化工原理王晓红版第一章习题答案.pdf

第第 1 章章 1在一个容器中，盛有苯和甲苯的混合物。已知苯的质量分率为在一个容器中，盛有苯和甲苯的混合物。已知苯的质量分率为 0.4，甲苯为，甲苯为 0.6 ，求，求 293K 时容器中混合物的密度？（原题时容器中混合物的密度？（原题 1） 解：在 293K 时， 3 m/879kg 苯 ， 3 m/867kg 甲苯 。 在 293K 时，苯和甲苯的混合物的密度为： 867 6 . 0 879 4 . 01 B wB A wA m xx 所以， 3 m/kg872 m 2已知某混合气体的组成为已知某混合气体的组成为 18%N2、54%H2和和 28%CO2（均为体积分率） ，试（均为体积分率） ，试 求求 100m3的混合气体在温度为的混合气体在温度为 300K 和和 1MPa 下的质量？（原题下的质量？（原题 2） 解：混合气体可以视为理想气体，则： mol1040 3003144. 8 100101 3 6 RT pv n 混合气体的平均摩尔质量为： kmol/44kg.1828. 04454. 0218. 028 CCBBAAm yMyMyMM 混合气体的质量为：kgkmolMnm m 6 .737kmol/44kg.1840 3某设备进出口测压仪表的读数分别为某设备进出口测压仪表的读数分别为 45mmHg（真空度）和（真空度）和 700mmHg（表（表 压） ，求两处的绝对压强差是多少压） ，求两处的绝对压强差是多少 kPa？ （原题（原题 3） 解：45 01 pp，700 02 pp 所以kPaPammHgppp3 .993 .133745745 12 4如图所示的储槽内盛有密度为如图所示的储槽内盛有密度为 800 kg/m3的油，的油，U 型管压差计中的指示液为型管压差计中的指示液为 水银，读数水银，读数 R=0.4m，设容器液面上方的压强，设容器液面上方的压强 P0 =15kPa（表压） ，求容器内的液（表压） ，求容器内的液 面距底面的高度面距底面的高度 h？ （原题（原题 4） 解：对于 U 型管压差计： gh 0a油左 ppp，gR a汞右 pp 所以可以得到：mm p h88. 4 8 . 9800 150004 . 08 . 913600 g -gR 0 油 汞 5 如图所示， 用如图所示， 用 U 形管压差计测量某容器内形管压差计测量某容器内水水上方气体的压强， 指示液为水银，上方气体的压强， 指示液为水银， 读数读数 R=4cm，H=80cm，试试计算容器内计算容器内水水上方的真空度为多少上方的真空度为多少 kPa？现在由于精？现在由于精 度需要， 希望读数增大到度需要， 希望读数增大到原原来的来的 20 倍， 请问应该选择密度为多少的指示液？ （倍， 请问应该选择密度为多少的指示液？ （U 型管左端的液位可以认为不变） 。型管左端的液位可以认为不变） 。 题 1-5 附图 解：对于 U 型管压差计：gH 水左 pp，gR a汞右 pp 所以可以得到： 51kPa. 2Pa04. 08 . 9136008 . 08 . 91000gR-gHppa 汞水 真空度 读数改变后，根据题意：gRgR 指示汞 所以 33 m/680kgm/kg 20 13600 R R 汞 指示 6现用列管换热器进行空气的预热，测得空气在管内的流速为现用列管换热器进行空气的预热，测得空气在管内的流速为 15m/s，其平均，其平均 温度为温度为 60， 压强为， 压强为 200kPa （表压强） ， 换热器的管束由（表压强） ， 换热器的管束由 150 根根30mm 2.5mm 的钢管组成。请计算： （的钢管组成。请计算： （1）空气的质量流量； （）空气的质量流量； （2）操作条件下空气的体积流量；）操作条件下空气的体积流量； （3）标准状况下空气的体积流量。）标准状况下空气的体积流量。 解： （1）查表可知，在 60时空气的密度为 1.06 3 m/kg，在压强为 200kPa 时， 其密度为： 33 m/kg15. 3m/kg2003 .101 3 .101 06. 1 p p 空气的质量流量为：skguAws/48. 3025. 0 4 142. 3 1501515. 3 2 （2）操作条件空气的体积流量为：smuAVs/10. 1025. 0 4 142. 3 15015 32 （3）查表可知，标准状况下空气的密度为： 3 m/205kg. 1 标 标准状况下空气的体积流量为：sm w V s s /89. 2 205. 1 48. 3 3 标 7有一套管冷却器，内管为有一套管冷却器，内管为252.5mm，外管为，外管为573.5mm，冷冻盐水在，冷冻盐水在 套管环隙中流动， 已知盐水流量为套管环隙中流动， 已知盐水流量为 3.73 吨吨/小时， 密度为小时， 密度为 1150 kg/m3， 粘度为， 粘度为 1.2 厘泊，试判断其流动类型？