石油化学工程基础

《石油化学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 基础》 习题解答 原书编著：李阳初 王耀斌 习题解答：郭 成 石油大学（华东）化学化工学院炼制系化工原理教研室 第○章 绪 论 0-1 某设备内的压力为 ，试用SI单位表示此压力。 解：在SI单位制中，压力的单位为Pa 由附录1可知， 则 0-2 将 的传热速率换算成以kW（千瓦）表示的传热速率。 解：由 0-3 流体的体积流量为 ，试分别用 、 及 表示。 0-4 空气在100℃时的比热为 ，试以SI单位表示。 解：由附录1查得： 0-5 等于多少 、 和kW？ 0-6 通用气体常数 ，将其单位换算成工程单位 和SI单位 。 第一章 流体流动 1-1 已知油品的相对密度（即比重）为0.9，试求其密度和比容。 解： 1-2 若将90kg密度为 的油品与60kg密度为 的油品混合，试求混合油的密度。 解：混合后各油品的重量百分比： 由 得： 1-3 氢和氮混合气体中，氢的体积分率为0.75。求此混合气体在400K和 的密度。 解：混合气体平均分子量： 1-4 如题图所示，用U形管压差计测定气体反应器进。出口处的压力，测得 ， ，试求此反应器底部A和顶部B处的表压和绝压为多少 。当地大气压力 。 解：A处的表压： A处的绝压： A、B处的压差： 则B处的表压： B处的绝压： 1-5 用U形管压差计测定气体管路中某两点的压力差，压差计中的指示液为水，其密度为 ，压差计读数为500mm。试计算两点的压力差为多少 。 解： 1-6 为了放大所测气体压差的读数采用如图1-10所示的斜管压差计， 。若压差计内装密度为 的95%乙醇溶液，压差计读数R’为29mm。试计算压力差 ，分别用SI单位和工程单位表示。 1-7 密度为 的原油经过直径为 的钢管流动，流速为 ，试求原油的体积流量 、质量流量 和质量流速 。 解：已知 1-8 比重为1.83的硫酸经由直径为 和 的管子串联管路，体积流量为 。试分别求硫酸在两种直径管中的质量流量、流速和质量流速。 解： 1-9 如题图所示，从容器A用泵B将密度为 油品输送到塔C顶部。容器内与塔顶的表压力如题图所示。管子规格为 。油品的输送量为 ，输送管路的全部能量损失为 ，试求泵的有效功率。 解：管内流体的流速： 以容器A的液面为截面1，以塔C为截面2 在1-2截面间列柏努利方程： 得： 1-10 如题图所示，从敞口高位槽向精馏塔加料，高位槽液面维持不变，塔进料口处的压力为 （表压）。原料液的密度为 ，管子直径 ，从高位槽至塔的进料口处的阻力损失为 。试问要维持 的加料量，高位槽中的液面须高出塔的进料口多少米？ 解：管内流体的流速： 以高位槽的液面为截面1，以进料管入口为截面2 在1-2截面间列柏努利方程： 得： 1-11 如题图所示为一由敞口高位槽的稳定供水系统，管径为 。已知从高位槽液面至管出口处的能量损失为 （u为管内流速 ）。试求水的流量为多少 ？欲使水量增加20%，应将高位槽水面升高多少米？ 解：以高位槽的液面为截面1，管出口为截面2 在1-2截面间列柏努利方程： 得： 若使水量增大20%，则 在1-2截面间列柏努利方程： 得： 即需要将高位槽水面升高至10.64m。 1-12 如图所示，一油水分离器中的油水分界面借助于Π形管来维持和调节，有关尺寸如附图所示。油的密度为 ，水的密度为 。试计算： ⑴如阀1和阀2均全关闭时，油水分界面高度H为多少米？（忽略Π形管中的阻力损失） ⑵如打开阀2时，H为多少米？（忽略Π形管中的阻力损失） ⑶如水在Π形管中的流动阻力损失 时，重新计算⑴和⑵的内容。 解：⑴当阀1和阀2均全关闭时，以油水界面为截面1，以Π形管管顶为截面2。 在1-2截面间列柏努利方程： 式中： ， （表压）， ， （表压）， ， 代入式中： 整理得： 得： ⑵打开阀2而不考虑阻力损失，以油水界面为截面1，以阀2为截面位。 在1-3截面间列柏努利方程： 式中： ， （表压）， ， （表压）， ， 代入式中： 整理得： 得： ⑶若考虑阻力损失：在⑴中阀1、2关闭时： 得： 在⑵中阀2打开时： 得： 1-13 25℃的水以 的流量在直径为 的钢管中流动，试判断其流动型态。如换成密度为 、粘度为387cP的油品以同样的流量流动，试判断其流动型态。 解：25℃的水的 ， 油品： 1-14 述所述的输送管路，管中的流量达到多少 时，水由层流开始向湍流流动？如油品保持层流流动，其管中的最大流速为多少 ？ 解：对于水：由层流时 得： 对于油品：由层流时 得： 1-15 水在 的水平钢管中流动，温度为20℃，管长100m，水的质量流量为 。求直管阻力损失为多少？分别以 、 和 表示。