化工原理上模拟题.doc

第一章一测量管道阻力的装置如图所示。已知D1=2D2，rHg=13.6103kg/m3，u2=1m/s，R=10mm，试计算“1-2”截面间阻力hf,1-2值，以J/kg为单位。已知u2=1m/s，u1=u2/4=1/4=0.25m/s gz1+p1/r+u12/2= gz2+p2/r+u22/2+hf,1-2 又 (gz1+p1/r)(gz2+p2/r)=(rHgr)gR/r hf,1-2=(rHgr)gR/ru12/2u22/2 =12.69.810.010(0.25)2/21/2 =0.767J/kg用泵自贮油池向高位槽输送矿物油，流量为 38.4T/h。池及槽皆敞口。高位槽中液面比池中液面高20m,管路总长(包括局部阻力)430m，进出口阻力不计。管径为1084mm，油的粘度为3430cP，密度为960kg/m3, 泵的效率为50%，求泵的实际功率。Re=438.4103/(3600p0.103.43)=39.6 层流 l=64/Re=64/39.6=1.62 He=(z2z1)8lLV2/(p2gd5)=H8lLw2/(p2gd5r2) =20+81.62430(38.4103/3600)2/(p29.810.1059602) =731m Na=HeWg/h=731(38.4103/3600)9.81/0.50=153103 W =153kW用离心泵将水由水槽送至水洗塔中，水洗塔内的表压为9.807104Pa，水槽液面恒定，其上方通大气,水槽液面与输送管出口端的垂直距离为 20m，在某送液量下,泵对水作的功为317.7J/kg，管内摩擦系数为0.018，吸入和压出管路总长为110m (包括管件及入口的当量长度，但不包括出口的当量长度)。输送管尺寸为1084mm，水的密度为1000kg/m3。求输水量为多少m3/h。 Ws=g(z2z1)p2(表)/ru22/2Shf， Shf=l(L/d)u22/2 即 317.7=9.8120+9.807104/1000+(1+0.018110/0.10)u22/2 u2=1.50 m/sV=1.50(p/4) (0.10)2=1.1810-2 m3/s=42.5 m3/h如图所示的管路系统中，有一直径为382.5mm、长为30m的水平直管段AB，在其中间装有孔径为16.4mm的标准孔板流量计来测量流量，流量系数Co为0.63，流体流经孔板的永久压降为6104 Pa，AB段摩擦系数取为0.022，试计算： 液体流经AB段的压强差； 若泵的轴功率为800W，效率为62%，求AB管段所消耗的功率为泵的有效功率的百分率。已知：操作条件下液体的密度为870kg/m3 ，U形管中的指示液为汞，其密度为13.6103 kg/m3。uo =Co 2gR(i-)/0.5 = 0.6320.69.81(13.6103-870)/870 0.5 =8.27m/s ；u=(do /d) 2 uo =(16.4/33) 2 8.27=2.043m/s；W=2.043(/4)0.0332 870=1.52kg/s；流体流经AB段的压强差在A与B两截面间列伯努利方程(管中心线为基准面)：ZA g+(pA /)+(uA 2 /2)=ZB g+(pB /)+(uB 2 /2)+hf ；ZA =ZB；uA =uB；hf =(L/d)(u2 /2)+(6104 /)=0.022(30/0.033)(2.0432 /2)+(6104 /870)=111J/kg；pA -pB =hf =870111=9.66104Pa；Ne=8000.62=496W；AB段所消耗的功率 Nf=Whf =1.52111=168.7W Nf/Ne=168.7/496=0.34=34如图,离心泵将敞口槽中的碱液打入吸收塔,泵吸入管路为1084mm，长2m的钢管。泵压出管路为763mm,长30m的钢管, 压出管路上装有标准阀一只，闸阀一只，90弯头4 只。在压出管路上还装有孔板流量计，孔板孔径为40mm，孔流系数Co=0.62，水银压差计读数R=456mm。