《化工原理》课后习题解答

绪论 1， 2 第一章： 6： 4、 6、 7、 9、 20、 21、 22、 23、 23、 24、 25 第二章： 2、 4、 5、 7、 8 第三章： 84： 1、 2、 3、 5、 7、 8、 9 第五章： 72： 1、 2、 3、 4、 5、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 20、 21、 22 绪 论 绪论 1， 2 1. 从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为 位。 （ 1）水的黏度 =g/(cms) （ 2）密度 =138.6 s2/ 3） 某物质的比热容 ) （ 4）传质系数 4.2 m2h （ 5）表面张力 =74 6）导热系数 =1 mh ) 解：本题为物理量的单位换算。 （ 1）水的黏度 基本物理量的换算关系为 1 000 g， 1 m=100 0 c 0 0 g1 k 8 5 4 （ 2）密度 基本物理量的换算关系为 1 ， 1 N=1 kgm/ 3242 5 01k g g （ 3）从附录二查出有关基本物理量的换算关系为 1 l b=kg 10 . 4 5 3 6 k g1 l T U （ 4）传质系数 基本物理量的换算关系为 1 h=3600 s， 1 k m o 1 . 3 3 k a t 0 0 t k m o 52G K （ 5）表面张力 基本物理量的换算关系为 1 105 N 1 m=100 0 c m1 d y n y 5 （ 6）导热系数 基本物理量的换算关系为 1 03 J， 1 h=3600 s 则 0 0 k c a l 1 8 6 8k c a l 2 2 乱堆 25西环的填料塔用于精馏操作时，等板高度可用下面经验公式计算，即 0 4 式中 板高度， G气相质量速度， h)； D塔径， 段（即两层液体分布板之间）填料层高度， 相对挥发度，量纲为一； L液相黏度， L液相密度， lb/、 B、 C 为常数，对 25 拉西环，其数值分别为 试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为 位。 解：上面经验公式是混合单位制度，液体黏度为物理单位制，而其余诸物理量均为英制。 经验公式单位换算的基本要点是：找出式中每个物理量新旧单位之间的换算关系，导出物理量“数字”的表达式，然后代入经验公式并整理，以便 使式中各符号都变为所希望的单位。具体换算过程如下： （ 1）从附录查出或计算出经验公式有关物理量新旧单位之间的关系为 32 （见 1） 量纲为一，不必换算 131 33l b 1 k g 3 . 2 8 0 3 f tf t 2 . 2 0 4 6 l b 1 m =kg/2) 将原符号加上“”以代表新单位的符号，导出原符号的“数字”表达式。 下面以 E 则 8 0 0 同理 7103 5 00 Z 301 (3) 将以上关系式代原经验公式，得 2 4- 0 . 14 2 0 02 8 0 4 0 0 得到换算后的经验 公式，即 2 40 . 1 第一章 流体流动 第一章： 6： 4、 6、 7、 9、 20、 21、 22、 23、 23、 24、 25 4某储油罐中盛有密度为 960 kg/附图所示），油面最高时离罐底 9.5 m，油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为 760 孔，其中心距罐底 1000 盖用 14 钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为 106 至少需要几个螺钉（大气压力为 103 解：由流体静力学方程 ，距罐底 1000 的流体压力为 （绝压）(3 作用在孔盖上的总力为 1108 1 4233a ）（21 （个）41 习题 4 附图 6如本题附图所示，水在管道内流动。为测量流体压力，在管道某截面处连接 U 管压差计 ， 指示液为水银，读数 R=100 h=800 防止水银扩散至 空气中， 在水银面上方充入少量水，其高度可以忽略不计。已知当地大气压力为 101.3 求管路中心处流体的压力 。 习题 6 附图 解：设管路中心处流体的压力为 p 根据流体静力学基本方程式，则 a+p g h g R p 汞水 8 0 . 1 3 2 k P 6 0 0 1 3 a 汞水 7某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过13.3 压），在炉外装一安全液封管（又称水封）装置，如本题附图所示。液封的作用是，当炉内压力超过规定值时，气体便 从液封管排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度 h。 