（管壁绝对粗糙度取 ） 解：20℃水的物性： ， 由 查图1-28得： 则 1-16 有一热交换器，外壳内径为300mm，内装有60根直径为 的光滑管组成的管束。空气以 的流量在管外平行流过，空气的平均温度为30℃，换热器长度为4m。试估算空气通过换热器时的压力降，以 和 表示。 解：30℃空气的物性： ， 以光滑管形式来确定λ： 则 1-17 用泵将密度为 、粘度为80cP的燃料油通过直径为 的钢管输送到油罐。管路的直径长度为520m,管路上有两个全开闸阀,6个90° 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 弯头，油从油罐的侧面进入。当燃料油的流量为 时，整个管路的能量损失和压力降为多少？ 解： 管件的阻力系数：入口 ，出口 全开闸阀 ，90°标准弯头 1-18 如题图所示由高位槽通过管径 的钢管（绝对粗糙度 ）向用户供水。水的温度为20℃，流量为 。管线的直管长度为35m，管路上有一个全开闸阀，2个90°标准弯头。试求整个输送管路的压力损失和压力降。 解：20℃水的物性： 由 查图1-28得 管件的局部阻力系数：入口 ，出口 全开闸阀 ，90°标准弯头 1-19 如题图所示为一输油管路。已知管路为 的钢管，A、B间的直管长度为40m，其间有6个90°标准弯头，油的密度和粘度分别为 和 。在A和B点的压力表读数分别为 和 。其他数据如附图所示。试计算管路中油的流量。 解：在A、B截面间列柏努利方程： 式中： ， ， ， 对于钢管取 ，则 先假设在阻力平方区，由图1-28查得 则可计算得： 校验： 按层流计算，将 代入公式： 整理得： 得： ，假设成立 即管路中油的流量： 1-20 用泵将20℃的液体苯从贮槽输送到反应器，经过排管，直管长度为42m，管路上有两个90°标准弯头，一个半开的闸阀。管路出口在贮槽液面以上12m。贮槽与大气相通，反应器在 （表压）下操作。苯的流量为 ，试设计管径，并计算泵的有效功率。 解：由表1-2取苯在管路中的流速为 20℃下苯的物性： ， 由 得 由附录十九取管径为 的钢管，则流体实际流速为 取 则 查得 局部阻力系数：入口 ，出口 ，90°标准弯头 半开闸阀 ， 在贮槽及反应器间列柏努利方程： 式中： ， ， ， ， 1-21 有一水平输送原油的管路，管径为 ，总长度为42km。原油的流量为 ，密度和粘度分别为 和300cP，管路两端压差保持不变，试问： ⑴在管路下游1/3处并联一条同样直径的管子时，原油输送量增到多少？ ⑵欲使原油流量增加50%，需并联多长的管子？ 解：⑴在管路下游1/3并联一条同样直径的管子时： 并联前的 由于流体的粘度较大，可假设并联管路后仍为层流 根据并联管路特点，并联部分的管路阻力损失相等 而 即： 由于管径及管长均相等，则有 则并联后的总管流速为： 由于管路两端点压差不变，则在并联前后的总阻力应保持不变 并联前的阻力： 并联后的阻力： 由于 ，则有 即 代入数据可得 解得： 检验： 假设成立 ⑵若使原油流量增大50%，则 ，而 由于管路两端点压差不变，则在并联前后的总阻力应保持不变 并联前的阻力： 并联后的阻力： 由于 ，则有 即 代入数据可得 即需并联28km的同样直径的管路。 1-22 如题图所示由敞口高位槽A分别向反应器B和吸收塔C稳定的供给20℃的软化水，反应器B内压力为 ，吸收塔C中真空度为73.5mmHg。总管路的规格为 ，长度为 ；从分支点至反应器B的管路规格为 ，长度为15m；从分支点至吸收塔C的管路规格为 ，长度为20m（以上管长均包括各自管路上的各种局部阻力的当量长度）。整个管道为无缝钢管，其粗糙度ε可取0.15mm。如果要求向反应器B供给水流量为 ，向吸收塔C供给水流量为 ，问高位槽液面至少高于地面多少？ 解：20℃水的物性： ， 以分支点为O点，则在OB段中的流速为： 由 查图1-28得 则根据柏努利方程可得O点的总比能为： 则在OC段中： 由 查图1-28得 则根据柏努利方程可得O点的总比能为： 取两个中较大者，即 在总管中的流速： 由 查图1-28得 则在A与O间列柏努利方程： 即高位槽距地面至少11.44m，此时OB段应适当关小阀门。 1-23 在 的输送空气管道中心安装了一个皮托管，空气的温度为21℃，压力为1atm（绝压）。用一微差压差计测定压差，指示液为油和水，其密度分别为 和 。当压差计读数为50mm时，空气的质量流量为多少 ？ 解：21℃空气的物性： ， 压差计指示值： 由皮托管测得的管中心流速： 查图1-25得 即 1-24 在直径 的输送轻油管路上，安装了一个标准孔板流量计以测量轻油的流量。已知孔板孔径为60mm，在操作温度下轻油的密度为 ，运动粘度为1cSt。