化工原理(第二版)上册课后习题答案完整版柴诚敬主编

1、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/(cm ·s)（ 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 K G=34.2 kmol/(m 2 ?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则0.008

2、56g1kg100cm8.56 10 4 kg m s 8.56 10 4 Pa scm s1000g1m（ 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则138.6 kgf4s29.81N1kg m s21350 kg m 3m1kgf1N（ 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 kg1o F5 o C9则c p0.24 BTU1.055kJ1lb1 F1.005 kJ kg Clb F1BTU0.4536kg5 9 C（ 4）传质系数基本物理量的换算关系为1 h=3600 s， 1 a

3、tm=101.33 kPa则K G 34.22kmol1h1atm9.378 10 5 kmol m 2 s kPamh atm3600s101.33kPa（ 5）表面张力基本物理量的换算关系为1 dyn=1 ×105 N1 m=100 cm则74 dyn1 105N100cm7.4 10 2 N mcm1dyn1m1（ 6）导热系数基本物理量的换算关系为31 kcal=4.186810×J，1 h=3600 s则1kcall4.1868 10 3 J1h2 h C1kcal1.163 J m s C 1.163 W m Cm3600s2 乱堆 25cm 拉西环的填料塔用于

4、精馏操作时，等板高度可用下面经验公式计算，即H E 3.9 A 2.78 104BC1 3LG 12.01D0.3048Z 0L式中HE等板高度， ft ；G 气相质量速度， lb/(ft2?h) ；D 塔径， ft ；Z 每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft ；0 相对挥发度，量纲为一；L 液相黏度， cP；L 液相密度， lb/ft 3A、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

5、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整理，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 0.3049m1lbft 2h1.356 10 3 kg m 2 s（见 1）量纲为一，不必换算1cp110 3 Pa slblb1kg3.2803ft3=16.01 kg/m213 =132.2046lb1mftft(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：H E ftH E m则mm3.2803ftH EH E ftH

6、E ftm3.2803H E同理GG1.35610 3737.5GD3.2803DZ 03.2803Z 02L LLL1 10316.010.06246L(3) 将以上关系式代原经验公式，得3.2803H E 3.9 0.57 2.78 10 4-0.11.24737.5G12.01 3.2803D0.30483.2803Z 01 31000L0.0624L整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即H E 1.084 10 4 A 0.205G -0.1 39.4D 1.24 Z 01 3LL3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

7、kPa，温度为 40 。已知各组分气体的体积分数为： H40%、 N 20%、CO32%、CO 7%、CH 1%，大气压力为101.3 kPa，2224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ntpV101.35.51000.06000mol246245.4molRT8.314313各组分的质量：mH 240%ntM H 240%246245.42kg197kgmN 220% ntM N 220% 246245.428kg1378.97kgmCO32%ntM CO32%246245.428kg2206.36kgmCO 27%ntMCO27%246245.444kg758.4

8、4kgmCH 41%ntMCH41%246245.416kg39.4kg2若将密度为 830 kg/ m 3 的油与密度为710 kg/ m 3 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： mtm1m26060 kg120kgVt V1V2m1m26060m 30.157m 3128301710mmt120kg m 3764.33 kg m 3Vt0.157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

9、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 =85.310320103Pa 65.3kPa（ 2）真空表读数真空度 =大气压 -绝压 = 101.3310 365.3 103Pa 36.03kPa4某储油罐中盛有密度为960 kg/m 3 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39.5× 106 Pa，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3× 103 Pa）？解

10、：由流体静力学方程，距罐底1000 mm 处的流体压力为4ppgh101.3103960 9.81 (9.51.0) Pa 1.813103 Pa（绝压）作用在孔盖上的总力为F( p3101.3324pa ) A（1.813 1010 ）40.76 N3.62710 N每个螺钉所受力为F139.5100.0142 N6.093103 N4因此nF F13.6271046.093 103 N5.956（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R =500 mm ，1R2=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

11、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p A水 gR3汞 gR2 1000 9.810.1 13600 9.810.08 Pa1.165 104 Pa（表）（ 2）B 点的压力pB pA汞 gR11.165 104 13600 9.810.5 Pa 7.836 104 Pa（表）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=100mm，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

12、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， pApA习题 6附图则 p+ 水 gh +汞 gR pa5p pa水 gh汞 gR101.310 31000 9.8 0.8 13600 9.8 0.1 Pa 80.132kPa7某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过13.3 kPa（表压），在炉外装一安全液封管（又称水封）装置，如本题附图所示。液封的作用是，当炉内压力超过规定值时，气体便从液封管排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。解：水 gh13.3h 13.3水 g13.3100010009.8 m 1.36m习题 7附图流体流动概述8. 密度