吸收塔喷咀处压力为0.5kgf/cm2 (表压)，碱液密度=1100kg/m3，泵的效率=0.6，直管阻力系数=0.02(吸入、压出管道近似取相同值)，弯头=0.75，标准阀=6，闸阀=0.17，孔板=8，试求泵所需功率。=(/4)0.0420.622g0.456(13.6103-1100)/1100 0.5=0.00786m3/su1=0.00786/(/4)0.12=1.0m/s u2=1.0(0.1/0.07) 2=2.04m/shf =(0.022/0.1+0.5)1.02/2g+(0.0230/0.07+40.75+6+0.17+8)2.042/2g =5.51m He=5.51+(20-1.5)+0.5104/1100+2.042/2g=28.77mNa=28.770.0078611009.81/(1030.6)=4.07kw用泵将密度为850kg/m3，黏度为190cP的重油从贮油池送至敞口高位槽中，升扬高度为20m。输送管路为1084mm的钢管，总长为1000m(包括直管长度及所有局部阻力的当量长度)。管路上装有孔径为80mm的孔板以测定流量，其U形油水压差计的读数R=500mm。孔流系数Co=0.62，水的密度为1000kg/m3。试求:输油量是多少m3/h?若泵的效率为0.55，计算泵的轴功率。u0=Co2gR(i-)/ 0.5 =0.6229.810.5(1000-850)/850=0.816m/s Vh =0.8160.785(0.08)23600=14.76m3/hu=0.816(80/100) 2=0.522m/s Re=0.10.522850/(19010-3)=2343000，假设正确V=Au=(/4)d2u=(/4)(0.3) 23.5133600=893.9(m3/h)流量减半，即流速减半 u=3.513/2=1.757m/s Re=5775符合柏拉修斯式条件在1-1面至2-2面之间：gz=(0.3164/Re0.25)(L/d)+(u2/2)即9.813.2（0.3164/57750.25）（50/0.30）+（1.7572 /2）14.3黏度为30cP、密度为900kg/m3的液体，自经内径为40mm的管路进入，两容器均为敞口，液面视为不变。管路中有一阀门。当阀全关时，阀前后压力表读数分别为0.9at和0.45at。现将阀门打至1/4开度，阀门阻力的当量长度为30m，阀前管长50m，阀后管长20m(均包括局部阻力的当量长度)。试求： ()管路的流量 m3/h？ ()定性说明阀前后压力表读数有何变化？ (1)阀全关时： 9009.81z1 = 0.99.81104 z1= 10 m 9009.81z2 = 0.459.81104 z2= 5 m 阀部分打开时：设管内流体层流 10-5=32300.001(50+30+20)u/(9009.810.042) u = 0.736 m/s校核Re:Re=0.0400.736900/0.030 = 883 , 层流，所设正确，计算有效。 则 V = (p/4) (0.040)20.7363600 = 3.33 m3/h (2)阀部分打开时，p1下降，p2上升。在管路系统中装有离心泵，如图。管路的管径均为60mm,吸入管长度为6m,压出管长度为13米,两段管路的摩擦系数均为=0.03,压出管装有阀门,其阻力系数为=6.4，管路两端水面高度差为10m，泵进口高于水面2m，管内流量为0.012m3/s试求：泵的扬程；泵进口处断面上的压强为多少；如果是高位槽中的水沿同样管路流回，不计泵内阻力，是否可流过同样流量。(用数字比较)注：标准弯头的局部阻力系数=0.75，当地大气压强为760mmHg，高位槽水面维持不变。