当U形管压差计读数为1250mmH2O时，轻油的体积流量和质量流量各为多少？ 解： 先假设 为定值，由 查图1-41得 再由此查得 ，如上法计算后得 ， ， 再由此查得 基本不变，则认为此即为管内的实际流速 则 1-25 在 输送空气管道上安装了一个孔径为75mm的标准孔板流量计，孔板前空气压力为 ，温度为25℃。问当U形管压差计读数为145mmH2O时，流经管道空气的质量流量为多少 ？ 解：25℃，1atm下空气的物性 ， 则在 下 先假设 为定值，由 查图1-41得 在定值区，假设正确，则认为此即为管内的实际流速 则 1-26 密度为 ，粘度为2cP的某溶液，通过 的钢管流动，最大流量为 ，U形管压差计的读数R最大不超过400mmHg，试计算标准孔板流量计的孔板孔径。 解： 假设在极限点上，查图1-41得 根据 代入数据 解得： 校验：由 查图1-41得 再代入前式中求得 则再由 查图1-41得 ， 即选用孔径为55mm的标准孔板流量计。 1-27 转子流量计出厂时是以20℃和1atm条件下的空气进行标定的，现用来测定密度为 的裂解气的流量，当读数为 时，裂解气的流量为多少 ？ 解：20℃和1atm条件下的空气的 第二章 流体输送机械 2-1 用15℃的水进行某离心泵的性能实验，水的体积流量为 ，泵入口真空表读数为180mmHg，泵出口压力表读数为 ，轴功率为1.77kW。真空表与压力表间垂直距离为400mm，吸入管与排出管的直径分别为 和 。试求该流量下离心泵的压头和效率。 解：15℃水的密度为 以真空表位置为1截面，压力表位置为2截面 (表压) （表压） ， 在1、2截面间列柏努利方程： 2-2 原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为 的水溶液，水溶液的其它性质可视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个敞口容器的液面间的高度不变。试问： ⑴泵的压头有无变化； ⑵泵的出口压力表读数有无变化； ⑶泵的轴功率有无变化。 解：由于管路状况不变，泵前后敞口容器的液面差不变，而只是密度变化。 ⑴在两敞口容器液面间列柏努利方程： ， 因此泵的压头不变。 ⑵在泵的出口压力表与出口容器液面间列柏努利方程： ， 因此泵的出口压力表读数发生变化，其变化为： ⑶轴功率： 因此泵的轴功率发生变化，其变化为： 2-3 某台离心泵在转速为 时，输水量为 ，压头为20mH2O。现因马达损坏，用一转速为 的电动机代用，问此时泵的流量、压头和轴功率将为多少？（泵的效率取60%） 解：转速变化后，其他参数也相应变化。 2-4 在海拔1000m的高原上，使用一离心清水泵吸水，已知该泵吸入管路中的全部压头损失与速度头之和为6m水柱。今拟将该泵安装于水源水面之上3m处，问此泵能否正常操作？该处夏季水温为20℃，泵的允许吸上真空度为6.5m。 解：海拔1000m处的大气压 因此该泵不能正常操作。 2-5 用油泵从贮罐向反应器输送液态异丁烷。贮罐内异丁烷液面恒定，其上方的压力为 （绝压）。泵位于贮罐液面以下1.5m处，吸入管路的全部压头损失为1.6m。异丁烷在输送条件下的密度为 ，饱和蒸汽压为 。在泵的性能表上查得，在输送流量下泵的允许气蚀余量为3.5m。试确定该泵能否正常操作。 解：该泵的允许安装高度为： 实际安装高度： 因此该泵不能正常工作。 2-6 在某一车间，要求用离心泵将冷却水由凉水塔下的水池经换热器返回凉水塔，入凉水塔的管口比水池液面高10m，管口通大气，管路总长（包括当量长度）为400m，管子直径均为 ，换热器的压头损失为 ，在上述条件下摩擦系数取0.03，离心泵的特性参数如下表所示。试求： ⑴管路特性曲线； ⑵泵的工作点及其相应流量和压头。 Q, 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 H,m 26 25.5 24.5 23 21 18.5 15.5 12 8.5 解：⑴在水池与凉水塔管口间列柏努利方程： 式中： ， ， 代入式中得： 此即为管路特性曲线。 ⑵在坐标中描绘出管路特性曲线和泵特性曲线，两曲线的交点即为泵的工作点。从图中可求出泵的工作点为 ， 。 2-7 有下列输送任务，试分别提出合适类型的泵： ⑴往空气压缩机的气缸中注油润滑； ⑵输送番茄汁至装罐机； ⑶输送带有粒状结晶的饱和盐溶液至过滤机； ⑷将水送到冷却塔（塔高30m，水流量为 ）； ⑸将洗衣粉浆液送到喷雾干燥器的喷头中（喷头内压力为100atm，流量为 ）； ⑹配合pH控制器，将碱液按控制的流量加进参与化学反应的物流中。 解：⑴齿轮泵、柱塞泵； ⑵齿轮泵； ⑶开式叶轮的耐腐蚀泵； ⑷双吸离心水泵； ⑸螺杆泵； ⑹计量泵。 