厘泊，试判断其流动类型？ 解：设套管的外管内径为 1 d，内管的外径为 2 d。水通过环隙的流速为： smsm dd w A V u ss /612. 0/ 025. 0050. 0 4 142. 3 11503600 1073. 3 4 22 3 2 2 2 1 环隙的当量直径为： mddde025. 0025. 0050. 0 21 所以5 .14662 102 . 1 1150612. 0025. 0 Re 3 ude 所以流动类型为湍流。 8如图所示的高位槽的水面距出水管的垂直距离保持为如图所示的高位槽的水面距出水管的垂直距离保持为 6m 不变，水管系采用不变，水管系采用 内径内径 68mm 的钢管，设总的压头损失为的钢管，设总的压头损失为 5.7 m 水柱（不包括排水管出口的压头水柱（不包括排水管出口的压头 损失） ，试求每小时可输送的水量？（原题损失） ，试求每小时可输送的水量？（原题 6） 题 1-8 图 解：以高位槽水面为上游截面 11，水管出口管截面内侧为下游截面 22， 并以出水管中心线为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即： fe H g p g u ZH g p g u Z 2 2 2 2 1 2 1 1 22 式中：m6 1 Z，0 2 Z，0 1 u，（表压强）0 1 p，（表压强）0 2 p，0 e H， m7 . 5 f H。 将以上各值代入柏努利方程，可以得到： m/s43. 2m/s7 . 569.8122 12 f HZgu /hm77.31068. 0142. 3 4 1 43. 23600 4 1 360036003600 322 2222 duAuVV sh 9如图所示为二氧化碳水洗塔的供水系统，水塔内绝对压强为如图所示为二氧化碳水洗塔的供水系统，水塔内绝对压强为 210kPa，储槽水，储槽水 面绝对压强为面绝对压强为 100kPa， 塔内水管入口处高于储槽水面， 塔内水管入口处高于储槽水面 18.5m， 管道内径为， 管道内径为 52mm， 送水量为送水量为 15m3/h，塔内水管出口处绝对压强为，塔内水管出口处绝对压强为 225kPa，设系统中全部的能量损，设系统中全部的能量损 失为失为 5m 水柱，求输水泵所需的外加压头？水柱，求输水泵所需的外加压头？ （原题（原题 7） 题 1-9 图 解：以储槽水面为上游截面 11，塔内水管出口内侧为下游截面 22，并以 截面 11为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即： fe H g p g u ZH g p g u Z 2 2 2 2 1 2 1 1 22 式 中 ：0 1 Z，m5 .18 2 Z，0 1 u，（绝对压强）kPa100 1 p， （绝对压强）kPa225 2 p，m5 f H。 s /96m. 1s /m 052. 01416. 3 4 1 3600 15 A Vs 2 2 u 将以上各值代入柏努利方程，可以得到： ）（OmH4 .3657 .122 . 05 .18 5 81. 91000 1000100225 81. 92 96. 1 5 .18 2g u 2 2 12 2 2 2 fe H g pp ZH 10如附图所示，一管道由两部分组成，一部分管内径为如附图所示，一管道由两部分组成，一部分管内径为 40mm，另一部分管内，另一部分管内 径则为径则为 80mm，流体为水，在管道中流量为，流体为水，在管道中流量为 13.57 m3/h 。两部分管道上均有一个。两部分管道上均有一个 测压点，测压点之间连接一个倒测压点，测压点之间连接一个倒 U 型管压差计，其中充有一定的空气，若两测型管压差计，其中充有一定的空气，若两测 压点所在截面之间的摩擦损失为压点所在截面之间的摩擦损失为 260mm 水柱， 求倒水柱， 求倒 U 型管压差计中水柱的高度型管压差计中水柱的高度 差差 R 为多少为多少 mm？（原题？（原题 8） 题题 1-10 图图 解： 以第一个测压点的管截面为上游截面 11， 第二个测压点的管截面为下游 截面 22，并以管中心线为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即： fe H g p g u ZH g p g u Z 2 2 2 2 1 2 1 1 22 式中：0 1 Z，0 2 Z，0 e H，m260. 0 f H， m/s3m/s 04. 0142. 3 4 1 3600 57.13 4 1 3600 22 1 1 d V A V u hs m/s75. 