解： 0 01 0 0 9在实验室中，用内径为 1.5 玻璃管路输送 20 的 70%醋酸。 已知 质量 流量 为10 kg/分别用用 厘米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。 解 ：（ 1）用 位计算 查附录 70%醋酸在 20 时 ， 6 9 33 ， d 6 b u 习题 7 附图 5 6 5 6 b 故为湍流。 （ 2）用物理单位计算 6 9 3 ， d ， 5 70 2 本题附图所示，高位槽内的水位高于地面 7 m，水从 108 4 管道中流 出，管路出口高于地面 1.5 m。已知水流经系统的能量损失可按 中 u 为水在管内的平均流速（ m/s）。设流动为稳态，试计算（ 1） 面处水的平均流速；（ 2）水的流量（ m3/h）。 解： （ 1） 截面处水的平均流速 在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程 ,得 22121 b 1 2 b 2 z u g z u h （ 1） 式中 m， 0， （ 表压） .5 m， （表压）， 5.5 入式（ 1）得 22b 2 b 219 . 8 1 7 9 . 8 1 1 . 5 5 . 52 u（ 2）水的流 量 （以 m3/h 计） 3 5 32 12 20 的水以 2.5 m/s 的平均流速流经 38 2.5 水平管，此管以锥形管与另一 53 3 水平管相连。如本题附图所示，在锥形管两侧 A、 B 处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压力。若水流经 A、 B 两截面间的能量损失为 ，求两玻璃管的水面差（以 ），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。 解：在 A、 B 两截面之间列机械能衡算方程 习题 11 附图 习题 12 附图 22121 b 1 2 b 2 z u g z u h 式中 z1=， 0 0 2 2221 故 8 g 13如本题附图所示，用泵 2 将储罐 1 中的有机混合液送至精馏塔 3 的中部进行分离。已知储罐内液面维持恒定，其上方压力为 105 体密度为 800 kg/馏塔进口处的塔内压力为 105 料口高于储罐内的液面 8 m，输送管道直径为 68 4 料量为 20 m3/h。料液流经全部管道的能量损失为 70 J/泵的有效功率。 习题 13 附图 解：在截面 和截面 之间列柏努利方程式，得 221 1 2 21 e 2 fp u p W g Z h 0 3 ； 222 1 2 1e 2 1 p u uW g Z Z h 7 6 8 . 9 0 3 e 20如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为 100 钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端 15 m 处安有以水银为指示液的 U 管压差计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为 20 m。 （ 1）当闸阀关闭时，测得 R=600 h=1500 闸阀部分开启时，测得 R=400 mm、h=1400 擦系数 可取为 路入口处的局部阻力系数取为 每小时从管中流出多少水（ （ 2）当闸阀全开时， U 管压差计测压处的压力为多少 压）。（闸阀全开时 Le/d15，摩擦系数仍可取 解：（ 1）闸阀部分开启时水的流量 在贮槽水面 1与测压点处截面 2间列机械能衡算方程，并通过截面 2的中心作基准水平面，得 22b 1 b 2121 2 f 1 2z g z h ， （ a） 式中 (表 ) （表） 6 3 0 6 0 0 ， 闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方程知 2H O 1 H g()g z h g R（ b） 式中 h=1.5 m, R=0.6 m 将已知数据代入式（ b）得 0 0 6 0 01 1 - 2 c b ) 2 . 1 3 ( 0 . 0 2 5 0 . 5 ) 2 . 1 32 0 . 1 2u 将以上各值代入式（ a），即 200039630+ 解得 0 043 6 0 0 332 h） h （ 2）闸阀全开时测压点处的压力 在截面 1与管路出口内侧截面 3间列机械能衡算方程，并通过管中心线作基准平面，得 22b 1 b 3 311 3 f 1 3u u z g z h ， （ c） 式中 m， ， ， p1=2 1 3 c()2L L uh d = 22b 0 2 5 ( 1 5 ) 0 . 5 4 . 8 10 . 