化工原理计算题解答(共98页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上目 录第一章 流体流动与输送设备（2）第二章 非均相物系分离（26）第三章 传热（32）第四章 蒸发（44）第五章 气体吸收（48）第六章 蒸馏（68）第七章 干燥（84）第八章 萃 取（92）第一章 流体流动与输送机械1. 燃烧重油所得的燃烧气，经分析知其中含CO28.5，O27.5，N276，H2O8（体积），试求此混合气体在温度500、压力101.3kPa时的密度。解：混合气体平均摩尔质量 混合密度 2已知20下水和乙醇的密度分别为998.2 kg/m3和789kg/m3,试计算50（质量）乙醇水溶液的密度。又知其实测值为935 kg/m3，计算相对误差。解：乙

2、醇水溶液的混合密度 相对误差： 3在大气压力为101.3kPa的地区，某真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为85kPa。若在大气压力为90 kPa的地区，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时真空表的读数应为多少？解：题4 附图 4如附图所示，密闭容器中存有密度为900 kg/m3的液体。容器上方的压力表读数为42kPa，又在液面下装一压力表，表中心线在测压口以上0.55m，其读数为58 kPa。试计算液面到下方测压口的距离。解：液面下测压口处压力 BDh1h2AC题5 附图5. 如附图所示，敞口容器内盛有不互溶的油和水，油层和水层的厚度分别为700mm和600mm。在容器底部开孔与玻璃管相连。已知油

3、与水的密度分别为800 kg/m3和1000 kg/m3。（1）计算玻璃管内水柱的高度；（2）判断A与B、C与D点的压力是否相等。解：（1）容器底部压力 （2） 6水平管道中两点间连接一U形压差计，指示液为汞。已知压差计的读数为30mm，试分别计算管内流体为（1）水；（2）压力为101.3kPa、温度为20的空气时压力差。解：（1） （2）空气密度 空气密度较小，7用一复式U形压差计测量水流过管路中A、B两点的压力差。指示液为汞，两U形管之间充满水，已知h1=1.2m，h2=0.4m，h4=1.4m，h3=0.25m，试计算A、B两点的压力差。题7 附图34624315解：图中1、2为等压面，

4、即 (1)又 (2)将(2)代入(1)中: 8根据附图所示的双液体U管压差计的读数，计算设备中气体的压力，并注明是表压还是绝压。已知压差计中的两种指示液为油和水，其密度分别为920 kg/m3和998 kg/m3，压差计的读数R300mm。两扩大室的内径D为60mm，U管的内径d为6mm。题8 附图12h1解: 1. 2 为等压面, 又 题9 附图 (表压)9 为了排出煤气管中的少量积水，用附图所示的水封装置，水由煤气管道中的垂直支管排出。已知煤气压力为10kPa（表压），试求水封管插入液面下的深度h。解: 煤气表压 10绝对压力为540kPa、温度为30的空气，在1084mm的钢管内流动，流

5、量为1500m3/h（标准状况）。试求空气在管内的流速、质量流量和质量流速。 解: 标准状况下空气的密度: 操作条件下密度: 体积流速: 11硫酸流经由大小管组成的串联管路，其尺寸分别为764mm和573.5mm。已知硫酸的密度为1831 kg/m3，体积流量为9m3/h,试分别计算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。 解: (1) 大管: (2) 小管: 质量流量不变 或: 1题12 附图12 如附图所示，用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽与反应器均与大气相通，且高位槽中液面恒定。现要求料液以1m/s的流速在管内流动，设料液在管内流动时的能量损失为20J/k

6、g（不包括出口），试确定高位槽中的液面应比虹吸管的出口高出的距离。解: 以高位槽液面为1-1面,管出口内侧为2-2面,在1-1 2-2间列柏努力方程: 简化: 题13 附图13用压缩空气将密闭容器（酸蛋）中的硫酸压送至敞口高位槽，如附图所示。输送量为0.1m3/min，输送管路为383mm的无缝钢管。酸蛋中的液面离压出管口的位差为10m，且在压送过程中不变。设管路的总压头损失为3.5m（不包括出口），硫酸的密度为1830 kg/m3，问酸蛋中应保持多大的压力？解: 以酸蛋中液面为1-1面,管出口内侧为2-2面,且以1-1面为基准,在1-12-2间列柏努力方程: 简化: 其中: 代入: 题14

