化工原理(第二版)上册课后习题答案PDF

化工原理(第二版)上册课后习题答案PDF 大学课后习题解答之 化工原理(上)-天津大学化工学院-柴诚敬主编 绪论 1. 从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI单位。 （1）水的黏度=0.00856 g/(cms) （2）密度=138.6 kgf ?s2/m4 （3）某物质的比热容CP=0.24 BTU/(lb) 2 （4）传质系数KG=34.2 kmol/(m?h?atm) （5）表面张力=74 dyn/cm （6）导热系数=1 kcal/(m?h?) 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 kg=1000 g，1 m=100 cm ?4?4 ?0.00856?8.56?10kgm?s?8.56?10Pa?s ?cm?s?1000g?1m?则? ?g?1kg?100cm? （2）密度 基本物理量的换算关系为 1 kgf=9.81 N，1 N=1 kg?m/s2 ?kgf?s2?9.81N?1kg?s2?3 ?138.6?1350kgm?4则 ?m?1kgf?1N? （3）从附录二查出有关基本物理量的换算关系为 1 BTU=1.055 kJ，l b=0.4536 kg1oF?5oC 9 则 ?BTU?1.055kJ?1lb?1?F? cp?0.24?1BTU?0.4536kg?9?C?1.005kJ?kg?C? lb?F? （4）传质系数 基本物理量的换算关系为 1 h=3600 s，1 atm=101.33 kPa 则 ?kmol?1h?1atm?52 ?KG?34.2?2?9.378?10m?s?kPa? ?3600s?101.33kPa?m?h?atm? （5）表面张力基本物理量的换算关系为 1 dyn=1105 N1 m=100 cm 则 ?5 ?dyn?1?10N?100cm?2 ?74?7.4?10Nm ?1dyn?1m?cm? （6）导热系数基本物理量的换算关系为 1 kcal=4.1868103 J，1 h=3600 s 则 3 ?kcall?4.1868?10J?1h?1?2 ?3600s?1.163J?m?s?C?1.163W?m?C? ?m?h?C1kcal? 2 乱堆25cm拉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 HE?3.9A?2.78?10?4G?12.01D?0.3048Z0? B C ?L ?L 式中 HE等板高度，ft； G气相质量速度，lb/(ft2?h)； D塔径，ft； Z0每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft； 相对挥发度，量纲为一； L液相黏度，cP； L液相密度，lb/ft3 A、B、C为常数，对25 mm的拉西环，其数值分别为0.57、-0.1及1.24。 试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为SI单位。 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，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 1ft?0.3049m 1?ft2?h?1.356?10?3kg?m2?s?（见1） 量纲为一，不必换算 1cp?1?10?3Pa?s lb?lb?1kg?3.2803ft?32 13=1?3?=16.01 kg/m?ft?ft?2.2046lb?1m? (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HE为例： ?m HEft?HE ?则HE?HE mm3.2803ft ? ?HE?3.2803HE ftftm 同理 G?G1.356?10?3?737.5G? ? D?3.2803D? ? Z0?3.2803Z0 ?1?10?3? ?L?L ?.01?0.06246?L? ?L?L (3) 将以上关系式代原经验公式，得 ?3.9?0.57?2.78?10?4?737.5G?3.2803HE -0.1 ?12.01?3.2803D?1.24? ? ? ?0.3048?3.2803Z0? ?1000?L ?0.0624?L? 上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即 HE?1.084?10?4A?0.205G? -0.1 ?39.4D?1.24Z01?L ?L 第一章 流体流动 流体的重要性质 1某气柜的容积为6 000 m3，若气柜内的表压力为5.5 kPa，温度为40 。已知各组分气体的体积分数为：H2 40%、 N2 20%、CO 32%、CO2 7%、CH4 1%，大气压力为 101.3 kPa，试计算气柜满载时各组分的质量。 