化工原理例题与习题.doc
《化工原理例题与习题.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化工原理例题与习题.doc(58页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流化工原理例题与习题【精品文档】第 58 页第一章 流体流动【例1-1】 已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与998kg/m3,试求含硫酸为60%(质量)的硫酸水溶液的密度为若干。解:根据式1-4 =(3.28+4.01)10-4=7.2910-4 m=1372kg/m3【例1-2】 已知干空气的组成为:O221%、N278%和Ar1%(均为体积%),试求干空气在压力为9.81104Pa及温度为100时的密度。解:首先将摄氏度换算成开尔文 100=273+100=373K再求干空气的平均摩尔质量 Mm=320.21+280.78+39.90.01
2、=28.96kg/m3根据式1-3a气体的平均密度为:【例1-3 】 本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.7m、密度1=800kg/m3,水层高度h2=0.6m、密度2=1000kg/m3。(1)判断下列两关系是否成立,即 pA=pA pB=pB(2)计算水在玻璃管内的高度h。解:(1)判断题给两关系式是否成立 pA=pA的关系成立。因A与A两点在静止的连通着的同一流体内,并在同一水平面上。所以截面A-A称为等压面。pB=pB的关系不能成立。因B及B两点虽在静止流体的同一水平面上,但不是连通着的同一种流体,即截面B-B不是等压面。(2)计算玻璃管内水的高度h 由上面讨论知,p
3、A=pA,而pA=pA都可以用流体静力学基本方程式计算,即 pA=pa+1gh1+2gh2 pA=pa+2gh于是 pa+1gh1+2gh2=pa+2gh简化上式并将已知值代入,得 8000.7+10000.6=1000h解得 h=1.16m【例1-4】 如本题附图所示,在异径水平管段两截面(1-1、2-2)连一倒置U管压差计,压差计读数R=200mm。试求两截面间的压强差。解:因为倒置U管,所以其指示液应为水。设空气和水的密度分别为g与,根据流体静力学基本原理,截面a-a为等压面,则 pa=pa又由流体静力学基本方程式可得 pa=p1gM pa=p2g(MR)ggR联立上三式,并整理得 p1
4、p2=(g)gR由于g,上式可简化为 p1p2gR所以p1p210009.810.2=1962Pa【例1-5】 如本题附图所示,蒸汽锅炉上装置一复式U形水银测压计,截面2、4间充满水。已知对某基准面而言各点的标高为z0=2.1m, z2=0.9m, z4=2.0m,z6=0.7m, z7=2.5m。试求锅炉内水面上的蒸汽压强。解:按静力学原理,同一种静止流体的连通器内、同一水平面上的压强相等,故有 p1=p2,p3=p4,p5=p6对水平面1-2而言,p2=p1,即 p2=pa+ig(z0z1)对水平面3-4而言, p3=p4= p2g(z4z2)对水平面5-6有 p6=p4+ig(z4z5)
5、锅炉蒸汽压强 p=p6g(z7z6) p=pa+ig(z0z1)+ig(z4z5)g(z4z2)g(z7z6)则蒸汽的表压为 ppa=ig(z0z1+ z4z5)g(z4z2+z7z6) =136009.81(2.10.9+2.00.7)10009.81 (2.00.9+2.50.7) =3.05105Pa=305kPa【例1-6】 某厂要求安装一根输水量为30m3/h的管路,试选择合适的管径。解:根据式1-20计算管径 d= 式中 Vs=m3/s参考表1-1选取水的流速u=1.8m/s查附录二十二中管子规格,确定选用894(外径89mm,壁厚4mm)的管子,其内径为: d=89(42)=81
6、mm=0.081m因此,水在输送管内的实际流速为:【例1-7】 在稳定流动系统中,水连续从粗管流入细管。粗管内径d1=10cm,细管内径d2=5cm,当流量为4103m3/s时,求粗管内和细管内水的流速?解:根据式1-20根据不可压缩流体的连续性方程 u1A1=u2A2由此 u2=4u1=40.51=2.04m/s【例1-8】 将高位槽内料液向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为大气压。要求料液在管内以0.5m/s的速度流动。设料液在管内压头损失为1.2m(不包括出口压头损失),试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米?解:取管出口高度的00为基准面,高位槽的液面为11截面,因要求计算高位槽的液面
