化工原理(杨祖荣着)1-7章课后答案

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17．如附图所示，用泵将20℃水从水池送至高位槽，槽内水面高出池内液面30m。输送量为30m3/h，此时管路的全部能量损失为40J/kg。设泵的效率为70％，试求泵所需的功率。解:在水池1面与高位槽2面间列柏努力方程:feWupgZWupgZ222221112121简化:feWgZW2kgJ/3.3344081.930kWWVWmPesese786.23.3341000360030kWPPe98.37.0786.218．附图所示的是丙烯精馏塔的回流系统，丙烯由贮槽回流至塔顶。丙烯贮槽液面恒定，其液面上方的压力为2.0MPa（表压），精馏塔内操作压力为1.3MPa（表压）。塔内丙烯管出口处高出贮槽内液面30m，管内径为140mm，丙烯密度为600kg/m3。现要求输送量为40×103kg/h，管路的全部能量损失为150J/kg（不包括出口能量损失），试核算该过程是否需要泵。题18附图9解:在贮槽液面1-1’与回流管出口外侧2-2’间列柏努力方程:feWupgZWupgZ222221112121简化:feWupgZWp2222121feWgZuppW2221221smdmus/2.114.0785.060036001040785.0232215081.9302.12160010)0.23.1(26eWkgJ/6.721不需要泵,液体在压力差的作用下可自动回流至塔中19．某一高位槽供水系统如附图所示，管子规格为φ45×2.5mm。当阀门全关时，压力表的读数为78kPa。当阀门全开时，压力表的读数为75kPa，且此时水槽液面至压力表处的能量损失可以表示为2uWfJ/kg（u为水在管内的流速）。试求：（1）高位槽的液面高度；（2）阀门全开时水在管内的流量（m3/h）。解:(1)阀门全关,水静止ghpmgph95.781.910107833(2)阀门全开:在水槽1-1’面与压力表2-2’面间列柏努力方程:fWupgZupgZ222221112121简化:fWupgZ22212122223211000107581.995.7uu题19附图h110解之:smu/414.12流量:smudVs/10776.1414.104.0785.0433222hm/39.6320．附图所示的是冷冻盐水循环系统。盐水的密度为1100kg/m3，循环量为45m3/h。管路的内径相同，盐水从A流经两个换热器至B的压头损失为9m，由B流至A的压头损失为12m，问：（1）若泵的效率为70％，则泵的轴功率为多少？（2）若A处压力表的读数为153kPa，则B处压力表的读数为多少？解:(1)对于循环系统:mhHfe21129kWgVHPsee83.281.9110036004521kWPPe04.47.083.2:轴功率(2)BA列柏努力方程:fABBBBAAAhZuggpZuggp222121简化:fABBBAhZgpgp)97(81.91100103153Bp)(19656表aBppB处真空度为19656Pa。21．25℃水在φ60×3mm的管道中流动，流量为20m3/h，试判断流型。解:查附录25℃水物性:cPmkg903.0,/95.9963smdVus/43.2054.0785.0360020785.022题20附图1140001045.110903.043.295.996054.0Re53du为湍流22．运动粘度为3.2×10－5m2/s的有机液体在φ76×3.5mm的管内流动，试确定保持管内层流流动的最大流量。解:2000Redudusmdu/927.0069.0102.3200020005maxsmudV/1046.3927.0069.0785.04332max2maxhm/46.12323．计算10℃水以2.7×10－3m3/s的流量流过φ57×3.5mm、长20m水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。（设管壁的粗糙度为0.5mm）解:smdVus/376.105.0785.0107.2785.023210℃水物性:spmkga3310305.1,/7.999431027.510305.1376.17.99905.0Redu01.0505.0d查得041.0kgJudlWf/53.152376.105.020041.0222mgWhff583.1/affPWP1552524．如附图所示，用泵将贮槽中的某油品以40m3/h的流量输送至高位槽。两槽的液位恒定，且相差20m，输送管内径为100mm，管子总长为45m（包括所有局部阻力的当量长度）。已知油品的密度为890kg/m3，粘度为0.487Pa·s，试计算泵所需的有效功率。