解：气柜满载时各气体的总摩尔数 nt? pV?101.3?5.5?1000.0?6000 ?mol?246245.4mol RT8.314?313 各组分的质量： mH2?40%nt?MH2?40%?246245.4?2kg?197kg mN2?20%nt?MN2?20%?246245.4?28kg?1378.97kg mCO?32%nt?MCO?32%?246245.4?28kg?2206.36kg mCO2?7%nt?MCO2?7%?246245.4?44kg?758.44kg mCH4?1%nt?MCH4?1%?246245.4?16kg?39.4kg 2若将密度为830 kg/ m3的油与密度为710 kg/ m3的油各60 kg混在一起，试求混合油 的密度。设混合油为理想溶液。 解： mt?m1?m2?60?60?kg?120kg Vt?V1?V2? m1 ?1 ? m2 ?6060?33 ? ?m?0.157m?2?8307101? ?m? mt12033 ?kgm?764.33kgm Vt0.157 流体静力学 3已知甲地区的平均大气压力为85.3 kPa，乙地区的平均大气压力为101.33 kPa，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？ 解：（1）设备内绝对压力绝压=大气压-真空度= 85.3?103?20?103Pa?65.3kPa （2）真空表读数 真空度=大气压-绝压=101.33?103?65.3?103Pa?36.03kPa 4某储油罐中盛有密度为960 kg/m3的重油（如附图所示），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 mm的孔，其中心距罐底1000 mm，孔盖用14 mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5106 Pa，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3103 Pa）？ 解：由流体静力学方程，距罐底1000 mm处的流体压力为 ? ? p?p?gh?101.3?103?960?9.81?(9.5?1.0)Pa?1.813?103Pa（绝压） 作用在孔盖上的总力为 ? F?(p?pa)A（1.813?103101.3?103）?0.762N3.627?104N 4 每个螺钉所受力为 F1?39.5?10?0.0142N?6.093?103N 4 因此 n?FF1?3.627?104?6.093?103?N?5.95?6（个） 习题4附图 习题5附图 5如本题附图所示，流化床反应器上装有两个U管压差计。读数分别为R1=500 mm，R2=80 mm，指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3=100 mm。试求A、B两点的表压力。 解：（1）A点的压力 pA?水gR3?汞gR2?1000?9.81?0.1?13600?9.81?0.08?Pa?1.165?104Pa（表） （2）B点的压力 pB?pA?汞gR1 ?1.165?10?13600?9.81?0.5Pa?7.836?10Pa（表） ? 4 ? 4 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 mm，h=800 mm。为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 kPa，试求管路中心处流体的压力。 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，pA?pA? 则 p+?水gh+?汞gR?pa 化工原理(第二版)上册课后习题答案 绪论 1. 从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI单位。 （1）水的黏度=0.00856 g/(cms) （2）密度=138.6 kgf ?s2/m4 （3）某物质的比热容CP=0.24 BTU/(lb) （4）传质系数KG=34.2 kmol/(m2?h?atm) （5）表面张力=74 dyn/cm （6）导热系数=1 kcal/(m?h?) 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 kg=1000 g，1 m=100 cm ?4?4 ?0.00856?8.56?10kgm?s?8.56?10Pa?s ?cm?s?1000g?1m?