13、为1800 kg/m 3 的某液体经一内径为60 mm 的管道输送到某处，若其平均流速为0.8 m/s，求该液体的体积流量（m3/h）、质量流量（ kg/s）和质量通量 kg/(m 2· s) 。解： 23.140.0623600m3s 8.14m3hhuAud0.8V44wsuAu23.1421000kg s 2.26 kg sd0.80.0644Gu0.81000 kgm 2s800 kgm 2s9在实验室中，用内径为1.5 cm 的玻璃管路输送20 的 70%醋酸。已知质量流量为10 kg/min 。试分别用用 SI 和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。解：（ 1

14、）用 SI 单位计算查附录 70%醋酸在 20 时，1069 kgm3 ，2.50 10 3 Pa sd1.5cm 0.015mu b10 604 0.015 21069 m s0.882 m sRedub0.0150.88210692.510 35657故为湍流。（ 2）用物理单位计算1069 g cm 3 ，0.025 gcmsd1.5cm ， u b88.2c m sRedub1.588.21.069 0.025565710有一装满水的储槽，直径1.2 m，高 3 m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直径为 4 cm，测得水流过小孔的平均流速u0 与槽内水面高度 z 的关系为：u00.6

15、22zg试求算（ 1）放出 1 m3 水所需的时间（设水的密度为1000 kg/m 3）；（ 2）又若槽中装满6煤油，其它条件不变，放出1m3 煤油所需时间有何变化（设煤油密度为800 kg/m 3）？解：放出1m3 水后液面高度降至z1，则z1z013 0.8846 m 2.115m0.7851.22由质量守恒，得w2w1dM0 ， w10（无水补充）dw2u0 A00.62A02gz（A0 为小孔截面积）M AZ(A 为储槽截面积 )故有0.62 A02gzA dz0d即dz0.62 A0d2gzA上式积分得2( A )( z 01 2z11 2 )0.622g A02120.629.81

16、31 22.1151 2 s126.4s 2.1min20.0411如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7 m，水从 108 mm× 4 mm 的管道中流出，管路出口高于地面1.5 m。已知水流经系统的能量损失可按hf=5.5u2 计算，其中 u为水在管内的平均流速（m/s）。设流动为稳态，试计算（ 1） A-A'截面处水的平均流速； （ 2）水的流量（ m3/h）。解：（ 1） A- A'截面处水的平均流速在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得gz11 ub12p1gz21 ub22 p2hf22（ 1）式中z1=7 m ， ub1 0，p1=0（表压

17、）2代入式（ 1）得9.81 7 9.81 1.5 1 ub225.5ub222ub3.0 m s（ 2）水的流量（以m3/h 计）Vsub2 A 3.03.140.018 2 0.004 20.02355m 3 s 84.78m 3 h47习题 11 附图习题 12 附图12 20 的水以 2.5 m/s 的平均流速流经38 mm × 2.5 mm 的水平管，此管以锥形管与另一 53 mm×3 mm 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力。若水流经A、B 两截面间的能量损失为1.5 J/kg，求两玻璃管的水面差（以mm

18、计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。解：在 A、 B 两截面之间列机械能衡算方程12p112p2gz12ub1gz22ub2hf式中z123.0m s=z =0， u b1A1d122.5 0.0380.002522u b2ub1u b1m s 1.232 m sA2d 220.0530.0032 hf=1.5 J/kgp1p2 ub2ub22ub12hf1.23222.521.5 J kg 0.866J kg22故p1p20.866 9.81m0.0883m88.3mmg13如本题附图所示，用泵 2 将储罐 1 中的有机混合液送至精馏塔 3 的中部进行分离。已知储罐内液面维持恒

19、定，其上方压力为1.0133105 Pa。流体密度为 800 kg/m 3。精馏塔进口处的塔内压力为 1.21105 Pa，进料口高于储罐内的液面8 m，输送管道直径为 68 mm4 mm，进料量为 20 m3/h。料液流经全部管道的能量损失为 70 J/kg，求泵的有效功率。解：在截面 A-A 和截面 B - B 之间列柏努利方程式，得p1u12gZ1Wep2u22gZ2hf22p11.0133105；1.21105；8.0m；Pa p2Pa Z 2 Z1u1；hf70 J kg习题 13 附图0u2VV20 3600m s1.966 m sA3.1420.06820.0042d44ppu2

20、u 2We2121g Z 2Z1hf281.211.01331051.96629.8 8.0 70 J kgWe80022.461.93 78.470J kg175 J kgN e ws We20 3600800173 W768.9W14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可按 hf=20 u2 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W1dMW2d（1）习题 14 附图W10，