0m/s 08. 0 04. 0 3 2 2 2 1 1 2 11 2 d d u A Au u 将以上各值代入柏努利方程，可以得到： ）（OmH17. 026. 0 81. 92 375. 0 2 2 222 1 2 221 f H g uu g pp 11如图所示，某料液从高位槽流向反如图所示，某料液从高位槽流向反应器，已知该溶液的密度为应器，已知该溶液的密度为 1100 kg/m3， 粘度为粘度为 1 厘泊，采用厘泊，采用1144mm 的钢管，直管全长为的钢管，直管全长为 20m，管道上有一个全开，管道上有一个全开 的闸阀和两个的闸阀和两个 90的标准弯头，其流量为的标准弯头，其流量为 31.7 m3/h，求总的压头损失？（原题，求总的压头损失？（原题 11） 题题 1-11 图图 解：m/s1m/s 106. 0142. 3 4 1 3600 7 .31 4 1 3600 360022 d V A V A V u hhs 5 3 1017. 1 101 11001106. 0 Re du 根据顾毓珍公式： 02122. 0 117000 7543. 0 01227. 0 Re 7543. 0 01227. 0 38. 038. 0 ）（m366. 0 8 . 92 1 15 . 09235 106. 0 20 02122. 0 2 2 2 g u d lel H f 12如图，用泵将如图，用泵将 20的苯从地面以下的贮槽送到高位槽，流量为的苯从地面以下的贮槽送到高位槽，流量为 300l/min， 高位槽的液面比贮槽液面高高位槽的液面比贮槽液面高 10m。泵的吸入管为。泵的吸入管为894mm 的无缝钢管，直管的无缝钢管，直管 长度长度 15m， 并有一个底阀， 一个， 并有一个底阀， 一个 90o弯头。 泵排出管为弯头。 泵排出管为573.5mm 的无缝钢管，的无缝钢管， 直管长度直管长度 50m，并有一个闸阀，一个标准阀和三个，并有一个闸阀，一个标准阀和三个 90o弯头，两个三通。阀门均弯头，两个三通。阀门均 为全开，泵的效率为为全开，泵的效率为 75%，试计算泵的轴功率。，试计算泵的轴功率。 题 1-12 图 补充条件：底阀为止回阀（止逆阀） ，其当量长度为 5m。 解：以贮槽液面为上游截面 11， 高位槽液面为下游截面 22，并以贮槽液 面为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即： fe H g p g u zH g p g u z 2 2 2 2 1 2 1 1 22 根据题意：p1=p2=pa, u1=u2=0, z1=0, z2=10m。 所以上式简化为： fe HzH 2 对于管路的总阻力： （1）吸入管路：)mm(812489 1 d，l1=15m， 底阀的当量长度为 5m，90o弯头的阻力系数为 0.75，进口阻力系数 0.5。 m/s97. 0m/s 081. 0142. 3 4 1 601000 300 4 1 60 22 1 1 1 d V A V u ms 查表，20时，苯的密度为 879kg/m3，粘度为 0.737cP 4 3 1 11 1 1037. 9 10737. 0 87997. 0081. 0 Re ud 根据顾毓珍公式： 022. 0 1037. 9 7543. 0 01227. 0 Re 7543. 0 01227. 0 38. 0 4 38. 0 1 1 ）（m321. 0 8 . 92 97. 0 5 . 075. 0 081. 0 515 022. 0 2 2 2 1 1 1 11 11 g u d lel H f （2）排出管路：)mm(0525 . 375 2 d，l2=50m， 闸阀的阻力系数为 0.17，标准阀的阻力系数为 6.0，90o弯头的阻力系数为 0.75， 三通的阻力系数为 1.0，出口阻力系数 1。 m/s55. 2m/s 05. 0142. 3 4 1 601000 300 4 1 60 22 2 2 2 d V A V u ms 查表，20时，苯的密度为 879kg/m3，粘度为 0.737cP 5 3 2 22 2 1052. 1 10737. 0 87955. 205. 0 Re ud 根据顾毓珍公式： 0204. 0 1052. 1 7543. 0 01227. 0 Re 7543. 0 01227. 0 38. 0 5 38. 0 2 2 ）（m56.10 8 . 92 55. 2 121375. 00 . 617. 0 05. 0 50 0204. 0 2 2 2 2 2 2 22 22 g u d lel H f 所以 mHzH fe 881.2056.10321. 