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化工原理作业答案第一章 流体流动习题解答1.解：（1） 1atm=101325 Pa=760 mmHg真空度=大气压力绝对压力，表压=绝对压力大气压力所以出口压差为p=N/m2（2）由真空度、表压、大气压、绝对压之间的关系可知，进出口压差与当地大气压无关，所以出口压力仍为Pa2.解： T=470+273=703K，p=2200kPa混合气体的摩尔质量Mm=280.77+320.065+280.038+440.071+180.056=28.84 g/mol混合气体在该条件下的密度为：m=m0T0Tpp0=28.8422.42737032200101.3=10.858 kg/m33.解：由题意，设高度为H处的大气压为p，根据流体静力学基本方程，得 dp=-gdH大气的密度根据气体状态方程，根据题意得，温度随海拔的变化关系为T=293.15+4.81000H代入上式得 =pMR（293.15-4.810-3H）=-dpgdh移项整理得 dpp=-MgdHR293.15-4.810-3H对以上等式两边积分， 101325pdpp=-0HMgdHR293.15-4.810-3H所以大气压与海拔高度的关系式为 lnp101325=7.13ln293.15-4.810-3H293.15即： lnp=7.13ln1-1.63710-5H+11.526（2）已知地平面处的压力为101325 Pa，则高山顶处的压力为p山顶=101325330763=45431 Pa将p山顶代入上式 ln 45431=7.13ln1-1.63710-5H+11.526解得H=6500 m，所以此山海拔为6500 m 。7.解：（1）在AA，BB 两截面间列伯努利方程，得其中=0，=，=2.2J/kg化简为 由题目知：输水量m3/h m3/s m/sm/s查表得20水的密度为998.2kg/m3所以 J/kgPa（2）若实际操作中水为反向流动，同样在两截面间列伯努利方程，得其中=0，=，=2.2 J/kg化简为 由于流量没有变，所以两管内的速度没有变，将已知数据带入上式，得Pa8.解： 查表1-3 ，选取水在管路中的流速为u=1.5 ms，则求管径d=qv4u=2536000.7851.5=76.8 mm查附录 13 进行管子规格圆整，最后选取管外径为83 mm，壁厚为3.5mm ，即合适的管径为83mm3.5mm。9.解： （1） 管内流体的质量流量 qm=qv=4d2u有上式得出质量流速为 u=qm4d2雷诺数 Re=du=dqm4d2=0.2120036000.7850.22210-5=1.061052000所以该气体在管内的流动类型为湍流。（2）层流输送最大速度时，其雷诺数为2000，于是质量流速可通过下式计算： u=Re d=2000210-50.2=0.2 kg(m2s)所以层流输送时的最大质量流量 qm=4d2u=0.7850.220.23600=22.608kgh11.解：（1） 根据题意可算出：mm，mm mm通道截面积 m2润湿周边mm = 0.218mm（2） =40 m3/h=0.011 m3/s m/s故该流型为湍流。15解：如图所示在截面间列伯努利方程式，以A点所在水平面为基准面，则：其中 ，m，m/s由题目已知可得 m/s根据流体静力学方程：m所以m17.解：（1）取高位槽水面为上游截面，管路出口内侧为下游截面，在两截面之间列伯努利方程：以地面为基准面，则 m，m，=， 化简得 m/s m3/h（2） 在截面与截面间列伯努利方程：其中 ，于是上式可化简为阀门从全开到关闭的过程中，逐渐减小（hf1A也随之减小），由上式可以看出，左边的值不断增大，而不变，所以截面位置处的压力是不断增大的。21.