天津大學(xué)化工原理答案(第二版)完整

緒論

1.從根本單位換算入手，將以下物理量的單位換算為SI單位?！?〕水的黏度μ=0.00856g/(cm·s)〔2〕密度ρ=138.6kgf?s2/m4〔3〕某物質(zhì)的比熱容CP=0.24BTU/(lb·℉)〔4〕傳質(zhì)系數(shù)KG=34.2kmol/(m2?h?atm)〔5〕外表張力σ=74dyn/cm〔6〕導(dǎo)熱系數(shù)λ=1kcal/(m?h?℃)解：此題為物理量的單位換算?！?〕水的黏度根本物理量的換算關(guān)系為1kg=1000g，1m=100cm那么〔2〕密度根本物理量的換算關(guān)系為1kgf=9.81N，1N=1kg?m/s2那么〔3〕從附錄二查出有關(guān)根本物理量的換算關(guān)系為1BTU=1.055kJ，lb=0.4536kg那么〔4〕傳質(zhì)系數(shù)根本物理量的換算關(guān)系為1h=3600s，1atm=101.33kPa那么〔5〕外表張力根本物理量的換算關(guān)系為1dyn=1×10–5N1m=100cm那么〔6〕導(dǎo)熱系數(shù)根本物理量的換算關(guān)系為1kcal=4.1868×103J，1h=3600s那么2．亂堆25cm拉西環(huán)的填料塔用于精餾操作時(shí)，等板高度可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即式中HE—等板高度，ft；G—?dú)庀噘|(zhì)量速度，lb/(ft2?h)；D—塔徑，ft；Z0—每段〔即兩層液體分布板之間〕填料層高度，ft；α—相對(duì)揮發(fā)度，量綱為一；μL—液相黏度，cP；ρL—液相密度，lb/ft3A、B、C為常數(shù)，對(duì)25mm的拉西環(huán)，其數(shù)值分別為0.57、-0.1及1.24。試將上面經(jīng)驗(yàn)公式中各物理量的單位均換算為SI單位。解：上面經(jīng)驗(yàn)公式是混合單位制度，液體黏度為物理單位制，而其余諸物理量均為英制。經(jīng)驗(yàn)公式單位換算的根本要點(diǎn)是：找出式中每個(gè)物理量新舊單位之間的換算關(guān)系，導(dǎo)出物理量“數(shù)字〞的表達(dá)式，然后代入經(jīng)驗(yàn)公式并整理，以便使式中各符號(hào)都變?yōu)樗Ｍ膯挝弧＞唧w換算過程如下：〔1〕從附錄查出或計(jì)算出經(jīng)驗(yàn)公式有關(guān)物理量新舊單位之間的關(guān)系為〔見1〕α量綱為一，不必?fù)Q算1=1=16.01kg/m2(2)將原符號(hào)加上“′〞以代表新單位的符號(hào)，導(dǎo)出原符號(hào)的“數(shù)字〞表達(dá)式。下面以HE為例：那么同理(3)將以上關(guān)系式代原經(jīng)驗(yàn)公式，得整理上式并略去符號(hào)的上標(biāo)，便得到換算后的經(jīng)驗(yàn)公式，即

第一章流體流動(dòng)流體的重要性質(zhì)1．某氣柜的容積為6000m3，假設(shè)氣柜內(nèi)的表壓力為5.5kPa，溫度為40℃。各組分氣體的體積分?jǐn)?shù)為：H240%、N220%、CO32%、CO27%、CH41%，大氣壓力為101.3kPa，試計(jì)算氣柜滿載時(shí)各組分的質(zhì)量。解：氣柜滿載時(shí)各氣體的總摩爾數(shù)各組分的質(zhì)量：2．假設(shè)將密度為830kg/m3的油與密度為710kg/m3的油各60kg混在一起，試求混合油的密度。設(shè)混合油為理想溶液。解：流體靜力學(xué)3．甲地區(qū)的平均大氣壓力為85.3kPa，乙地區(qū)的平均大氣壓力為101.33kPa，在甲地區(qū)的某真空設(shè)備上裝有一個(gè)真空表，其讀數(shù)為20kPa。假設(shè)改在乙地區(qū)操作，真空表的讀數(shù)為多少才能維持該設(shè)備的的絕對(duì)壓力與甲地區(qū)操作時(shí)相同？解：〔1〕設(shè)備內(nèi)絕對(duì)壓力絕壓=大氣壓-真空度=〔2〕真空表讀數(shù)真空度=大氣壓-絕壓=4．某儲(chǔ)油罐中盛有密度為960kg/m3的重油〔如附圖所示〕，油面最高時(shí)離罐底9.5m，油面上方與大氣相通。在罐側(cè)壁的下部有一直徑為760mm的孔，其中心距罐底1000mm，孔蓋用14mm的鋼制螺釘緊固。假設(shè)螺釘材料的工作壓力為39.5×106Pa，問至少需要幾個(gè)螺釘〔大氣壓力為101.3×103Pa〕？解：由流體靜力學(xué)方程，距罐底1000mm處的流體壓力為作用在孔蓋上的總力為每個(gè)螺釘所受力為因此習(xí)題5附圖習(xí)題4附圖5．如此題附圖所示，流化床反響器上裝有兩個(gè)U管壓差計(jì)。讀數(shù)分別為R1=500mm，R2=80mm，指示液為水銀。為防止水銀蒸氣向空間擴(kuò)散，于右側(cè)的U管與大氣連通的玻璃管內(nèi)灌入一段水，其高度R3=100mm。試求A、B兩點(diǎn)的表壓力。習(xí)題6附圖解：〔1〕A點(diǎn)的壓力習(xí)題6附圖〔2〕B點(diǎn)的壓力6．如此題附圖所示，水在管道內(nèi)流動(dòng)。為測(cè)量流體壓力，在管道某截面處連接U管壓差計(jì)，指示液為水銀，讀數(shù)R=100mm，h=800mm。為防止水銀擴(kuò)散至空氣中，在水銀面上方充入少量水，其高度可以忽略不計(jì)。當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?01.3kPa，試求管路中心處流體的壓力。解：設(shè)管路中心處流體的壓力為p根據(jù)流體靜力學(xué)根本方程式，那么7．某工廠為了控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)的壓力不超過13.3kPa〔表壓〕，在爐外裝一平安液封管〔又稱水封〕裝置，如此題附圖所示。液封的作用是，當(dāng)爐內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí)，氣體便從液封管排出。試求此爐的平安液封管應(yīng)插入槽內(nèi)水面下的深度h。習(xí)題7附圖解：習(xí)題7附圖流體流動(dòng)概述8.密度為1800kg/m3的某液體經(jīng)一內(nèi)徑為60mm的管道輸送到某處，假設(shè)其平均流速為0.8m/s，求該液體的體積流量〔m3/h〕、質(zhì)量流量〔kg/s〕和質(zhì)量通量[kg/(m2·s)]。解：9．在實(shí)驗(yàn)室中，用內(nèi)徑為1.5cm的玻璃管路輸送20℃的70%醋酸。質(zhì)量流量為10kg/min。試分別用用SI和厘米克秒單位計(jì)算該流動(dòng)的雷諾數(shù)，并指出流動(dòng)型態(tài)。解：〔1〕用SI單位計(jì)算查附錄70%醋酸在20℃時(shí)，故為湍流?！?〕用物理單位計(jì)算，10．有一裝滿水的儲(chǔ)槽，直徑1.2m，高3m?，F(xiàn)由槽底部的小孔向外排水。小孔的直徑為4cm，測(cè)得水流過小孔的平均流速u0與槽內(nèi)水面高度z的關(guān)系為：試求算〔1〕放出1m3水所需的時(shí)間〔設(shè)水的密度為1000kg/m3〕；〔2〕又假設(shè)槽中裝滿煤油，其它條件不變，放出1m3煤油所需時(shí)間有何變化〔設(shè)煤油密度為800kg/m3〕？解：放出1m3水后液面高度降至z1，那么由質(zhì)量守恒，得，〔無水補(bǔ)充〕(A為儲(chǔ)槽截面積)故有即上式積分得11．