1 2u u 将以上数据代入式（ c），即 2得 面 1与 2间列机械能衡算方程，基平面同前，得 22b 1 b 2121 2 f 1 2z g z h ， （ d） 式中 m， ， 0， m/s， （表压力） . 1 0 2 p 解得 104 表压 ） 104 压） 21 10 的水以 500 l/流 量 流经一长为 300 m 的水平管， 6 m 的压头可供克服流动的摩擦阻力，试求管径的最小尺寸。 解：由于是直径均一的水平圆管，故机械能衡算方程简化为 12 h 上式两端同除以加速度 g，得 21=g=6 m（题给） 即 26 （ a） 2232 1 0 6 04 将 a），并简化得 45 d （ b） 与 e/d 有关，采用试差法，设 =入式（ b），求出 d= 下面验算所设的 值是否正确： 0 0 0 5 5 0 0 0 6 b 水物性由附录查得 =1000 kg/=10 45b 01 0 0 0 0 e/d 及 得 = d 2如本题附图所示，自水塔将水送至车间，输送管路用 114 钢管，管路总长为 190 m（包括管件与阀门的当量长度，但不包括 进 、 出口损失）。水塔内水面维持恒定，并高于出水口 15 m。设水温为 12 ，试求管路的输水量（ m3/h）。 解：在截面 11 和截面 22 之间列柏努利方程式，得 221 1 2 21 2 fp u p g Z h 551 2 2 1 11 . 0 1 3 3 1 0 P a 1 . 0 1 3 3 1 0 P a 1 5 . 0 m 0p p Z Z u ； ； ； 22 f 9 . 8 1 5 0 . 5 Z h d . 5 2 9 4d 2 2941 7 9 2 . 4 5 1 . 5u （ 1） 采用试差法，2 2 m 假 设550 . 1 0 6 2 . 5 7 9 9 9 . 8e = 2 . 1 9 1 01 2 4 . 2 3 1 0 则0 . 2 0 . 0 0 1 9106取 管 壁 的 绝 对 粗 糙 度 为 0.2 则 管 壁 的 相 对 粗 糙 度 查 图 1得代入式（ 1）得， 2 m 故假设正确，2 m 管路的输水量 0 00 0 322 h 习题 22 附图 23本题附图所示为一输水系统，高位槽的水面维持恒定，水分别从 支管排出，高位槽液面与两支管出口间的距离均为 11 。 段内径为 38 m、长为 58 m； 管的内径为 32 为 12.5 m；管的内径为 26 为 14 m，各段管长均包括管件及阀门全开时的当量长度。 段 的摩擦系数 均可取为 计算（ 1）当 管的阀门关闭时， 管的最大排水量为多少（ m3/h）；（ 2）当所有阀门全开时，两支管的排水量各为多少（ m3/h）？（ 管的管壁绝对粗糙度，可取为 的密度为 1000 kg/黏 度为 s 。） 解：（ 1）当 管的阀门关闭时， 管的最大排水量 在高位槽水面 1与 管出口内侧截面 列机械能衡算方程，并以截面 基 准平面得 22b 1 u z g z h 式中 1 m， ， 0， p1= 2b h=11= （ a） f f , f ,A B B Ch h h （ b） 2b, c() 2 d 2b, 2b,58( 0 . 0 3 0 . 5 ) 2 3 . 1 50 . 0 3 8 2 Bu u （ c） 2b, 2f , b ,1 2 . 5( 0 . 0 3 ) 5 . 8 60 . 0 3 2 2 B （ d） 2 2 4 2 2b , b , b , b , b ,32( ) ( ) 0 . 538 B C A B B C B u u u （ e） 将式（ e）代入式（ b）得 22f , b , b ,2 3 . 1 5 0 . 5 1 1 . 5 8A B B C B Ch u u （ f） 将式（ f）、（ d）代入式（ b） ,得 2 2 2f b , b , b ,1 1 . 5 8 5 . 8 6 1 7 . 4 4B C B C B Ch u u u C，并以 a），解得 C=m/s 故 600 4 m3/h=m3/h m3/h （ 2）当所有阀门全开时，两支管的排水量根据分支管路流动规律 ，有 22b,b f , f ,22 C B C D B pg z h g z h （ a） 习题 23 附图 两支管出口均在同一水平面上，下游截面列于两支管出口外侧，于是上式可简化为 f, f,B C B 2b, c() 2 D d 2b, 2b,1 2 . 5( 0 . 0 3 1 ) 6 . 3 60 . 0 3 2 2 Cu u 2b, 2f , b ,14( 1 ) ( 2 6 9 . 2 0 . 5 )0 . 0 2 6 2 B 将f, f,、值代入式（ a）中，得 22b , b ,6 . 3 6 ( 2 6 9 . 2 0 . 