化工原理第二版杨祖荣主编课后习题答案.doc

1.某烟道气的组成为CO213，N276，H2O 11（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=Mm= yiMi= (0.13 44 + 0.76 28 + 0.1118)103混合密度33328.98 10kg/molm=pMm=101.31028.9810=0.457kg/m3RT8.31 (273 + 500)2已知 20时苯和甲苯的密度分别为 879kg/m3和 867 kg/m3,试计算含苯 40及甲苯60（质量）的混合液密度。解：1maa=1+2=120.4879+0.6867混合液密度m=871.8kg/m33某地区大气压力为 101.3kPa，一操作中的吸收塔塔内表压为 130kPa。若在大气压力为 75 kPa 的高原地区操作该吸收塔，且保持塔内绝压相同，则此时表压应为多少？解： p绝=pa+ p表=pap表p表=(ppa真)pa=（101.3=130)75156.3kPa4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=0+ gz = p1+ ppgh题 4 附图1+ 0(58 42)103z =pghpg=p1p0g+ h =+900 9.810.55 = 2.36m15.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。已知油与水的密度分别为 800kg/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=+ gh+ gh= p+ ghpph1h2AC题 5 附图BDa油1水2a水h+ h800h =油1水水2=油水+ h=h1210000.7 + 0.6 = 1.16m（2） pA pBpC= pD6为测得某容器内的压力，采用如图所示的U形压力计，指示液为水银。已知该液体密度为 900kg/m3，h=0.8m，R=0.45m。试计算容器中液面上方的表压。解：如图，1-2 为等压面。12p1= p + ghp2pa=+ 0gR题 6附图p + ghpa则容器内表压：=+ 0gRp pa= gR gh = 13600 0.459.81 900 0.8 9.81 =53.0 kPa07如附图所示，水在管道中流动。为测得A-A、B-B截面的压力差，在管路上方安装一U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R180mm，试计算A-A、B-B截面的压力差。已知水与水银的密度分别为 1000kg/m3和 13600 kg/m3。解：图中，1-1面与 2-2面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即p1= p1，p2= p2题 7 附图2又p1=pA gmp=+ =+ 1p20gRp0gR= pB2+ g(mR)0gR所以pAgmp=Bg(mR+) + 0gR整理得= (0 )pApBgR由此可见， U 形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示液的密度、读数 R 有关，而与 U 形压差计放置的位置无关。代入数据pA pB= (13600 1000) 9.81 0.18 = 22249Pa8用 U形压差计测量某气体流经水平管道两截面的压力差，指示液为水，密度为1000kg/m3，读数R为 12mm。为了提高测量精度，改为双液体U管压差计，指示液A为含 40乙醇的水溶液，密度为 920 kg/m3，指示液C为煤油，密度为 850 kg/m3。问读数可以放大多少倍？此时读数为多少？解：用 U 形压差计测量时，因被测流体为气体，则有 p Rg0p12用双液体 U 管压差计测量时，有( p= R gA Cp12)因为所测压力差相同，联立以上二式，可得放大倍数R 0=1000=14.3R=A C此时双液体 U 管的读数为920850R=14.3R =14.312171.6mm9图示为汽液直接混合式冷凝器，水蒸气与冷水相遇被冷凝为水，并沿气压管流至地沟排出。现已知真空表的读数为 78kPa，求气压管中水上升的高度 h。解: p + gh = pa题 9 附图3=pp=78103=水柱高度hag103 9.817.95m10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 1830 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:76 4mmms= Vs = 9 1830 = 16470kg/hu1=Vs2=9/ 36002=0.69m/s0.785d= u =0.785 0.068=2G11 (2) 小管:0.69183057 3.5mm1262.7kg/(ms)质量流量不变 Vsms2=16470kg/h9 / 3600u2=0.785d2=0.785 0.052=1.27m/sd268 或: 2=1duu(1)2= 0.69(250)2= 1.27m/s= u =1.271830 =2G222324.1kg/(ms)11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/kg（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:z gp+1+1u12=zgp+2+1u2+Wf112222 简化: H = (u22+ Wf) / g12= (1+ 20) 9.81 = 2.09m2412一水平管由内径分别为 33mm及 47mm的两段直管组成，水在小管内以 2.5m/s的速度流向大管，在接头两侧相距 1m的 1、2 两截面处各接一测压管，已知两截面间的压头损失为 70mmH2O，问两测压管中的水位哪一个高，相差多少？