如此題附圖所示，高位槽內(nèi)的水位高于地面7m，水從φ108mm×4mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5m。水流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失可按∑hf=5.5u2計(jì)算，其中u為水在管內(nèi)的平均流速〔m/s〕。設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)，試計(jì)算〔1〕A-A'截面處水的平均流速；〔2〕水的流量〔m3/h〕。解：〔1〕A-A'截面處水的平均流速在高位槽水面與管路出口截面之間列機(jī)械能衡算方程,得〔1〕式中z1=7m，ub1～0，p1=0〔表壓〕z2=1.5m，p2=0〔表壓〕，ub2=5.5u2代入式〔1〕得〔2〕水的流量〔以m3/h計(jì)〕習(xí)題11附圖習(xí)題12附圖12．20℃的水以2.5m/s的平均流速流經(jīng)φ38mm×2.5mm的水平管，此管以錐形管與另一φ53mm×3mm的水平管相連。如此題附圖所示，在錐形管兩側(cè)A、B處各插入一垂直玻璃管以觀察兩截面的壓力。假設(shè)水流經(jīng)A、B兩截面間的能量損失為1.5J/kg，求兩玻璃管的水面差〔以mm計(jì)〕，并在此題附圖中畫出兩玻璃管中水面的相對(duì)位置。解：在A、B兩截面之間列機(jī)械能衡算方程式中z1=z2=0，∑hf=1.5J/kg習(xí)題13附圖故13．如此題附圖所示，用泵2將儲(chǔ)罐1中的有機(jī)混合液送至精餾塔3的中部進(jìn)行別離。儲(chǔ)罐內(nèi)液面維持恒定，其上方壓力為1.0133105Pa。流體密度為800kg/m3。精餾塔進(jìn)口處的塔內(nèi)壓力為1.21105Pa，進(jìn)料口高于儲(chǔ)罐內(nèi)的液面8m，輸送管道直徑為φ68mm4mm，進(jìn)料量為20m3/h。料液流經(jīng)全部管道的能量損失為70J/kg，求泵的有效功率。解：在截面和截面之間列柏努利方程式，得習(xí)題14附圖14．此題附圖所示的貯槽內(nèi)徑D=2m，槽底與內(nèi)徑d0為32mm的鋼管相連，槽內(nèi)無液體補(bǔ)充，其初始液面高度h1為2m〔以管子中心線為基準(zhǔn)〕。液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的全部能量損失可按∑hf=20u2計(jì)算，式中的u為液體在管內(nèi)的平均流速〔m/s〕。試求當(dāng)槽內(nèi)液面下降1m時(shí)所需的時(shí)間。解：由質(zhì)量衡算方程，得〔1〕〔2〕〔3〕將式〔2〕，〔3〕代入式〔1〕得即〔4〕在貯槽液面與管出口截面之間列機(jī)械能衡算方程即或?qū)懗伞?〕式〔4〕與式〔5〕聯(lián)立，得即i.c.θ=0，h=h1=2m；θ=θ，h=1m積分得動(dòng)量傳遞現(xiàn)象與管內(nèi)流動(dòng)阻力15．某不可壓縮流體在矩形截面的管道中作一維定態(tài)層流流動(dòng)。設(shè)管道寬度為b，高度2y0，且b>>y0，流道長度為L，兩端壓力降為，試根據(jù)力的衡算導(dǎo)出〔1〕剪應(yīng)力τ隨高度y〔自中心至任意一點(diǎn)的距離〕變化的關(guān)系式；〔2〕通道截面上的速度分布方程；〔3〕平均流速與最大流速的關(guān)系。解：〔1〕由于b>>y0,可近似認(rèn)為兩板無限寬，故有〔1〕〔2〕將牛頓黏性定律代入〔1〕得上式積分得〔2〕邊界條件為y=0，u=0，代入式〔2〕中，得C=-因此〔3〕〔3〕當(dāng)y=y0，u=umax故有再將式〔3〕寫成〔4〕根據(jù)ub的定義，得16．不可壓縮流體在水平圓管中作一維定態(tài)軸向?qū)恿髁鲃?dòng)，試證明〔1〕與主體流速u相應(yīng)的速度點(diǎn)出現(xiàn)在離管壁0.293ri處，其中ri為管內(nèi)半徑；〔2〕剪應(yīng)力沿徑向?yàn)橹本€分布，且在管中心為零。解：〔1〕〔1〕當(dāng)u=ub時(shí)，由式〔1〕得解得由管壁面算起的距離為〔2〕由對(duì)式〔1〕求導(dǎo)得故〔3〕在管中心處，r=0，故τ=0。17．流體在圓管內(nèi)作定態(tài)湍流時(shí)的速度分布可用如下的經(jīng)驗(yàn)式表達(dá)試計(jì)算管內(nèi)平均流速與最大流速之比u/umax。解：令18．某液體以一定的質(zhì)量流量在水平直圓管內(nèi)作湍流流動(dòng)。假設(shè)管長及液體物性不變，將管徑減至原來的1/2，問因流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的能量損失為原來的多少倍？解：流體在水平光滑直圓管中作湍流流動(dòng)時(shí)=或=/==〔式中=2，=〔〕2=4因此==32又由于=〔=〔=〔2×=〔0.5〕0.25=0.841故=32×0.84=26.9習(xí)題19附圖19．用泵將2×104kg/h的溶液自反響器送至高位槽〔見此題附圖〕。反響器液面上方保持25.9×103Pa的真空度，高位槽液面上方為大氣壓。管道為76mm×4mm的鋼管，總長為35m，管線上有兩個(gè)全開的閘閥、一個(gè)孔板流量計(jì)〔局部阻力系數(shù)為4〕、五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭。反響器內(nèi)液面與管路出口的距離為17m。假設(shè)泵的效率為0.7，求泵的軸功率?！踩芤旱拿芏葹?073kg/m3，黏度為6.310-4Pas。管壁絕對(duì)粗糙度可取為0.3mm。〕解：在反響器液面1-1，與管路出口內(nèi)側(cè)截面2-2，間列機(jī)械能衡算方程，以截面1-1，為基準(zhǔn)水平面，得〔1〕式中z1=0，z2=17m，ub1≈0p1=-25.9×103Pa(表)，p2=0(表)將以上數(shù)據(jù)代入式〔1〕，并整理得=9.81×17+++=192.0+其中=〔++〕==1.656×105根據(jù)Re與e/d值，查得λ=0.03，并由教材可查得各管件、閥門的當(dāng)量長度分別為閘閥〔全開〕：0.43×2m=0.86m標(biāo)準(zhǔn)彎頭：2.2×5m=11m故=(0.03×+0.5+4)=25.74J/kg于是泵的軸功率為===1.73kW流體輸送管路的計(jì)算習(xí)題20附圖20．如此題附圖所示，貯槽內(nèi)水位維持不變。槽的底部與內(nèi)徑為100mm的鋼質(zhì)放水管相連，管路上裝有一個(gè)閘閥，距管路入口端15m處安有以水銀為指示液的U管壓差計(jì)，其一臂與管道相連，另一臂通大氣。壓差計(jì)連接管內(nèi)充滿了水，測(cè)壓點(diǎn)與管路出口端之間的直管長度為20m?！?〕當(dāng)閘閥關(guān)閉時(shí)，測(cè)得R=600mm、h=1500mm；當(dāng)閘閥局部開啟時(shí)，測(cè)得R=400mm、h=1400mm。摩擦系數(shù)可取為0.025，管路入口處的局部阻力系數(shù)取為0.5。問每小時(shí)從管中流出多少水〔m3〕？〔2〕當(dāng)閘閥全開時(shí)，U管壓差計(jì)測(cè)壓處的壓力為多少Pa〔表壓〕?！查l閥全開時(shí)Le/d≈15，摩擦系數(shù)仍可取0.025?！辰猓骸?〕閘閥局部開啟時(shí)水的流量在貯槽水面1-1，與測(cè)壓點(diǎn)處截面2-2，間列機(jī)械能衡算方程，并通過截面2-2，的中心作基準(zhǔn)水平面，得〔a〕式中p1=0(表)ub2=0，z2=0z1可通過閘閥全關(guān)時(shí)的數(shù)據(jù)求取。