5 )B C B （ b） 分支管路的主管与支管的流量关系为 2 2b , b , b ,A B A B B C B C B D B Dd u d u d u2 2 2b , b , b ,0 . 0 3 8 0 . 0 3 2 0 . 0 2 6A B B C B Du u u上式经整理后得 b , b , b ,0 . 7 0 8 0 . 4 6 9A B B C B Du u u（ c） 在截面 1与 列机械能衡算方程，并以 基准水平面，得 22b,1 CC z g z h （ d） 上式中 1 m， ， 0， C 0 上式可简化为 f f , f , 1 0 7 . 9 J k B Ch h h 前已算出 22f , b , f , b ,2 3 . 1 5 6 . 3 6A B A B B C B Ch u h u 因此 22b , b ,2 3 . 1 5 6 . 3 6 1 0 7 . 9A B B 在式（ b）、（ c）、（ d）中， B、 C、 D 即 均为未知数，且 又为 采用试差法求解。设 D=m/s，则 3 7 7 0 0101 1 0 0 b = 与 b）得 2 u将 C、 D 值 代入式（ c），解得 u 将 B、 C 值代入式（ d）左侧，即 2 计算结果与式（ d）右侧数值基本相符（ ， 故 是两支管的排水量分别为 0 0 332 0 0 332m3/h， m3/h 24在内径为 300 管道中，用测速管测量管内空气的流量。测量点处的温度为20 ，真空度为 500 气压力为 103 速管插入管道的中心线处。测压装置为微差压差计，指示液是油和水，其密度分别为 835 kg/98 kg/测得的读数为100 求空气的质量流量（ kg/h）。 解： 查附录得， 20 ， 101.3 空气的密度为 kg/度为 0， 则管中空气的密度为 33 1 922m 5m a xm a x 3 1 6 . 5 5 1 . 1 6 6e 3 . 1 9 8 1 01 . 8 1 1 0 查图 1 m a x h h 25在 管路上装有标准孔板流量计，孔板的孔径为 16.4 中流动的是 20 的甲苯，采用角接取 压法用 U 管压差计测量孔板两侧的压 力 差，以水银为指示液，测压连接管中充满甲苯。现测得 U 管压差计的读数为 600 计算管中甲苯的流量为多少（ kg/h）？ 解：已知孔板直径 6.4 径 3 6 21 e教材查 图 1 附录得 20 甲苯的密度为 866 kg/黏度为 10as。甲苯在孔板处的流速为 6 8 6 61 3 6 0 为 h 检验 ，管内流速为 u 6 104，原假定正确！ 第二章 流体输送机械 第二章： 2、 4、 5、 7、 8 2用离心泵（转速为 2900 r/行性能参数测定实验。在某流量下泵入口真空表和出口压力表的读数分别为 60 220 测压口之间垂 直距离为 0.5 m，泵的轴功率为 6.7 吸入管和排出管内径均为 80 入管中流动阻力可表达为 2f,0 1 （ m/s）。离心泵的安装高度为 2.5 m，实验是在 20 ， 98.1 计算泵的流量、压头和效率。 解：（ 1）泵的流量 由水池液面和泵入口真空表所在截面之间列柏努利方程式（池中水面为基准面），得到 10,2111 20 将有关数据代入上式并整理，得 0 21 u u m/s 则 2( 0 . 0 8 3 . 1 8 4 3 6 0 0 )4q m3/h=m3/h (2) 泵的扬程 2 9 . 0 4 0 0 10)2 2 060( 3021 3) 泵的效率 s 2 9 . 0 4 5 7 . 6 1 1 0 0 0 9 . 8 1 100%1 0 0 0 3 6 0 0 1 0 0 0 6 . 7H q =68% 在指定转速下，泵的性能参数为： q=m3/h H=m P=6.7 =68% m3/h， =68% 4用离心泵（转速为 2900 r/ 20 的清水以 60 m3/h 的流量送至敞口容器。此流量下吸入管路的压头损失和动压头分别为 2.4 m 和 m。规定泵入口的真空度不能大于64 的必需气蚀余量为 3.5 m。试求（ 1）泵的安装高度（当地大气压为 100 （ 2）若改送 55 的清水，泵的安装高度是否合适。 解： (1) 泵的安装高度 在水池液面和泵入口截面之间列柏努利方程式（水池液面为基准面），得 2g f , 0 1()2pp 即 3 1 0 0 . 6 1 2 . 41 0 0 0 9 . 8 1 H 51.3gH m 泵的安装高度应为 2）输送 55 清水的允许安装高度 55 清水的密度为 985.7 kg/和蒸汽压为 f , 0 1() P S H = (0)3m=安装高 度（ m）需下降 1.5 m（即： 才能不发生气蚀现象。 合适，应下调 ： 5 用离心泵将真空精馏塔的釜残液送至常压储罐。塔底液面上的绝对压力为 输送温度下溶液的饱和蒸气压）。已知：吸入管路压头损失为 的必须汽蚀余量为 泵安装在塔内液面下 。