则? ?g?1kg?100cm? （2）密度 基本物理量的换算关系为 1 kgf=9.81 N，1 N=1 kg?m/s2 ?kgf?s2?9.81N?1kg?s2?3 ?1350kgm 则?138.6?m4?1kgf? ?1N? （3）从附录二查出有关基本物理量的换算关系为 1 BTU=1.055 kJ，l b=0.4536 kg1oF?5oC 9 则 ?BTU?1.055kJ?1lb?1?F? cp?0.24?1.005kJkg?C? ? ?lb?F?1BTU?0.4536kg?C? （4）传质系数 基本物理量的换算关系为 1 h=3600 s，1 atm=101.33 kPa 则 ?kmol?1h?1atm? KG?34.2?2?9.378?10?5?m2?s?kPa? ? ?m?h?atm?3600s?101.33kPa? （5）表面张力基本物理量的换算关系为 1 dyn=1105 N1 m=100 cm 则 ?dyn?1?10N?100cm?74?7.4?10?2Nm ? ?cm?1dyn?1m? （6）导热系数基本物理量的换算关系为 1 kcal=4.1868103 J，1 h=3600 s 1 ?5 则 3 ?kcall?4.1868?10J?1h?1?2?1.163J?m?s?C?1.163W?m?C? ?1kcal?m?h?C?3600s? 2 乱堆25cm拉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 HE?3.9A?2.78?10?4G?12.01D?0.3048Z0? B C ?L ?L 式中 HE等板高度，ft； G气相质量速度，lb/(ft2?h)； D塔径，ft； Z0每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft； 相对挥发度，量纲为一； L液相黏度，cP； L液相密度，lb/ft3 A、B、C为常数，对25 mm的拉西环，其数值分别为0.57、-0.1及1.24。 试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为SI单位。 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，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 1ft?0.3049m 1ft2?h?1.356?10?3kg?m2?s?（见1） 量纲为一，不必换算 1cp?1?10?3Pa?s lb?lb?1kg?3.2803ft?32 13=1?3?=16.01 kg/m?ft?ft?2.2046lb?1m? (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HE为例： ?m HEft?HE ?则HE?HE mm3.2803ft ? ?HE?3.2803HE ftftm 同理 G?G?1.356?10?3?737.5G? ? D?3.2803D? ? Z0?3.2803Z0 ?1?10?3? ?L?L 2 ?.01?0.06246?L? ?L?L (3) 将以上关系式代原经验公式，得 ?3.9?0.57?2.78?10?4?737.5G?3.2803HE -0.1 ?12.01?3.2803D?1.24? ? ? ?0.3048?3.2803Z0? ?1000?L ?0.0624?L? 上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即 HE?1.084?10?4A?0.205G? -0.1 ?39.4D?1.24Z0?L ?L 3 第一章 流体流动 流体的重要性质 1某气柜的容积为6 000 m3，若气柜内的表压力为5.5 kPa，温度为40 。已知各组分气体的体积分数为：H2 40%、 N2 20%、CO 32%、CO2 7%、CH4 1%，大气压力为 101.3 kPa，试计算气柜满载时各组分的质量。 解：气柜满载时各气体的总摩尔数 nt? pV?101.3?5.5?1000.0?6000 ?mol?246245.4mol RT8.314?313 各组分的质量： mH2?40%nt?MH2?40%?246245.4?2kg?197kg mN2?20%nt?MN2?20%?246245.4?28kg?1378.97kg mCO?32%nt?MCO?32%?246245.4?28kg?2206.36kg mCO2?7%nt?MCO2?7%?246245.4?44kg?758.44kg mCH4?1%nt?MCH4?1%?246245.4?16kg?39.4kg 2若将密度为830 kg/ m3的油与密度为710 kg/ m3的油各60 kg混在一起，试求混合油 的密度。设混合油为理想溶液。 解： mt?m1?m2?60?60?kg?120kg Vt?V1?V2? m1 ?1 ? m2 ?6060?33 ?m?0.157m ?2?8307101? ?m? mt12033 ?kgm?764.33kgm Vt0.157 流体静力学 3已知甲地区的平均大气压力为85.3 kPa，乙地区的平均大气压力为101.33 kPa，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？ 解：（1）设备内绝对压力绝压=大气压-真空度= 85.3?103?20?103Pa?65.3kPa （2）真空表读数 真空度=大气压-绝压=101.33?103?65.3?103Pa?36.03kPa 4某储油罐中盛有密度为960 kg/m3的重油（如附图所示），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 mm的孔，其中心距罐底1000 mm，孔盖用14 mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5106 Pa，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3103 Pa）？ 