7、附图214如附图所示，某鼓风机吸入管内径为200mm，在喇叭形进口处测得U形压差计读数R15mm（指示液为水），空气的密度为1.2 kg/m3，忽略能量损失。试求管道内空气的流量。 解: 如图,在1-1 2-2间列柏努力方程: 其中: 简化: 而: 流量: R题15 附图 1215甲烷在附图所示的管路中流动。管子的规格分别为2196mm和1594.5mm，在操作条件下甲烷的平均密度为1.43 kg/m3，流量为1700m3/h。在截面1和截面2之间连接一U形压差计，指示液为水，若忽略两截面间的能量损失，问U形压差计的读数R为多少？解: 在1, 2截面间列柏努力方程: 简化: 或: 其中: 又

8、16如附图所示，用泵将20水从水池送至高位槽，槽内水面高出池内液面30m。输送量为30 m3/h，此时管路的全部能量损失为40J/kg。设泵的效率为70，试求泵所需的功率。 解: 在水池1面与高位槽2面间列柏努力方程: 简化: 题17 附图17附图所示的是丙烯精馏塔的回流系统，丙烯由贮槽回流至塔顶。丙烯贮槽液面恒定，其液面上方的压力为2.0MPa（表压），精馏塔内操作压力为1.3MPa（表压）。塔内丙烯管出口处高出贮槽内液面30m，管内径为140mm，丙烯密度为600kg/m3。现要求输送量为40103kg/h，管路的全部能量损失为150J/kg（不包括出口能量损失），试核算该过程是否需要泵。

9、 解: 在贮槽液面1-1与回流管出口外侧2-2间列柏努力方程: 简化: 不需要泵,液体在压力差的作用下可自动回流至塔中1h题18 附图18某一高位槽供水系统如附图所示，管子规格为452.5mm。当阀门全关时，压力表的读数为78kPa。当阀门全开时，压力表的读数为75 kPa，且此时水槽液面至压力表处的能量损失可以表示为J/kg（u为水在管内的流速）。试求：（1）高位槽的液面高度；（2）阀门全开时水在管内的流量（m3/h）。解: (1) 阀门全关,水静止 (2) 阀门全开: 在水槽1-1面与压力表2-2面间列柏努力方程: 简化: 解之: 流量: 题19 附图19附图所示的是冷冻盐水循环系统。盐水

10、的密度为1100 kg/m3，循环量为45 m3/h。管路的内径相同，盐水从A流经两个换热器至B的压头损失为9m，由B流至A的压头损失为12m，问：（1）若泵的效率为70，则泵的轴功率为多少？（2）若A处压力表的读数为153kPa，则B处压力表的读数为多少？ 解: (1) 对于循环系统: (2) 列柏努力方程: 简化: B处真空度为19656 Pa。2025水在603mm的管道中流动，流量为20m3/h，试判断流型。解: 查附录25水物性: 为湍流21运动粘度为3.2105m2/s的有机液体在763.5mm的管内流动，试确定保持管内层流流动的最大流量。解: 22计算10水以2.7103m3/s

11、的流量流过573.5mm、长20m水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。（设管壁的粗糙度为0.5mm）解: 10水物性: 查得 23如附图所示，用泵将贮槽中的某油品以40m3/h的流量输送至高位槽。两槽的液位恒定，且相差20m，输送管内径为100mm，管子总长为45m（包括所有局部阻力的当量长度）。已知油品的密度为890kg/m3，粘度为0.487Pas，试计算泵所需的有效功率。题23 附图解: 在贮槽1截面到高位槽2截面间列柏努力方程: 简化: 而: 24一列管式换热器，壳内径为500mm，内装174 根252.5mm的钢管，试求壳体与管外空间的当量直径。解: 25求常压下35的空气以12