2-8 从水池向高位槽供水，要求供水量为 ，高位槽内压力为 （表压），槽内水面与水池中的水面间的垂直距离为16m，吸入管和排出管中的压头损失分别为1m和2m。管路中的动压头可忽略不计。水温为25℃，当地大气压力为750mmHg。试选择合适的离心泵，并确定其安装高度。 解：在水池与高位槽间列柏努利方程： 式中： ， ， ， ， 代入式中： 查附录表20（P418），可选用2B31型水泵。 从表中知该型水泵的允许吸上真空度 则在750mmHg，25℃下的允许吸上真空度为： 则离心泵的允许安装高度为： 则其实际安装高度 也就是说该泵的安装高度最大为3.98m。 或者也可选用3B33A型水泵，该型水泵的允许吸上真空度 则在750mmHg25℃下的允许吸上真空度为： 则离心泵的允许安装高度为： 则其实际安装高度 也就是说该泵的安装高度最大为4.68m。 2-9 其常压贮槽内盛有石油产品，其密度为 ，粘度小于20cSt，在贮存条件下的饱和蒸汽压为600mmHg。现将该油品以 的流量送往表压为 的设备内。输送管尺寸为 的钢管。贮槽内液面维持恒定，从贮槽液面到设备入口处的高度为5m。吸入管与排除管的压头损失分别为1m和4m。试选择一台合适的泵，并确定其安装高度。当地大气压为760mmHg。 解： 在贮槽与设备间列柏努利方程： 式中： ， ， ， ， 代入式中： 查附录表20（P418），选用65Y-60B型油泵。 其 ， ， 则其允许安装高度为： 则其实际安装高度 2-10 将密度为 的硝酸从贮酸槽输送到反应釜，流量为 ，贮酸槽内液面至反应釜入口之间的垂直距离为8m。反应釜内压力为 (表压)，贮酸槽通大气，管路的压头损失为20m。试选择一台合适型号的离心泵，并估算泵的轴功率。 解：在贮酸槽液面至与反应釜间列柏努利方程： 式中： (表压)， (表压) ， ， ， 代入式中： 查附录表20，选用F型耐腐蚀泵的40F-65型，其 则 2-11 某单动往复泵活塞的直径为160mm，冲程为200mm，现拟用该泵将密度为 的某种液体从敞口贮槽输送到某设备内，要求的流量为 ，设备的液体入口处较贮槽液面高19.5m，设备内压力为 (表压)，外界大气压力为736mmHg，管路的总压头损失为10.3m。当有15%的液体漏损和泵的总效率为72%时，试分别计算该泵的活塞每分钟往复次数与轴功率（忽略速度头）。 解：往复泵理论流量 而由 得活塞的往复次数： 在贮槽液面至与设备间列柏努利方程： 式中： (表压)， (表压) ， ， ， 代入式中： 2-12 有一台双动往复泵，其冲程为300mm，活塞直径为180mm，活塞杆直径为50mm。若活塞每分钟往复55次，实验测得此泵在26.5分钟内，使一内径为3m的圆形贮槽的水位上升2.6m，试求泵的容积效率。 解：往复泵的理论流量： 而实际流量： 容积效率： 2-13 对一离心通风机进行性能测定的实验数据中，某组数据为：空气温度为20℃；风机出口处的表压为23mmH2O；入口处的真空度为15mmH2O，相应的送风量为 ；两测压截面间的垂直距离为200mm；吸入管与排出管的内径分别为300mm和250mm；通风机转速为 ，所需的轴功率为0.81kW。试求所对应的全风压和风机的效率。 解：20℃的空气物性： ， （真空度）， (表压) 忽略出口处之间的阻力损失，在两测压截面间列柏努利方程： 2-14 要向某设备输送40℃的空气,所需风量为 ，已估计出按40℃空气计所需的全风压为1100mmH2O。试选择一合适的通风机。 解：40℃空气 ，20℃空气 若按20℃计，则风机风量为： 全风压： 因此可选9-1914D型。 第三章 沉降及过滤 3-1 尘粒的直径为10μm、密度为 。求该尘粒在20℃空气中的沉降速度。 解：20℃空气物性 ， 假设沉降在斯托克斯区： 校验 在斯托克斯区假设成立，即颗粒的沉降速度为 3-2 求直径为1mm、密度为 的玻璃球在20℃水中的沉降速度。 解：20℃水的物性 ， 假设沉降在斯托克斯区： 校验 假设不成立，再假设在阿仑区： 校验 在阿仑区假设成立，即颗粒的沉降速度为 或使用课本提供的公式 即 则 校验 在阿仑区假设成立，即颗粒的沉降速度为 3-3 用落球法测定液体的粘度。今将直径为6.25mm、密度为 的钢球置于密度为 的油内，并测得该钢球在6.35s的时间内下降25cm的距离。试计算此油的粘度。 解： 假设沉降在斯托克斯区： 则 校验 假设成立，即该液体的粘度为3.796Pa·S。 3-4 密度为 的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降，试计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。 