u=V/(/4)d2=0.012/(/4)0.062=4.24m/s 吸入管阻力损失：Shf.s=0.5u2/2g+0.75u2/2g+0.03(6/0.06)(4.242/2g)=(0.5+0.75+3)4.242/(29.81)=3.90m 压出管阻力损失Shf.D =(20.75+6.4+1+0.0313/0.06)4.242/2g=14.1m 故泵的扬程为H=Z+p/(g)+ Shf =28m在泵进口断面上，从液面至此截面列伯努利方程：0=pb/(g)+2+4.242/(29.81)+ Shf.s = pb/(g)+2+0.92+3.9 pb=0.682at(真)当高位槽沿原路返回时，在槽面与水面间列伯努利式：10=Shf，s+Shf，D10=（0.5+0.75+0.03(6/0.06)+20.75+6.4+1+0.03(13/0.06)u2/2g u=3.16m/s V=8.9310-3m3/s 流量小于原值第二章 流体输送用离心泵输液进塔，塔内表压0.45at,原料槽内表压0.15at，塔内出液口比原料槽液面高8m，管长共25m(包括局部阻力),管内径50mm,摩擦系数0.02液体密度800kg/m3泵的特性:He=26-1.15105V 2 (He-m,V-m3/s),求流量及有效功率管路特性: He= (z2-z1) + (p2-p1)/(g) + Hf =8+(0.45-0.15)10/0.8+8LV 2/(p 2gd5) =11.75+1.32105V2 泵的特性:He = 26-1.15105V2 He = He,解得 V = 7.6010-3 m3/s 则 He = 26-1.15105(7.6010-3)2 = 19.4 m Ne = HeVg = 19.47.6010-38009.81 = 1.16103 W用泵输液经换热器进塔。塔内表压0.8kgf/cm2。排出管内径106mm,管长150m(包括局部阻力),摩擦系数0.03。液体密度960kg/m3。液体流经换热器的压力损失为0.8at。吸入管阻力1m液柱。排出及吸入管内流速1.5m/s。当地气压1atm。液体在工作温度时的饱和蒸汽压可按20水计。敞口液槽液面至塔内出液口的升扬高度为12m。试求:(1)下列泵中最合适的泵型(2)采用最合适的泵,其最大的吸液高度 型号 V He Hs ( m3/h) ( m ) (%) (m) 2B19 22 16 66 6.0 3B57A 50 37.5 64 6.4 4B91 90 91 68 6.2(1)He= (z2-z1)+(p2-p1)/(g)+Hf,吸+Hf,排+Hf,热 = 12+0.89.81104/(9609.81)+1 +0.03150/(0.106)1.52/(29.81) +0.89.81104/(9609.81) =34.5 m V = u(/4)d23600 = 1.50.785 (0.106)23600 = 47.65 m3/h由于(V, He)点在3B57A及4B91型泵的HeV曲线下方,故这两种泵均可用,但(V, He)点更靠近3B57A型泵的HeV曲线,可减少关小阀的能耗,且二泵效率相近,故选用3B57A型泵最合适(2)Hg,max= Hs 1000/960-u2/(2g)-Hf,吸 = 6.4/0.96-1.52/(2 9.81)-1= 5.55 m生产要求以18m3/h流量将饱和温度的液体从低位容器输至高位容器内。液体密度960kg/m3，粘度与水相近。两液位高度差21m，压力表读数：pA= 0.2at , pB= 1.2at。排出管长50m、吸入管长20m(均包括局部阻力)，管内径50mm，摩擦系数0.023。现库存一台泵，铭牌标明：扬程44m，流量20m3/h，此泵是否能用？若此泵能用，该泵在18m3/h时的允许气蚀余量为2.3m，现拟将泵安装在容器A内液位以下9m处，问：能否正常操作？可见，管路要求V=18m3/h,He=42.1m,而该泵最高效率时：V=20m3/h , He=44m,管路要求的（V，He）点接近最高效率的状态，故此泵适用。故可正常工作。如图的输水系统。已知管内径d=50mm,在阀门全开时输送系统的(L+Le)=50m, 摩擦系数可取=0.03, 泵的性能曲线, 在流量为6m3/h至15m3/h范围内可用下式描述: He=18.92-0.82V 0.8，此处He为泵的扬程m,V为泵的流量m3/h, 问: 如要求流量为10m3/h，单位质量的水所需外加功为多少?单位重量的水所需外加功为多少?此泵能否完成任务? 如要求输送量减至8m3/h(通过关小阀门来达到)，泵的轴功率减少百分之多少?