12、m/s的速度流经120m长的水平通风管的能量损失和压力损失。管道截面为长方形，长为300mm，宽为200mm。（设0.0005） 解: 当量直径: 35空气物性: 由 ,查得 题26 附图26如附图所示，密度为800 kg/m3、粘度为1.5 mPas 的液体，由敞口高位槽经1144mm的钢管流入一密闭容器中，其压力为0.16MPa（表压），两槽的液位恒定。液体在管内的流速为1.5m/s，管路中闸阀为半开，管壁的相对粗糙度0.002，试计算两槽液面的垂直距离。 解: 在高位槽1截面到容器2截面间列柏努力方程: 简化: 由 ,查得 管路中: 进口 90弯头 2个 半开闸阀 出口 27从设备排出的

13、废气在放空前通过一个洗涤塔，以除去其中的有害物质，流程如附图所示。气体流量为3600m3/h，废气的物理性质与50的空气相近，在鼓风机吸入管路上装有U形压差计，指示液为水，其读数为60mm。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55m（不包括进、出塔及管出口阻力），放空口与鼓风机进口管水平面的垂直距离为15m，已估计气体通过洗涤塔填料层的压力降为2.45kPa。管壁的绝对粗糙度取为0.15mm，大气压力为101.3 kPa。试求鼓风机的有效功率。题27 附图解: 以吸入管测压处为1-1面,洗涤塔管出口内侧为2-2面,列柏努力方程: 简化: 其中: 50空气物性:

14、又 查得 28如附图所示，用离心泵将某油品输送至一密闭容器中。A、B处压力表的读数分别为1.47MPa、1.43 MPa，管路尺寸为894mm，A、B两点间的直管长度为40m，中间有6个90标准弯头。已知油品的密度为820 kg/m3，粘度为121mPas，试求油在管路中的流量。0.5m题28 附图1.5mAB解: 在AB间列柏努力方程: 简化: 又 油品粘度大, 设流动为层流. 900标准弯头 解得 假设正确 2920苯由高位槽流入贮槽中，两槽均为敞口，两槽液面恒定且相差5m。输送管为383mm的钢管（0.05mm）总长为100m（包括所有局部阻力的当量长度），求苯的流量。 解: 在两槽间列

15、柏努力方程,并简化: 即: 代入数据: 化简得: 查完全湍流区 设 , 由(1)式得 由附录查得20苯物性: 查图，再设 ，由（1）得 查得 假设正确 流量： 30如附图所示，密度为的流体以一定的流量在一等径倾斜管道中流过。在A、B两截面间连接一U形压差计，指示液的密度为0，读数为R。已知A、B两截面间的位差为，试求：（1） AB间的压力差及能量损失；（2） 若将管路水平放置而流量保持不变，则压差计读数及AB间的压力差为多少? 解：（1）在A-A与B-B间柏努利方程：BRhA题30 附图 其中 = 对于U形差压计 （2）水平放置时 流量不变 管路总能量损失不变。 而U形差压计读数R实际反映了阻

16、力的大小，所以R不变。 此时，题31 附图1031如附图所示，高位槽中水分别从BC与BD两支路排出，其中水面维持恒定。高位槽液面与两支管出口间的距离为10m。AB管段的内径为38mm、长为28m；BC与BD支管的内径相同，均为32mm，长度分别为12m、 15m（以上各长度均包括管件及阀门全开时的当量长度）。各段摩擦系数均可取为0.03。试求：（1）BC支路阀门全关而BD支路阀门全开时的流量；（2）BC支路与BD支路阀门均全开时各支路的流量及总流量。 解：（1）在高位槽液面与BD管出口外侧列柏努利方程： 简化 ： 而 有： 化简 又由连续性方程： 代入上式： 解得： 流量： （2）当 BD，B

17、C支路阀均全开时： C ，D出口状态完全相同，分支管路形如并联管路， (1)又 = (2)在高位槽液面与BD出口列柏努利方程： (3)将（2）代入（3）式中： 解得：流量： 32在内径为80mm的管道上安装一标准孔板流量计，孔径为40mm，U形压差计的读数为350mmHg。管内液体的密度为1050kg/m3，粘度为0.5cP，试计算液体的体积流量。解： 设，查得 而 假设正确，以上计算有效。题33 附图1233用离心泵将20水从水池送至敞口高位槽中，流程如附图所示，两槽液面差为12m。输送管为573.5mm的钢管，总长为220m（包括所有局部阻力的当量长度）。用孔板流量计测量水流量，孔径为20