當(dāng)閘閥全關(guān)時(shí)，水靜止不動(dòng)，根據(jù)流體靜力學(xué)根本方程知〔b〕式中h=1.5m,R=0.6m將數(shù)據(jù)代入式〔b〕得將以上各值代入式〔a〕，即9.81×6.66=++2.13ub2解得水的流量為〔2〕閘閥全開時(shí)測(cè)壓點(diǎn)處的壓力在截面1-1，與管路出口內(nèi)側(cè)截面3-3，間列機(jī)械能衡算方程，并通過管中心線作基準(zhǔn)平面，得〔c〕式中z1=6.66m，z3=0，ub1=0，p1=p3=將以上數(shù)據(jù)代入式〔c〕，即9.81×6.66=+4.81ub2解得再在截面1-1，與2-2，間列機(jī)械能衡算方程，基平面同前，得〔d〕式中z1=6.66m，z2=0，ub10，ub2=3.51m/s，p1=0〔表壓力〕將以上數(shù)值代入上式，那么解得p2=3.30×104Pa〔表壓〕21．10℃的水以500l/min的流量流經(jīng)一長為300m的水平管，管壁的絕對(duì)粗糙度為0.05mm。有6m的壓頭可供克服流動(dòng)的摩擦阻力，試求管徑的最小尺寸。解：由于是直徑均一的水平圓管，故機(jī)械能衡算方程簡化為上式兩端同除以加速度g，得=/g=6m〔題給〕即==6×9.81J/kg=58.56J/kg〔a〕將ub代入式〔a〕，并簡化得〔b〕λ與Re及e/d有關(guān)，采用試差法，設(shè)λ=0.021代入式〔b〕，求出d=0.0904m。下面驗(yàn)算所設(shè)的λ值是否正確：10℃水物性由附錄查得ρ=1000kg/m3，μ=130.77×10-5Pa由e/d及Re，查得λ=0.021故習(xí)題22附圖22．如此題附圖所示，自水塔將水送至車間，輸送管路用mm的鋼管，管路總長為190m〔包括管件與閥門的當(dāng)量長度，但不包括進(jìn)、出口損失〕。水塔內(nèi)水面維持恒定，并高于出水口15m。設(shè)水溫為12℃，試求管路的輸水量〔m3/h〕。解：在截面和截面之間列柏努利方程式，得〔1〕采用試差法，代入式〔1〕得，故假設(shè)正確，管路的輸水量習(xí)題23附圖23．此題附圖所示為一輸水系統(tǒng)，高位槽的水面維持恒定，水分別從BC與BD兩支管排出，高位槽液面與兩支管出口間的距離均為11。AB管段內(nèi)徑為38m、長為58m；BC支管的內(nèi)徑為32mm、長為12.5m；BD支管的內(nèi)徑為26mm、長為14m，各段管長均包括管件及閥門全開時(shí)的當(dāng)量長度。AB與BC管段的摩擦系數(shù)均可取為0.03。試計(jì)算〔1〕當(dāng)BD支管的閥門關(guān)閉時(shí)，BC支管的最大排水量為多少〔m3/h〕；〔2〕當(dāng)所有閥門全開時(shí)，兩支管的排水量各為多少〔m3/h〕？〔BD支管的管壁絕對(duì)粗糙度，可取為0.15mm，水的密度為1000kg/m3，黏度為?！辰猓骸?〕當(dāng)BD支管的閥門關(guān)閉時(shí)，BC支管的最大排水量在高位槽水面1-1，與BC支管出口內(nèi)側(cè)截面C-C,間列機(jī)械能衡算方程，并以截面C-C,為基準(zhǔn)平面得式中z1=11m，zc=0，ub1≈0，p1=pc故=9.81×11=107.9J/kg〔a〕〔b〕〔c〕〔d〕〔e〕將式〔e〕代入式〔b〕得〔f〕將式〔f〕、〔d〕代入式〔b〕,得ubC=ub,BC，并以∑hf值代入式〔a〕，解得ub,BC=2.45m/s故VBC=3600××0.0322×2.45m3/h=7.10m3/h〔2〕當(dāng)所有閥門全開時(shí)，兩支管的排水量根據(jù)分支管路流動(dòng)規(guī)律，有〔a〕兩支管出口均在同一水平面上，下游截面列于兩支管出口外側(cè)，于是上式可簡化為將值代入式〔a〕中，得〔b〕分支管路的主管與支管的流量關(guān)系為VAB=VBC+VBD上式經(jīng)整理后得〔c〕在截面1-1，與C-C’間列機(jī)械能衡算方程，并以C-C’為基準(zhǔn)水平面，得〔d〕上式中z1=11m，zC=0，ub1≈0，ub,C≈0上式可簡化為前已算出因此在式〔b〕、〔c〕、〔d〕中，ub,AB、ub,BC、ub,BD即λ均為未知數(shù)，且λ又為ub,BD的函數(shù)，可采用試差法求解。設(shè)ub,BD=1.45m/s，那么查摩擦系數(shù)圖得λ=0.034。將λ與ub,BD代入式〔b〕得解得將ub,BC、ub,BD值代入式〔c〕，解得將ub,AB、ub,BC值代入式〔d〕左側(cè)，即計(jì)算結(jié)果與式〔d〕右側(cè)數(shù)值根本相符〔108.4≈107.9〕，故ub,BD可以接受，于是兩支管的排水量分別為24．在內(nèi)徑為300mm的管道中，用測(cè)速管測(cè)量管內(nèi)空氣的流量。測(cè)量點(diǎn)處的溫度為20℃，真空度為500Pa，大氣壓力為98.66×103Pa。測(cè)速管插入管道的中心線處。測(cè)壓裝置為微差壓差計(jì)，指示液是油和水，其密度分別為835kg/m3和998kg/m3，測(cè)得的讀數(shù)為100mm。試求空氣的質(zhì)量流量〔kg/h〕。解：查附錄得，20℃，101.3kPa時(shí)空氣的密度為1.203kg/m3，黏度為1.81×10-5Pa，那么管中空氣的密度為查圖1-28，得25．在mm的管路上裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，孔板的孔徑為16.4mm，管中流動(dòng)的是20℃的甲苯，采用角接取壓法用U管壓差計(jì)測(cè)量孔板兩側(cè)的壓力差，以水銀為指示液，測(cè)壓連接管中充滿甲苯。現(xiàn)測(cè)得U管壓差計(jì)的讀數(shù)為600mm，試計(jì)算管中甲苯的流量為多少〔kg/h〕？解：孔板直徑do=16.4mm，管徑d1=33mm，那么設(shè)Re>Reo，由教材查圖1-30得Co=0.626，查附錄得20℃甲苯的密度為866kg/m3，黏度為0.6×10-3Pa·s。甲苯在孔板處的流速為甲苯的流量為檢驗(yàn)Re值，管內(nèi)流速為原假定正確。習(xí)題26附圖非牛頓型流體的流動(dòng)習(xí)題26附圖26．用泵將容器中的蜂蜜以6.28×10-3m3/s流量送往高位槽中，管路長〔包括局部阻力的當(dāng)量長度〕為20m，管徑為0.lm，蜂蜜的流動(dòng)特性服從冪律，密度ρ=1250kg/m3，求泵應(yīng)提供的能量〔J/kg〕。解：在截面和截面之間列柏努利方程式，得；

