化工原理作业答案.pdf

H
l le u2
d 2g
u
39
π 0.01 m/s=1.38 m/s
3600 4
于是
2gdH
l le
u2
2 9.81 0.1 38 0.02 1.38 2 m=1960 m
2．用离心泵（转速为 2900 r/min ）进行性能参数测定实验。在某流量下泵入口真空表
和出口压力表的读数分别为 60 kPa 和 220 kPa，两测压口之间垂直距离为 0.5 m，泵的轴功
可能发生气蚀现象。为安全运行，离心泵应再下移
1.5 m。
8．对于习题 7 的管路系统，若用两台规格相同的离心泵（单台泵的特性方程与习题
8
相同）组合操作，试求可能的最大输水量。
解：本题旨在比较离心泵的并联和串联的效果。
（1）两台泵的并联
解得：
8.8 5.2 105 q 2 28 4.2 105 ( q ) 2 2
1.06 kg/m 3，黏度为 1.8 ×10-5 Pa?s。 0.5 kg/m 3，黏度为 3.3 ×10-5 Pa?s。
解：（ 1）在降尘室内能够完全沉降下来的最小颗粒的沉降速度为：
273 20
ut
qv, s bl
3000 273 m s 0.03577 m s
3600 5 5
设沉降在斯托克斯区，则：
为 20 m。
（ 1）当闸阀关闭时， 测得 R=600 mm、h=1500 mm ；当闸阀部分开启时， 测得 R=400 mm 、
h=1400 mm 。摩擦系数 可取为 0.025，管路入口处的局部阻力系数取为 中流出多少水（ m3）？
0.5。问每小时从管
（ 2）当闸阀全开时， U 管压差计测压处的压力为多少 Pa（表压）。（闸阀全开时 Le/d≈
管线上有两个全开的闸阀、一个孔板流量计（局部阻力系数为
4）、五个标准弯头。反应器
内液面与管路出口的距离为 17 m 。若泵的效率为 0.7，求泵的轴功率。 （已知溶液的密度为
1073 kg/m 3，黏度为 6.3 10-4 Pa s。管壁绝对粗糙度可取为 0.3 mm。） 解：在反应器液面 1-1，与管路出口内侧截面 2-2，间列机械能衡算方程，以截面
1000 9.81
(3) 泵的效率
Hqs g 29.04 57.61 1000 9.81 100% =68%
1000P
3600 1000 6.7
在指定转速下，泵的性能参数为： q=57.61 m 3/h H=29.04 m
P=6.7 kW
η=68%
5．用离心泵将真空精馏塔的釜残液送至常压贮罐。 塔底液面上的绝对压力为 32.5 kPa(即 输送温度下溶液的饱和蒸汽压 )。已知：吸入管路压头损失为 1.46 m，泵的必需气蚀余量为
（ 2）真空表读数 真空度 =大气压 -绝压 = 101.33 10 3 65.3 103 Pa 36.03kPa
5．如本题附图所示，流化床反应器上装有两个
U 管压差计。读数分别为 R1=500 mm ，
R2=80 mm ，指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的
U 管与大气连通的玻璃
管内灌入一段水，其高度 R3=100 mm 。试求 A、 B 两点的表压力。
闸阀（全开） ： 0.43× 2 m =0.86 m
标准弯头：
2.2× 5 m =11 m
故
35 0.86 11
1.432
hf =(0.03×
0.068
+0.5+4)
J kg =25.74J/kg
2
于是 We 192.0 25.74 J kg 217.7 J kg
泵的轴功率为
N s =We w /
ms 1073
1.43 m s
We
g ( z2
z1 )
u2 b2
p2 p1
hf
2
=9.81×17+ 1.432 + 25.9 103 +
2
1073
hf =192.0+
hf
其中
L
Le
hf =（ +
+
d
u2 b2
）
2
Re
dub
=
0.068 1.43 0.63 10
1073
3
=1.656 × 105
e d 0.0044 根据 Re 与 e/ d 值，查得 λ=0.03 ，并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为
1-1 ， 为
基准水平面，得
gz1
u2 b1
p1 We
gz2
u2 b2
p2
hf
2
2
（ 1）
式中
z1=0， z2=17 m ，ub1≈ 0
w u b2
d2 4