解：20℃空气物性 ， 斯托克斯公式适用范围为 ，即最大颗粒直径： 牛顿公式适用范围为 ，即最小颗粒直径时 3-5 用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为 ，粘度为 ，流量为 。粉尘的密度为 。试求粉尘的临界直径。 解：对于降尘室： 则 假设沉降在斯托克斯区，则 校验 假设不成立，再假设在阿仑区： 校验 在阿仑区假设成立，即颗粒的临界直径为 。 或使用课本提供的公式 即 则 校验 在阿仑区假设成立，即颗粒的临界直径为 。 3-6 今拟采用如图3-5所示的多层降尘室除去某气体中的密度为 、直径 以上的球形微粒。气体在标准状态[0℃，1atm( )]下的体积流量为 ，气体的平均温度为427℃，压力为1atm( )，操作条件下气体的密度及粘度分别为 及0.034cP。除尘室的长度为5m，宽度为1.8m，总高度为2.8m。试计算水平隔板间的距离h和层数n。 解：假设沉降在斯托克斯区： 假设成立 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 一：由 得： 层数 间距 方法二：由 得间距 层数 3-7 今拟用宽4.5m、深0.8m的矩形槽从炼油厂废水中回收直径 以上的油滴。在槽的出口端，除油后的水可不断从下部排出，而汇聚成层的油则从槽的顶部移去。油的密度为 ，水温为20℃。若废水的处理量为 ,求所需槽的长度L。 解：20℃水的物性 ， 假设沉降在斯托克斯区： 假设成立 由 得： 3-8 用如图3-10所示的旋风分离器从200℃、压力为 的含尘空气中除尘。尘粒的密度为 ，旋风分离器的直径为0.65m,进口气速为 。试求⑴气体处理量， (标准状态); ⑵气体通过旋风分离器的压力降； ⑶尘粒的分割直径。 解：⑴对于如图3-10所示的直径为0.65的标准旋风分离器其他相应的尺寸为 ， 换算成标准状况 ⑵对于如图3-10所示的标准旋风分离器其 则压力降 ⑶标准旋风分离器的分割直径： 3-9 用板框压滤机对某种悬浮液在压力差为400mmHg(53320Pa)的条件下进行过滤实验，过滤面积为 ，所得实验数据如下： 过滤时间，S 8.4 38 84 145 滤液量，ml 100 300 500 700 滤饼与滤液的体积比为 ，滤饼不可压缩。在过滤条件下滤液的粘度为3.4cP。试求过滤常数K与 及滤饼的比阻γ。 解：根据 处理实验数据（结果如下表）： 过滤时间，S 8.4 38 84 145 滤液量，ml 100 300 500 700 q 0.01 0.03 0.05 0.07 840 1267 1680 2071 将 与q值描绘在直角坐标图上可得一条直线，可求得直线的斜率 和截距 解得： , 由 得 3-10 对上题中的悬浮液用滤框边长为800mm的板框压滤机在相同的压力差下进行过滤，过滤1小时获得滤液 。试求滤框的数目及其厚度。 解：由上题已知： , 根据过滤基本方程： 代入数据： 整理方程： 解方程得： 滤框数目： 滤框厚度= 3-11 某厂用板框压滤机在恒压条件下过滤一种胶质物料，滤框的空间尺寸为 ，有20个滤框。经过2小时过滤，滤框完全充满滤饼，并每平方米过滤面积得到滤液 。卸饼、清理、组装等辅助时间为1.2小时，忽略过滤介质阻力，滤饼未洗涤。试计算： ⑴该板框压滤机的生产能力； ⑵过滤后用1/8滤液体积的洗涤水在同样压力差下进行横穿洗涤滤饼时的生产能力（洗涤水与滤液粘度相近）； ⑶若当滤框的厚度减为25mm，其它条件不变，滤液仍用1/8滤液体积的洗涤水洗涤滤饼时的生产能力。 解：⑴过滤面积 ⑵过滤终了速率： 采用横穿洗涤的洗涤速率是过滤终了速率的1/4，即 ⑶若滤框的厚度减为25mm，其它条件不变时，q会减小 即 过滤时间 洗涤时间： 3-12 若转筒真空过滤机的浸没度为1/3，转速为 ，每小时获得滤液量为 。已知过滤常数 , 。试求该过滤机的过滤面积。 解：转筒真空过滤机生产能力： 3-13 有一转筒真空过滤机的转速为 ，每小时可获得滤液 。若过滤介质的阻力可忽略不计，问每小时欲获得 滤液时过滤机的转速应为多少？此时转筒表面滤饼的厚度为原来的多少倍？（过滤操作中真空度维持不变） 解：转筒真空过滤机忽略介质阻力时， 滤饼的厚度与每旋转一周的滤液量有关： 即转筒表面滤饼的厚度为原来的0.8倍 第四章 固体流态化及气力输送 4-1 在内径为1.2m的丙烯腈流化床反应器中，堆放了3.62吨磷钼酸铋催化剂，其颗粒密度为 ，堆积高度为5m，流化后床层高度为10m。试求： ⑴固定床空隙率； ⑵流化床空隙率； ⑶流化床的压降。 