第二章流體輸送機(jī)械1．用離心油泵將甲地油罐的油品送到乙地油罐。管路情況如此題附圖所示。啟動(dòng)泵之前A、C兩壓力表的讀數(shù)相等。啟動(dòng)離心泵并將出口閥調(diào)至某開度時(shí)，輸油量為39m3/h，此時(shí)泵的壓頭為38m。輸油管內(nèi)徑為100mm，摩擦系數(shù)為0.02；油品密度為810kg/m3。試求〔1〕管路特性方程；〔2〕輸油管線的總長度〔包括所有局部阻力當(dāng)量長度〕。習(xí)題1附圖習(xí)題1附圖解：〔1〕管路特性方程甲、乙兩地油罐液面分別取作1-1’與2-2’截面，以水平管軸線為基準(zhǔn)面，在兩截面之間列柏努利方程，得到由于啟動(dòng)離心泵之前pA=pC,于是=0那么又mh2/m5=2.5×10–2h2/m5那么〔qe的單位為m3/h〕〔2〕輸油管線總長度m/s=1.38m/s于是m=1960m2．用離心泵〔轉(zhuǎn)速為2900r/min〕進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。在某流量下泵入口真空表和出口壓力表的讀數(shù)分別為60kPa和220kPa，兩測(cè)壓口之間垂直距離為0.5m，泵的軸功率為6.7kW。泵吸入管和排出管內(nèi)徑均為80mm，吸入管中流動(dòng)阻力可表達(dá)為〔u1為吸入管內(nèi)水的流速，m/s〕。離心泵的安裝高度為2.5m，實(shí)驗(yàn)是在20℃，98.1kPa的條件下進(jìn)行。試計(jì)算泵的流量、壓頭和效率。解：〔1〕泵的流量由水池液面和泵入口真空表所在截面之間列柏努利方程式〔池中水面為基準(zhǔn)面〕，得到將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式并整理，得m/s那么m3/h=57.61m3/h(2)泵的揚(yáng)程(3)泵的效率=68%在指定轉(zhuǎn)速下，泵的性能參數(shù)為：q=57.61m3/hH=29.04mP=6.7kWη=68%3．對(duì)于習(xí)題2的實(shí)驗(yàn)裝置，假設(shè)分別改變?nèi)缦聟?shù)，試求新操作條件下泵的流量、壓頭和軸功率〔假設(shè)泵的效率保持不變〕?！?〕改送密度為1220kg/m3的果汁〔其他性質(zhì)與水相近〕；〔2〕泵的轉(zhuǎn)速降至2610r/min。解：由習(xí)題2求得：q=57.61m3/hH=29.04mP=6.7kW〔1〕改送果汁改送果汁后，q，H不變，P隨ρ加大而增加，即(2)降低泵的轉(zhuǎn)速根據(jù)比例定律，降低轉(zhuǎn)速后有關(guān)參數(shù)為4．用離心泵〔轉(zhuǎn)速為2900r/min〕將20℃的清水以60m3/h的流量送至敞口容器。此流量下吸入管路的壓頭損失和動(dòng)壓頭分別為2.4m和0.61m。規(guī)定泵入口的真空度不能大于64kPa。泵的必需氣蝕余量為3.5m。試求〔1〕泵的安裝高度〔當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?00kPa〕；〔2〕假設(shè)改送55℃的清水，泵的安裝高度是否適宜。解：(1)泵的安裝高度在水池液面和泵入口截面之間列柏努利方程式〔水池液面為基準(zhǔn)面〕，得即m〔2〕輸送55℃清水的允許安裝高度55℃清水的密度為985.7kg/m3，飽和蒸汽壓為15.733kPa那么=m=2.31m原安裝高度〔3.51m〕需下降1.5m才能不發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。5．對(duì)于習(xí)題4的輸送任務(wù)，假設(shè)選用3B57型水泵，其操作條件下〔55℃清水〕的允許吸上真空度為5.3m，試確定離心泵的安裝高度。解：為確保泵的平安運(yùn)行，應(yīng)以55℃熱水為基準(zhǔn)確定安裝高度。泵的安裝高度為2.0m。6．用離心泵將真空精餾塔的釜?dú)堃核椭脸嘿A罐。塔底液面上的絕對(duì)壓力為32.5kPa(即輸送溫度下溶液的飽和蒸汽壓)。：吸入管路壓頭損失為1.46m，泵的必需氣蝕余量為2.3m，該泵安裝在塔內(nèi)液面下3.0m處。試核算該泵能否正常操作。解：泵的允許安裝高度為式中那么泵的允許安裝位置應(yīng)在塔內(nèi)液面下4.26m處，實(shí)際安裝高度為–3.0m，故泵在操作時(shí)可能發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。為平安運(yùn)行，離心泵應(yīng)再下移1.5m。7．在指定轉(zhuǎn)速下，用20℃的清水對(duì)離心泵進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)得q～H數(shù)據(jù)如此題附表所示。習(xí)題7附表1q(m3/min)00.10.20.30.40.5H/m37.238.03734.531.828.5在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)變化不大，管路特性方程為〔qe的單位為m3/min〕試確定此管路中的q、H和P(η=81%)習(xí)題7附圖qe～HeMq～H解：該題是用作圖法確定泵的工作點(diǎn)。由題給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出q～H曲線。同時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)流量下管路所要求的He，在同一坐標(biāo)圖中作qe～HeMq～H兩曲線的交點(diǎn)M即泵在此管路中的工作點(diǎn)，由圖讀得q=0.455m3/min，H=29.0m，那么習(xí)題7附圖q/(m習(xí)題7附圖q/(m3/min)習(xí)題7附表2qe/(m3/min)00.10.20.30.40.5He/m12.012.815.219.224.832.0注意：在低流量時(shí)，q～H曲線出現(xiàn)峰值。8．用離心泵將水庫中的清水送至灌溉渠，兩液面維持恒差8.8m，管內(nèi)流動(dòng)在阻力平方區(qū)，管路特性方程為〔qe的單位為m3/s〕單臺(tái)泵的特性方程為〔q的單位為m3/s〕試求泵的流量、壓頭和有效功率。解：聯(lián)立管路和泵的特性方程便可求泵的工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的q、H，進(jìn)而計(jì)算Pe。管路特性方程泵的特性方程聯(lián)立兩方程，得到q=4.52×10–3m3/sH=19.42m那么W=861W9．對(duì)于習(xí)題8的管路系統(tǒng)，假設(shè)用兩臺(tái)規(guī)格相同的離心泵〔單臺(tái)泵的特性方程與習(xí)題8相同〕組合操作，試求可能的最大輸水量。解：此題旨在比擬離心泵的并聯(lián)和串聯(lián)的效果。〔1〕兩臺(tái)泵的并聯(lián)解得：q=5.54×10–3m3/s=19.95m3/h(2)兩臺(tái)泵的串聯(lián)解得：q=5.89×10–3m3/s=21.2m3/h在此題條件下，兩臺(tái)泵串聯(lián)可獲得較大的輸水量21.2m3/h。10．采用一臺(tái)三效單動(dòng)往復(fù)泵，將敞口貯槽中密度為1200kg/m3的粘稠液體送至表壓為1.62×103kPa的高位槽中，兩容器中液面維持恒差8m，管路系統(tǒng)總壓頭損失為4m。泵的活塞直徑為70mm，沖程為225mm，往復(fù)次數(shù)為200min-1，泵的容積效率和總效率分別為0.96和0.91。試求泵的流量、壓頭和軸功率。解：〔1〕往復(fù)泵的實(shí)際流量m3/min=0.499m3/min(2)泵的揚(yáng)程m=149.6m(3)泵的軸功率kW=16.08kW11．用離心通風(fēng)機(jī)將50℃、101.3kPa的空氣通過內(nèi)徑為600mm，總長105m〔包括所有局部阻力當(dāng)量長度〕的水平管道送至某表壓為1×104Pa的設(shè)備中?？諝獾妮斔土繛?.5×104m3/h。摩擦系數(shù)可取為0.0175?，F(xiàn)庫房中有一臺(tái)離心通風(fēng)機(jī)，其性能為：轉(zhuǎn)速1450min-1，風(fēng)量1.6×104m3/h，風(fēng)壓為1.2×104Pa。試核算該風(fēng)機(jī)是否合用。解：將操作條件的風(fēng)壓和風(fēng)量來換算庫存風(fēng)機(jī)是否合用。