解：由流体静力学方程，距罐底1000 mm处的流体压力为 4 ? ? p?p?gh?101.3?103?960?9.81?(9.5?1.0)Pa?1.813?103Pa（绝压） 作用在孔盖上的总力为 ? F?(p?pa)A（1.813?103101.3?103）?0.762N3.627?104N 4 每个螺钉所受力为 F1?39.5?10?0.0142N?6.093?103N 4 因此 n?FF1?3.627?104?6.093?103?N?5.95?6（个） 习题4附图 习题5附图 5如本题附图所示，流化床反应器上装有两个U管压差计。读数分别为R1=500 mm，R2=80 mm，指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3=100 mm。试求A、B两点的表压力。 解：（1）A点的压力 pA?水gR3?汞gR2?1000?9.81?0.1?13600?9.81?0.08?Pa?1.165?104Pa（表） （2）B点的压力 pB?pA?汞gR1 ?1.165?10?13600?9.81?0.5Pa?7.836?10Pa（表） ? 4 ? 4 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 mmh=800 mm。为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 kPa，试求管路中心处流体的压力。 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，pA?pA? 则 p+?水gh+?汞gR?pa 5 14本题附图所示的贮槽内径D=2 m，槽底与内径d0为32 mm的钢管相连，槽内无液体补充，其初始液面高度h1为2 m（以管子中心线为基准）。液体在管内流动时的全部能量损失 2可按hf=20 u计算，式中的u为液体在管内的平均流速（m/s）。试求当槽内液面下降1 m时所 需的时间。 解：由质量衡算方程，得 W1?W2?dM（1） d? W1?0，W2?d02ub? （2） 4 dM2dh （3） ?D?d?4d? 将式（2），（3）代入式（1）得 d02ub?D2?dh?0 44d? 即ub?(D)2dh?0（4） d0d? 在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程 22 gz1?ub1?p1?gz2?ub2?p2?hf 2?2? 即gh?ub?hf?ub?20ub2?20.5ub2 2222 或写成 h?20.5ub2 9.81 ub?（5） 式（4）与式（5）联立，得 (2)2dh?0 0.032d? 即?dh ?d? i.c.=0，h=h1=2 m；=，h=1m 积分得 ?5645 ?21?2s?467s6?1.3h 18某液体以一定的质量流量在水平直圆管内作湍流流动。若管长及液体物性不变，将管径减至原来的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍？ 解：流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时 ?pf=?hf? L?ub2或 hf=?pf/?=?d2 hf2?du ?=（2)(1)(b2)2 hf1?1d2ub1? d式中 d1=2 ，ub2=（1）2 =4 d2ub1d2 因此 ?hhf2f1=(?2?)(2)(4)2=322 ?1?1 又由于 ? 0.316 Re0.25du0.25Re?21=（1)0.25=（1b1)=（2)0.25=（0.5）0.25=0.841 ?1Re24d2ub2 故?h hf2f1=320.84=26.9 19用泵将2104 kg/h的溶液自反应器送至高位槽（见 本题附图）。反应器液面上方保持25.9103 Pa的真空度，高 位槽液面上方为大气压。管道为?76 mm4 mm的钢管，总 长为35 m，管线上有两个全开的闸阀、一个孔板流量计（局 部阻力系数为4）、五个标准弯头。反应器内液面与管路出口 的距离为17 m。若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。（已知溶 液的密度为1073 kg/m3，黏度为6.3?10-4 Pa?s。管壁绝对粗 糙度可取为0.3 mm。） ， 解：在反应器液面1-1与管路出口内侧截面2-2间列机，械能衡算方程，以截面1-1为基准水平面，得 习题19附图 22uupp gz1?b1?1?We?gz2?b2?2?hf2?2? （1） 式中 z1=0，z2=17 m，ub10 ub2?w4 p1=-25.9103 Pa (表)，p2=0 (表) 将以上数据代入式（1），并得 2 We?g(z2?z1)?ub2?p2?p1?hf 2?d2?2?104?m?1.43ms 23600?0.785?0.068?1073 1.43225.9?103 =9.8117+21073?h=192.0+?h ff 其中 ?h=（?