并作分析。解：1、2 两截面间列柏努利方程：hzp+1+12p=2+2+12+ uzuhf12gg1g22g2 d2.5332其中：z1= z2= ud1=1.23m/sh = pp12=12u21 22147212(u u+ =g2 g21)hf2 9.81(1.232.52) + 0.07 = 0.17m说明 2 截面处测压管中水位高。这是因为该处动能小，因而静压能高。13如附图所示，用高位槽向一密闭容器送水，容器中的表压为80kPa。已知输送管路为 48 3.5 mm的钢管，管路系统的能量损失与流速的关系为 Wf= 6.8u2（不包括出口能量损失），试求：（1） 水的流量；（2） 若需将流量增加 20，高位槽应提高多少 m？解：（1）如图在高位槽液面 1-1 与管出口内侧 2-2 间列柏努利方程10m 题 13 附图z gp+1+1u12=zgp+2+1u2+ Wf1p12222简化：1=2+u22+z gWf（1）2=38010122即10 9.81+u+6.8u解得1000u2= 1.57m/s=2=222=33=3流量VSdu20.785 0.04121.572.0710m/ s7.45m/h45（2）流量增加 20，则 u2= 1.2 1.57 = 1.88m/s此时有z 1gp=2+1u22+ Wf8010321z=+1(100021.882+ 6.8 1.882) / 9.81 = 10.78m即高位槽需提升 0.78m。14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。解:在贮槽液面 1-1与回流管出口外侧 2-2间列柏努利方程:题 14 附图z gp+1+1u2+ W= zgp+2+1u2+ W121e222fp1+ W= zgp1简化: 2+2+u22+Wepp2fW=21+1u22+zg + Wems2401032fu=3600600=1.2m/s20.785d20.785 0.142(1.3 6We=2.0)106001+2+1.22+ 30 9.81150= 721.6J/kg不需要泵,液体在压力差的作用下可自动回流至塔中15用压缩空气将密闭容器中的硫酸压送至敞口高位槽，如附图所示。输送量为 2m3/h，输送管路为373.5mm题 15 附图6的无缝钢管。两槽中液位恒定。设管路的总压头损失为1m（不包括出口），硫酸的密度为1830 kg/m3。试计算压缩空气的压力。解: 以容器中液面为 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:p1+1up2+ z1=2+1u2+ z2+ hfg 简化: p2 g112g21=u2+ z+ g2g22hf其中:Vs=2 / 3600=0.786m/su2=d4=210.785 0.0322+z+ 代入: pg(uhf)1=2g2211830 9.81(= 234kPa(表压)2 9.810.7862+ 12 + 1)16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2的能量损失可以表示为 Wf= uJ/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p = ghp=78103=1h题 16 附图 h = g103 9.817.95m (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:7z gp+1+1u12=zgp+2+1u2+ Wf1p21222简化:1=2+u22+z gWf2=375101227.95 9.81+u+ u解之: u2= 1.412m/s流量:Vs= d2u2=100022234= 6.38m3/h0.785 0.0421.412 = 1.773 103m/s17用泵将常压贮槽中的稀碱液送至蒸发器中浓缩，如附图所示。泵进口管为893.5mm，碱液在其中的流速为 1.5m/s；泵出口管为763mm。贮槽中碱液的液面距蒸发器入口处的垂直距离为 7m。碱液在管路中的能量损失为 40J/kg（不包括出口）蒸发器内碱液蒸发压力保持在 20kPa（表压），碱液的密度为 1100kg/m3。设泵的效率为 58，试求该泵的轴功率。解：取贮槽液面为 1-1 截面，蒸发器进料口管内侧为 2-2题 17 附图截面，且以 1-1 截面为基准面。