12解:smdVus/415.11.0785.036004042220006.258487.0415.18901.0Redu247.06.25864Re64在贮槽1截面到高位槽2截面间列柏努力方程:feWupgZWupgZ222221112121简化:feWgZW2而:kgJudllWef/2.1112415.11.045247.0222kgJWe/4.3072.11181.920kWWVWemWePess04.38.30398903600404.30725．一列管式换热器，壳内径为500mm，内装174根φ25×2.5mm的钢管，试求壳体与管外空间的当量直径。解:mndDndDdnDdnDde029.0025.01745.0025.01745.0)44(4222222外外外外26．求常压下35℃的空气以12m/s的速度流经120m长的水平通风管的能量损失和压力损失。管道截面为长方形，长为300mm，宽为200mm。（设d＝0.0005）解:当量直径:mbaabbaabde24.02.03.02.03.022)(2435℃空气物性:spmkga631085.18,/1465.15610752.11085.18121465.124.0Reude由0005.0d,查得019.0题24附图13kgJudlWef/68421224.0120019.0222PaWPff2.7841465.168427．如附图所示，密度为800kg/m3、粘度为1.5mPa·s的液体，由敞口高位槽经φ114×4mm的钢管流入一密闭容器中，其压力为0.16MPa（表压），两槽的液位恒定。液体在管内的流速为1.5m/s，管路中闸阀为半开，管壁的相对粗糙度d＝0.002，试计算两槽液面的垂直距离z。解:在高位槽1截面到容器2截面间列柏努力方程:fWupgZupgZ222221112121简化:fWpZg2431048.8105.15.1800106.0Redu由002.0d,查得026.0管路中:进口5.090℃弯头75.02个半开闸阀5.4出口125.1)15.475.025.0106.016030026.0(2)(22udlWfkgJ/87.60mgWpZf6.2681.9/)87.608001016.0(/)(6228．从设备排出的废气在放空前通过一个洗涤塔，以除去其中的有害物质， 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如附图所示。气体流量为3600m3/h，废气的物理性质与50℃的空气相近，在鼓风机吸入管路上装有U形压差计，指示液为水，其读数为60mm。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55m（不包括进、出塔及管出口阻力），放空口与鼓风机进口管水平面的垂直距离为15m，已估计气体通过洗涤塔填料层的压力降为2.45kPa。管壁的绝对粗糙度取为0.15mm，大气压力为101.3题27附图14kPa。试求鼓风机的有效功率。解:以吸入管测压处为1-1’面,洗涤塔管出口内侧为2-2’面,列柏努力方程:feWupgZWupgZ222221112121简化:feWgZWup221121其中:aOHpgRp6.58806.081.9100021smdVus/38.2025.0785.036003600785.02250℃空气物性:spmkga63106.19,/093.1561084.2106.1938.20093.125.0Redu又0006.025015.0d查得018.0塔出进fefWudllW2)(2'2)(2pudlle出进093.11045.2238.20)5.125.055018.0(32kgJ/3375/12pWgZWefkgJ/7.4060093.1/6.588337581.915kWWeVWemPess22.47.4060093.13600360029．如附图所示，用离心泵将某油品输送至一密闭容器中。A、B处压力表的读数分别为1.47MPa、1.43MPa，管路尺寸为φ89×4mm，A、B两点间的直管长度为40m，中间有6个90º标准弯头。已知油品的密度为820kg/m3，粘度为121mPa·s，试求油在管路中的流量。题28附图15解:在A—B间列柏努力方程:fBBBAAAWupgZuPgZ222121简化:fBAWpZgPkgJZgppWBAf/97.3881.9182010)43.147.1(6又22udllWef油品粘度大,设流动为层流.22)(32264dulludllduWeef900标准弯头mdle835.2081.03535820081.0)835.2640(101213297.3823u解得smu/95.020005.5211012182095.0081.0Re3du假设正确hmsmudVs/61.17/1089.495.0081.0785.043332230．