解：⑴固体颗粒体积： 固定床层体积： 固定床空隙率： ⑵流化床层体积： 流化床空隙率： ⑶流化床压降： 或： 4-2 流化床干燥器中待干燥物的颗粒直径为0.5mm，比重为1.4，静床高为0.3m。热空气在床中的平均温度为200℃。试求流化床的压降(mmH2O)，并求起始流化速度。为了简化计算，空气可假设为常压下干空气，待干燥物的颗粒可视为球形， 可取为0.4。 解：颗粒视为球形颗粒，即 20℃空气物性： ， 可用 设在固定床时颗粒堆积的空隙率为0.3 则流化床高 床层压力降： 4-3 比重为0.9，粘度为 的油品由下往上通过催化剂床层，床层由直径为0.1mm，比重为2.6的均匀球形颗粒所组成，流化点的空隙率为0.436，试求： ⑴流化点的临界速度； ⑵流化床能够存在的油品流速的上限。 解：⑴ 可用 ⑵流化床能够存在的流速上限即为颗粒的沉降速度 设为层流： 假设成立 4-4平均直径为0.2mm的催化剂颗粒，在200℃的气流中流化，气体的物理性质可近似地视为与空气相同。颗粒的特性如下：密度 ；球形度 ；固定床空隙率 ；开始流化时空隙率 。操作气速取为0.15mm颗粒带出速度的0.4倍，已估计出此时流化床的空隙率 。试求： ⑴起始流化速度； ⑵操作气流速度； ⑶流化数； ⑷操作气速下每米流化床的压降； ⑸膨胀比。 解：⑴20℃空气物性： ， 可用 ⑵先求 的颗粒的带出速度：先设为层流 设为过渡流： 假设成立 由于颗粒为非球形，需要校正，校正系数为： 则操作气速 ⑶流化数： ⑷每米流化床压力降： ⑸膨胀比： 4-5 固体颗粒在内径为0.1m的管内作水平输送，在10m长的距离上，两端颗粒随气流运动均悬浮良好，求此10m长管路的压降。已知数据如下：固体颗粒 (视为球形颗粒)， ；气体 ， ， ；固气比R=10。 解：气管的压力损失 4-6 某气-固流化床反应器在623K、压强 条件下操作。此时气体的粘度为 ，密度为 ，催化剂颗粒直径为0.45mm，密度为 。为确定其起始流化速度，现用该催化剂颗粒及30℃的空气进行流化实验，测得起始流化速度为 ，求操作状态下的起始流化速度。30℃下空气的粘度和密度分别为： ， 。 解：由起始流化速度 得 即操作条件下起始流化速度为 。 第五章 传热及换热设备 5-1 燃烧炉的平壁由两层组成，内壁为105mm厚的耐火砖[导热系数为1.05 ]，外层为215mm的普通砖[导热系数为0.93 ]。内、外壁温度分别为760℃和155℃。试计算通过每平方米炉壁的热损失及两层间的界面温度。 解： 在两平壁交界处： 可解得界面温度： 5-2 某平壁炉的炉壁是用内层为120mm厚的某耐火 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 和外层为230mm厚的普通建筑材料砌成的，两种材料的导热系数未知。已测得炉内壁温度为800℃，外侧壁面温度为113℃。为了减少热损失，在普通建筑材料外面又包一层厚度为50mm的石棉层[导热系数为0.15 ]，包扎后测得炉内壁温度为800℃，耐火材料与建筑材料交界面温度为686℃，建筑材料与石棉交界面温度为405℃，石棉外侧面温度为77℃。试问包扎石棉后热损失比原来减少了多少？ 解：包扎石棉层后的热损失 则有 包扎石棉层前的热损失： 所以绝对热损失 所以相对热损失 5-3 燃烧炉的平壁由下列三种材料构成：耐火砖导热系数 ,厚度b=230mm;绝热砖导热系数 ；普通砖导热系数 ，厚度b=240mm。若耐火砖内侧温度为1000℃，耐火砖与绝热砖接触面最高温度为940℃，绝热砖与普通砖间的最高温度不超过138℃（假设每两种砖之间接触良好，界面上的温度相等）。试求： ⑴绝热砖的厚度（绝热砖的尺寸为65×113×230mm）； ⑵普通砖外侧的温度。 解：⑴耐火砖的热通量 根据稳定传热，绝热砖的热通量与耐火砖的热通量相等，即 由此解得 n=1.922≈2块 即需要2块绝热砖，厚度为460mm才能达到要求的温度。 ⑵根据稳定传热，燃烧炉平壁的热通量与耐火砖的热通量相等，即 由此解得： 即普通砖外侧的温度为34.9℃。 5-4 某工厂用一φ170×5mm的无缝钢管输送水蒸气。为了减少热损失，在管外包两层绝热材料：第一层为厚30mm的矿渣棉，其导热系数为0.065 ；第二层为厚30mm的石棉灰，其导热系数为0.21 。管内壁温度为300℃，保温层外表面温度为40℃。管道长50m。试求该管道的散热量。 解：已知：r1=80mm r2=85mm r3=115mm r4=145mm t1=300℃ t4=40℃ λ1=45 λ2=0.065 λ3=0.21 根据圆筒壁传热量计算公式： 5-5 有一蒸汽管外径为25mm，为了减少热损失拟在管外包两层绝热材料，每层厚度均为25mm,两种材料的导热系数之比 。