江南大学化工原理习题.doc
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1、(完整版)江南大学化工原理习题化工原理习题集第一章 流体传递过程基本方程21一搅拌槽中原盛有浓度为60%(质量,下同)的盐水2000kg。今以2kg/s的质量流率向槽中加入0。25%的盐水,同时以1.2kg/s的质量流率由槽中排出混合后的溶液。设槽中溶液充分混合。求槽中溶液浓度降至1%时所需要的时间。(总质量衡算,分别按无化学反应和有化学反应考虑)22在下述情况下简化连续性方程,并指出简化过程的依据。(连续)(1)不可压缩流体在重力作用下沿倾斜平板壁面作二维稳态流动;(2)不可压缩流体在水平园管中作轴对称的稳态流动(进口段与充分发展);(3)不可压缩流体作球心对称的稳态流动;(4)不可压缩流体
2、在两水平的平行平板间的稳态流动。23下述不可压缩流体的运动可否存在.(连续)(1)u=xi+yj+zk;(2)u=yzti+xztj+xytk;(3)ux=2x2+y,uy=2y2+z,uz=4(x+y)z+xy;(4)ux=2x,uy=x+z,uz=2(x+y)。2-4一不可压缩流体的流动,x方向的速度分量是ux=ax2+by,z方向的速度分量为零,求y方向的速度分量uy,其中a与b为常数。已知y=0时uy=0。(连续)25加速度向量可表为Du/Dt,试写出直角坐标系中加速度分量的表达式,并指出何者为局部加速度项,何者为对流加速度项。(随体)2-6已知成都和拉萨两地的平均大气压强分别为0。0
3、95MPa和0。062MPa。现有一设备需保持设备内绝对压强为3。0kPa.问这一设备若置于成都和拉萨两地,表上读数分别应为多少?2-7用如附图所示的U型管压差计测定反应器内气体在A点处的压强以及通过催化剂层的压强降。在某气速下测得R1为750mmH2O,R2为80mmH2g,R3为40mmH2O,试求上述值.2-8如附图所示,倾斜微压差计由直径为D的贮液器和直径为d的倾斜管组成。若被测流体密度为,指示液密度为0,试导出用R1表示的压强差计算式.如倾角为300时,若要忽略贮液器内的液面高度h的变化,而测量误差又不得超过0。1时,试确定D/d比值至少应为多少?2-9一水箱用如附图所示的锥阀封水,
4、锥阀底直径为0。5m,高为0.6m,阀重50kg.当水位达1.5m时,要求阀启动泄水,问外配锤重w应为多少?习题2-7 附图习题28 附图习题29 附图210某流场可用下述速度向量式表达:u(x,y,z,t)=xyzi+yj3ztk。试求点(2,1,2,1)处的加速度向量。(随体)2-11国际标准大气压取海平面为基准(z=0)。基准面上的物理量取为:t0=288K,p0=101300Pa,r0=1.225kg/m3。从海平面一直到11公里的高空是对流层。对流层中温度与高度的关系可用下式表示:T=T0-bz,其中T0=288K,b=0。0065度/米。11公里以上认为是温度不变(216。5K)的
5、同温层。试分别求出对流层及同温层内压力、密度和高度的依赖关系。可认为重力加速度为一恒量。(静)2-12不可压缩粘性流体在两无限大平行平板间作稳态层流,试推导其速度分布、截面上的平均流速、壁面处的剪切力。(运动)213不可压缩流体在两根同心的套管环隙间作轴对称的稳态层流,试导出其速度分布,截面上的平均流速,体积流量,壁面处的剪切力。(运动)2-14不可压缩粘性流体在重力作用下,沿内径为R的圆筒内壁面向下流动。设流动是定常的平行直线运动,流体厚度为d。求流体速度分布、流量、平均流速、最大流速及作用在圆筒内壁面上的摩擦力(忽略端效应).(运动)2-15具有等深度a的两层不相混合的不可压缩流体,在两个
6、固定的水平板间作稳态层流,如图所示。上层流体的粘度和密度为m1和r1,下层流体的粘度和密度为m2和r2。压强梯度为p/x且与x和z无关.求平板间的速度分布u=f(z)。(注意在交界面上速度的大小是单值的,而且切应力tzx也是单值的)。(运动)216温度为208C的水,以2kg/h的质量流率流过内径为10mm的水平园管,试求算流动充分发展以后:(1)流体在管截面中心处的流速和剪应力;(2)流体在壁面距中心半距离处的流速和剪应力;(3)壁面处的剪应力。2-17一虹吸管放于水桶中,其位置如图所示。如果水桶和虹吸管的截面积分别为A和B,且AB,试计算虹吸管的流量。水看作是不可压缩理想流体,且受重力作用