解：在储槽水面和管路出口截面之间列伯努利方程，可得 以储槽水面为基准面，则 ，m，kPa 化简为 (1)m/s查表：20乙醇的密度为789 kg/m3，黏度为Pas，雷诺数取管壁粗糙度mm根据和查图得查表得：90标准弯头，全开的50mm底阀，半开的标准截止阀 所以J/kg将数据代入（1）式中，得所需外加功为：J/kg23.解：（1） 在截面与截面间列伯努利方程，得 （1）以截面为基准面，则 =0（表压），kPa（表压），m， 于是（1）式化简为 即 解得 m/sm3/h（2） Pa第四章 传热2. 如附图所示。为测量炉壁内壁的温度，在炉外壁及距外壁1/3厚度处设置热电偶，测得t2=300 oC，t3=50 oC。求内壁温度t1。设炉壁由单层均质材料组成。已知：T2=300oC，T3=50oC求： T1=？解： T1T33（T2T3） T12(T2T3)+T3=3(300-50)+50800 oC3. 直径为603mm的钢管用30mm厚的软木包扎，其外又用100mm厚的保温灰包扎，以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为110oC，绝热层外表面温度10oC。已知软木和保温灰的导热系数分别为0.043和0.07 W/（moC），试求每米管长的冷量损失量。解：圆筒壁的导热速率方程为 其中 r1=30mm，r2=60mm，r3=160mm所以 W/m 负号表示由外界向系统内传热，即为冷量损失量。4. 蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为内层的两倍。其导热系数也为内层的两倍。若将二层材料互换位置，假定其它条件不变，试问每米管长的热损失将改变多少？说明在本题情况下，哪一种材料包扎在内层较为合适？解：设外层平均直径为dm,2，内层平均直径为dm,1，则 dm,2= 2dm,1 且 2=21由导热速率方程知 两层互换位置后 所以 即 互换位置后，单位管长热损失量增加，说明在本题情况下，导热系数小的材料放在内层较适宜。10. 在列管式换热器中用冷水冷却油。水的直径为192mm的列管内流动。已知管内水侧对流传热系数为3490 W/（m2oC），管外油侧对流传热系数为258 W/（m2oC）。换热器在使用一段时间后，管壁两侧均有污垢形成，水侧污垢热阻为0.00026m2oC/ W，油侧污垢热阻为0.000176 m2oC/ W。管壁导热系数为45 W/（m2oC），试求：（1）基于管外表面积的总传热系数；（2）产生污垢后热阻增加的百分数。解：（1）总传热系数K0 W/（m2oC）（2）产生污垢后热阻增加百分数为 11. 热气体在套管换热器中用冷水冷却，内管为252.5mm钢管，热导率为45W/（mK）。冷水在管内湍流流动，对流传热系数 1=2000 W/（m2K）。热气在环隙中湍流流动， 2=50 W/（m2K）.不计垢层热阻，试求：（1）管壁热阻占总热阻的百分数；（2）内管中冷水流速提高一倍。总传热系数有何变化？（3）环隙中热气体流速提高一倍，总传热系数有何变化？ 已知：内管为252.5mm，45W/（mK），管内冷水湍流 1=2000 W/（m2K），管内热气湍流 2=50 W/（m2K） 求：（1）管内热阻分率，（2）内管中冷水流速增倍，K（3）管隙中冷水流速增倍，K”解：（1） 总热阻 管壁热阻 故管壁热阻分率为（2） 增加（3）增加由上可知，管壁热阻往往占分率很小，可忽略；提高K值强化传热，应在2上着手。13. 在逆流换热器中，用初温为20oC的水将1.25kg/s的液体比热容为1.9kJ/（kgoC）、密度为850kg/m3，由80oC冷却到30oC。换热器的列管直径为252.5mm，水走管方。水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85 kW/（m2oC）和1.70 kW/（m2oC），污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50oC，试求换热器的传热面积。