试核算该泵能否正常操作。 假设该泵能够正常操作，则此时的安装高度应为： f , 0 1() P S H 因为是真空精馏塔，所以 入口处的压力即为饱 和蒸气压 ： v （ 用离心泵将水库中的清水送至灌溉渠，两液面维持恒差 8.8 m，管内流动在阻力平方区，管路特性方程为 52 8 5 . 2 1 0 （ m3/s） 单台泵的特性方程为 （ q 的单位为 m3/s） 试求泵的流量、压头和有效功率。 解：联立管路和泵的特性方程便可求泵的工作点对应的 q、 H， 进而计算 管路特性方程 52 8 5 . 2 1 0 泵的特性方程 联立两方程，得到 q=10 3 m3/s H=m 则 3 9 . 4 2 4 . 5 2 1 0 1 0 0 0 9 . 8 1P H q g W=861 W q=10 3 m3/s， 861 W 8. 对于习题 7 的管路系统，若用两台规格相同的离心泵（单台泵的特性方程与习题 7 相同）组合操作，试求可能的最大输水 量。 （ 1）如果两台泵并联： 105105(q/2)2 解得： q=10s 从而： H= 2）如果两台泵串联： 0505解得： q=10s 从而： H=以两台串联时可以获得较大的输出功率，即： 10s 10s 第三章 非均相混合物分离及固体流态化 第三章： 84： 1、 2、 3、 5、 7、 8、 9 1颗粒在 流体中做自由沉降，试计算（ 1） 密度为 2 650 kg/径为 球形石英颗粒在 20 空气中自由沉降，沉降速度是多少？（ 2）密度为 2 650 kg/ 的非球形颗粒在 20 清水中的沉降速度为 0.1 m/ s，颗粒的等体积当量直径是多少？（ 3）密度为 7 900 kg/径为 钢球在密度为 1 600 kg/需的时间为 s，液体的黏度是多少？ 解：（ 1）假设为滞流沉降，则： 2)18查附录 20 空气 m ， ，所以， 7 5 23 算流型： 3t 51 . 2 0 5 0 . 1 2 7 6 0 . 0 4 1 0 0 . 3 4 11 . 8 1 1 0 所以，原假设正确，沉降速度为 m/s。 s （ 2）采用摩擦数群法 . 8 1 1 0 2 6 5 0 1 . 2 0 5 9 . 8 1 4 3 1 . 93 1 . 2 0 5 0 . 1 43253 ）（）（ 依 ， 41 ，查出： 10000 ，所以： 0 0 0d 35e 3） 假设为滞流沉降，得： 218 其中 0 4 0 4 0 07 9 0 00 0 6 3 核算流型 t 0 . 0 0 6 3 5 0 . 0 2 0 4 9 1 6 0 0 0 . 0 3 0 8 1 16 . 7 5 7 用降尘室除去气体中的固体杂质，降尘室长 5 m，宽 5 m，高 4.2 m，固体杂质为球形颗粒，密度为 3000 kg/体的处理量为 3000（标准） m3/h。试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。 （ 1）若操作在 20 下进行，操作条件下的气体密度为 kg/度为 0as。 （ 2）若操作在 420 下进行，操作条件下的气体密度为 0.5 kg/度为 0as。 解：（ 1） 在降尘室内能够完全沉降下来的最小颗粒的沉降 速度为： 5 7 0 02 7 3202 7 33 0 0 0sv,t 设沉降在斯托克斯区，则： 2t()0 . 0 3 5 7 7 18 55 8 1 . 8 1 0 0 . 0 3 5 7 7 1 . 9 8 5 1 0 m 1 9 . 8 5 m( ) ( 3 0 0 0 1 . 0 6 ) 9 . 8 1ud g 核算流型： 51 . 9 8 5 1 0 0 . 0 3 5 7 7 1 . 0 6 0 . 0 4 1 8 11 . 8 1 0 原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为 0-5 m。 （ 2）计算过程与（ 1）相同。完全能够沉降下来的最小颗粒的沉降速度为： 4 0 02 7 34 2 02 7 33 0 0 0sv,t 设沉降在斯托克斯区，则： 55 8 3 . 3 1 0 0 . 0 8 4 6 4 . 1 3 2 1 0 m 4 1 . 3 2 m( ) ( 3 0 0 0 0 . 5 ) 9 . 8 1ud g 核算流型： 54 . 1 3 2 1 0 0 . 0 8 4 6 0 . 5 0 . 0 5 2 9 13 . 3 1 0 原设滞流区正确，能够完全除去的最小颗粒直径为 0-5 m。 3对 2 题中的降尘室与含尘气体，在 427 下操作，若需除去的最小颗粒粒径为 10 m，试确定降尘室内隔板的间距及层数。 解： 取隔板间距为 h，令 则 （ 1） 1 0 03 0 0 0 10 0 0101018 3526 1）式计算 h 0 .