7、,运动是定常的.(柏)218有一大桶内装有液体,液面距底面高为h。问在桶侧壁什么位置处开出流小空,流体射柱的射程最远?习题215 附图习题217 附图习题2-18 附图2-19水以湍流形式流过一直径相等的908弯管,该管垂直放置。入口处的压力为p1、平均流速为u1,出口压力为p2、平均流速为u2。求水流对弯管的作用力。(动量)2-20水从供水管流入水箱,再经水平管流出,如图所示。流入与流出的流量相同.箱中水面保持在离水管中心线以上距离h处。箱中各处流速与管中流速相比均可约而不计。水箱与水管出口之间的阻力损失为hf。(1)求流量V(用h、A与hf表示);(2)如要保持水箱不动,需多大的水平推力F
8、x?(柏,动量)习题2-19 附图习题2-20 附图221温度为208C的水稳态流过内径为25mm的镀锌管,流动已充分发展。试求算下述两种质量流率下的阻力损失:(1)120kg/h;(2)1200kg/h。(直管阻力)2-22一钢球(r=7800kg/m3)直径为0.254mm,在水温为258C的水箱中降落,达到稳定的沉降速度为8.08cm/s。如果一个钢球在温度为258C的甘油中降落,速度达到8。08cm/s(什么速度?)。假定两种情况下球体周围的流动是动力相似的,钢球直径应为多少?(相似准则)223管流中热充分发展的含义是什么?热充分发展与流动充分发展有何不同?2-24试由柱坐标形式的能量
9、方程出发,导出不可压缩流体在园管内进行稳态轴对称对流传热时,流动进口段的能量方程。(能量)2-25温度为310。9K的油以0.0126kg/s的质量流率流过内径25。4mm的铜管,管长6.1m.通过在管外冷凝水蒸汽使管内壁温度保持在374.8K。假定在整个管长上管内流动都是充分发展的,油的物理性质可认为不变,其值如下:Cp=2050J.kg1.K1,r=881kg.m-3,m=5。87X104Pa.s,k=0。143W.m-1.K1。试计算:(1)Re;(2)Pr;(3)油的出口温度.(园管内的对流传热,层流)2-26在长度为5m,内径为54mm的管内加热苯溶液。苯的质量流速为175kg/s.
10、m2。苯在定性温度下的物性数据为:m=0。49cP;k=0。14W/m.K;Cp=1.8kJ/kg.K.试求苯对管壁的给热系数.(对流传热,湍流)2-27一根具有圆形截面的导线,半径为R,电阻率为r。通过此导线的电流密度为I,导线表面温度为T0.试导出截面温度分布和最大温度。(有内热源的稳态导热)2-28有一半径为R的热圆球悬浮在大量的静止流体中,球表面温度为T0,远离球的流体温度为T。试确定稳态时:(1)周围流体的温度分布;(2)球表面与流体间的传热膜系数及鲁塞尔特数Nu。(稳态导热)229有一厚度为L的固体大平板,其初始温度为t0,自某时刻起,突然将其两个侧面(哪两个侧面?最好给个图)的温
11、度升至ts,并维持不变。试由普遍化的能量方程简化成上述情况下的导热方程,并写出定解条件.设导热只沿垂直于侧面的方向进行。(一维不稳态导热)230试证明由A、B两组分组成的双组分系统中,在一般情况下进行分子扩散时(有主体流动,且NANB),在总浓度C恒定的条件下,DAB=DBA。(传质)2-31在一细管中,底部水在恒定温度298K下向干空气中蒸发.干空气压力为0.1MPa、温度亦为298K。水蒸汽在管内的扩散距离(油液面至管顶部)z=20cm。在0.1MPa和298K时,水蒸汽在空气中的扩散系数DAB=2.50X10-5m2/s。试求稳态扩散时水蒸汽的摩尔通量、传质分系数及浓度分布。(一维稳态扩
12、散)232将温度为298K、压力为1.0atm的He和N2的混合气体装在一根直径为5mm、长度为0。1m的管中进行等摩尔反向扩散。已知管子两端He的分压分别(保持)为0。06atm和0。02atm,在上述条件下的扩散系数DHeN2=0.687 X104m2/s,式计算:(1)He和N2的扩散通量;(2)传质分系数;(3)在管中点截面上He和N2的分压.(等摩尔反向扩散)233在总压为2。0atm下,组分A由湿表面向大量的、流动的不扩散气体B中进行质量传递。已知界面上A的分压为0。20atm,在传质方向上一定距离处可近似地认为A的分压为零。已测得A和B在等分子方向扩散时的传质系数ky0=6.78