18、mm，流量系数为0.61，U形压差计的读数为400mmHg。摩擦系数可取为0.02。试求：（1）水流量，m3/h；（2）每kg水经过泵所获得的机械能。 解：（1） （2）以水池液面为面，高位槽液面为面，在面间列柏努利方程： 简化: 而 其中： 34以水标定的转子流量计用来测量酒精的流量。已知转子的密度为7700 kg/m3，酒精的密度为790 kg/m3，当转子的刻度相同时，酒精的流量比水的流量大还是小？试计算刻度校正系数。 解： 酒精流量比水大35在一定转速下测定某离心泵的性能，吸入管与压出管的内径分别为70mm和50mm。当流量为30 m3/h时，泵入口处真空表与出口处压力表的读数分别为4

19、0kPa和215kPa，两测压口间的垂直距离为0.4m，轴功率为3.45kW。试计算泵的压头与效率。 解： 在泵进出口处列柏努力方程，忽略能量损失； =27.07m 36在一化工生产车间，要求用离心泵将冷却水从贮水池经换热器送到一敞口高位槽中。已知高位槽中液面比贮水池中液面高出10m，管路总长为400m（包括所有局部阻力的当量长度）。管内径为75mm，换热器的压头损失为，摩擦系数可取为0.03。此离心泵在转速为2900rpm时的性能如下表所示：Q/(m3/s)00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008H/m2625.524.5232118.515.512

20、8.5 试求：（1）管路特性方程； （2）泵工作点的流量与压头。 解：（1）管路特性曲线方程： （2）在坐标纸中绘出泵的特性曲线及管路特性曲线的工作点： 37用离心泵将水从贮槽输送至高位槽中，两槽均为敞口，且液面恒定。现改为输送密度为1200 kg/m3的某水溶液，其它物性与水相近。若管路状况不变，试说明：（1）输送量有无变化？（2）压头有无变化？（3）泵的轴功率有无变化？（4）泵出口处压力有无变化？解：变化时，泵特性曲线不变。 管路特性曲线 不变（1） 输送量不变； （2）压头不变；（3） 轴功率： 增加 （4）在贮槽液面1-1和泵出口2-2间列柏努力方程： 简化：工作点Q，不变，不变即随的

21、增加而增加。 38用离心泵向设备送水。已知泵特性方程为，管路特性方程为，两式中Q的单位均为m3/h，H的单位为m。试求该泵的输送量； 解： 联立： 解得：39用型号为IS65-50-125的离心泵将敞口贮槽中80的水送出，吸入管路的压头损失为4m，当地大气压为98kPa。试确定此泵的安装高度。 解：查附录：水， IS65-50-125泵气蚀余量 NPSH=2.0m 泵允许安装高度： = = 为安全起见，再降低，即 即泵需要安装在水槽液面以下或更低。40用油泵从贮槽向反应器输送44的异丁烷，贮槽中异丁烷液面恒定，其上方绝对压力为652kPa。泵位于贮槽液面以下1.5m处，吸入管路全部压头损失为1

22、.6m。44时异丁烷的密度为530kg/m3，饱和蒸汽压为638 kPa。所选用泵的允许汽蚀余量为3.5m，问此泵能否正常操作？ 解：泵允许的安装高度： 此泵安装不当，会发生气蚀现象。 41用内径为100mm的钢管将河水送至一蓄水池中，要求输送量为70m3/h。水由池底部进入，池中水面高出河面26m。管路的总长度为60m，其中吸入管路为24m（均包括所有局部阻力的当量长度），设摩擦系数为0.028。 今库房有以下三台离心泵，性能如下表，试从中选用一台合适的泵，并计算安装高度。设水温为20，大气压力为101.3kPa。（略）序号型号Q，m3/hH，mn，rpm，（NPSH）允1IS100-80-

23、125601002420290067784.04.52IS100-80-160601003632290070783.54.03IS100-80-200601005450290065763.03.6解：在河水与蓄水池面间列柏努力方程，并简化： 其中： 由 选泵IS100-80-160 气蚀余量以计水， 减去安全余量，实为。即泵可安装在河水面上不超过的地方。42 常压贮槽内装有某石油产品，在贮存条件下其密度为760 kg/m3。现将该油品送入反应釜中，输送管路为572mm，由液面到设备入口的升扬高度为5m，流量为15m3/h。釜内压力为148kPa（表压），管路的压头损失为5m（不包括出口阻力）。

