化工原理流体习题及化工原理筛板塔精馏实验报告

1. 当地大气压为750mmHg，测得一容器内的绝对压力为360mmHg，则真空度为_________mH2O。测得另一容器内的表压强为980mmHg，则其绝对压强为________KPa。

　 5.3mH2O；230.66KPa

2．液体在圆形管道中流动，如果只将流量增加一倍后仍为层流流动，则阻力

损失为原来的________倍；如果保持流量不变只将管径增加一倍，则阻力损失

为原来的__________倍。

　 2； 1/4

3．已知某油品在圆管中稳定流动，其雷诺数为1600。测得此时管中心处的点

速度为1m/s， 则此管截面上的平均速度为______m/s。

　 1/2（或0.5m/s）

4. 水在内径一定的圆形管中稳定流动，若质量流量一定，当温度降低时，Re

值将________。

　 减小

5. 如图所示，用离心泵将密封储槽中的20°C的水通过φ100×2mm的管道送往敞口高位储槽。两储槽液面高度差为16m，密封槽液面上真空表p1读数为500mmHg（真空度），泵进口处真空表p2读数为290mmHg（真空度）。泵排出管路上装有一个孔板流量计，其孔口直径为70mm，流量系数为0.7，所接U型水银压差计读数R为170mm。已知全部管路能量损失为36J/kg，试求：

泵的输水量(m3/h)。

泵出口处压力表p3的指示值(KPa)。(已知真空表与压力表相距0.2m)

包括全部局部阻力的当量长度在内的管路长度。（已知摩擦系数为0.01）

（1）

（2）

选低槽液面1-1和高液面4-4之间列伯努利方程：

选泵进出口为2-2和3-3截面列伯努利方程

（3）

1． 当地大气压强为750mmHg，测得一容器内的绝对压强为350mmHg，则真空度为 mmHg。测得另一容器内的表压强为1340 mmHg，则其绝压为

mmHg。

400； 2090

2． 某水平直管输水量为，今改为输送的有机物，且。

设两种输液下，流体均在层流下流动，则管路两端压差为水的________倍。

　 4

3．层流底层越薄，则以下结论正确的是 。C

A、近壁处速度梯度越小 B、流动阻力越小

C、流动阻力越大 D、流体湍动程度越小

4. 如图所示，水流经一扩大管段d1=40mm， d2=80mm，已知d1中水的流速为2.4m/s，倒U形压差计中水位差R=150mm。

试求：1）水流经两测压点间的阻力损失hf （J/kg）；

2）如将粗管端抬高，使管段倾斜放置，而流量不变，问此时R的读数如何变化？（定性说明，不必计算）

解：1）

在两测压点间列伯努利方程，以管子轴线为基准面，化简得，

由静力学方程，

即，

2）粗管端抬高后，管段倾斜， 设抬高，

由静力学方程得，

由伯努利方程有

在水的流量不变情况下，该管段的流动阻力损失不变， 因此R不变。

1. 流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能 。减小

2．气体的粘度随温度升高而 ，水的粘度随温度升高而 。

增加；降低

3．测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将 ，若改用转子流量计，随流量增加转子（稳定时）两侧压差值将 。增加；不变

4. 用泵将20℃水从敞口贮槽送至表压为1.5×105Pa的密闭容器，两槽液面均恒定不变，各部分相对位置如图所示。输送管路为?108×4mm的无缝钢管，吸入管长为20m，排出管长为100m(各段管长均包括所有局部阻力的当量长度)。当阀门为3/4开度时，真空表读数为42700Pa，两测压口的垂直距离为0.5m，忽略两测压口之间的阻力，摩擦系数可取为0.02