Pa=106300Pakg/m3=1.147kg/m3m/s=14.40m/s那么Pa=10483PaPa=10967Pa庫存風(fēng)機(jī)的風(fēng)量q=1.6×104m3/h，風(fēng)壓HT=1.2×104Pa均大于管路要求〔qe=1.5×104m3/h，HT=10967Pa〕，故風(fēng)機(jī)合用。12．有一臺(tái)單動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī)，余隙系數(shù)為0.06，氣體的入口溫度為20℃，絕熱壓縮指數(shù)為1.4，要求壓縮比為9，試求〔1〕單級(jí)壓縮的容積系數(shù)和氣體的出口溫度；〔2〕兩級(jí)壓縮的容積系數(shù)和第一級(jí)氣體的出口溫度；〔3〕往復(fù)壓縮機(jī)的壓縮極限。解：〔1〕單級(jí)壓縮的容積系數(shù)和氣體的出口溫度K=548.9K〔2〕兩級(jí)壓縮的容積系數(shù)和第一級(jí)氣體出口溫度改為兩級(jí)壓縮后，每級(jí)的壓縮比為那么重復(fù)上面計(jì)算，得到K=401K〔3〕壓縮極限即解得 傳熱過程根底1．用平板法測(cè)定固體的導(dǎo)熱系數(shù)，在平板一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷卻器冷卻，同時(shí)在板兩側(cè)用熱電偶測(cè)量其外表溫度，假設(shè)所測(cè)固體的外表積為0.02m2，厚度為0.02m，實(shí)驗(yàn)測(cè)得電流表讀數(shù)為0.5A，伏特表讀數(shù)為100V，兩側(cè)外表溫度分別為200℃和50℃，試求該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。解：傳熱達(dá)穩(wěn)態(tài)后電熱器的加熱速率應(yīng)與固體的散熱〔導(dǎo)熱〕速率相等，即式中將上述數(shù)據(jù)代入，可得2．某平壁燃燒爐由一層400mm厚的耐火磚和一層200mm厚的絕緣磚砌成，操作穩(wěn)定后，測(cè)得爐的內(nèi)外表溫度為1500℃，外外表溫度為100℃，試求導(dǎo)熱的熱通量及兩磚間的界面溫度。設(shè)兩磚接觸良好，耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為，絕緣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為，。兩式中的t可分別取為各層材料的平均溫度。解：此為兩層平壁的熱傳導(dǎo)問題，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，通過各層平壁截面的傳熱速率相等，即〔5-32〕或〔5-32a〕式中代入λ1、λ2得解之得那么3．外徑為159mm的鋼管，其外依次包扎A、B兩層保溫材料，A層保溫材料的厚度為50mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.1W/(m·℃)，B層保溫材料的厚度為100mm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.0W/(m·℃)，設(shè)A的內(nèi)層溫度和B的外層溫度分別為170℃和40℃，試求每米管長的熱損失；假設(shè)將兩層材料互換并假設(shè)溫度不變，每米管長的熱損失又為多少？解：A、B兩層互換位置后，熱損失為4．直徑為mm的鋼管用40mm厚的軟木包扎，其外又包扎100mm厚的保溫灰作為絕熱層?，F(xiàn)測(cè)得鋼管外壁面溫度為℃，絕熱層外外表溫度為10℃。軟木和保溫灰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為℃)和℃)，試求每米管長的冷損失量。解：此為兩層圓筒壁的熱傳導(dǎo)問題，那么5．在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣。換熱管為Φ25mm×2.5mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m·℃)。冷卻水在管程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)為2600W/(m2·℃)，熱空氣在殼程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)為52W/(m2·℃)。試求基于管外外表積的總傳熱系數(shù)，以及各分熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。設(shè)污垢熱阻可忽略。解：由查得鋼的導(dǎo)熱系數(shù)mmmm殼程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為管程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為6．在一傳熱面積為40m2的平板式換熱器中，用水冷卻某種溶液，兩流體呈逆流流動(dòng)。冷卻水的流量為30000kg/h，其溫度由22℃升高到36℃。溶液溫度由115℃降至55℃。假設(shè)換熱器清洗后，在冷、熱流體流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷卻水的出口溫度升至40℃，試估算換熱器在清洗前壁面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)：〔1〕兩種情況下，冷、熱流體的物性可視為不變，水的平均比熱容為4.174kJ/(kg·℃)；〔2〕兩種情況下，分別相同；〔3〕忽略壁面熱阻和熱損失。

解：求清洗前總傳熱系數(shù)K求清洗后傳熱系數(shù)由熱量衡算清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻7．在一傳熱面積為25m2的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機(jī)溶液。冷卻水的流量為28000kg/h，其溫度由25℃升至38℃，平均比熱容為4.17kJ/(kg·℃)。有機(jī)溶液的溫度由110℃降至65℃，平均比熱容為1.72kJ/(kg·℃)。兩流體在換熱器中呈逆流流動(dòng)。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試核算該換熱器的總傳熱系數(shù)并計(jì)算該有機(jī)溶液的處理量。解：kJ/(kg·℃)求有機(jī)物110→65水38←2572408．在一單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機(jī)溶劑。冷卻水的流量為10000kg/h，其初始溫度為30℃，平均比熱容為4.174kJ/〔kg·℃〕。有機(jī)溶劑的流量為14000kg/h，溫度由180℃降至120℃，平均比熱容為1.72kJ/〔kg·℃〕。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)為500W/(m2·℃)，試分別計(jì)算逆流和并流時(shí)換熱器所需的傳熱面積，設(shè)換熱器的熱損失和污垢熱阻可以忽略。解：冷卻水的出口溫度為逆流時(shí)并流時(shí)9．在一單程管殼式換熱器中，用冷水將常壓下的純苯蒸汽冷凝成飽和液體。苯蒸汽的體積流量為1600m3/h，常壓下苯的沸點(diǎn)為80.1℃，氣化熱為394kJ/kg。冷卻水的入口溫度為20℃，流量為35000kg/h，水的平均比熱容為4.17kJ/(kg·℃)?？