2 104 3600 0.785 0.0682
p1=-25.9× 103 Pa (表 )， p2=0 ( 表 )
将以上数据代入式（ 1），并整理得
2.3 m，该泵安装在塔内液面下 3.0 m 处。试核算该泵能否正常操作。 解：泵的允许安装高度为
Hg
pa pv g
NPSH H f,0 1
式中
pa pv 0 g
则
H g [ (2.3 0.5) 1.46] m -4.26m
泵的允许安装位置应在塔内液面下 4.26m 处，实际安装高度为– 3.0m，故泵在操作时
q=5.54×
10–3
3
m /s=19.95
m
3
/h
(2) 两台泵的串联
52
52
8.8 5.2 10 q 2 ( 28 4.2 10 q )
解得：
q=5.89× 10–3 m3/s=21.2 m 3/h
在本题条件下，两台泵串联可获得较大的输水量
21.2 m3/h。
第三章 非均相混合物分离及固体流态化
2．用降尘室除去气体中的固体杂质，降尘室长
5 m，宽 5 m，高 4.2 m，固体杂质为球
形颗粒，密度为 3000 kg/m 3。气体的处理量为 3000（标准） m3/h。试求理论上能完全除去的
最小颗粒直径。
（ 1）若操作在 20 ℃下进行，操作条件下的气体密度为 （ 2）若操作在 420 ℃下进行，操作条件下的气体密度为
217.7 2 104
=
W =1.73kW
3600 0.7
20．如本题附图所示， 贮槽内水位维持不变。 槽的底部与内径为 100 mm 的钢质放水管相连， 管路上装有一个闸阀，距管路入口端 15 m 处安有以水银为指示液的 U 管压差计，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直管长度
率为 6.7 kW 。泵吸入管和排出管内径均为 80 mm，吸入管中流动阻力可表达为
hf,0 1 3.0u12
（u1 为吸入管内水的流速， m/s）。离心泵的安装高度为 2.5 m，实验是在 20 ℃， 98.1 kPa 的条件下进行。试计算泵的流量、压头和效率。
解：（ 1）泵的流量
由水池液面和泵入口真空表所在截面之间列柏努利方程式（池中水面为基准面）
2.13u
2 b
2
(0.025 15 0.5) ub
0.1
2
2.13u
2 b
将以上各值代入式（ a），即
9.81× 6.66=
u2 b
+
39630
+2.13
u
2 b
2 1000
解得
u b 3.13 m s
水的流量为
Vs
3600
π d
2u
பைடு நூலகம்
b
4
3600 0.785 0.12 3.13 m 3 s 1.43 m 3 s
He
K
Bq
2 e
1-1’与 2-2’截面，以水平管轴线为基准面，在两截面之间
由于启动离心泵之前 pA=pC,于是 K Z p =0 g
则
He
Bq
2 e
又
H e H 38 m
B
[
38
/(
39)
2
]
h
2/m
5=2.5
×
–
10
2
h2/m
5
则
He
2.5
10
2
q
2 e
（
qe
的单位为
m3/h）
（ 2）输油管线总长度
4
4
We
p2
p1
u22 u12 2
g Z2
Z1
hf
1.21 1.0133 105 1.9662
We
800
9.8 8.0 70 J kg 2
2.46 1.93 78.4 70 J kg 175 J kg
N e wsWe 20 3600 800 173 W 768.9W
19．用泵将 2× 104 kg/h 的溶液自反应器送至高位槽 （见本题附图） 。反应器液面上方保持 25.9 ×103 Pa 的真空度， 高位槽液面上方为大气压。 管道为 76 mm× 4 mm 的钢管， 总长为 35 m，
15)
2
0.5 ub
2
0.1
2
4.81ub2
将以上数据代入式（ c），即
9.81× 6.66=
2
ub
+4.81
u
2 b
2
解得
u b 3.13 m s
再在截面 1-1，与 2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得
gz1
u2 b1
p1
gz2
u2 b2
p2
2
2
hf ，1－ 2
（ d）
式中
z1=6.66 m ，z2=0，ub1 0，ub2=3.51 m/s ， p1=0（表压力）