（1）阀门3/4开度时管路的流量(m3/h)；

（2）压强表读数(Pa)；

（3）外加压头(m)；

（4）若泵的轴功率为10kW，求泵的效率；

（5）若离心泵运行一年后发现有气缚现象，

试分析其原因。

解：(1)阀门3/4开度时管路的流量(m3/h)；

在贮槽液面0-0′与真空表所在截面1-1′间列柏努利方程。以0-0′截面为基准水平面

其中， ,

z0=0， u0=0， p0=0(表压)， z1=3m， p1=-42700Pa(表压)

代入上式，得： u1=2.3m/s， Q=

(2)压强表读数(Pa)；

在压力表所在截面2-2′与容器液面3-3′间列柏努利方程。仍以0-0′截面为基准水平面

解得， p2=3.23×105Pa(表压)

(3)外加压头(m)；

在真空表与压力表所在截面间列柏努利方程，可得，

(4)泵效率

(5)若离心泵运行一年后发现有气缚现象，原因是进口管有泄露。

1、流体在等径水平直管的流动系统中，层流区：压强降与速度的____次方成正比；完

全湍流区：压强降与速度的_____次方成正比。一次方，平方

2、当地大气压为745mmHg，测得一容器内的绝对压强为345mmHg，则真空度为______ mmHg。测得另一容器内的表压强为1355mmHg，则其绝对压强为_______ mmHg。

　 400mmHg，2100mmHg

3、水力半径的定义是rH＝_________________________。流道面积／浸润周边

4、某流体在直管中作层流流动，在流速不变的情况下，管长、管径同时增加一倍，其

阻力损失为原来的______倍。0.5

5、转子流量计的主要特点是( )。C

(A)恒截面、恒压差； (B)变截面、变压差；

(C)恒流速、恒压差； (D)变流速、恒压差。

6、层流与湍流的本质区别是( )。D

(A)湍流流速>层流流速； (B)流道截面大的为湍流，截面小的为层流；

(C)层流的雷诺数<湍流的雷诺数； (D)层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。

7. 用泵将密度为850kg/m3，粘度为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φ108×4mm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，其油水压差计的读数R=500mm。孔流系数Co=0.62，水的密度为1000/m3。孔板流量计的计算公式为：uo =Co[2gR(ρ′-ρ)/ρ]0.5。试求：

（1）输油量是多少m3/h?

（2）若泵的效率为0.55，计算泵的轴功率。

解：（1） uo =Co[2gR(ρ′-ρ)/ρ]0.5=0.62[2×9.81×0.5×(1000-850)/850] =0.816m/s

Vh =0.816×0.785×(0.08)2×3600=14.76m3/h

（2） 在贮油池和高位槽间列柏努利方程，化简得:

We=hg+Σhf

u=0.815×(80/100)2=0.522m/s

Re=0.1×0.522×850/(190×10-3)=234<2300

λ=64/Re=64/234=0.274

Σhf=0.274×(1000/0.1)×(0.5222/2)=373.3J/kg

We=20×9.81+373.3=569.5J/kg

Ne=We·WS/η=569.5×(14.76×850/3600)/(1000×0.55)=3.61kw

1. 测流体流量时，随着流体流量增加，孔板流量计两侧压差值将______，若改用转子流量计测量，当流量增大时，转子两端压差值将______。、增大；不变

2. 空气的黏度随温度升高而 （增大，减小，不变）。增大

3. 当不可压缩理想流体在水平放置的变径管路中作稳定的连续流动时，在管子直径缩小的地方，其静压力 。B

（A）变大 （B）变小 （C）不变 （D）不确定

4. 在完全湍流区（阻力平方区），粗糙管的摩擦系数值 C

（A）与光滑管一样 （B）只取决与Re

（C）只取决与相对粗糙度 （D）与粗糙度无关

5. 常压下，用水逆流吸收混合气中氨的流程如图所示，用泵将敞口水池中的水输送至吸收塔塔顶，并经喷嘴喷出，水流量35。泵的入口管为无缝钢管，出口管为 无缝钢管。池中水深为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为20m。水流经所有管路的能量损失为（不包括喷嘴），泵出口管与喷嘴连接处的表压为。设初选泵的效率为60%，试求该初选泵的轴功率（水密度以计）。