24、试选择一台合适的油泵。解： 在水槽液面与输送管内侧面间列柏努力方程，简化有： 由Q= 查油泵性能，选泵60Y-60B 其性能为； 流量： 43现从一气柜向某设备输送密度为1.36kg/m3的气体，气柜内的压力为650Pa（表压），设备内的压力为102.1kPa（绝压）。通风机输出管路的流速为12.5m/s，管路中的压力损失为500Pa。试计算管路中所需的全风压。（设大气压力为101.3kPa） 解： 第二章 非均相物系分离1、试计算直径为30m的球形石英颗粒（其密度为2650kg/ m3），在20水中和20常压空气中的自由沉降速度。解：已知d=30m、s=2650kg/m3（1）20水 =1.

25、0110-3Pas =998kg/m3 设沉降在滞流区，根据式（2-15）校核流型假设成立， ut=8.0210-4m/s为所求（2）20常压空气 =1.8110-5Pas =1.21kg/m3设沉降在滞流区校核流型：假设成立，ut=7.1810-2m/s为所求。2、密度为2150kg/ m3的烟灰球形颗粒在20空气中在层流沉降的最大颗粒直径是多少？ 解：已知s=2150kg/m3 查20空气 =1.8110-5Pa.s =1.21kg/m3当时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径，根据式（2-15）并整理 所以3、直径为10m的石英颗粒随20的水作旋转运动，在旋转半径R0.05m处的切向速度为1

26、2m/s，求该处的离心沉降速度和离心分离因数。 解：已知d=10m、 R=0.05m 、 ui=12m/s设沉降在滞流区，根据式（2-15）g改为ui/ R 即校核流型ur=0.0262m/s为所求。所以 4、某工厂用一降尘室处理含尘气体，假设尘粒作滞流沉降。下列情况下，降尘室的最大生产能力如何变化？（1） 要完全分离的最小粒径由60m降至30m；（2） 空气温度由10升至200；（3） 增加水平隔板数目，使沉降面积由10m2增至30 m2。 解： 根据 及VS=blutc（1）（2）查10空气 =1.7610-5Pas 200空气 =2.6010-5Pas （3）5、已知含尘气体中尘粒的密度

27、为2300kg/ m3。气体流量为1000 m3/h、黏度为3.6105Pa.s、密度为0.674kg/ m3，若用如图2-6所示的标准旋风分离器进行除尘，分离器圆筒直径为400mm，试估算其临界粒径及气体压强降。 解：已知s=2300kg/m3 、Vh=1000m3/h 、=3.610-5Pa.s 、 =0.674 kg/m3、 D=400mm=0.4m，根据标准旋风分离器 h=D/2 、B=D/4 故该分离器进口截面积 A=hB=D2/8 所以 根据式（2-26） 取标准旋风分离器N=5 则根据式（2-30） 取=8.06、有一过滤面积为0.093m2的小型板框压滤机，恒压过滤含有碳酸钙颗

28、粒的水悬浮液。过滤时间为50秒时，共得到2.2710-3 m3的滤液；过滤时间为100秒时。共得到3.3510-3 m3的滤液。试求当过滤时间为200秒时，可得到多少滤液？ 解：已知A=0.093m2 、t1=50s 、V1=2.2710-3m3 、t2=100s 、V2=3.3510-3m3 、t3=200s 由于 根据式（2-38a） 联立解之：qe=4.1410-3 K=1.59610-5因此 q3=0.0525所以 V3=q3A=0.05250.093=4.8810-3m37、某生产过程每年须生产滤液3800 m3，年工作时间5000h，采用间歇式过滤机，在恒压下每一操作周期为2.5h