倐鳠嵯禂?shù)為450W/(m2·℃)。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試計(jì)算所需的傳熱面積。解：苯蒸氣的密度為解出℃求苯80.1→80.1水31.62048.560.110．在一單殼程、雙管程的管殼式換熱器中，水在殼程內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)口溫度為30℃，出口溫度為65℃。油在管程流動(dòng)，進(jìn)口溫度為120℃。出口溫度為75℃，試求其傳熱平均溫度差。解：先求逆流時(shí)平均溫度差油120→75水65305545計(jì)算P及R查圖5-11〔a〕得11．某生產(chǎn)過程中需用冷卻水將油從105℃冷卻至70℃。油的流量為6000kg/h，水的初溫為22℃，流量為2000kg/h?，F(xiàn)有一傳熱面積為10m2的套管式換熱器，問在以下兩種流動(dòng)型式下，換熱器能否滿足要求：〔1〕兩流體呈逆流流動(dòng)；〔2〕兩流體呈并流流動(dòng)。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)在兩種情況下相同，為300W/(m2·℃)；油的平均比熱容為1.9kJ/(kg·℃)，水的平均比熱容為4.17kJ/(kg·℃)。熱損失可忽略。解：此題采用法計(jì)算〔1〕逆流時(shí)查圖得能滿足要求〔2〕并流時(shí)查圖得不能滿足要求12．在一單程管殼式換熱器中，管外熱水被管內(nèi)冷水所冷卻。換熱器的傳熱面積為5m2，總傳熱系數(shù)為1400W/(m2·℃)；熱水的初溫為100℃，流量為5000kg/h；冷水的初溫為20℃，流量為10000kg/h。試計(jì)算熱水和冷水的出口溫度及傳熱量。設(shè)水的平均比熱容為4.18kJ/(kg·℃)，熱損失可忽略不計(jì)。解：查圖得傳熱量解出℃解出℃13．水以1.5m/s的流速在長為3m、直徑為的管內(nèi)由20℃加熱至40℃，試求水與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：水的定性溫度為由附錄六查得30時(shí)水的物性為ρ＝995.7kg/m3，μ=80.07×10－5Pa·s，λ=0.6176，Pr=5.42那么〔湍流〕Re、Pr及值均在式5-59a的應(yīng)用范圍內(nèi)，故可采用式5-76a近似計(jì)算。水被加熱，取n=0.4，于是得14．溫度為90℃的甲苯以1500kg/h的流量流過直徑為mm，彎曲半徑為0.6m的蛇管換熱器而被冷卻至30℃，試求甲苯對(duì)蛇管的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：甲苯的定性溫度為由附錄查得60時(shí)甲苯的物性為ρ＝830kg/m3，Cp＝1840J/(kg·℃)，μ=0.4×10－3Pa·s，λ=0.1205，那么〔湍流〕流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動(dòng)程度，使對(duì)流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大，此時(shí)可用下式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)，即式中—彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，；—直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，；di—管內(nèi)徑，m；R—管子的彎曲半徑，m。15．壓力為101.3kPa，溫度為20℃的空氣以60m3/h的流量流過直徑為，長度為3m的套管換熱器管內(nèi)而被加熱至80℃，試求管壁對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：空氣的定性溫度為由附錄五查得50C時(shí)空氣的物性為ρ＝1.093kg/m3，Cp＝1005J/(kg·℃)，μ=1.96×10－5Pa·s，λ=0.0283，Pr=0.698那么〔湍流〕16．常壓空氣在裝有圓缺形擋板的列管換熱器殼程流過。管子尺寸為mm，正方形排列，中心距為51mm，擋板距離為1.45m，換熱器外殼內(nèi)徑為m，空氣流量為，平均溫度為140℃，試求空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：由附錄五查得C時(shí)空氣的物性為ρ＝0.854kg/m3，Cp＝1013J/(kg·℃)，μ=2.37×10－5Pa·s，λ=0.0349，Pr=0.694采用凱恩〔Kern〕法，即〔5-63〕或〔5-63a〕傳熱當(dāng)量直徑可根據(jù)管子排列情況進(jìn)行計(jì)算。管子為正方形排列，那么式中t—相鄰兩管的中心距，m；Do—管外徑，m。代入和do得式5-63及式5-63a中的流速u可根據(jù)流體流過管間最大截面積A計(jì)算，即式中z—兩擋板間的距離，m；D—換熱器的外殼內(nèi)徑，m。代入z、D、t和do得上述式中的對(duì)氣體可取為1.0。17．將長和寬均為0.4m的垂直平板置于常壓的飽和水蒸氣中，板面溫度為98℃，試計(jì)算平板與蒸汽之間的傳熱速率及蒸汽冷凝速率。解：水的定性溫度為由附錄六查得99C時(shí)水的物性為ρ＝958.5kg/m3，Cp＝4220J/(kg·℃)，μ=28.41×10－5Pa·s，λ=0.683oC)，Pr=1.762由附錄八查得100C時(shí)飽和蒸氣的物性為kJ/kg，kg/m對(duì)于此類問題，由于流型未知，故需迭代求解。首先假定冷凝液膜為層流，由式5-135得核算冷凝液流型，由對(duì)流傳熱速率方程計(jì)算傳熱速率，即冷凝液的質(zhì)量流率為單位長度潤濕周邊上的凝液質(zhì)量流率為那么故假定冷凝液膜為層流是正確的。18．常壓水蒸氣在一mm，長為3m，水平放置的鋼管外冷凝。鋼管外壁的溫度為96℃，試計(jì)算水蒸氣冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。假設(shè)此鋼管改為垂直放置，其對(duì)流傳熱系數(shù)又為多少？由此說明工業(yè)上的冷凝器應(yīng)如何放置？解：由附錄查得，常壓水蒸氣的溫度為100℃。定性溫度由附錄查得在98℃下，水的物性為：水平放置垂直放置通過上述計(jì)算可知，工業(yè)上的冷凝器應(yīng)水平放置。19．兩平行的大平板，在空氣中相距10mm，一平板的黑度為0.1，溫度為400K；另一平板的黑度為0.05，溫度為300K。假設(shè)將第一板加涂層，使其黑度為0.025，試計(jì)算由此引起的傳熱通量改變的百分?jǐn)?shù)。假設(shè)兩板間對(duì)流傳熱可以忽略。解：第一板加涂層前因是兩平行的大平板，那么；；于是第一板加涂層后空氣導(dǎo)熱的熱通量，查得時(shí)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)加涂層前后傳熱通量減少的百分率為20．用壓力為300kPa〔絕對(duì)壓力〕的飽和水蒸氣將20℃的水預(yù)熱至80℃，水在mm水平放置的鋼管內(nèi)以0.6m/s的速度流過。設(shè)水蒸氣冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)為5000W/(m2·℃)，水側(cè)的污垢熱阻為6×10-4m2·℃/W，蒸汽側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻可忽略不計(jì)，試求〔1〕換熱器的總傳熱系數(shù)；〔2〕設(shè)操作半年后，由于水垢積累，換熱能力下降，出口水溫只能升至70℃，試求此時(shí)的總傳熱系數(shù)及水側(cè)的污垢熱阻。