解：如图，取水池液面为 1-1’ 截面，塔顶喷嘴入口处为2-2’ 截面，并以1-1’截面为基准水平面。在1-1’和2-2’截面间列伯努利方程

其中 （表压），

（表压）

喷头入口处水流速

将以上各值代入，可得输送水所需的外加功

又因水的质量流量为

所以泵的有效功率为

当泵效率为60%时，其轴功率为

1.某设备上方压力表示数为53kPa，当地大气压为102kPa，则该设备的绝压为 kPa。155

2.当Re=1600时，流体在圆形管内为层流时的摩擦系数λ=__________；若流体在管内为

完全湍流流动时，摩擦系数λ与__________无关，只是__________的函数。

0.04，Re，管子相对粗糙度

3.某液体在内径为d0的水平管路中稳定流动，其平均流速为u0，当它以相同的体积流量通过等长的内径为d2(d2=d0/2)的管子时，若流体为层流，则压降?p为原来的 倍。C

A. 4； B. 8； C. 16； D. 32、

4. 如下图所示，用泵将贮槽A内密度为880kg/m3，粘度为4cP的油用的管道送至设备B，设备B内液面上方压力表读数为29.4 kPa，管路总长度（包括孔板在内所有局部阻力的当量长度）为80 m，管路上装有孔板流量计，孔口直径为56 mm，孔流系数，U形管压差计指示液为水银，读数R=750 mm。已知，管内流动的摩擦系数可按下列式子计算：层流时，湍流时，求：

（1）流量，m3/h；

（2）当泵的效率时，求轴功率。

解：（1）

（6分）

（2）

湍流

所以

在贮槽液面和管路出口内侧截面间列柏努利方程得：

1. 当地大气压为1atm，现测得一容器内的绝对压力为350mmHg，则真空度为

mH2O。又测得另一容器内的表压强为980mmHg，则其绝对压强为________kPa。5.57mH2O； 231.99KPa

2. 某液体在内径为d的水平管路中稳定流动，当它以相同体积流量通过等长的内径为3d的管子时，则流速为原来的 倍；若改变前后均为层流流动，则摩擦系数为原来的

倍。

　 1/9； 3

3. 孔板流量计是 。C

A.变压差流量计，需垂直安装 B.变截面流量计，需垂直安装

C.变压差流量计，需水平安装 D.变截面流量计，需水平安装

4. 孔板流量计的孔流系数C0，当Re数增大时，其值 。

　 B

A.总在增大 B.减小到一定程度后保持为某定值

C.总是减小 D.不定

5. 如图所示，用离心泵将常温的水从贮水池输送到敞口高位槽中，已知高位槽的水面

离贮水池的水面高度保持为10m。输送水量用孔板流量计测得。孔板安装在离高位槽水面1m处，孔径为20mm，孔流系数为0.65，所接U形管中指示液为水银，其密度为13600kg/m3。管路为Φ54×2.0mm的钢管，直管长度和局部阻力当量长度之和（包括孔板局部阻力当量长度）为250m，其中贮水池至孔板前测压点A的直管长度和局部阻力当量长度之和为60m，水的粘度为1cP，摩擦系数λ可取为0.02。当水的流量为6.86m3/h时，试确定：

（1）水通过泵所获得的外加能量（J/kg）。

（2）孔板前测压点A处的表压强（Pa）。

（3）孔板流量计的U形管中指示液读数R（mm）。

解：

(1)

以低位槽液面1-1和高位槽液面2-2间列伯努利方程

(2) 以1-1和A点前3-3列伯努利方程

(3)

6. 每小时将2×104kg、45℃氯苯用泵从反应器A输送到高位槽B（如图所示），管出口处距反应器液面的垂直高度为15m，反应器液面上方维持26.7kPa的绝压，高位槽液面上方为大气压（1个标准大气压），管子为Φ76mm×4mm、长26.6m的不锈钢管，摩擦系数为0.0293。管线上有两个全开的闸阀、5个90°标准弯头。45℃氯苯的密度为1075 kg?m-3，粘度为6.5×10-4 Pa?S。泵的效率为70%，求泵的轴功率。

