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化工原理上册课后习题答案PDF 第一章 流体流动 2在本题附图所示的储油罐中盛有密度为 960 /? 的油品，油面高于罐底 6.9 m，油面上方为常压。在罐侧壁的下部有一直径为 760 mm 的圆孔，其中心距罐底 800 mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应力取为39.23106 Pa ， 问至少需要几个螺钉？ 分析：罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力 即 P油 ?螺 解：P螺 = ghA = 9609.81(9.6-0.8) 3.140.762 150.307103 N ?螺 = 39.031033.140.0142nP油 ?螺 得 n 6.23 取 n min= 7 至少需要7个螺钉 3某流化床反应器上装有两个U 压差计，如本题附 4. 本题附图为远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油 和水的两相界面位置。已知两吹气管出口的距离H = 1m，U管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820Kg?。试求当压差计读数R=68mm 时，相界面与油层 型管 的吹气管出口距离。 分析：解此题应选取的合适的截面如图所示：忽略空气产生的压强，本题中11和44为等压面，22和33为等压面，且11和22的压强相等。根据静力学基本方程列出一个方程组求解 解：设插入油层气管的管口距油面高h 在11与22截面之间 P1 = P2 + 水银gR P1 = P4 ，P2 = P3 且P3 = 煤油gh ， P4 = 水g（H-h）+ 煤油g（h + h） 联立这几个方程得到 水银gR = 水g（H-h）+ 煤油g（h + h）-煤油gh 即 水银gR =水gH + 煤油gh -水gh带入数据 1.031031 - 13.61030.068 = h(1.0103-0.82103) = 0.418 5用本题附图中串联管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸气压，管压差计的指示液为水银，两管间的连接管内充满水。以知水银面与基准面的垂直距离分别为：12.3m，2=1.2m, 3=2.5m,4=1.4m。锅中水面与基准面之间的垂直距离5=3m。大气压强a= 99.3103。 试求锅炉上方水蒸气的压强。 分析：首先选取合适的截面用以连接两个管，本题应选取如图所示的11截面，再选取等压面，最后根据静力学基本原理列出方程，求解 解：设11截面处的压强为1 对左边的管取-等压面， 由静力学 基本方程 0 + 水g(h5-h4) = 1 + 水银g(h3-h4) 代入数据 0 + 1.01039.81(3-1.4) = 1 + 13.61039.81(2.5-1.4) 对右边的管取-等压面，由静力学基本方程1 + 水g(h3-h2) = 水银 g(h1-h2) + 代入数据 1 + 1.01039.812.5-1.2= 13.61039.812.3-1.2 + 99.3103 解着两个方程 得 0 = 3.64105Pa 6. 根据本题附图所示的微差压差计的读数，计算管路中气体的表压强。压差计中以油和水为指示液，其密度分别为9203 ,9983,管中油 水交接面高度差R = 300 ，两扩大室的内径D 均为60 ，管内径为6 。当管路内气体压强等于大气压时，两扩大室液面平齐。 分析：此题的关键是找准等压面，根据扩大室一端与大气相通，另一端与管路相通，可以列出两个方程，联立求解 解：由静力学基本原则，选取11为等压面， 对于管左边 表 + 油g(h1+R) = 1对于管右边2 = 水gR + 油gh2 表 =水gR + 油gh2 -油g(h1+R) =水gR - 油gR +油g（h2-h1） 2 当表= 0时，扩大室液面平齐 即 （D/2）（h2-h1）= （d/2）2 R h2-h1 = 3 mm表= 2.57102Pa 7.列管换热气 的管束由121根2.5mm的钢管组成。空气以9m/s速度 在列管内流动。空气在管内的平均温度为50压强为196103Pa(表压) ，当 地大气压为98.7103Pa 试求： 空气的质量流量； 操作条件下，空气的体积流量； 将的计算结果换算成标准状况下空气的体积流量。 解：空气的体积流量S = uA = 9/4 0.02 2 121 = 0.342 m3/s 质量流量 ws =S=S (MP)/(RT) = 0.34229(98.7+196)/8.315323=1.09/s换算成标准状况 V1P1/V2P2 =T1/T2 S2 = P1T2/P2T1 S1 = (294.7273)/(101323) 0.342= 0.843 m3/s 8 .高位槽内的水面高于地面8m，水从1084mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按 f = 6.5 u2 计算，其中u为水在管道的流速。试计算： AA 截面处水的流速； 水的流量，以m3/h计。 分析：此题涉及的是流体动力学，有关流体动力学主要是能量恒算问题，一般运用的是柏努力方程式。运用柏努力方程式解题的关键是找准截面和基准面，对于本题来说，合适的截面是高位槽11,和出管口 22,如图所示，选取地面为基准面。 解：设水在水管中的流速为u ，在如图所示的11, ，22,处列柏努力方程 Z1 + 0 + 1/= Z2+ 22 + 2/ + f （Z1 - Z2）g = u2/2 + 6.5u2代入数据 (8-2)9.81 = 7u2 , u = 2.9m/s 换算成体积流量 VS = uA= 2.9 /4 0.12 3600 = 82 m3/h 9. 20 水以2.5m/s的流速流经382.5mm的水平管，此管以锥形管和另一533m的水平管相连。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强。若水流经A B两截面的能量损失为1.5J/，求两玻璃管的水面差（以计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。 