7、比塔入口处高出多少米,所以把11截面选在此就可以直接算出所求的高度x,同时在此液面处的u1及p1均为已知值。22截面选在管出口处。在11及22截面间列柏努利方程:式中p1=0(表压)高位槽截面与管截面相差很大,故高位槽截面的流速与管内流速相比,其值很小,即u10,Z1=x,p2=0(表压),u2=0.5m/s,Z2=0,/g=1.2m将上述各项数值代入,则 9.81x=+1.29.81 x=1.2m计算结果表明,动能项数值很小,流体位能的降低主要用于克服管路阻力。【例1-9】20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
8、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101.33103Pa。解:文丘里管上游测压口处的压强为 p1=HggR=136009.810.025 =3335Pa(表压)喉颈处的压强为 p2=gh=10009.810.5=4905Pa(表压)空气流经截面1-1与2-2的压强变化为故可按不可压缩流体来处理。 两截面间的空气平均密度为在截面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
9、方程式可写为式中 Z1=Z2=0所以 简化得 (a)据连续性方程 u1A1=u2A2得 u2=16u1 (b)以式(b)代入式(a),即(16u1)2=13733解得 u1=7.34m/s空气的流量为【例1-10】水在本题附图所示的虹吸管内作定态流动,管路直径没有变化,水流经管路的能量损失可以忽略不计,试计算管内截面2-2、3-3、4-4和5-5处的压强。大气压强为1.0133105Pa。图中所标注的尺寸均以mm计。解:为计算管内各截面的压强,应首先计算管内水的流速。先在贮槽水面1-1及管子出口内侧截面6-6间列柏努利方程式,并以截面6-6为基准水平面。由于管路的能量损失忽略不计,即=0,故柏
10、努利方程式可写为式中 Z1=1m Z6=0 p1=0(表压) p6=0(表压) u10将上列数值代入上式,并简化得解得 u6=4.43m/s由于管路直径无变化,则管路各截面积相等。根据连续性方程式知Vs=Au=常数,故管内各截面的流速不变,即 u2=u3=u4=u5=u6=4.43m/s则 因流动系统的能量损失可忽略不计,故水可视为理想流体,则系统内各截面上流体的总机械能E相等,即总机械能可以用系统内任何截面去计算,但根据本题条件,以贮槽水面1-1处的总机械能计算较为简便。现取截面2-2为基准水平面,则上式中Z=2m,p=101330Pa,u0,所以总机械能为计算各截面的压强时,亦应以截面2-
11、2为基准水平面,则Z2=0,Z3=3m,Z4=3.5m,Z5=3m。(1)截面2-2的压强(2)截面3-3的压强(3)截面4-4的压强(4)截面5-5的压强从以上结果可以看出,压强不断变化,这是位能与静压强反复转换的结果。【例1-11】 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101.33103Pa,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。解:取贮槽液面为11截面,管路出口内侧为22截面,并以11
12、截面为基准水平面,在两截面间列柏努利方程。式中 Z1=0 Z2=15m p1=0(表压) p2=26670Pa(表压) u1=0 =120J/kg将上述各项数值代入,则泵的有效功率Ne为: Ne=Wews式中 Ne=246.96.67=1647W=1.65kW实际上泵所作的功并不是全部有效的,故要考虑泵的效率,实际上泵所消耗的功率(称轴功率)N为设本题泵的效率为0.65,则泵的轴功率为:【例1-12】 试推导下面两种形状截面的当量直径的计算式。(1) 管道截面为长方形,长和宽分别为a、b;(2) 套管换热器的环形截面,外管内径为d1,内管外径为d2。解:(1)长方形截面的当量直径式中 A=ab
13、 =2(a+b)故 (2)套管换热器的环隙形截面的当量直径故【例1-13】 料液自高位槽流入精馏塔,如附图所示。塔内压强为1.96104Pa(表压),输送管道为362mm无缝钢管,管长8m。管路中装有90标准弯头两个,180回弯头一个,球心阀(全开)一个。为使料液以3m3/h的流量流入塔中,问高位槽应安置多高?(即位差Z应为多少米)。料液在操作温度下的物性:密度=861kg/m3;粘度=0.643103Pas。解:取管出口处的水平面作为基准面。在高位槽液面11与管出口截面22间列柏努利方程式中 Z1=Z Z2=0 p1=0(表压) u10 p2=1.96104Pa阻力损失取管壁绝对粗糙度=0.