3．已知甲地区的平均大气压力为 85.3 kPa，乙地区的平均大气压力为 101.33 kPa，在甲 地区的某真空设备上装有一个真空表， 其读数为 20 kPa。若改在乙地区操作， 真空表的读数 为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？
解：（ 1）设备内绝对压力 绝压 =大气压 -真空度 = 85.3 103 20 103 Pa 65.3kPa
ut
0.03577
精馏塔 3 的中部进行分离。 已知储罐内液面维持恒定， 其上方压
力为 1.0133 105 Pa。流体密度为 800 kg/m 3。精馏塔进口处的塔
内压力为 1.21 105 Pa，进料口高于储罐内的液面 8 m，输送管道
直径为 φ 68 mm
4 mm，进料量为
20
m
3
/h
。料液流经全部管道
的能量损失为 70 J/kg ，求泵的有效功率。
（ 2）闸阀全开时测压点处的压力 在截面 1-1，与管路出口内侧截面 3-3，间列机械能衡算方程，并通过管中心线作基准平面，
得
gz1
u2 b1
p1
gz3
u2 b3
p3
2
2
hf，1－ 3
（c）
式中
z1=6.66 m ，z3=0，ub1=0， p1=p3
hf,1 3
L (
Le
d
c)
u2 b
=
0.025( 35
解：（ 1） A 点的压力
p A 水 gR3 汞 gR2 1000 9.81 0.1 13600 9.81 0.08 Pa 1.165 104 Pa（表）
（ 2）B 点的压力
pB pA
汞 gR1
1.165 104 13600 9.81 0.5 Pa 7.836 104 Pa（表）
13．如本题附图所示， 用泵 2 将储罐 1 中的有机混合液送至
ub2=0， z2=0 z1 可通过闸阀全关时的数据求取。当闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方 程知
H2O g( z1 h)
Hg gR
式中 h=1.5 m, R=0.6 m 将已知数据代入式（ b）得
（b）
13600 0.6
z1
1000
1.5 m 6.66m
L h ( f,1-2
d
2
c ) ub 2
15，摩擦系数仍可取 0.025。）
解：（ 1）闸阀部分开启时水的流量
在贮槽水面
，
1-1
与测压点处截面
2-2 ，间列机械能衡算方程，并通过截面
基准水平面，得
gz1
u2 b1
p1
gz2
u2 b2
p2
2
2
hf，1－2
，
2-2
的中心作
（ a）
式中
p1=0(表 )
p 2 Hg gR H2O gR 13600 9.81 0.4 1000 9.81 1.4 Pa 39630Pa（表）
39 m3/h ，
此时泵的压头为 38 m。已知输油管内径为 100 mm ，摩擦系数为 0.02；油品密度为 810 kg/m 3。
试求（ 1）管路特性方程； （ 2）输油管线的总长度（包括所有局部阻力当量长度） 。
习题 1 附图
解：（ 1）管路特性方程 甲、乙两地油罐液面分别取作 列柏努利方程，得到
1.5
3.512
hf,1 2
0.025
0.5
J kg 26.2 J kg
0.1
2
将以上数值代入上式，则
解得
3.51 2 9.81 6.66
p2
2 1000
p2=3.30× 104Pa（表压）
26. 2
第二章 流体输送机械
1．用离心油泵将甲地油罐的油品送到乙地油罐。管路情况如本题附图所示。启动泵之
前 A 、C 两压力表的读数相等。启动离心泵并将出口阀调至某开度时，输油量为
解：在截面 A-A 和截面 B - B 之间列柏努利方程式，得
p1 u12
gZ1 We
p2
u
2 2
gZ2
hf
2
2
p1 1.0133 105 Pa； p2 1.21 105 Pa；Z 2 Z1 8.0m；
u1 0；
hf 70 J kg
VV
20 3600
u2
A
π d
2
m s 1.966 m s 3.14 0.068 2 0.004 2
，得到
0 gZ1
p1 u12 2
h f ,0 1
将有关数据代入上式并整理，得
3.5u12
60 103 2.5 9.81
1000
35.48
u1 3.184 m/s
则
q
π (
0.082
3.184
3600) m3/h=57.61 m 3/h
4
(2) 泵的扬程
H H 1 H 2 h0
(60 220) 103 0.5 m 29.04m