20℃苯由高位槽流入贮槽中，两槽均为敞口，两槽液面恒定且相差5m。输送管为φ38×3mm的钢管（＝0.05mm）总长为100m（包括所有局部阻力的当量长度），求苯的流量。解:在两槽间列柏努力方程,并简化:fWZg即:22udllZge代入数据:2032.010081.952uBA1.5m题29附图0.5m16化简得:03139.02u00156.03205.0d查完全湍流区022.0设021.0,由(1)式得smu/22.1由附录查得20℃苯物性:3876mkgsmPa737.0431066.410737.022.1879032.0udRe查图，026.0再设026.0，由（1）得smu/10.1431020.410737.010.1879032.0eR查得26.0假设正确smu/10.1流量：hmsmudVs33422183.31084.81.1032.0785.0431．如附图所示，密度为ρ的流体以一定的流量在一等径倾斜管道中流过。在A、B两截面间连接一U形压差计，指示液的密度为ρ0，读数为R。已知A、B两截面间的位差为h，试求：（1）AB间的压力差及能量损失；（2）若将管路水平放置而流量保持不变，则压差计读数及AB间的压力差为多少?解：（1）在A-A与B-B间柏努利方程：fABBBBAAAWgZuPgZuP222121其中Au=BuhzzABhgPPWBAfAB对于U形差压计gRgRZZPgZPBBBAA)(gRgZZPPoBABA)()(gRghPoAB)(题31附图AhRB17gRhggRghWoofAB)()(（2）水平放置时流量不变管路总能量损失fABW不变。而U形差压计读数R实际反映了阻力的大小，所以R不变。此时，gRWPofAB)(32．如附图所示，高位槽中水分别从BC与BD两支路排出，其中水面维持恒定。高位槽液面与两支管出口间的距离为10m。AB管段的内径为38mm、长为28m；BC与BD支管的内径相同，均为32mm，长度分别为12m、15m（以上各长度均包括管件及阀门全开时的当量长度）。各段摩擦系数均可取为0.03。试求：（1）BC支路阀门全关而BD支路阀门全开时的流量；（2）BC支路与BD支路阀门均全开时各支路的流量及总流量。解：（1）在高位槽液面与BD管出口外侧列柏努利方程：fWugZPugZP222221112121简化：fABDWZg而2222211udludlWWWBDABfBDfABfABD有：2032.01503.02038.02803.081.9102221uu化简1.9803.705.112221uu又由连续性方程：112121241.1)3238()(uuuddu代入上式：1.9841.103.705.1121221uu10题32附图18解得：smu/98.11流量：hmsmudVs333212108.810244.298.10382.0785.04（2）当BD，BC支路阀均全开时：C，D出口状态完全相同，分支管路形如并联管路，fBDfBcWW22222223udludlBDBC22231512uu23118.1uu(1)又321sssVVV323222221444ududud322212323238uuu=22118.232u21502.1uu(2)在高位槽液面与BD出口列柏努利方程：fBDfABfWWWgZ2032.01503.02038.02803.081.9102221uu1.9803.705.112221uu(3)将（2）代入（3）式中：1.9803.7502.105.1122222uu解得：smusmusmu96.163.2752.1312流量：hmsmudVs3332121173.101098.263.2038.0785.04hmsmudVs3332222207.510408.1752.1032.0785.04hmsmudVs332323367.5310576.196.1032.0785.0433．在内径为80mm的管道上安装一标准孔板流量计，孔径为40mm，U形压差计的读数为19350mmHg。管内液体的密度为1050kg/m3，粘度为0.5cP，试计算液体的体积流量。解：25.0)8040(210AA设eceRR，查得25.00CsmgACVs3321001011.71050981)105013600(35.0204.0785.0625.0)(2smdVus415.108.0785.01011.7785.023215311038.2105.01050415.108.0udRe而4107ecReceRR假设正确，以上计算有效。34．用离心泵将20℃水从水池送至敞口高位槽中，流程如附图所示，两槽液面差为12m。输送管为φ57×3.5mm的钢管，总长为220m（包括所有局部阻力的当量长度）。