在 1-1 与 2-2 间列柏努利方程：z gp+1+12u1+ W= zgp+2+1u2+ W（a）12e)2+12222)fpp+21+ 或W= (z2 zg(uuW（b）e1221f其中：z1=0；p1=0（表压）； u10z2=7m；p2=20103 Pa（表压） 已知泵入口管的尺寸及碱液流速，可根据连续性方程计算泵出口管中碱液的流速： =d入2=822=u2u入()1.5()2.06 m/sd270=1100 kg/m3，Wf=40 J/kg8将以上各值代入（b）式，可求得输送碱液所需的外加能量13We=+7 9.8122.062+20101100+=40129 J/kg 碱液的质量流量ms= d22u2 =0.785 0.0722.06 1100 = 8.72 kg/s 4泵的有效功率Ne= Wems= 129 8.72 =泵的效率为 58%，则泵的轴功率Ne1.1251125W = 1.125kW= k N0.581.94W18如附图所示，水以 15m3/h的流量在倾斜管中流过，管内径由 100mm缩小到 50mm。A、B两点的垂直距离为0.1m。在两点间连接一U形压差计，指示剂为四氯化碳，其密度为1590 kg/m3。若忽略流动阻力，试求：（1）U 形管中两侧的指示剂液面哪侧高，相差多少 mm？（2） 若保持流量及其他条件不变，而将管路改为水平放置，则压差计的读数有何变化?解：在 1-1 与 2-2 截面间列柏努利方程p112p12z g+u1= zg+2+u+ Wf1VS2215 / 360022其中：u1=u2=20.785d1VS=20.785 0.115 / 3600=0.531m/s= 2.123m/s0.785d2221= 0.1zzmp0.785 0.052Wf= 01题 18 附图=p12z z )g+22(uu)（1）21221= 0.1 9.81 + 0.5 (2.1232由静力学基本方程：0.5312) = 3.0939= ( p1+ gz1) ( p2+gz2)(0)gR（2）+ + ( pgz)( pgz)( p+ gz1 z2)R =1122=p12)( )g( )g=03.0931000 1000 9.81 0.1(1590 1000) 9.81=00.365m故 U 形压差计两侧为左低右高。（2）当管路水平放置时：p1 p2122由柏努利方程=(uu)221由静力学方程 p=Rg(0p12)Rg ()10=22两式联立：(uu)221可见，流量不变时， u1, u2不变，即 U 形压差计读数不变。19附图所示的是冷冻盐水循环系统。盐水的密度为 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:He= hf= 9 +12 = 21m题 19 附图Ne= HeVsg = 21 4536001100 9.81 = 2.83kWN=轴功率 :Ne2.830.7=4.04kW (2) A B 列柏努力方程:p12pB1A+uz+=+2+ uzhg2gAAg2 gBBfAB10pp 简化: A= B+ z+ hggBfAB153103= pB+ 1100 9.81 (7 + 9) pB= 19656pa(表) B 处真空度为 19656 Pa。20用离心泵将20水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定。泵吸入与压出管路直径相同，均为762.5mm。水流经吸入与压出管路（不包括喷头）的能量损失分别为2Wf1=2u及2Wf2=10u（J/kg），式中，u 为水在管内的流速。在操作条件下，泵入口真空表的读数为 26.6kPa，喷头处的压力为 98.1kPa（表压）。试求泵的有效功率。解：以水槽液面为 1-1 截面，泵入口处为 2-2 截面，且以1-1 面为基准面。在两截面间列柏努利方程z gp+1+12p+2+12+ 1u= zguWfp2112221+2+ =简化为zg222u2Wf130题 20 附图即 1.5 9.8126.6101000+122+u22=2u20解得u2= 2.18m/s在水槽 1-1 截面与喷头处 3-3 截面间列柏努利方程p1p12z g+1+u12+W= zg+3+u+ W12p1e323f简化为 W= zg3+3+u32+ Wep12fp即 We=zg+3+u2+2u2+10u2=zg+3+12.5u2其中3u = u3= u2= 2.18m/s23331198.11032则We= 14 9.81 +100012.5 2.18=294.8J/kg水的流量：mS= Vs = d2u =0.785 0.0712 2.18 1000 = 8.63kg/s泵有效功率=NemSWe4=8.63=294.82544W=2.544kW2125水以 35m3/h的流量在763mm的管道中流动，试判断水在管内的流动类型。