29、，其中过滤时间为1.5h，将悬浮液在同样操作条件下测得过滤常数为K=410-6m2/s； qe=2.510-2m3/m2。滤饼不洗涤，试求：（1） 所需过滤面积，（2） 今有过滤面积8m2的过滤机，需要几台？ 解：已知生产能力为3800m3滤液/年，年工作日5000h， T=2.5h ，t=1.5h ，K=410-6m2/s ，qe=2.510-2m3/m2 ，（1） 因为 Q=3800/5000=0.76m3滤液/h 由式（2-42） 所以 V=2.50.76=1.9 m3 由式（2-38a）解之 A=14.7 m215 m2(2) 因为过滤机为8 m2/台， 所以需2台过滤机。8、BMS5

30、0/810-25型板框压滤机，滤框尺寸为81081025mm，共36个框，现用来恒压过滤某悬浮液。操作条件下的过滤常数为K=2.7210-5 m2/s；qe=3.4510-3m3/m2。每滤出1 m3滤液的同时，生成0.148 m3的滤渣。求滤框充满滤渣所需时间。若洗涤时间为过滤时间的2倍，辅助时间15min，其生产能力为多少？ 解：滤框总容积V0=0.8120.02536=0.590 m3 过滤面积 A=0.812236=47.2 m2生产总周期为T=283+2283+1560=1749s由 得一个周期滤液量为 所以生产能力为9、有一直径为1.75m，长0.9m的转筒真空过滤机过滤水悬浮液。

31、操作条件下浸没度为126o，转速为1r/min，滤布阻力可以忽略，过滤常数K为5.1510-6m2/s，求其生产能力。 解：因为过滤面积 A=DL=3.141.750.9=4.95m2浸没度=126/360=0.35由式（2-45a）10、某转筒真空过滤机每分钟转2转，每小时可得滤液4 m3。若过滤介质阻力可以忽略，每小时获得6 m3滤液时转鼓转速应为多少？此时转鼓表面滤饼的厚度为原来的多少倍？操作中所用的真空度维持不变。解：已知 Q1=4m3/h ，n1=2r/min ，Q2=6m3/h ，Ve=0 由式（2-45a）两边平方，得 / 所以 由式（2-35）得 而v1=v2 又A不变，以1小

32、时为计算基准， 则Q1=V1 Q2=V2故 第三章 传热1. 红砖平壁墙，厚度为500mm，内侧温度为200，外侧温度为30，设红砖的平均导热系数为0.57 W/(m)。试求：（1）单位时间、单位面积导出的热量；（2）距离内侧350mm处的温度。解：（1）W/m2(2) 解得：t=812. 在外径100mm的蒸汽管道外包一层导热系数为0.08 W/(m)的绝热材料。已知蒸汽管外壁150，要求绝热层外壁温度在50以下，且每米管长的热损失不应超过150W/m，试求绝热层厚度。解：解得：r2=69.9mm；壁厚：r2-r1=19.9mm3. 某燃烧炉炉墙由耐火砖、绝热砖和普通砖三种砌成，它们的导热系

33、数分别为1.2W/(m)，0.16 W/(m)和0.92 W/(m)，耐火砖和绝热转厚度都是0.5m，普通砖厚度为0.25m。已知炉内壁温为1000，外壁温度为55，设各层砖间接触良好，求每平方米炉壁散热速率。解： 4. 燃烧炉炉墙的内层为460mm厚的耐火砖，外层为230mm厚的绝热砖。若炉墙的内表面温度t1为1400，外表面温度t3为100。试求导热的热通量及两种砖之间的界面温度。设两种砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.9+0.0007t，绝热砖的导热系数为20.3+0.0003t。两式中t可分别取为各层材料的平均温度，单位为，单位为W(m)。解：（a） ，；mm，mm将以上数据代入(a)式解得：；（m2）5. 设计一燃烧炉时拟采用三层砖围成其炉墙，其中最内层为耐火砖，中间层为绝热砖，最外层为普通砖。耐火砖和普通砖的厚度分别为0.5m和0.25m，三种砖的导热系数分别为1.02 W/(m)、0.14 W/(m)和0.92 W/(m)，已知耐火砖内侧为1000，普通砖外壁温度为35。试问绝热砖厚度至少为多少才能保证绝热砖内侧温度不超过940，普通砖内侧不超过138。解：（a）将t2=940代入上式，可解得b2=0.997m(b)将t3=138C 解得b2=0.250m将b2