解：由传热速率方程知 其中 kw oC W/（m2oC） 所以 m2第七章 吸收7-2在逆流喷淋填料塔中用水进行硫化氢气体的吸收，含硫化氢的混合气进口浓度为5%（质量分数），求填料塔出口水溶液中硫化氢的最大浓度。已知塔内温度为20，压强为1.52105 Pa，亨利系数E为48.9MPa。解：相平衡常数为：硫化氢的混合气进口摩尔浓度：若填料塔出口水溶液中硫化氢达最大浓度，在出口处气液相达平衡，即：7-3分析下列过程是吸收过程还是解吸过程，计算其推动力的大小，并在x - y 图上表示。 （1）含NO2 0.003(摩尔分率)的水溶液和含NO2 0.06 (摩尔分率) 的混合气接触，总压为101.3kPa，T=15，已知15时，NO2水溶液的亨利系数E=1.68102 kPa；（2）气液组成及温度同（1），总压达200kPa（绝对压强）。解：（1）相平衡常数为： 由于，所以该过程是吸收过程。 气相推动力为： 液相推动力为：（2）相平衡常数为： 由于 ，所以该过程仍是吸收过程。气相推动力为： 液相推动力为：7-4在某操作条件下用填料塔清水逆流洗涤混合气体，清水物理吸收混合气中的某一组分，测得某截面上该组分在气、液相中的浓度分别为 y = 0.014，x = 0.02。在该吸收系统中，平衡关系为y = 0.5x ，气膜吸收分系数ky = 1.810-4 kmol / (m2s)，液膜吸收分系数kx = 2.110-5 kmol / (m2.s)，试求：（1）界面浓度yi、xi分别为多少？（2）指出该吸收过程中的控制因素，并计算气相推动力在总推动力中所占的百分数。解：（1）对于稳定吸收过程，气、液两相内传质速率应相等，有： （1） 在界面处气液两相达平衡，有： （2）联立方程（1）、（2）得 ，（2）气相传质阻力： 以气相为基准的液相传质阻力：因此，吸收过程为液膜扩散控制。总气相传质推动力为：气相推动力：气相推动力在总推动力中所占比例：7-6在101.3kPa及25的条件下，用清水在填料吸收塔逆流处理含的SO2混合气体。进塔气中含SO2分别为 0.04（体积分数），其余为惰性气体。水的用量为最小用量的1.5倍。要求每小时从混合气体中吸收2000 kg的SO2，操作条件下亨利系数4.13 MPa，计算每小时用水量为多少（m3）和出塔液中SO2的浓度（体积分数）？ 此题的第二问修改成“出塔气中SO2的浓度（体积分数）？”因条件不够计算不出来，原题第二问是计算出塔液中SO2的浓度（摩尔分数）。解：，相平衡常数为：由于是低浓度吸收，有：由物料衡算得： 每小时用水量：由物料衡算得： 出塔液中SO2的浓度：7-8在一逆流吸收塔中用吸收剂吸收某混合气体中的可溶组分。已知操作条件下该系统的平衡关系为Y=1.15X，入塔气体可溶组分含量为9%（体积），吸收剂入塔浓度为1%（体积）；试求液体出口的最大浓度为多少？解： 由题可得，液体出口的最大浓度是与入塔气体浓度相平衡的液体浓度： 液体出口的最大浓度：7-11在逆流操作的填料塔中，用纯溶剂吸收某气体混合物中的可溶组分，若系统的平衡关系为Y = 0.3X。试求：（1）已知最小液气比为0.24，求其回收率；（2）当液气比为最小液气比的1.2倍，塔高不受限制时该系统的最大回收率；（3）如果吸收因子A = 1.25，回收率为90%，并已知该系统的气、液相传质单元高度HL和HG都是2 m， 其填料层高度为多少？解：(1) 当最小液气比时 回收率为：（2）L / V = 1.2（L/V）min= 1.2 0.24= 0.288 0.3 若塔高不受限制时，气液将在塔底达到平衡，此时有塔底 最大回收率： （3） 又 7-13在一塔径1.3m，逆流操作的填料塔内用清水吸收氨空气混合气体中的氨，已知混合气体流量为3400m