解：查附錄得，300kPa的飽和水蒸氣溫度為133.3℃水的定性溫度為〔1〕在50℃下，水的物理性質(zhì)如下：應(yīng)用公式5-58a進(jìn)行計(jì)算〔2〕〔a〕〔b〕〔b〕式÷〔a〕式，得21．在一套管換熱器中，用冷卻水將4500kg/h的苯由80℃冷卻至35℃，；冷卻水在mm的內(nèi)管中流動(dòng)，其進(jìn)、出口溫度分別為17℃和47℃。水和苯的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為850W/(m2·℃)和1700W/(m2·℃)，試求所需的管長和冷卻水的消耗量。解：苯的定性溫度時(shí)苯的定壓熱容為1.824kJ/〔kg·℃〕水的定性溫度時(shí)水的定壓熱容為4.176kJ/〔kg·℃〕冷卻水的消耗量管長第1章蒸餾1.含苯0.5〔摩爾分率〕的苯-甲苯混合液，假設(shè)外壓為99kPa，試求該溶液的飽和溫度。苯和甲苯的飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)見例1-1附表。t〔℃〕80.1859095100105x0.9620.7480.5520.3860.2360.11解：利用拉烏爾定律計(jì)算氣液平衡數(shù)據(jù)查例1-1附表可的得到不同溫度下純組分苯和甲苯的飽和蒸汽壓PB*，PA*，由于總壓P=99kPa，那么由x=(P-PB*)/(PA*-PB*)可得出液相組成，這樣就可以得到一組繪平衡t-x圖數(shù)據(jù)。以t=80.1℃為例x=〔99-40〕/〔101.33-40〕=0.962同理得到其他溫度下液相組成如下表根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪出飽和液體線即泡點(diǎn)線由圖可得出當(dāng)x=0.5時(shí)，相應(yīng)的溫度為92℃2.正戊烷〔C5H12〕和正己烷〔C6H14〕的飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)列于此題附表，試求P=13.3kPa下該溶液的平衡數(shù)據(jù)。溫度C5H12223.1233.0244.0251.0260.6275.1291.7309.3KC6H14248.2259.1276.9279.0289.0304.8322.8341.9飽和蒸汽壓(kPa)1.32.65.38.013.326.653.2101.3解：根據(jù)附表數(shù)據(jù)得出相同溫度下C5H12〔A〕和C6H14〔B〕的飽和蒸汽壓以t=248.2℃時(shí)為例，當(dāng)t=248.2℃時(shí)PB*=1.3kPa查得PA*=6.843kPa得到其他溫度下A?B的飽和蒸汽壓如下表t(℃)248251259.1260.6275.1276.9279289291.7304.8309.3PA*PB*(kPa)1.3001.6342.6002.8265.0275.3008.00013.30015.69426.60033.250利用拉烏爾定律計(jì)算平衡數(shù)據(jù)平衡液相組成以260.6℃時(shí)為例當(dāng)t=260.6℃時(shí)x=(P-PB*)/(PA*-PB*)=〔13.3-2.826〕/〔13.3-2.826〕=1平衡氣相組成以260.6℃為例當(dāng)t=260.6℃時(shí)y=PA*x/P=13.3×1/13.3=1同理得出其他溫度下平衡氣液相組成列表如下t(℃)260.6275.1276.9279289x10.38350.33080.02850y10.7670.7330.5240根據(jù)平衡數(shù)據(jù)繪出t-x-y曲線3.利用習(xí)題2的數(shù)據(jù)，計(jì)算：⑴相對(duì)揮發(fā)度；⑵在平均相對(duì)揮發(fā)度下的x-y數(shù)據(jù)，并與習(xí)題2的結(jié)果相比擬。解：①計(jì)算平均相對(duì)揮發(fā)度理想溶液相對(duì)揮發(fā)度α=PA*/PB*計(jì)算出各溫度下的相對(duì)揮發(fā)度：t(℃)248.0251.0259.1260.6275.1276.9279.0289.0291.7304.8309.3α----5.2915.5634.178----取275.1℃和279℃時(shí)的α值做平均αm=〔5.291+4.178〕/2=4.730②按習(xí)題2的x數(shù)據(jù)計(jì)算平衡氣相組成y的值當(dāng)x=0.3835時(shí)，y=4.73×0.3835/[1+(4.73-1)×0.3835]=0.746同理得到其他y值列表如下t(℃)260.6275.1276.9279289α5.2915.5634.178x10.38350.33080.20850y10.7460.7000.5550③作出新的t-x-y'曲線和原先的t-x-y曲線如圖4.在常壓下將某原料液組成為0.6〔易揮發(fā)組分的摩爾〕的兩組溶液分別進(jìn)行簡單蒸餾和平衡蒸餾，假設(shè)汽化率為1/3，試求兩種情況下的斧液和餾出液組成。假設(shè)在操作范圍內(nèi)氣液平衡關(guān)系可表示為y=0.46x+0.549解：①簡單蒸餾由ln(W/F)=∫xxFdx/(y-x)以及氣液平衡關(guān)系y=0.46x+0.549得ln(W/F)=∫xxFF)/(0.549-0.54x)]∵汽化率1-q=1/3那么q=2/3即W/F=2/3∴×0.6)/(0.549-0.54x)]解得x=0.498代入平衡關(guān)系式y(tǒng)=0.46x+0.549得y=0.804②平衡蒸餾由物料衡算FxF=Wx+DyD+W=F將W/F=2/3代入得到xF=2x/3+y/3代入平衡關(guān)系式得x=0.509再次代入平衡關(guān)系式得y=0.7835.在連續(xù)精餾塔中別離由二硫化碳和四硫化碳所組成的混合液。原料液流量F為4000kg/h，組成xF為0.3〔二硫化碳的質(zhì)量分率，下同〕。假設(shè)要求釜液組成xW不大于0.05，餾出液回收率為88％。試求餾出液的流量和組分，分別以摩爾流量和摩爾分率表示。解：餾出回收率=DxD/FxF=88％得餾出液的質(zhì)量流量DxD=FxF88％=4000×0.3×0.88=1056kg/h結(jié)合物料衡算FxF=WxW+DxDD+W=F得xD=0.943餾出液的摩爾流量1056/(76×0.943)=14.7kmol/h以摩爾分率表示餾出液組成xD=(0.943/76)/[(0.943/76)+(0.057/154)]=0.976.在常壓操作的連續(xù)精餾塔中別離喊甲醇0.4與說.6〔均為摩爾分率〕的溶液，試求以下各種進(jìn)料狀況下的q值?！?〕進(jìn)料溫度40℃；〔2〕泡點(diǎn)進(jìn)料；〔3〕飽和蒸汽進(jìn)料。常壓下甲醇-水溶液的平衡數(shù)據(jù)列于此題附表中。溫度t/℃液相中甲醇的摩爾分率氣相中甲醇的摩爾分率溫度t/℃液相中甲醇的摩爾分率氣相中甲醇的摩爾分率100.00.000.00075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.060.