附各局部阻力系数：全开闸阀 ζ 1 = 0.17，90℃标准弯头ζ 2 = 0.75。

解：如图，取1-1、2-2界面，以1-1 截面为基准面

p1 = 26.7kPa（绝压），z1 = 0，u1=0，P2 = 101.3kPa（绝压），z2 = 15m

流体在管内作湍流流动时，流动类型从中心到壁依次为： 、 、 。湍流; 过渡区; 层流

气体的粘度随温度的升高而 ，水的粘度随温度的升高而? ?。

增加; 降低

测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将 ，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值将 。增大; 不变

水(?=1000 kg/m3)在1 atm 下由泵以0.012 m3/s 从低位槽送往高位槽，如图。泵前的吸入管长和管径分别为6 m和80 mm，管内的摩擦系数为0.02，泵前吸入管路（包括入口）的局部阻力系数之和为1.25。泵后的排出管长和管径分别为13 m和60 mm，管内的摩擦系数为0.03，泵后排出管路（包括出口）的局部阻力系数之和为8.15。两液面的高度差H＝10 m，泵的吸入口比低位槽的液面高2 m。

　求:

（1） 泵的有效功We，J/kg；

（2） 泵的吸入口A和排出口B处的压强（绝对压强），Pa。

解：（1) 在断面1-1和2-2之间列机械能衡算式，并移项整理得

泵吸入管内的流速为

u1＝

泵压出管内的流速为

u2＝

（2）以断面1-1为基准，在断面1-1和A之间列机械能衡算式可得

在断面B和2-2之间列机械能衡算式可得

筛板塔精馏实验

一．实验目的

1．了解筛板精馏塔及其附属设备的基本结构，掌握精馏过程的基本操作方法。

2．学会判断系统达到稳定的方法，掌握测定塔顶、塔釜溶液浓度的实验方法。

3．学习测定精馏塔全塔效率和单板效率的实验方法，研究回流比对精馏塔分离效率的影响。

二．基本原理

1．全塔效率ET

全塔效率又称总板效率，是指达到指定分离效果所需理论板数与实际板数的比值：

E

NT——完成一定分离任务所需的理论塔板数，包括蒸馏釜；

NP——完成一定分离任务所需的实际塔板数，本装置NP＝10。

2．图解法求理论塔板数NT

以回流比R写成的精馏段操作线方程如下：

y

yn+1——精馏段第n+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；

xn——精馏段第n块塔板下流的液体组成，摩尔分数；

xD——塔顶溜出液的液体组成，摩尔分数；

R——泡点回流下的回流比。

提馏段操作线方程如下：

y

ym+1——提馏段第m+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；

xm——提馏段第m块塔板下流的液体组成，摩尔分数；

xW－塔底釜液的液体组成，摩尔分数；

L'－提馏段内下流的液体量，kmol/s；

W－釜液流量，kmol/s。

加料线（q线）方程可表示为：

y

其中，

q

q——进料热状况参数；

rF——进料液组成下的汽化潜热，kJ/kmol；

tS——进料液的泡点温度，℃；

tF——进料液温度，℃；

cpF——进料液在平均温度 (tS ? tF ) /2 下的比热容，kJ/（kmol℃）；

xF——进料液组成，摩尔分数。

（1）全回流操作

在精馏全回流操作时，操作线在y－x图上为对角线，如图1所示，根据塔顶、塔釜的组成在操作线和平衡线间作梯级，即可得到理论塔板数。

图1 全回流时理论塔板数确定