解: 查附录 25水物性: = 996.95kg/m3, =0.903cPu=Vs2=3536002=2.53m/s0.785ddu0.785 0.070.07 996.95 2.53Re =0.903103=5 1.955 104000为湍流22运动黏度为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: Re =dudu= 200020002000 3.2105umax= d2=0.069=0.927m/s3Vmax=4dumax12.46m3/h0.785 0.0692 0.927 = 3.46 103m/s23计算 10水以 2.7103m3/s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: u =Vs0.785d2=2.71030.785 0.052=1.376m/s 10水物性: = 999.7k3,=3g/m1.30510ps=du=0.05999.71.376=a4Re35.27101.3051012=0.5=d500.01 查得 = 0.04122 Wf= lud2=0.041200.051.3762=15.53J/kg hf= Wf/ g = 1.583mPf= Wf = 15525Pa24. 如附图所示，水从高位槽流向低位贮槽，管路系统中有两个 90u26631X准弯头及一个截止阀，管内径为 100mm，管长为 20m。设摩擦系数 = 0.03 ，试求：（1） 截止阀全开时水的流量；（2） 将阀门关小至半开，水流量减少的百分数。解：如图取高位槽中液面为 1-1面，低位贮槽液面为 2-2截面，且以 2-2面为基准面。在 1-1与 2-2截面间列柏努利方程：+12+p1= z2g +1u2p+ z1gu122Wf2211其中： z1=4； u10；p1=0（表压）；4m简化得z2=0； u20；p2=0（表压）z1g = Wf2题 24 附图2各管件的局部阻力系数：进口突然缩小90u26631X准弯头 2 个截止阀（全开）出口突然扩大= 0.5= 0.75 2 = 1.5= 6.0= 1.0= 0.5 + 1.5 + 6.0 + 1.0 = 9.022Wf= + l u20 u= d 29.0 + 0.03=0.127.5u 2134 9.81 = 7.5u2u = 2.29 m/s22水流量VS=4du = 0.785 0.12.29 = 0.018m3/ s =64.8m3/ h（2）截止阀关小至半开时：截止阀半开的局部阻力系数此时总阻力l u2= 9.520 u2Wf= +=12.5 + 0.03=9.25u 2d 20.12阀门关小后，局部阻力发生变化，但由于高位槽高度 z不变，所以管路总阻力不变，W= 1即fWf27.5u=9.25u2VSVS即流量减少 10。u=u7.59.25=0.925如附图所示，用泵将贮槽中 20的水以 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 80m（包括所有局部阻力的当量长度）。试计算泵所需的有效功率。(设管壁的粗糙度为 0.2mm)解: Vsu =d=4036002=1.415m/s420.785 0.120水物性： = 998.2kg/m3, = 1.005cP=0.1 998.21.415=Redu51.0051031.40510根据 / d =0.2 /100 = 0.002，查得 = 0.025题 25 附图在贮槽 1 截面到高位槽 2 截面间列柏努力方程:z gp+1+1u2+ W= zgp+2+1u2+ W121e222f14简化: W= z2g + W而: eWf= l+ leu2f=800.02521.415=20.0J/kgd20.12We = 20 9.81 + 20.0 =40216.2J/kgms= Vs =3600998.2 =11.09kg/sNe = We ms= 216.211.09 =2398W 2.40kW26有一等径管路如图所示，从 A 至 B 的总能量损失为 Wf。若压差计的读数为 R，指示液的密度为 0，管路中流体的密度为 ，试推导 Wf的计算式。解：在 A-B 截面间列柏努利方程，有p1p12题 26 附图zg+A+u2= zg+B+u+ WA2AB2Bf等径直管，故上式简化为ppzg +A= zg +B+ WABfW= ()+ppz zgAB（1）fAB对于 U 形压差计，由静力学方程得=+ (pA+ zAgpBzB R)g + Rg( pA pB) + (zA zB) gR(0)g(1)、（2）联立，得R( )g=0 (2) Wf=027求常压下 35的空气以 12m/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 d 0.0005）解: 当量直径:154ab2ab2 0.3 0.2de =2(a + b)=a + b=0.3+ 0.2=0.24m 35空气物性: = 13.1465kg/m, =18.85106ps=deu=0.24 1.146512=a5Re61.75210 由 18.8510d=0.0005 ,查得 = 0.019W= lu2= 0.019120122= 684J/kgfde20.242Pf= Wf = 684 1.1465 =784.2Pa28如附图所示，密度为 800 kg/m3、黏度为 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 d 0.002，试计算两槽液面的垂直距离 z 。解: 在高位槽 1 截面到容器 2 截面间列柏努力方程:题 28 附图z gp+1+1u12=zgp