4 I`6 H! N5 O) H6 u3 ] 有效功W = 0+ u12/2 + 0 + ∑ｈf s9 M: b0 S5 V5 n* r# G& ^2 c) c ∴旁路阀门的阻力系数 ε= (W -u12/2 -λ?u12/2?20/d1)- 2/u12= 7.11 例8. 第四章 传热 例9.在200kPa、20℃下，流量为60m3/h的空气进入套管换热器的内管，并被加热到80℃，内管的直径为Ф573.5mm，长度为3m。试求管壁对空气的对流传热系数。 解：定性温度=（20+80）/2=50℃。50℃下空气性质 λ=2.8310-2W/（m.℃）；μ=1.9610-5Pa.s；Pr=0.698 空气在进口处的速度： 空气在进口处的密度 空气的质量流速 例10.在一室温为20℃的大房间中，安有直径为0.1m、水平部分长度为10m、垂直部分高度为1.0m之蒸汽管道，若管道外壁平均温度为120℃，试求该管道因自然对流的散热量。 解：大空间自然对流的α可由式计算，即： ，该温度下空气的有关物性由附录查得： ，， （1）水平管道的散热量Q1 其中 所以 由表查得：， 所以 （2）垂直管道的散热量 由表查得：， 所以 蒸汽管道总散热量为： 例11.换热器由长度为1.5m，外径为89mm，正三角形错列圆钢管组成。常压下空气在管外垂直流过，最大流速8m/s ，进口温度10 C，出口温度50 C , 管束有20排，每排20根管子，管中心距为110mm，管内有饱和蒸汽冷凝。求管壁对空气的平均对流传热系数。 例12. 在逆流换热器中，用初温为20oC的水将1.25kg/s的液体［比热容为1.9kJ/（kgoC）、密度为850kg/m3］，由80oC冷却到30oC。换热器的列管直径为252.5mm，水走管方。水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85 kW/（m2oC）和1.70 kW/（m2oC），污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50oC，试求换热器的传热面积。 解：由传热速率方程知 其中 kw oC W/（m2oC） 所以 m2 例13.重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243oC和128oC；终温分别为167oC和157oC。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的热损失可以忽略。 解：以上标“”表示并流的情况。由传热速率和热量衡算式知： 两式相除，得 （a） 将和比定律应用于上式，得 而 oC 所以 或 （b） 由式a得 即 （c） 联立式b和式c解得 t2=161.3 oC T2=155.4 oC 所以 oC 例14.在一单程列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度为160 oC的饱和蒸汽在壳程冷凝（排出时为饱和液体），原料油在管程流动，并由20 oC加热到106 oC。列管换热器尺寸为：列管直径为192mm，管长为4m，共有25根管子。若换热器的传热量为125kW，蒸气冷凝传热系数为7000W/（m2oC），油侧污垢热阻可取为0.0005 m2oC /W，管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略，试求管内油侧对流传热系数。 又若油的流速增加一倍，此时若换热器的总传热系数为原来总传热系数的1.75倍，试求油的出口温度。假设油的物性不变。 解：（1）管内油侧α1： oC W/（m2oC） 即 解得 αi=360 W/（m2oC） （2）油的出口温度： 由热量衡算得 而 W/（m2oC） 所以 （a） 由总传热速率方程得 （b） 联合式a和式b，得 oC 例15.流量为720kg/h的常压饱和水蒸气在直立的列管外冷凝，列管换热器直径为Φ252.5 mm，管长为2m，列管外壁温度为94 C ，试按冷凝要求估算列管根数。 解：查常压下水蒸气的有关物性数据：T=100℃ 第五章 吸收 例16. 根据附图所列双塔吸收的五种流程布置方案，示意绘出与各流程相对应的平衡线和操作线，并用图中边式浓度的符号标明各操作线端点坐标。 例17.在填料塔中用清水吸收氨与空气的混合气中的氨。混合气流量为1500标，氨所占体积分率为5%，要求氨的回收率达95%。已知塔内径为0.8m，填料单位体积有效传质面积，吸收系数。取吸收剂用量为最少用量的1.5倍。