（2）部分回流操作

部分回流操作时，如图2，图解法的主要步骤为：

A.根据物系和操作压力画出相平衡曲线，并画出对角线作为辅助线；

B.在对角线上定出a点(xD，xD)、f点(xF，xF)和b点(xW，xW)；

C.在y轴上定出yC＝xD/(R+1)的点c，连接a、c作出精馏段操作线；

D.由进料热状况求出q，过点f作出斜率为q/（q-1）的q线交精馏段操作线于点d，连接点d、b作出提馏段操作线；

E.从点a开始在平衡线和精馏段操作线之间画阶梯，当梯级跨过点d时，就改在平衡线和提馏段操作线之间画阶梯，直至梯级跨过点b为止；

G.所画的总阶梯数就是全塔所需的理论踏板数（包含再沸器），跨过点d的那块板就是加料板，其上的阶梯数为精馏段的理论塔板数。

图2 部分回流时理论板数的确定

本实验料液为乙醇水溶液，釜内液体由电加热器产生蒸汽逐板上升，经与各板上的液体传质后，进入盘管式换热器壳程，冷凝成液体后再从集液器流出，一部分作为回流液从塔顶流入塔内，另一部分作为产品馏出，进入产品贮罐；残液经釜液转子流量计流入釜液贮罐。

三．实验步骤

实验主要操作步骤如下：

1．全回流

（1）在贮罐中配制浓度21%(体积百分比)的料液，以泵混合均匀。打开进料管路上的阀门，由进料泵将料液打入塔釜，观察塔釜液位计高度，进料至釜容积的2/3处。

（2）关闭塔身进料管路上的阀门，启动电加热管电源，逐步增加加热电压，使塔釜温度缓慢上升。

（3）打开塔顶冷凝器的冷却水，调节合适冷凝量，并关闭塔顶出料管路，使整塔处于全回流状态。

（4）当塔顶温度、回流量和塔釜温度稳定后，分别取适量塔顶液（浓度XD）和塔釜液（浓度XW），待其冷却至室温后，以密度计测量其体积百分比。

2．部分回流

（1）在储料罐中配制一定浓度为21%的乙醇水溶液。

（2）待塔全回流操作稳定时，打开进料阀，调节进料量至适当的流量。

（3）控制塔顶回流和出料两转子流量计，调节回流比R为3。

（4）打开塔釜残液流量计，调节至适当流量。

（5）当塔顶、塔内温度读数以及流量都稳定后，即如全回流第4步取样测定体积百分比。

四．实验结果

1.实验记录数据如表1：

表1 实验数据

全回流

部分回流

塔顶温度/℃

77.6

77.7

塔底温度/℃

91.7

91.9

进料液温度/℃

34

34

入口进料流量/(m3/h)

11.0

11.0

入口进料液浓度/%

21

xF=0.0942

21

xF=0.0942

塔顶出口流量/(m3/h)

——

1

塔顶回流流量/(m3/h)

——

3

塔顶产物 质量浓度/%

95

xD=0.884

93.5

xD=0.849

塔底产物质量浓度/%

13

xW=0.0552

12

xW=0.0508

2．全回流操作

全回流图见图3

图3 全回流示意图

图中阶梯数为12，即全回流理论塔板数NT=12-1=11。而实际塔板数NP=16。故全塔效率E

3.部分回流

回流比R=3时，部分回流图见图4

图4 部分回流图

图中阶梯数为13，即部分回流理论塔板数NT=13-1=12。而实际塔板数NP=16。故全塔效率E0

五. 分析讨论

1. 由上面全回流图和部分回流图可以看出,实验测得的塔板效率偏低(通过和其它组同学实验对比),原因可能是直接把体积分数当做质量分数计算引进的误差;还有取出的馏分未充分冷却便测量体积分数;密度计测量不够精确；回部分流比难精确控制。

2. 实验测得全回流xD大于部分回流xD符合一般规律，均未超过酒精水溶液的恒沸点。但部分回流实验时发觉难恒定回流比，原因可能是塔内气压过大，应及时排去挥发造成过剩压力，保证实验进行