试问哪一种材料包在内层更有效？(忽略金属热阻) 解：如果将导热系数λ大者（即λ2）包在内侧，则有 而如果将导热系数λ小者（即λ1）包在内侧，则有 将两者进行比较，则有 前者的散热量大一些，因此将导热系数小的绝热材料放在内侧更好一些。 5-6 外径为100mm的蒸汽管，先包一层50mm厚的绝热材料[导热系数为0.06 ]，其外再包一层20mm厚的绝热材料[导热系数为0.075 ]。若第一绝热层的内表面温度为170℃，第二绝热层的外表面温度为38℃。试求每米管长的热损失和两绝热层界面的温度。 解：根据圆筒壁传热量计算公式： 由于稳定传热各层的传热量相等，则第一层圆筒壁的传热量为 由此可解得： 5-7 水在φ38×1.5mm的管内流动，流速为1m/s，水的进、出口温度分别为15℃及80℃。试求水与管壁间的对流传热系数。 解：在定性温度 下水的物理性质为 湍流 5-8 空气以4m/s的流速通过直径为φ75.5×3.75mm的钢管，管长20m。空气的入口及出口温度分别为32℃及68℃。试计算空气与管内壁间的对流传热系数。如空气流速增加一倍，其它条件不变，对流传热系数为多少？ 解：在定性温度 下空气的物理性质为： 湍流 当其他条件不变，空气流速增加一倍时，有 所以 5-9 一列管换热器，其蒸汽在管间冷凝，冷却水在管内流动，其流速为0.25m/s，进出口温度分别为15℃及45℃，列管直径为φ25×2.5mm。试求水对管壁的对流传热系数。 解：在定性温度 下水的物理性质为 校正系数 则 5-10 现用一蛇管换热器冷却某液体，该液体流量为3 ，进口温度和出口温度分别为50℃及20℃，在平均温度下该液体的密度为1200 ，粘度为 ，比热为3.77 ，导热系数为0.558 。蛇管的直径为φ45×3.5mm，平均圈径为0.6m，液体在蛇管内流动。试求该液体的对流传热系数。 解： 湍流 校正 5-11 有一套管换热器，内管为φ25×1mm，外管为φ38×1.5mm。冷却水在环隙流动，以冷却管内的高温气体。水的进、出口温度分别为20℃及40℃。试求环隙内水的对流传热系数。（水的流量为1700kg/h） 解：环隙的流通截面面积为 在定性温度 下水的物理性质为： 流速 当量直径 5-12 有一管式加热炉，对流室的管束由直径为φ127×6mm长度为11.5m的钢管组成，管子排列为直列。烟道气垂直流过管束，沿流动方向有21排管子，每排有4根管子，管心距为215mm。烟道气流过管束最窄处的速度为5m/s。已知在烟道气的进、出口平均温度下其运动粘度 ,导热系数 ,普兰特准数 。试求烟道气通过管束的平均对流传热系数。 解： 查表5-6可得在第一列时: 则第一列的对流传热系数为： 第二列以后 则第二列的对流传热系数为： 烟道气通过管束的平均对流传热系数： 5-13 油罐中装有蒸汽管以加热罐中的重油，重油的平均温度为20℃，蒸汽管外壁的温度为120℃，蒸汽管外径为60mm。在平均温度下重油的密度为900 ，比热为1.88 ，导热系数为0.175 ,运动粘度为 ,体积膨胀系数为 。试求每小时每平方米蒸汽管对重油的传热量。 解：设为自然对流传热： 查表5-7，得 ，则对流传热系数 传热量 5-14 室内气温为20℃，有一垂直放置的平板，板高1m，平板温度为60℃。试计算单位面积平板上借自然对流散失的热量W。 解：在定性温度 下空气的物理性质为： 体积膨胀系数 查表5-7，得 ，则对流传热系数 传热量 5-15 饱和温度为100℃的水蒸气在长为2m、外径为0.04m的单根直立圆管表面上冷凝。管外壁的平均温度为94℃。求每小时蒸汽的冷凝量。又若将管子水平放置时，每小时蒸汽的冷凝量为多少？ 解：100℃的饱和蒸汽的汽化潜热 在定性温度 下水的物理性质 ①当单管垂直放置时：设液膜为层流，则其对流传热系数为： 由 得 检验 为层流，假设正确。 ②当单管水平放置时： 由 得 5-16 在冷凝器中水蒸气在水平管束外面冷凝，水蒸气的饱和压力为4.41KPa（绝），管子外径为16mm，管长1m，管数为10，管子是错列的，每排有5根管子，即排成两排。管子外壁温度为15℃。试计算每小时水蒸气冷凝量。 解：4.41kPa的饱和水蒸气 ， 在定性温度 下水的物理性质为： 设液膜为层流，则其对流传热系数为： 由 得 5-17 用冷水将油品从138℃冷却至93℃，油的流量为 ，水的进、出口温度为25℃及50℃。试求冷却水量。如将冷却水流量增加到 ，求冷却水的出口温度。[油品比热取 ] 解：水的物性取 , ，且不随温度变化。 由 得 如果水的流量为 ，即 由 得 5-18 在单管程和单壳程换热器中，用 (绝)的饱和水蒸气将对二甲苯由80℃加热到110℃。对二甲苯流经管程，水蒸气在壳程冷凝。已知对二甲苯的流量为 ，密度为860 。