14、3mm,则:由图1-23查得=0.039局部阻力系数由表1-4查得为进口突然缩小(入管口) =0.590标准弯头 =0.75180回弯头 =1.5球心阀(全开) =6.4故 =10.6J/kg所求位差截面22也可取在管出口外端,此时料液流入塔内,速度u2为零。但局部阻力应计入突然扩大(流入大容器的出口)损失=1,故两种计算方法结果相同。【例1-14】 通过一个不包含u的数群来解决管路操作型的计算问题。已知输出管径为893.5mm,管长为138m,管子相对粗糙度/d=0.0001,管路总阻力损失为50J/kg,求水的流量为若干。水的密度为1000kg/m3,粘度为1103Pas。解:由式1-47
15、可得又 将上两式相乘得到与u无关的无因次数群 (1-53)因是Re及/d的函数,故Re2也是/d及Re的函数。图1-29上的曲线即为不同相对粗糙度下Re与Re2的关系曲线。计算u时,可先将已知数据代入式1-53,算出Re2,再根据Re2、/d从图1-29中确定相应的Re,再反算出u及Vs。将题中数据代入式1-53,得根据Re2及/d值,由图1-29a查得Re=1.5105水的流量为:【例1-15】 计算并联管路的流量在图1-30所示的输水管路中,已知水的总流量为3m3/s,水温为20,各支管总长度分别为l1=1200m,l2=1500m,l3=800m;管径d1=600mm,d2=500mm,
16、d3=800mm;求AB间的阻力损失及各管的流量。已知输水管为铸铁管,=0.3mm。解:各支管的流量可由式1-58和式1-54联立求解得出。但因1、2、3均未知,须用试差法求解。设各支管的流动皆进入阻力平方区,由从图1-23分别查得摩擦系数为: 1=0.017;2=0.0177;3=0.0156由式1-58 =0.06170.03430.162又 Vs1+ Vs2 +Vs3 =3m3/s故校核值:已知 =1103Pas =1000kg/m3故由Re1、Re2、Re3从图1-23可以看出,各支管进入或十分接近阻力平方区,故假设成立,以上计算正确。 A、B间的阻力损失hf可由式1-56求出【例1-
17、16】 用泵输送密度为710kg/m3的油品,如附图所示,从贮槽经泵出口后分为两路:一路送到A塔顶部,最大流量为10800kg/h,塔内表压强为98.07104Pa。另一路送到B塔中部,最大流量为6400kg/h,塔内表压强为118104Pa。贮槽C内液面维持恒定,液面上方的表压强为49103Pa。现已估算出当管路上的阀门全开,且流量达到规定的最大值时油品流经各段管路的阻力损失是:由截面11至22为201J/kg;由截面22至33为60J/kg;由截面22至44为50J/kg。油品在管内流动时的动能很小,可以忽略。各截面离地面的垂直距离见本题附图。已知泵的效率为60%,求此情况下泵的轴功率。解
18、:在11与22截面间列柏努利方程,以地面为基准水平面。式中 Z1=5m p1=49103Pa u10 Z2、p2、u2均未知,hf12=20J/kg设E为任一截面上三项机械能之和,则截面22上的E2=gZ2+p2/+u22/2代入柏努利方程得 (a)由上式可知,需找出分支22处的E2,才能求出We。根据分支管路的流动规律E2可由E3或E4算出。但每千克油品从截面22到截面33与自截面22到截面44所需的能量不一定相等。为了保证同时完成两支管的输送任务,泵所提供的能量应同时满足两支管所需的能量。因此,应分别计算出两支管所需能量,选取能量要求较大的支管来决定E2的值。仍以地面为基准水平面,各截面的
19、压强均以表压计,且忽略动能,列截面22与33的柏努利方程,求E2。 =1804J/kg列截面22与44之间的柏努利方程求E2 =2006J/kg比较结果,当E2=2006 J/kg时才能保证输送任务。将E2值代入式(a),得 We=200698.06=1908 J/kg通过泵的质量流量为泵的有效功率为 Ne=Wews=19084.78=9120W=9.12kW泵的轴功率为最后须指出,由于泵的轴功率是按所需能量较大的支管来计算的,当油品从截面22到44的流量正好达到6400kg/h的要求时,油品从截面22到33的流量在管路阀全开时便大于10800kg/h。所以操作时要把泵到33截面的支管的调节阀
20、关小到某一程度,以提高这一支管的能量损失,使流量降到所要求的数值。习 题 1燃烧重油所得的燃烧气,经分析测知其中含8.5%CO2,7.5%O2,76%N2,8%H2O(体积%)。试求温度为500、压强为101.33103Pa时,该混合气体的密度。2在大气压为101.33103Pa的地区,某真空蒸馏塔塔顶真空表读数为9.84104Pa。若在大气压为8.73104Pa的地区使塔内绝对压强维持相同的数值,则真空表读数应为多少?3敞口容器底部有一层深0.52m的水,其上部为深3.46m的油。求器底的压强,以Pa表示。此压强是绝对压强还是表压强?水的密度为1000kg/m3,油的密度为916 kg/m3
21、。4为测量腐蚀性液体贮槽内的存液量,采用图1-7所示的装置。控制调节阀使压缩空气缓慢地鼓泡通过观察瓶进入贮槽。今测得U型压差计读数R=130mmHg,通气管距贮槽底部h=20cm,贮槽直径为2m,液体密度为980 kg/m3。试求贮槽内液体的储存量为多少吨?5一敞口贮槽内盛20的苯,苯的密度为880 kg/m3。液面距槽底9m,槽底侧面有一直径为500mm的人孔,其中心距槽底600mm,人孔覆以孔盖,试求:(1) 人孔盖共受多少静止力,以N表示;(2) 槽底面所受的压强是多少?6为了放大所测气体压差的读数,采用如图所示的斜管式压差计,一臂垂直,一臂与水平成20角。若U形管内装密度为804 kg
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化工 原理 例题 习题
限制150内