用孔板流量计测量水流量，孔径为20mm，流量系数为0.61，U形压差计的读数为400mmHg。摩擦系数可取为0.02。试求：（1）水流量，m3/h；（2）每kg水经过泵所获得的机械能。解：（1）)(2000gACVs2.998)2.99813600(81.94.0202.0785.061.02hmsm33388.61091.1（2）以水池液面为11面，高位槽液面为22面，在22~11面间列柏努利方程：feWgZuWgZu22221211212112题34附图20简化:feWZgW而22udllWef其中：smdVus973.005.0785.01091.1785.0232kgJWf656.412973.005.022002.02kgJWe4.159656.4181.91235．以水标定的转子流量计用来测量酒精的流量。已知转子的密度为7700kg/m3，酒精的密度为790kg/m3，当转子的刻度相同时，酒精的流量比水的流量大还是小？试计算刻度校正系数。解：143.1)10007700(790)7907700(1000)()(122112ffssVV酒精流量比水大36．在一定转速下测定某离心泵的性能，吸入管与压出管的内径分别为70mm和50mm。当流量为30m3/h时，泵入口处真空表与出口处压力表的读数分别为40kPa和215kPa，两测压口间的垂直距离为0.4m，轴功率为3.45kW。试计算泵的压头与效率。解：smdVus166.207.0785.036003042211smu246.405.0785.036003022在泵进出口处列柏努力方程，忽略能量损失；222212112121ZuggpHZuggpeZuuggppHe)(212122124.0)116.2246.4(81.92181.91010)40215(2233=27.07m21kWgQHPe213.207.2781.9103600303%1.64%10045.3213.2%100PPe37．在一化工生产车间，要求用离心泵将冷却水从贮水池经换热器送到一敞口高位槽中。已知高位槽中液面比贮水池中液面高出10m，管路总长为400m（包括所有局部阻力的当量长度）。管内径为75mm，换热器的压头损失为gu2322，摩擦系数可取为0.03。此离心泵在转速为2900rpm时的性能如下表所示：Q/(m3/s)00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008H/m2625.524.5232118.515.5128.5试求：（1）管路特性方程；（2）泵工作点的流量与压头。解：（1）管路特性曲线方程：ffehZhugZgPH221fehgudllZ22gudllZe2)32(222)075.0785.0(81.921)32075.040003.0(10QHe2510019.510Q（2）在坐标纸中绘出泵的特性曲线及管路特性曲线的工作点：mHsmQ17.200045.0338．用离心泵将水从贮槽输送至高位槽中，两槽均为敞口，且液面恒定。现改为输送密度为1200kg/m3的某水溶液，其它物性与水相近。若管路状况不变，试说明：（1）输送量有无变化？（2）压头有无变化？0.0000.0020.0040.0060.00881012141618202224262830323436泵特性曲线管路特性曲线H(m)Q(m3/s)22（3）泵的轴功率有无变化？（4）泵出口处压力有无变化？解：变化时，泵特性曲线不变。管路特性曲线22BQZBQgPZHe不变（1）输送量不变；（2）压头不变；（3）轴功率：gQHPPe增加（4）在贮槽液面1-1′和泵出口2-2′间列柏努力方程：fehZuggpHZuggp222212112121简化：fehZugHgp222221工作点Q，eH不变，fhu不变即2P随的增加而增加。39．用离心泵向设备送水。已知泵特性方程为201.040QH，管路特性方程为203.025QHe，两式中Q的单位均为m3/h，H的单位为m。试求：（1）泵的输送量；（2）若有两台相同的泵串联操作，则泵的输送量又为多少？201.040QH解：（1）203.025QHe联立：2203.02501.040QQ解得：hmQ336.19（2）两泵串联后：泵的特性：)01.040(22QH与管路特性联立：)01.040(203.02522QQ23解得：hmQ317.3340．用型号为IS65-50-125的离心泵将敞口贮槽中80℃的水送出，吸入管路的压头损失为4m，当地大气压为98kPa。试确定此泵的安装高度。解：查附录：C080水，358.971,104736.0mkgPaPvIS65-50-125泵气蚀余量NPSH=2.0m泵允许安装高度：吸入允允fvghNPSHgPPH)(0=40.281.98.971104736.0109853=m69.0为安全起见，再降低m5.0，即mHg2.15.069.0即泵需要安装在水槽液面以下m2.1或更低。