分析:根据水流过A、B两截面的体积流量相同和此两截面处的伯努利方程列等式求解 解：设水流经两截面处的流速分别为uA、 uB uAAA = uBAB uB = （AA/AB ）uA = （33/47）22.5 = 1.23m/s 在两截面处列柏努力方程 Z1 + 122 + 1/ = Z2+ 222 + 2/ + f 2 （1-2）/ = f +（12-22）2 g（h1-h 2）= 1.5 + (1.232-2.52) /2h1-h 2 = 0.0882 m = 88.2 mm 即 两玻璃管的水面差为88.2mm 10.用离心泵把20的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示。管路的直径均为762.5mm，在操作条件下， 泵入口处真空表的读数为24.66103Pa,水流经吸入管与排处管（不包括喷头）的能量损失可分别按f,1=2u2，hf,2=10u2计算，由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速/s 。排水管与喷头连接处的压强为 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 ?1.163J?m?s?C?1.163W?m?C? m?h?C1kcal3600s? 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?G?1.356?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?1.24Z0?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 第一章 流体流动 2在本题附图所示的储油罐中盛有密度为 960 /? 的油品，油面高于罐底 6.9 m，油面上方为常压。在罐侧壁的下部有一直径为 760 mm 的圆孔，其中心距罐底 800 mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应力取为39.23106 Pa ， 问至少需要几个螺钉？ 分析：罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力 即 P油 ?螺 解：P螺 = ghA = 9609.81(9.6-0.8) 3.140.762 150.307103 N ?螺 = 39.031033.140.0142nP油 ?螺 得 n 6.23 取 n min= 7 至少需要7个螺钉 3某流化床反应器上装有两个U 压差计，如本题附 4. 本题附图为远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油 和水的两相界面位置。已知两吹气管出口的距离H = 1m，U管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820Kg?。试求当压差计读数R=68mm 时，相界面与油层 型管 的吹气管出口距离。 分析：解此题应选取的合适的截面如图所示：忽略空气产生的压强，本题中11和44为等压面，22和33为等压面，且11和22的压强相等。根据静力学基本方程列出一个方程组求解 解：设插入油层气管的管口距油面高h 在11与22截面之间 P1 = P2 + 水银gR P1 = P4 ，P2 = P3 且P3 = 煤油gh ， P4 = 水g（H-h）+ 煤油g（h + h） 联立这几个方程得到 水银gR = 水g（H-h）+ 煤油g（h + h）-煤油gh 即 水银gR =水gH + 煤油gh -水gh带入数据 1.031031 - 13.61030.068 = h(1.0103-0.82103) = 0.418 5用本题附图中串联管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸气压，管压差计的指示液为水银，两管间的连接管内充满水。以知水银面与基准面的垂直距离分别为：12.3m，2=1.2m, 3=2.5m,4=1.4m。锅中水面与基准面之间的垂直距离5=3m。大气压强a= 99.3103。 试求锅炉上方水蒸气的压强。 分析：首先选取合适的截面用以连接两个管，本题应选取如图所示的11截面，再选取等压面，最后根据静力学基本原理列出方程，求解 解：设11截面处的压强为1 对左边的管取-等压面， 由静力学 基本方程 0 + 水g(h5-h4) = 1 + 水银g(h3-h4) 代入数据 0 + 1.01039.81(3-1.4) = 1 + 13.61039.81(2.5-1.4) 对右边的管取-等压面，由静力学基本方程1 + 水g(h3-h2) = 水银 g(h1-h2) + 代入数据 1 + 1.01039.812.5-1.2= 13.61039.812.3-1.2 + 99.3103 解着两个方程 得 0 = 3.64105Pa 6. 根据本题附图所示的微差压差计的读数，计算管路中气体的表压强。压差计中以油和水为指示液，其密度分别为9203 ,9983,管中油 水交接面高度差R = 300 ，两扩大室的内径D 均为60 ，管内径为6 。当管路内气体压强等于大气压时，两扩大室液面平齐。 分析：此题的关键是找准等压面，根据扩大室一端与大气相通，另一端与管路相通，可以列出两个方程，联立求解 解：由静力学基本原则，选取11为等压面， 对于管左边 表 + 油g(h1+R) = 1对于管右边2 = 水gR + 油gh2 表 =水gR + 油gh2 -油g(h1+R) =水gR - 油gR +油g（h2-h1） 2 当表= 0时，扩大室液面平齐 即 （D/2）（h2-h1）= （d/2）2 R h2-h1 = 3 mm表= 2.57102Pa 7.列管换热气 的管束由121根2.5mm的钢管组成。空气以9m/s速度 在列管内流动。空气在管内的平均温度为50压强为196103Pa(表压) ，当 地大气压为98.7103Pa 试求： 空气的质量流量； 操作条件下，空气的体积流量； 将的计算结果换算成标准状况下空气的体积流量。 解：空气的体积流量S = uA = 9/4 0.02 2 121 = 0.342 m3/s 质量流量 ws =S=S (MP)/(RT) = 0.34229(98.7+196)/8.315323=1.09/s换算成标准状况 V1P1/V2P2 =T1/T2 S2 = P1T2/P2T1 S1 = (294.7273)/(101323) 0.342= 0.843 m3/s 8 .高位槽内的水面高于地面8m，水从1084mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按 f =