13、X10-5kmol/m2.s(y)。求传质系数ky、kg及传质通量NA。(传质系数)2-34在直径为25mm、长度为6m的园管内壁面上有一薄层水膜,将30、1atm的空气以0.5 m/s的速度吹入管内,试计算传质系数、出口浓度和传质速率。由于在空气中水分的分压很低,气体的物性可以近似的采用空气的物性值。(管内层流传质)235在常压下大量的干燥空气吹过湿球温度计,当湿球温度为25时,试求算干空气的温度。(湍流传质,柯尔本)第二章 流体输送与流体输送机械31烟道气的组成约为N277,CO213%,O25,H2O5(体积百分数)。试计算常压下400时,该混合气体的密度和粘度。32用一毕托(测速)管测
14、定空气在管道中的流速,用水作指示剂的U型管压差计显示的压差R读数仅为8mmH2O(附图),为了提高读数精度,拟采用以酒精水溶液和煤油为指示剂的双液柱微压差计。试计算若要使压差读数放大15倍,酒精水溶液的密度以及质量分率为多少?(水、酒精和煤油的密度可分别取为1000kg/m3、789 kg/m3和850 kg/m3)33蒸汽锅炉上装有一复式U型水银测压计(附图所示),已知对某基准面而言各点的标高为:z0=1。8m, z1=0.9m,z2=2。0m,z3=0.7m,z4=2.5m,截面1、2之间充满了水.试计算锅炉上方水蒸汽压力。3-4硫酸流经大小管组成的串联管路,硫酸的密度为1830kg/m3
15、,体积流量为9m3/h。大小管尺寸分别为573。5mm和764mm,试分别求硫酸在大管和小管中的(1)质量流量;(2)平均流速;(3)质量流速。3-5如附图将槽A中的NaOH和NaCl的混合水溶液放入反应槽B中,阀C和D同时打开。问如A槽液面降至0。3m需要多少时间?已知槽A和槽B的直径为2m,管道尺寸为322。5mm,溶液在管中的瞬时流速,式中Z为该瞬时两槽的液面高差.习题32 附图习题33 附图习题3-5 附图3-6直径为1。0m的水箱底部有一泄水孔,其孔径为25mm.当以5。0m3/h的固定流量向水箱加水的同时底部泄水孔也在向外泄水。若小孔的流量系数Cd为0。62(Cd为孔口实际流量与理
16、想流量之比),试求:(1)达到出水与进水流量相等时水箱的水位;(2)达到与上述水位相差0.1m时所需的(假设水箱最初是空的)时间.3-7用一长度为0.35m的渐缩管将输水管路由内径100mm缩至30mm。当管内水流量为0。52m3/h,温度为10时,问:(1) 在该渐缩管段中能否发生流型转变;(2) 管内由层流转为过渡流的截面距渐缩管大端距离为多少?38用压缩空气将密度为1513kg/m3的硝酸从密闭容器中送至高位槽,要求每批的压送量为0.5m3,10分钟压完,管路能量损失为15J/kg,管内径为25mm,求压缩空气的压力为多少Pa(表压)?(计算时密闭容器中近似以最终液面为准)。39高位槽内
17、的水面离地面10m,水从1084mm的导管中流出.导管出口与地面距离为2m,在本题特定条件下,管路摩擦损失可按hf=6。5u2J/kg(不包括导管出口的局中阻力)计算,u为水在管内的流速m/s。试计算:(1)AA截面处水的流速;(2)水的流量。3-10如附图所示,水从离地面18m处用2735mm,长35m(包括局部阻力损失的当量长度)的管道连接到离地面10m处,并测得高低两处压强分别为345kPa和415kPa(表压)。试确定:(1)水的流动方向;(2)若管路摩擦系数取0。026,管路中水的流量为多少?习题3-8 附图习题3-9 附图习题10 附图311欲在一内径为200mm的输水管路中安装一