(设泵的效率变化忽略不计) (1)当V1=10m3/h， 所需外加功Ws=gDzShf =9.8110+80.0350(10/3600)2/(p20.0505) =128.1 J/kg He=Ws/g=128.1/9.81=13.06 J/N 泵的扬程 He=18.920.82(10)0.8=13.75 J/N HeHe，故此泵能完成任务。 (2)V1=10m3/h时，He,1=13.75m, V2=8m3/h时，He,2=18.920.82(8)0.8=14.59m, 轴功率Na=HeVrg/h，其中r、g、h均为常量， (Na,1Na,2)/Na,1=(He,1V1He,2V2)/(He,1V1) =(13.751014.598)/(13.7510) = 0.151第三章板框压滤机框空的长、宽、厚为250mm250mm30mm,共8只框,以此压滤机过滤某悬浮液,已知过滤常数K=510-5m2/s,滤饼与滤液体积比=0.075,过滤至滤框充满滤饼时共需15min。求表示单位面积滤布阻力的qe 。滤饼充满滤框时的滤液量V = (80.250.250.030)/0.075 = 0.2 m3 相应的 q = V/A = 0.2/(80.250.252) = 0.2 m3/m2 q2+2qqe = K 即 0.22+20.2qe = 510-51560 qe = 0.0125 m3/m2某板框过滤机框空的长、宽、厚为250mm250mm20mm,框数为8, 以此过滤机恒压过滤某悬浮液,测得过滤时间为8.75min与15min时的滤液量分别为0.15m3及0.20m3，试计算过滤常数K。过滤面积A = 820.250.25 = 1.0 m2 已知: 1 = 8.75 min V1 = 0.15 m3 2 = 15 min V2 = 0.20 m3 V2+2VVe = KA2 可得 0.152+20.15Ve = K128.75 (1) 0.202+20.20Ve = K1215 (2) (1)、(2)式联立,解得 K = 0.0030 m2/min = 5.010-5 m2/s已知直径为40m的小颗粒在20常压空气中的沉降速度ut = 0.08m/s。相同密度的颗粒如果直径减半,则沉降速度ut为多大？(空气密度1.2kg/m3,黏度1.8110-5Pas ，颗粒皆为球形)dp = 40m的颗粒 Rep = dput/= 4010-60.081.2/(1.8110-5) = 0.21 2 沉降属斯托克斯区，则直径减半的颗粒粒径dp = dp/2的沉降必亦属于斯托克斯区 ut = gdp2(s-)/(18) 即 ut/ut = (dp)2 /(dp)2 ut= (dp)2 /(dp)2ut = (1/2)20.08 = 0.02 m/s以某叶滤机恒压过滤某悬浮液,过滤1.5小时得滤液30.3m3。过滤介质阻力可略。试问:(1)若再过滤0.5h,操作条件不变,又可得多少滤液?(2) 在上述条件下共过滤2h后以4m3水洗涤滤饼,水与滤液黏度相同,洗涤与过滤压力相同,求洗涤时间是多少？(1) V2 = KA2t 则(V2/V1)2 = t2/t1 即 (V2/30.3)2 = 2/1.5 V2 = 35.0 m3 可多得滤液 V2-V1 = 35.0-30.3 = 4.7 m3(2) (dV/dt)E = KA2/(2VE) = VE/(2tE) = V2/(2t2) = 35.0/(22) = 8.75 m3/h tw = Vw/( dV/dt)w = Vw/( dV/dt)E = 4/8.75 = 0.457h = 27.4 min用某叶滤机恒压过滤钛白水悬浮液。滤叶每侧过滤面积为(0.81)2m2,共10只滤叶。测得:过滤10min得滤液1.31m3；再过滤10min共得滤液1.905m3。已知滤饼与滤液体积比n=0.1。试问:(1)过滤至滤饼厚为21mm即停止,过滤时间是多少?(2) 若滤饼洗涤与辅助时间共45min,其生产能力是多少?