41．用油泵从贮槽向反应器输送44℃的异丁烷，贮槽中异丁烷液面恒定，其上方绝对压力为652kPa。泵位于贮槽液面以下1.5m处，吸入管路全部压头损失为1.6m。44℃时异丁烷的密度为530kg/m3，饱和蒸汽压为638kPa。所选用泵的允许汽蚀余量为3.5m，问此泵能否正常操作？解：泵允许的安装高度：吸入允允fvhNPSHgPPHg)(06.15.381.9530106386523）（m4.2允定yHgHg此泵安装不当，会发生气蚀现象。42．用内径为100mm的钢管将河水送至一蓄水池中，要求输送量为70m3/h。水由池底部进入，池中水面高出河面26m。管路的总长度为60m，其中吸入管路为24m（均包括所有局部阻力的当量长度），设摩擦系数为0.028。今库房有以下三台离心泵，性能如下表，试从中选用一台合适的泵，并计算安装高度。设水温为20℃，大气压力为101.3kPa。（略）24序号型号Q，m3/hH，mn，rpm，％（NPSH）允1IS100-80-125601002420290067784.04.52IS100-80-160601003632290070783.54.03IS100-80-200601005450290065763.03.6解：在河水与蓄水池面间列柏努力方程，并简化：gudllZhZHefe22其中：smdQu48.21.0785.0360070785.02281.9248.21.060028.0262eHm3.31由mHhmQe3.31,703选泵IS100-80-160气蚀余量以0.4)(1003允下NPSHhmQ计C020水，kPaPmkgv338.22.9983吸入允允fvhNPSHgPPHg)(0gudllhef2)(2吸入吸入m1.281.9248.21.024028.02mHg41.20.481.92.99810)338.23.101(3允减去安全余量m5.0，实为m5.3。即泵可安装在河水面上不超过m5.3的地方。43．常压贮槽内装有某石油产品，在贮存条件下其密度为760kg/m3。现将该油品送入反应釜中，输送管路为φ57×2mm，由液面到设备入口的升扬高度为5m，流量为15m3/h。釜内压力为148kPa25（表压），管路的压头损失为5m（不包括出口阻力）。试选择一台合适的油泵。解：smdVus89.1053.0785.0360015422在水槽液面11与输送管内侧22面间列柏努力方程，简化有：fehuggPZH2221mHe03.30598.181.92181.976010148523由Q=mHhme03.30153查油泵性能，选泵60Y-60B其性能为；流量：hm38.19kWm75.338轴功率压头m6.2%55允许的气蚀余量效率：44．现从一气柜向某设备输送密度为1.36kg/m3的气体，气柜内的压力为650Pa（表压），设备内的压力为102.1kPa（绝压）。通风机输出管路的流速为12.5m/s，管路中的压力损失为500Pa。试计算管路中所需的全风压。（设大气压力为101.3kPa）解：fTPuPPP22122)(5005.12236.11065.03.1011.10223Pa25.75626第二章非均相物系分离1、试计算直径为30μm的球形石英颗粒（其密度为2650kg/m3），在20℃水中和20℃常压空气中的自由沉降速度。解：已知d=30μm、ρs=2650kg/m3（1）20℃水μ=1.01×10-3Pa·sρ=998kg/m3设沉降在滞流区，根据式（2-15）m/s1002.81001.11881.9)9982650()1030(18)(43262gdust校核流型)2~10(1038.21001.19981002.8103042346ttduRe假设成立，ut=8.02×10-4m/s为所求（2）20℃常压空气μ=1.81×10-5Pa·sρ=1.21kg/m3设沉降在滞流区m/s1018.71081.11881.9)21.12650()1030(18)(25262gdust校核流型：)2~10(144.01081.121.11018.710304526ttduRe假设成立，ut=7.18×10-2m/s为所求。2、密度为2150kg/m3的烟灰球形颗粒在20℃空气中在滞流沉降的最大颗粒直径是多少？解：已知ρs=2150kg/m3查20℃空气μ=1.81×10-5Pa.sρ=1.21kg/m3当2ttduRe时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径，根据式（2-15）并整理218)(23tsdugd所以μm3.77m1073.721