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.001.00078.00.300.665解：〔1〕進(jìn)料溫度40℃75.3℃時(shí)，甲醇的汽化潛熱r1=825kJ/kg水蒸汽的汽化潛熱r2=2313.6kJ/kg57.6℃時(shí)，甲醇的比熱CV1=2.784kJ/(kg·℃)水蒸汽的比熱CV2=4.178kJ/(kg·℃)查附表給出數(shù)據(jù)當(dāng)xA=0.4時(shí)，平衡溫度t=75.3℃∴40℃進(jìn)料為冷液體進(jìn)料即將1mol進(jìn)料變成飽和蒸汽所需熱量包括兩局部一局部是將40℃冷液體變成飽和液體的熱量Q1，二是將75.3℃飽和液體變成氣體所需要的汽化潛熱Q2，即q=〔Q1+Q2〕/Q2=1+〔Q1/Q2〕Q1=0.4×32×2.784×〔75.3-40〕=2850.748kJ/kgQ2=825×0.4×32+2313.6×0.6×18=35546.88kJ/kg∴q=1+〔Q1/Q2〕=1.08〔2〕泡點(diǎn)進(jìn)料泡點(diǎn)進(jìn)料即為飽和液體進(jìn)料∴q=1〔3〕飽和蒸汽進(jìn)料q=07.對(duì)習(xí)題6中的溶液，假設(shè)原料液流量為100kmol/h，餾出液組成為0.95，釜液組成為0.04〔以上均為易揮發(fā)組分的摩爾分率〕，回流比為2.5，試求產(chǎn)品的流量，精餾段的下降液體流量和提餾段的上升蒸汽流量。假設(shè)塔內(nèi)氣液相均為恒摩爾流。解：①產(chǎn)品的流量由物料衡算FxF=WxW+DxDD+W=F代入數(shù)據(jù)得W=60.44kmol/h∴產(chǎn)品流量D=100–60.44=39.56kmol/h②精餾段的下降液體流量LL=DR=2.5×39.56=98.9kmol/h③提餾段的上升蒸汽流量V'40℃進(jìn)料q=1.08V=V'+〔1-q〕F=D〔1+R〕=138.46kmol/h∴V'=146.46kmol/h8.某連續(xù)精餾操作中，精餾段y=0.723x+0.263；提餾段y=1.25x–0.0187假設(shè)原料液于露點(diǎn)溫度下進(jìn)入精餾塔中，試求原料液，餾出液和釜?dú)堃旱慕M成及回流比。解：露點(diǎn)進(jìn)料q=0即精餾段y=0.723x+0.263過〔xD，xD〕∴xD=0.949提餾段y=1.25x–0.0187過〔xW，xW〕∴xW=0.0748精餾段與y軸交于[0，xD/〔R+1〕]即xD/〔R+1〕=0.263∴R=2.61連立精餾段與提餾段操作線得到交點(diǎn)坐標(biāo)為〔0.5345，0.6490〕∴xF=0.6499.在常壓連續(xù)精餾塔中，別離苯和甲苯的混合溶液。假設(shè)原料為飽和液體，其中含苯0.5〔摩爾分率，下同〕。塔頂餾出液組成為0.9，塔底釜?dú)堃航M成為0.1，回流比為2.0，試求理論板層數(shù)和加料板位置。苯-甲苯平衡數(shù)據(jù)見例1-1。解：常壓下苯-甲苯相對(duì)揮發(fā)度α=2.46精餾段操作線方程y=Rx/〔R+1〕=2x/3+0.9/3=2x/3+0.3精餾段y1=xD=0.9由平衡關(guān)系式y(tǒng)=αx/[1+(α-1)x]得x1=0.7853再由精餾段操作線方程y=2x/3+0.3得y2=0.8236依次得到x2=0.6549y3=0.7366x3=0.5320y4=0.6547x4=0.4353∵x4﹤xF=0.5<x3精餾段需要板層數(shù)為3塊提餾段x1'=x4=0.4353提餾段操作線方程y=L'x/〔L'-W〕-WxW/〔L'-W〕飽和液體進(jìn)料q=1L'/〔L'-W〕=〔L+F〕/V=1+W/〔3D〕由物料平衡FxF=WxW+DxDD+W=F代入數(shù)據(jù)可得D=WL'/〔L'-W〕=4/3W/〔L'-W〕=W/〔L+D〕=W/3D=1/3即提餾段操作線方程y'=4x'/3–0.1/3∴y'2=0.5471由平衡關(guān)系式y(tǒng)=αx/[1+(α-1)x]得x'2=0.3293依次可以得到y(tǒng)'3=0.4058x'3=0.2173y'4=0.2564x'4=0.1229y'5=0.1306x'5=0.0576∵x'5<xW=0.1<x4'∴提餾段段需要板層數(shù)為4塊∴理論板層數(shù)為n=3+4+1=8塊〔包括再沸器〕加料板應(yīng)位于第三層板和第四層板之間10.假設(shè)原料液組成和熱狀況，別離要求，回流比及氣液平衡關(guān)系都與習(xí)題9相同，但回流溫度為20℃，試求所需理論板層數(shù)?；亓饕旱呐莸顪囟葹?3℃，平均汽化熱為3.2×104kJ/kmol，平均比熱為140kJ/(kmol·℃)解：回流溫度改為20℃，低于泡點(diǎn)溫度，為冷液體進(jìn)料。即改變了q的值精餾段不受q影響，板層數(shù)依然是3塊提餾段由于q的影響，使得L'/〔L'-W〕和W/〔L'-W〕發(fā)生了變化q=〔Q1+Q2〕/Q2=1+〔Q1/Q2〕Q1=CpΔT=140×〔83-20〕=8820kJ/kmolQ2=3.2×104kJ/kmol∴q=1+8820/(3.2×104)=1.2756L'/〔L'-W〕=[V+W-F(1-q)]/[V-F(1-q)]=[3D+W-F(1-q)]/[3D-F(1-q)]∵D=W，F(xiàn)=2D得L'/〔L'-W〕=(1+q)/(0.5+q)=1.2815W/〔L'-W〕=D/[3D-F(1-q)]=1/〔1+2q〕=0.2815∴提餾段操作線方程為y=1.2815x-0.02815x1'=x4=0.4353代入操作線方程得y2'=0.5297再由平衡關(guān)系式得到x2'=0.3141依次計(jì)算y3'=0.3743x3'=0.1956y4'=0.2225x4'=0.1042y5'=0.1054x5'=0.0457∵x5'<xW=0.1<x4'∴提餾段板層數(shù)為4理論板層數(shù)為3+4+1=8塊〔包括再沸器〕11.在常壓連續(xù)精餾塔內(nèi)別離乙醇-水混合液，原料液為飽和液體，其中含乙醇0.15〔摩爾分率，下同〕，餾出液組成不低于0.8，釜液組成為0.02；操作回流比為2。假設(shè)于精餾段側(cè)線取料，其摩爾流量為餾出液摩爾流量的1/2，側(cè)線產(chǎn)品為飽和液體，組成為0.6。試求所需的理論板層數(shù)，加料板及側(cè)線取料口的位置。物系平衡數(shù)據(jù)見例1-7。解：如下圖，有兩股出料，故全塔可以分為三段，由例1-7附表，在x-y直角坐標(biāo)圖上繪出平衡線，從xD=0.8開始，在精餾段操作線與平衡線之間繪出水平線和鉛直線構(gòu)成梯級(jí)，當(dāng)梯級(jí)跨過兩操作線交點(diǎn)d時(shí)，那么改在提餾段與平衡線之間繪梯級(jí)，直至梯級(jí)的鉛直線到達(dá)或越過點(diǎn)C(xW，xW)。如圖，理論板層數(shù)為10塊〔不包括再沸器〕出料口為第9層；側(cè)線取料為第5層12.用一連續(xù)精餾塔別離由組分A?B組成的理想混合液。原料液中含A0.44，餾出液中含A0.957〔以上均為摩爾分率〕。溶液的平均相對(duì)揮發(fā)度為2.5，最回流比為1.63，試說明原料液的熱狀況，并求出q值。解：在最回流比下，操作線與q線交點(diǎn)坐標(biāo)〔xq，yq〕位于平衡線上；且q線過〔xF，xF〕可以計(jì)算出q線斜率即q/(1-q)，這樣就可以得到q的值由式1-47Rmin=[(xD/xq)-α(1-xD)/(1-xq)]/〔α-1〕代入數(shù)據(jù)得0.63=[(0.957/xq)-2.5×(1-0.957)/(1-xq)]/〔2.5-1〕∴xq=0.366或xq=1.07〔舍去〕即xq=0.366根據(jù)平衡關(guān)系式y(tǒng)=2.5x/〔1+1.5x〕得到y(tǒng)q=0.591q線y=qx/〔q-1〕-xF/〔q-1〕過〔0.44，0