（以每小时得的滤饼体积计）(1) V2 + 2VVe = KA2t 由题意得 1.312 + 21.31Ve = KA210 (a) 1.9052 + 21.905Ve = KA220 (b) (a)、(b)联立,解得 KA2= 0.2076 m6/min,Ve = 0.1374 m3 又 A = 1020.812 = 13.12m2 过滤终了时,共得滤液量VE = 13.120.021/0.1 = 2.755 m3 由 2.7552 + 22.7550.1374 = 0.2076tE,tE = 40.2 min(2) 生产能力 = nVE /(tE+tw+t辅) = 0.12.755/(40.2+45) =3.2310-3 m3/min = 0.194 m3/h(滤饼) (2) 生产能力 = nVE /(tE+tw+t辅)= 0.12.755/(40.2+65) = 2.6210-3 m3/min(滤饼)= 0.157 m3/h(滤饼)以长3m、宽2m的重力沉降室除气体所含的灰尘。气体密度= 1.2kg/m3、黏度= 1.8110-5PaS。尘粒为球形，密度=2300kg/m3。处理气量为每小时4300m3。求：（1）可全部除去的最小尘粒粒径dp,1；（2）能除去40%的尘粒粒径dp,2。四、 传热流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程通过,温度由150降至80;壳程冷却用软水,进口温度为15,出口温度为65,与气体作逆流流动。两者均处于湍流。已知气体侧的对流给热系数远小于冷却水侧的对流给热系数。试求: 1.冷却水用量; 2.如进口水温上升为20,仍用原设备要达到相同的气体冷却程度,此时出口水温将为多少度?冷却水用量为多少?管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计。气体的平均比热为1.02kJ/(kgK),水的比热为4.17kJ/(kgK),不计温度变化对比热的影响。解:(1)冷却水用量 Q=W1cp1(T1-T2)=W2cp2(t2-t1) Q=20001.02(150-80)=W24.17(65-15) =14.3104kJ/h W2=14.3104/(4.17(65-15)=685kg/h (2)由题知 io 原情况 Q=KiAitm=iAitm (1) 新情况 Q=KiAitm=iAitm (2) 因气体的冷却任务没有变化 Q=Q 气体的流量及管子尺寸没有变化 i=i 两种情况都用同一设备 Ai=Ai 比较式1及式2 得: tm=tm 原情况 t1=150-65=85 t2=80-15=65 t1/t2=85/65=1.32 tm=(85+65)/2=75 新情况 t1=150-t2 t2=80-20=60 tm=(150-t2)+60/2=75 解得 t2=60 t1=150-60=90 t1/t2 =90/60=1.5 故tm用算术平均值计算是可以的. 新情况的热衡算: W24.17(60-20)=20001.02(150-80) W2=856kg/h需将水量调至856kg/h。有一台套管换热器,内管为382.5mm钢管,外管为573mm钢管,换热管总长36m,逆流操作,管内走水,将管间4200kg/h的苯液从65冷却到35,水温从25升到35,现已知苯侧对流给热系数为2030W/(m2K),水侧对流给热系数为6610W/(m2K),苯侧垢层热阻为0.18(m2K)/kW,苯液比热cP1=1.80kJ/(kgK),钢导热率=45W/(mK)。试计算 (1)该换热器传热系数K (2)水侧垢层热阻Ra2 Q=W1cp1(T1-T2) =(4200/3600)1.81000(65-35)=63000W A1=d1L=3.140.03836=4.295m2 tm=(t1-t2)/Ln(t1/t2) =(65-35)-(35-25)/Ln(30/10)=18.2 K1=Q/(A1tm)=63000/(4.29518.2) =805.95W/(m2K)(2) Rs2=1/K-(1/1+bA1/(Am)+Rs1+A1/(2A2) =1/805.95-(1/2030+0.002538/(4535.5)+0.18/1000+38/(661033) =0.000334(m2K)/W 用一传热面积为3m2由252.5mm的管子组成的单管程单壳程列管式换热器, 用初温为10的水将机油由200冷却至100, 水走管内, 油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000kg/h和1200kg/h, 其比热分别为4.18kJ/( kgK) 和2.0kJ(kgK);水侧和油侧的对流给热系数分别为2000W/(m2K) 和250W/(m2K), 两流体呈逆流流动, 忽略管壁和污垢热阻。