010 2 kgJkgJgHW ee /8 .204/881.2081. 9 苯的质量流量为 skgskgVw ss /4 . 4/879 601000 300 泵的有效功率为： WWwWN see 1 .9014 . 48 .204 泵的轴功率： kWWWNeN2 . 15 .120175. 0/1 .901/ 13 采用离心泵输送 采用离心泵输送293k的清水， 测得离心泵出口处压力表的读数为的清水， 测得离心泵出口处压力表的读数为4.8kgf/cm2， 入口处真空表的读数为入口处真空表的读数为 147mmHg，两表之间的垂直距离为，两表之间的垂直距离为 0.4m。该泵流量为。该泵流量为 70.37m3/h，泵的效率为，泵的效率为 70%，吸入管和出口管的管径相同。试计算该泵的扬程，吸入管和出口管的管径相同。试计算该泵的扬程 以及泵的轴功率。 （原题以及泵的轴功率。 （原题 14） 解： 以离心泵入口处管截面为上游截面 11， 出口处管截面为下游截面 22， 并以离心泵入口处管中心线为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即： fe H g p g u zH g p g u z 2 2 2 2 1 2 1 1 22 根据题意：0 1 z，mz4 . 0 2 ， 真 ppp a 1 ， 表 ppp a 2 ，0 f H PaPapppp 54 12 1091. 43 .1331471081. 98 . 4 真表 因为 21 dd ，所以 21 uu 可以得到mm g pp zHe55.50 81. 9998 1091. 4 4 . 0 5 12 2 kgJkgJgHW ee /9 .495/55.5081. 9 清水的质量流量为 skgskgVw ss /51.19/998 3600 37.70 泵的有效功率为： WWwWN see 967051.199 .495 泵的轴功率： kWWWNeN81.131381470. 0/9670/ 14某离心泵的铭牌上标有：流量某离心泵的铭牌上标有：流量 30m3/h，扬程，扬程 24m，效率，效率 63.5%，电动机功，电动机功 率率 4kW，最大允许吸上真空度，最大允许吸上真空度 5.7m。现使用该离心泵从池中吸水送入敞口高位。现使用该离心泵从池中吸水送入敞口高位 槽，高位槽高出地面槽，高位槽高出地面 15m，离心泵高出池面，离心泵高出池面 5.0m，要求水流量为，要求水流量为 610-3m3/s， 吸入管长吸入管长 8m，排出管长，排出管长 20m（均包括局部阻力的当量长度） ，管径均为（均包括局部阻力的当量长度） ，管径均为 mm357，摩擦系数为，摩擦系数为 0.021。通过计算说明（。通过计算说明（1）该泵能否完成任务？（）该泵能否完成任务？（2）该）该 泵安装是否合理？泵安装是否合理？ 解： （1）输送任务要求流量： Q=610-3m3/s=21.6 m3/h30 m3/h 列水池面与高位槽液面的柏努利方程： fe H g u z g p H g u z g p 22 2 2 2 2 2 1 1 1 0 21 uu，0 21 pp， smsm d V u s /939. 2/ 051. 0142. 3 4 1 106 4 1 2 3 2 mmm g u d ll hHzzH fe 241 .20 81. 92 939. 2 051. 0 208 021. 015 2 2 2 21 12 kWkWkW gHQN N e 4863. 1 635. 0 1081. 910001 .20106 33 因此该离心泵满足要求 （2）离心泵的最大允许安装高度： mm m g u g u d l H g u HHH s fsg 0 . 581. 3 81. 92 939. 2 1 051. 0 8 021. 07 . 5 22 2 2 22 1 2 因此，该泵安装不合理，应该降低安装高度。 15 用一离心泵将敞口水槽中的水输送到表压强为 用一离心泵将敞口水槽中的水输送到表压强为 147.2kPa 的高位密闭容器中。的高位密闭容器中。 管路系统尺寸如本题附图所示，当供水量为管路系统尺寸如本题附图所示，当供水量为 36m3/h 时，管内流动以进入阻力平时，管内流动以进入阻力平 方区。并知泵的特性曲线方程为方区。并知泵的特性曲线方程为 H=45-0.00556Q2(Q 单位为单位为 m3/h)若用此泵输送若用此泵输送 密度为密度为 1200kg/m3的碱液的碱液,阀门开度及管路其他条件不变阀门开度及管路其他条件不变,试问输送碱液时的流量试问输送碱液时的流量 和离心泵的有效功率为多少和离心泵的有效功率为多少?水的密度为水的密度为 1000kg/m3。 （原题。 （原题 21） 题题 1-15 图图 解：供水量就是管路特性曲线与泵特性曲线交点对应的流量，即 HHe，Q=Qe， 管路特性曲线方程为： BBBQ g p zHe12962536 81. 91000 102 .147 10 2 3 2 泵特性曲线方程为： 22 3600556. 04500556. 045QH 联立上述两式求出管路特性曲线方程中系数 B0.00987 输送碱液时，B 值不变，则管路特性曲线方程为： 2 e 2 3 0 0 9 8 7 Q. 05 .2200987. 0 81. 91200 102 .147 10 e QHe 上式与泵特性曲线方程联立，解得：38.19m3/h 相应的压头为： mHHe89.3619.3800556. 045 2 泵的有效功率 kWWgQHN ee 61. 4 3600 89.3619.3881. 91200 16将密度为将密度为 1500 kg/m3的硝酸送入反应釜，流量为的硝酸送入反应釜，流量为 8 m3/h，提升高度为，提升高度为 8 m， 釜内压强为釜内压强为 400 kPa，管路的压强降为，管路的压强降为 30 kPa, 试在耐腐蚀泵系列中选定一个合试在耐腐蚀泵系列中选定一个合 适的型号，并估计泵的轴功率。适的型号，并估计泵的轴功率。 解：管路所需要的压头 mmh g p zH fe 2 .37 81. 91500 1030 81. 91500 10400 8 33 即管路需流量hmQ/8 3 ,压头mHe2 .37，查 F 型耐腐蚀泵性能表知 50F-40 比 较合适。该泵hmQ/4 .14 3 ,mHe40，可通过调节阀将流量调到hm /8 3 ，此时 e H大于 40m，即大于 37.2 米，可满足要求。 有效功率 kWWgQHN ee 22. 1 3600 2 .37881. 91500 取%30 则kWkW N N e 1 . 4 3 . 0 22. 1 17单动往复泵活塞的直径为单动往复泵活塞的直径为 160 mm，冲程为，冲程为 200 mm。现拟用此泵将密度为。现拟用此泵将密度为 930 kg/m3 的液体从贮槽送至某设备中，流量为的液体从贮槽送至某设备中，流量为 25.8 m3/h，设备的液体入口比贮槽液面高，设备的液体入口比贮槽液面高 19.5m，设，设 备内液面上方的压力为备内液面上方的压力为 0.32MPa（表压） ，贮槽为敞口，外界大气压为（表压） ，贮槽为敞口，外界大气压为 0.098 MPa，管路的，管路的 总压头损失为总压头损失为 10.3 m，当有，当有 15%的液体漏回和总效率为的液体漏回和总效率为 72%时，试分别计算此泵的时，试分别计算此泵的活塞每活塞每 分钟往复次数及轴功率。分钟往复次数及轴功率。 解：(1)活塞面积为 222 m02. 013. 0785. 0 4 DA 冲程 ASnQS r 。由m2 . 0mm200 得 往复次数 min/126 2 . 002. 085. 060 8 .25 次 AS Q n r 3 12121 kg/m930MPa32. 0MPa098. 0m5 .19, 0，pppzz f H =10.3 m，则有 m9 .643 .10 93081. 9 1032. 0 5 .19 6 e H 轴功率 kW9 . 5W5900 72. 0 81. 99 .64930)3600/8 .25( HgQ N 分析：用往复泵输送流体时，由于流速不是均匀的，故流体流动阻力的计算便有 其特殊性，是否可以使用平均流速来估算 f H ? 18. 某单级空气压缩机每小时将某单级空气压缩机每小时将 360 m3的空气压缩到的空气压缩到 0.8 MPa（表压） ，设空气（表压） ，设空气 的压缩过程为： （的压缩过程为： （1） 绝热压缩； （） 绝热压缩； （2） 等温压缩； （） 等温压缩； （3） 多变压缩 （多变指数为） 多变压缩 （多变指数为 1.25） 。） 。 问该压缩机所消耗的功率各为多少问该压缩机所消耗的功率各为多少 kW， 压缩后空气温度各为多少， 压缩后空气温度各为多少？空气的进？空气的进 口温度为口温度为 20，大气压为，大气压为 0.098 MPa。 解 ： 已 知 MPa098. 0 1 p （ 绝 压 ）， MPa898. 0098. 08 . 0 2 p （ 绝 压 ）， h/m360 3 0 V 。 （1）绝热过程 kW29.30W1029.30 1) 098. 0 898. 0 ( 3600 360 98000 14 . 1 4 . 1 1)( 1 3 4 . 1 4 . 01 1 2 11 r r p p r r VpN 279K552) 098. 0 898. 0 (15.293 4 . 1 14 . 1 T (2)等温过程 kW71.21W1071.21 098. 0 898. 0 ln