该塔在30℃和压力下操作，在操作条件下的平衡关系为，试求： （1） 出塔溶液浓度x1； （2） 用平均推动力法求填料层高度Z； （3） 用吸收因数法求Z。 解： 例18.某填料吸收塔，用清水吸收某气体混合物中的有害物质A，若进塔气中含A　5%（体积%），要求吸收率为90%，气体流率为，液体流率为，此时的液气比是最小液气比的1.5倍。如果物质服从亨利定律（即平衡关系为直线），并已知液相传质单元高度为0.44m，气相体积传质分系数，试求： （1） 塔底排出液组成x1； （2） 用吸收因数法求所需填料层高度Z； （3）用平均推动力法求Z。 解： 例19.有一吸收塔，填料层高度为3m，在常压、20℃用清水来吸收氨和空气混合气体中的氨。吸收率为99%，进口气体中含氨6%（体积%），进口气体速率为580，进口清水速率为770，假设在等温条件下逆流吸收操作，平衡关系，且与气体质量流速的0.8次方成正比，分别计算改变下列操作条件后，达到相同分离程度所需填料层高度。 （1） 将操作压强增加一倍（P=202.6kPa），其他条件不变。 （2） 将进口清水量增加一倍，其他条件不变。 （3） 将进口气体流量增加一倍，其他条件不变。 解： 一、 求现有条件下的 二．分别计算： 第六章 精馏 例20.在一常压精馏塔内分离苯和甲苯混合物，塔顶为全凝器，塔釜间接蒸汽加热。进料量为1000kmol/h，含苯0.4，要求塔顶馏出液中含苯0.9（以上均为摩尔分率），苯的回收率不低于90%，泡点进料，泡点回流。已知a=2.5，取回流比为最小回流比的1.5倍。试求：（1）塔顶产品量D、塔底残液量W及组成xw；（2）最小回流比；（3）精馏段操作线方程；（4）提馏段操作线方程；（5）从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成为多少？（6）若改用饱和蒸汽进料，仍用（4）中所用回流比，所需理论板数为多少？ 解：（1）塔顶产品量D、塔底残液量W及组成xw； 由 ，得： W=F- D=1000-400=600kmol/h 又由物料衡算 得 （2）最小回流比； 泡点进料，q=1, (3) 精馏段操作线方程； (4) 提馏段操作线方程； 则 （5）从与塔釜相邻的塔板上下降的液相组成 由操作线方程 得 （6）若改用饱和蒸汽进料，仍用（4）中所用回流比，所需理论板数又为多少。 饱和蒸气进料， q=0， 由 得 因 ， 故 例21.用一连续精馏塔分离由组分AB组成的理想混合液。原料液中含A 0.44，馏出液中含A 0.957（以上均为摩尔分率）。已知溶液的平均相对挥发度为2.5，最回流比为1.63，试说明原料液的热状况，并求出q值。 解： 采用最小回流比时，精馏段操作线方程为 即 由相平衡方程，得 联立两方程，解得x = 0.367，y = 0.592 此点坐标（0.367，0.592）即为（xq，yq）。 因xF= 0.44，即xq＜xF＜yq，说明进料的热状况为气液混合进料。 由q线方程， 此线与平衡线的交点即是操作线与平衡线的交点 有 解出q = 0.676 例22.在连续精馏塔中分离某种组成为0.5（易挥发组分的摩尔分率，下同）的两组分理想溶液。原料液于泡点下进入塔内。塔顶采用分凝器和全凝器，分凝器向塔内提供回流液，其组成为0.88，全凝器提供组成为0.95的合格产品。塔顶馏出液中易挥发组分的回收率96%。若测得塔顶第一层板的液相组成为0.79，试求：（1）操作回流比和最小回流比；（2）若馏出液量为100kmol/h，则原料液流量为多少？ 解：（1）在塔顶满足气液平衡关系式 y = αx/[1 +(α-1)x] 代入已知数据 0.95 = 0.88α/[1 + 0.88(α-1)] ∴α= 2.591 第一块板的气相组成 y1 = 2.591x1/（1 + 1.591x1） = 2.5910.79/（1 + 1.5910.79）= 0.907 在塔顶做物料衡算 V = L + D Vy1 = LxL + DxD 0.907（L + D）= 0.88L + 0.95D ∴ L/D = 1.593 即回流比为 R = 1.593 由Rmin = [(xD/xq)-α(1-xD)/(1-xq)]/（α-1）泡点进料 xq = xF ∴ Rmin = 1.031 （2）回收率DxD/FxF = 96％得到 F = 1000.95/（0.50.96）= 197.92 kmol/h 例23.某两组分溶液在连续精馏塔内进行精馏，泡点进料，xF=0.5，xW=0.1， α=4，理论板为4块（包括再沸器），料液从第二块板进入，提馏段上升蒸汽摩尔流量为塔底产品的2倍，求第三块理论板上升的蒸汽组成。