+fL?Ledub22+?） 2 0.068?1.43?1073 Re?dub?=1.656105 ?30.63?10? ed?0.0044 根据Re与e/d值，查得=0.03，并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为 闸阀（全开）： 0.432 m =0.86 m 标准弯头：2.25 m =11 m 1.43235?0.86?11故?hf=(0.03+0.5+4)Jkg=25.74J/kg 20.068 于是 We?192.0?25.74?Jkg?217.7Jkg 泵的轴功率为 217.7?2?104 W=1.73kWNs=Wew/?=3600?0.7 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 mm的钢质放水管相连，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 mm、h=1500 mm；当 可取为0.025，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。问每小 3 习题20附图 时从管中流出多少水（m）？ （2）当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少 Pa（表压）。（闸阀全开时Le/d15，摩擦系数仍可取0.025。） 解：（1）闸阀部分开启时水的流量 ， 在贮槽水面1-1与测压点处截面2-2间列机械能衡算方程，并通过截面2-2的中心作基准水 平面，得 22 gz1?ub1?p1?gz2?ub2?p2?hf， （a） 122?2? 式中 p1=0(表) p2?HggR?H2OgR?13600?9.81?0.4?1000?9.81?1.4?Pa?39630Pa（表） ub2=0，z2=0 z1可通过闸阀全关时的数据求取。当闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方程知?HOg(z1?h)?HggR （b） 2 式中 h=1.5 m,R=0.6 m 将已知数据代入式（b）得 ?13600?0.6?1.5?m?6.66mz1?1000? ?hf,1-2ub2ub2L152?(?c)?2.13ub?(0.025?0.5)?2.13ub2 d20.12 将以上各值代入式（a），即 239630 9.816.66=ub+2.13 ub210002 解得 ub?3.13m 水的流量为 Vs?3600d2ub?3600?0.785?0.12?3.13m3?1.43m3 （2）闸阀全开时测压点处的压力 ，在截面1-1与管路出口内侧截面3-3间列机械能衡算方程，并通过管中心线作基准平面，得 22 gz1?ub1?p1?gz3?ub3?p3?hf， （c） 132?2? 式中 z1=6.66 m，z3=0，ub1=0，p1=p3 22L?Luub35?2 eb ?hf,1?3?(?=?c)0.025(?15)?0.5?4.81ub?d2?0.1?2 将以上数据代入式（c），即 2 9.816.66=ub+4.81 ub2 4?2 解得 ub?3.13m ， 再在截面1-1与2-2间列机械能衡算方程，基平面同前，得 22 gz1?ub1?p1?gz2?ub2?p2?hf， （d） 122?2? 式中 z1=6.66 m，z2=0，ub1?0，ub2=3.51 m/s，p1=0（表压力） 21.5?3.51hf,1?2?0.025?0.5?Jkg?26.2Jkg0.1?2 将以上数值代入上式，则 p3.512 ?2?26.2 9.81?6.66?21000 4 解得 p2=3.3010Pa（表压） 2110 的水以500 l/min的流量流经一长为300 m的水平管，管壁的绝对粗糙度为0.05 mm。有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 p1?p2?hf ? 上式两端同除以加速度g，得 ? p1?p2=?g?h/g=6 m（题给） f Lub2即=69.81 J/kg =58.56 J/kg （a） hf=?d2 ?3Vs500?10 ub?0.01062d?2 2d60?d2 44 将ub代入式（a），并简化得 d5?2.874?10?4? （b） 与Re及e/d有关，采用试差法，设=0.021代入式（b），求出d=0.0904m。 下面验算所设的值是否正确： d?0.05?10?3.0904?0.000553? ub?0.0.09042?1.3s 10 水物性由附录查得 =1000 kg/m3，=130.7710-5 Pa?s Re?dub?0.0904?1.3?130.77?10?5?8.99?104 由e/d及Re，查得=0.021 故d?0.0904m?90.4mm 22如本题附图所示，自水塔将水送至车间，输送管 路用?114mm?4mm的钢管，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