(A)计算说明该换热器是否合用? (B)夏天当水的初温达到30, 而油的流量及冷却程度不变时, 水流量亦不变，该换热器是否合用? 如何解决? (假设传热系数不变) tm=(132.6-90)/Ln(123.6/90)=110 1/K1=1/a 1+d1/( a 2d 2)=1/250+25/(200020) K1=216.2W/(m2K) A1=Q1/(Ktm)= 2.40108/(216.23600110)=2.8m23m2 不适用 解决办法是调大水量, 使t2,tm,并使, K有一套管换热器, 内管为542mm,外管为1164mm的钢管, 内管中苯被加热, 苯进口温度为50, 出口温度为80, 流量为4000kg/h。环隙为133.3 的饱和水蒸气冷凝, 其汽化热为2168.1kJ/kg,冷凝给热系数为11630W/(m2K)。 苯在5080之间的物性参数平均值为密度=880kg/m3, 比热cp=1.86kJ/(kg),黏度=0.3910-3PaS, 导热率=0.134W/(mK), 管内壁垢阻为0.000265(m2)/W,管壁及管外侧垢阻不计。试求: (A)加热蒸汽消耗量; (B)所需的传热面积(C)当苯的流量增加50%,要求苯的进出口温度不变, 加热蒸汽的温度应为多少?(1) Q=Wcp(t2t1)=40001.86(8050)=2.232105kJ/h D=2.232105/2168.1=103kg/h (2) u=4000/(36000.7850.052880)=0.643m/s Re=(0.050.643880)/(0.39103)=7.25104104 Pr=1.861030.39103/0.134=5.41 ai=0.023(0.134/0.05)(7.25104) 0.8(5.41) 0.4=936.3W/(m2K) Ki=707.9W/(m2K) 2 W=1.5W=1.54000=6000kg/hA=Q/(Ktm)= 2.232105/(707.967.23.6)=1.30m Q=1.5Q=2.2321051.5=3.348105kJ/h i=(1.5) 0.8=936.31.383=1295W/(m2K) Ki=895.4W/(m2K) tm=Q/(AK)= 3.348105/(895.41.303.6)=79.9 T=145.6有一列管换热器,用-15的液氨蒸发来冷却空气。空气在换热器的薄壁列管内作湍流流动,由40冷却到 -5,液氨侧的对流给热系数为1880W/(m2K),空气侧的对流给热系数为:46.5W/(m2K)。忽略管壁和污垢热阻。求 (A)平均温度差; (B)总传热系数; (C)若空气流量增加20%,其他条件不变,总传热系数将变为多少? (D)为保证空气流量增加后的冷却程度不变,在以后设计换热器时,可采取什么措施?tm =(40-(-15)-(-5-(-15)/Ln(55/10)=26.4 1/K=1/46.5 + 1/1880 K45.4W/(m2K) 如流量增加20% 由于Nu =0.023Re0.8Pr0.3 2/1=(W2/W1)0.8 2=1(1.2/1)0.8=1.15746.5=53.8W/(m2K) 此时 1/K2=1/53.8+1/1880 K2=52.3W/(m2K) 流量增加后,要求空气的冷却程度不变。 W1cpt1=K1 A1tm1 W2cpt2 =K2A2tm2 其中W2=1.2W1 tm1=tm2 则W1/W2 =K1A1/K2A2 A2/A1 =1.245.4/52.3=1.042 故设计换热器时若使面积有4%的裕量,可以保证空气量增加20%后仍达到原定的冷却程度。一套管换热器,外管为833.5mm,内管为573.5mm的钢管,有效长度为 60m。 用 120的饱和水蒸气冷凝