18、文丘里流量计(附图)。若输水量为180m3/h时,要求在文丘里流量计的入口和喉口两截面间检测的R读数不大于700mmHg,且允许的阻力损失不大于静压能差的5.试计算该流量计的喉口直径d0和流量系数Cv。3-12如图所示的一冷冻盐水循环系统,盐水循环量为40m3/h时,盐水由A流至B的阻力损失为100J/kg,由B流至A的阻力损失为50J/kg。管路系统采用同直径管子,盐水密度为1100kg/m3(忽略泵进、出口的高差),试计算:(1)若泵的效率为68,泵的轴功率为多少kW?(2)若泵出口压力为0.26MPa(表压),B处压力表读数为多少Pa?习题311 附图习题3-12 附图3-13水库引水发
19、电,水流经水轮机后经尾水管流入下水池(如附图所示)。已知H=60m,h=4m,引水和尾水管内径d=1。2m,引水管阻力损失可取管路动能的8.5倍,尾水管的阻力损失取该管动能的1.0倍。试求:流量为1.5m3/s时,水轮机进、出口处的压强以及水轮机的功率.3-14如图所示,槽内水位维持不变,槽底部与内径为100mm的钢管联结,管路中B处装有一U型管压差计(指示剂为水银)。当阀门关闭时读数R=600mm,h=1500mm。 (1)阀门部分开启时,测得R=500mm,h=1450mm,若AB段能量损失为10J/kg,问管内流量为多少m3/h?(2)阀门全开时,若AB段与AC段的能量损失分别按hfAB
20、=1。6u2J/kg,hfAC=7u2J/kg计算(不包括管出口阻力),u为管内流速。问压差计测压点B处水的静压强为多少?315如附图所示,高25m,内径0。6m的烟囱,烟气的密度为0。6 kg/m3,外部的空气密度为1.2 kg/m3,炉膛流通面积为烟囱流通面积的2倍,烟囱内壁烟气流动的摩擦系数可取0。025,烟气由炉膛进入烟囱的局部阻力系数为0。65。试求:(1)、当测得炉膛内外气体流动的压强差为12mmH2O时,烟囱通过的燃气质量流量为多少?(2)、若每小时需排出燃气7000 m3/h,考虑炉膛真空度仍为12mmH2O,则烟囱的高度为多少?习题313 附图习题3-14 附图习题315 附
21、图3-16如附图所示,活塞以一定的速度将油缸中的油推至排油口。已知油的密度为920kg/m3,缸内径为100mm,排油口直径为30mm,油由油缸进入排油口的局部阻力系数为0.46。求当活塞上受力6000N时,排油流量及作用在油缸上的力(活塞与缸壁的摩擦可不计)。317试求如附图所示管路中长为L的连续泄流管段的阻力损失。已知管内径为100mm,泄流管段长10m,水流入该管段流量为0。1 m3/s,流出流量为0。02 m3/s。假设沿管长单位长度泄出的水流量相同,且沿管长摩擦系数可取为0.027.习题3-16 附图习题3-17 附图3-18要求向精馏塔中以均匀的速度进料,现装设一高位槽,使料液自动
22、流入精馏塔中(如附图所示)。高位槽内的液面保持距槽底1。5米的高度不变,塔内的操作压力为0.04MPa(表压),塔的进料量须维持在每小时为50m3,则高位槽的液面要高出塔的进料口多少米才能达到要求?已知料液的密度为900kg/m3,粘度为1。5cp,连接管的尺寸为1085mm的钢管,其长度为(x1.5)+3m,管道上的管件有180回弯管一个,截止阀一个及90弯头一个.319水由水箱A经一导管路流入敞口贮槽B中,各部分的相对位置如图所示。水箱液面上方压力为0。02MPa(表压),导管为1084mm的钢管,扩大管D内径为200mm,管路中装有一闸阀(1/2开),转弯处均为90标准弯头,试计算:(1
23、)水的流量(设输水管很短,即直管阻力可忽略不计);(2)若此系统其它条件不变,仅输水管增长200m,此系统阻力为若干?习题318 附图习题3-19 附图习题3-20 附图320如附图所示含有少量可溶物质的废气,在放空之前令其通过一洗涤塔,以避免环境污染。该气体物理性质与50的空气基本相同,鼓风机入口处气体压力为30mmH2O(表压),流量为3600m3/h。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50m(不包括进、出塔及管出口阻力),放空口与鼓风机进口的垂直距离为20m,估计气体通过塔内填料层的压力降为200mmH2O,管壁绝对粗糙度可取为0。15mm,大气压为0。
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