若设备的热损失为冷流体吸收热量的5%，试求该换热器的热负荷及蒸汽用量。 解： (绝)的饱和水蒸气 ， 对二甲苯在95℃下的比热为 冷流体吸收的热量： 此即为换热器的热负荷，即 水蒸气放热 根据 得水蒸气用量： 5-19 炼油厂在一间壁式换热器内利用渣油废热加热原油。若渣油进、出口温度分别为300℃及200℃，原油进、出口温度分别为25℃和175℃。试分别计算两流体作并流流动、逆流流动及折流（单壳程和双管程）流动时的平均温差，并讨论计算结果。 解：①并流时： ②逆流时： ③单壳程、双管程折流时： 查图5-23中a得 则 从计算中可以看出，在三种情况下，逆流温差最大，折流次之，并流最小，因此完成传热任务所需要的传热面积是并流最大而逆流最小。 5-20 在间壁式换热器中，用水将某有机溶剂由80℃冷却到35℃，冷却水的进口温度为30℃，出口温度不能低于35℃。试确定两种流体应该采用的流向（即并流还是逆流），并计算其平均温差。 解：由题中给出的水和有机溶剂的进出口条件可以判断出只能采用逆流操作 5-21 甲苯和水通过套管换热器进行换热，甲苯在内管中流动，水在环隙中流动，两流体呈逆流流动。甲苯流量 ，进、出口温度分别为80℃及50℃；水的进、出口温度分别为15℃及30℃。换热面积为2.5m2。试问传热系数为多少？ 解：甲苯在定性温度 下的比热 则换热器传热量： 甲苯和水逆流传热的对数平均温差： 根据传热速率方程： 则 5-22 在列管式换热器中，用冷却水冷却煤油。水在直径为φ19×2mm的钢管内流动。已知水的对流传热系数为 ，煤油的对流传热系数为 。换热器使用一段时间后，间壁两侧均有污垢生成。水侧污垢热阻为 ，油侧污垢热阻为 。管壁的导热系数为 。试求：⑴以管子外表面积为基准的传热系数；⑵产生污垢后热阻增加的百分数。 解：⑴以管子外表面积为基准： 则 ⑵在产生污垢前的热阻为： 即 因此污垢产生后的热阻增加的百分率： 5-23 一套管换热器，管内流体的对流传热系数为 ，环隙流体的对流传热系数为 。已知两流体均在湍流情况下进行传热，套管直径为φ25×1mm。试问⑴当管内流体流速增加一倍，⑵当管外流体流速增加一倍，其它条件不变时，上述两种情况下的传热系数分别增加多少？（忽略管壁热阻和污垢热阻） 解：条件未改变时的总传热系数： ⑴当管内流体流速增加一倍时： 根据公式 可知 管内对流传热系数变为 总传热系数为： 换热器的传热系数增加率: ⑵当管外流体流速增加一倍时，管内对流传热系数变为 总传热系数为： 换热器的传热系数增加率: 如果以管内表面为基准：则 ， ⑴ ⑵ 5-24 在一套管换热器中，用饱和水蒸气将在管内作湍流流动的空气加热，此时的传热系数近似等于空气的对流传热系数。当空气流量增加一倍，而空气的进、出口温度仍然不变，问该套管换热器的长度应增加百分之几？ 解：由于用蒸汽加热空气，控制热阻在管内的空气一侧，即有 当空气的流量增加一倍时有 而空气的进出口温度不变，即 则换热器长度之比 即换热器的长度应增加14.87%。 5-25 在间壁换热器中，用初温为30℃的原油来冷却重油，使重油的温度从180℃降至120℃。重油和原油的流量分别为 及 ，重油和原油的比热分别为 及 。两流体呈逆流流动。传热系数为 。求原油的最终温度和传热面积。若两流体呈并流流动，传热系数不变，试问传热面积为多少？ 解：换热器的热负荷为： 可解得 由此可求出逆流流动时换热器的对数平均温差： 根据传热速率方程： 则 并流流动时换热器的对数平均温差： 根据传热速率方程： 则 5-26 拟用196.2kPa的饱和水蒸气，将流量为 (标准状况)的空气由20℃加热到90℃。现有一台单程列管换热器，内有φ25×2.5mm的钢管271根，管长1.5m。蒸汽在管外冷凝[其对流传热系数可取 ]，空气在管内流动，两侧污垢热阻及管壁热阻可忽略不计，试核算该换热器能否完成上述传热任务。 解：在定性温度 下空气的物理性质为： 已知196.2KPa的饱和水蒸气的温度为120℃，则传热温差为 所需的传热面积为 而换热器所能提供的传热面积为： 此换热器能够完成任务。 5-27 某工厂需要一台列管式换热器，将苯精馏塔顶蒸汽经冷凝后的液体苯从80.1℃冷却到35℃，苯的流量为 。冷却剂为水，其进口温度为30℃，出口温度取38℃。试选择一台适宜型号的列管式换热器。 解：在定性温度 下水的物理性质为： 苯在定性温度 下水的物理性质为: 换热器的热负荷： 逆流操作下的传热平均温差： 按单壳程偶数管程查图5-23中a得 则 估算传热面积：由表5-9查得 ，则传热面积为 采用浮头式换热器即B型； 确定管数：水走管程，取 ，则可由水的流量计算管数： 由 得 若取管长为6m，则管程数取为4，则可初选换热器的型号为F