21、 W2d 02u b4（2）DdMdh（ 3）2d4d将式（ 2），（ 3）代入式（1）得22dh4d0 ub4Dd0即ub( D )2 dh0（ 4）d0d在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程gz1ub12p1gz2ub22p2hf22即ghub2hfub220ub220.5ub222或写成h20.5 ub29.81ub0.692h（ 5）式（ 4）与式（ 5）联立，得0.692h(2) 2dh00.032d即5645 dhdhi.c.=0，h=h =2 m ； =， h=1m1积分得56452121 2s 4676s 1.3h动量传递现象与管内流动阻力15某不可压缩流体在矩形截面的管

22、道中作一维定态层流流动。设管道宽度为b，高度900L ，两端压力降为p ，试根据力的衡算导出（1）剪应力随高2y，且 b>>y ，流道长度为度 y（自中心至任意一点的距离）变化的关系式； （ 2）通道截面上的速度分布方程； （ 3）平均流速与最大流速的关系。解：（ 1）由于 b>>y 0 ,可近似认为两板无限宽，故有1 ( p 2 yb)p y（ 1）2bLL（ 2）将牛顿黏性定律代入（ 1）得 dudydup ydyL上式积分得upy 2C（ 2）2 L边界条件为y=0， u=0，代入式（ 2）中，得C=- Cpy022L因此up ( y 2y02 )（ 3）2 L（

23、 3）当 y=y0， u=umax故有p2umax2L y0再将式（ 3）写成uumax1( y )2（ 4）y0根据 ub 的定义，得ub1udA1Aumax 1 ( y ) 2 dA2umaxAAAy0316不可压缩流体在水平圆管中作一维定态轴向层流流动，试证明（1）与主体流速 u相应的速度点出现在离管壁 0.293ri 处，其中 ri 为管内半径；（ 2）剪应力沿径向为直线分布，且在管中心为零。解：（ 1） uumax1 ( r )22ub1( r )2（ 1）riri当 u=ub 时，由式（ 1）得( r )211ri2解得 r 0.707r i由管壁面算起的距离为yrirrii0.2

24、93ri（ 2）0.707r由du 对式（ 1）求导得 dr10du2umaxrdrri2故2umaxr4riubr（ 3）ri22在管中心处， r =0，故 =0。17流体在圆管内作定态湍流时的速度分布可用如下的经验式表达uzr1 71umaxR试计算管内平均流速与最大流速之比u /umax。111 7RRr解： uuz 2rdr1umax 2rdrR2R200R令1r，则rR(1 y )Ry1R111u2uz 2rdr2y1 7umax 2R2 (1y)dy2umax ( y1 7y8 7 )dy 0.817umaxR0R0018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

25、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或hf=pf / =Lub2d2hf2=（2)(d1)(ub2)2hf1d2u b11式中d1=2，ub2=（d1）2=4d 2ub1d 2因此hf2= (2)(2)(4) 2=322hf111又由于0.316Re0.252=（Re1)0.25=（d1ub1)0.2510.25=（ 0.5） 0.25=0.841Re2d2ub2=（ 2×)14hf2故=32 × 0.84=26.9hf11119用泵将 2×104 kg/h 的溶液自反应器

26、送至高位槽（见本题附图） 。反应器液面上方保持25.9 × 103 Pa 的真空度， 高位槽液面上方为大气压。管道为76 mm× 4 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/m 3 ，黏度为6.310-4 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，间习题 19 附图列机械能衡算方程，以截面1-1，为基准水平面，得gz1 ub12p1Wegz2ub2

27、2p2hf（ 1）22式中z1=0， z2=17 m ，ub1 0ub2w2104m s1.43 m s36000.7850.0682d210734p1=-25.9× 103 Pa (表 )， p2=0 ( 表 )将以上数据代入式（1），并整理得Weg (z2ub22p2p1hfz1 )21.432+ 25.9 103+hf =192.0+ hf=9.81×17+21073其中hf =（LLeub22+）d2Redub=0.0681.43 1073=1.656 × 1050.6310 3e d0.0044根据 Re 与 e/d 值，查得 =0.03 ，并由教材可查

28、得各管件、阀门的当量长度分别为闸阀（全开）： 0.43× 2 m =0.86 m标准弯头：2.2× 5 m =11 m故f =(0.03× 35 0.86 11 +0.5+4) 1.432J kg =25.74J/kgh0.0682于是We192.025.74 J kg217.7 J kg泵的轴功率为N s=We w /=217.7 2104W =1.73kW36000.7流体输送管路的计算1220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

29、，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 ；当闸阀部分开启时，测得R=400 mm、h=1400 mm 。摩擦习题 20 附图系数可取为 0.025，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。问每小时从管中流出多少水（m3）？（ 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ub12p1ub22p2hf，12（ a）gz1gz222式中p1=0(表 )p 2Hg gRH 2 O gR13600 9.81 0.4 10009.81 1.4 Pa39630Pa（表）ub2=0， z2=0z1 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H2 O g( z1h)Hg gR（b）式中h=1.5 m,R=0.6 m将已知数据代入式（b）得z113600