化工原理(第二版)上册课后习题答案完整版柴诚敬主编.docx

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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/(cms)（2）密度 =138.6 kgf s2/m4P（3） 某物质的比热容 C =0.24 BTU/(lb)3 / 37（4） 传质系数 KG=34.2 kmol/(m2hatm)（5） 表面张力 =74 dyn/cm（6） 导热系数 =1 kcal/(mh)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 cmm =g 1kg100cm 0.008568.5610 -4

2、kg (m s)= 8.56 10 -4 Pa s则 cm s 1000g 1m（2） 密度基本物理量的换算关系为1 kgf=9.81 N，1 N=1 kgm/s2 kgf s 2 9.81N 1kg m s 2 则r = 138.6 = 1350 kgm 3m 4 1kgf1N（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 F =则5 o C9c= 0.24 BTU 1.055kJ 1lb 1F = 1.005 kJ (kg C)p lbF 1BTU 0.4536kg 5 9 C （4） 传质系数基本物理量的换算关系为1 h=360

3、0 s，1 atm=101.33 kPa则kmol1h1atm()K G = 34.2 m 2 h atm 3600s 101.33kPa = 9.378 10-5 kmolm 2 s kPa（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 10 -5 N 100cm o = 74 cm 1dyn1m = 7.4 10 -2 N m（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l = kcall 4.1868 103 J 1h()()1 = 1.163 Jm s C = 1.163 Wm C m

4、 2 h C 1kcal 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(H= 3.9 A 2.78 10-4 GE)B (12.01D)C (0.3048Z0)1 3 amLrL式中HE等板高度，ft；G气相质量速度，lb/(ft2h)； 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/ft3A、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，

5、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 2 h = 1.356 10 -3 kgm 2 s)（见 1） 量纲为一，不必换算1cp = 1 10 -3 Pa slb lb 1kg 3.2803ft 31 ft3 =1 =16.01 kg/m2 ft3 2.2046lb 1m(2) 将原符号加上“”以代表新单

6、位的符号，导出原符号的“数字”表达式。下面以 H 为例：EH ft = H mEE则H= H EEm = H ftEm 3.2803ftftm= 3.2803H E同理G = G(1.356 10 -3 )= 737.5GD = 3.2803DZ= 3.2803Z 00m= m(1 10 -3 )LLr= r 16.01 = 0.06246rLLL(3) 将以上关系式代原经验( 公式，得)()3.2803H = 3.9 0.57 2.78 10-4 737.5GE-0.1 12.01 3.2803D 1.24 (0.3048 3.2803Z 0)1 3 a1000mL0.0624r L整理上式

7、并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即H= 1.084 10 -4EA(0.205G)-0.1 (39.4D)1.24amrZ 1 3L0L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：H 40%、 N 20%、CO 32%、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pV(101.3 + 5.5)1000.0 6000n=mol = 246245.4moltRT8.314 313各组分的质量：m= 40%

8、n MH 2tH 2m= 20%n MN 2tN 2m= 32%n MCOtCOm= 7%n M= 40% 246245.4 2kg = 197kg= 20% 246245.4 28kg = 1378.97kg= 32% 246245.4 28kg = 2206.36kg= 7% 246245.4 44kg = 758.44kgCO 2mCH 4t= 1%ntCO 2 MCH 4= 1% 246245.4 16kg = 39.4kg2. 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= m +

9、 m12= (60 + 60)kg = 120kgmm6060 V = V + V=1 +2 = +m3= 0.157m31t12rr83071012r= mtmV120=kg m30.157= 764.33 kg m3t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？最新资料推荐解：（1）设备内绝对压力()绝压=大气压-真空度= 85.3 103 - 20 103 Pa = 65.3kPa（

10、2） 真空表读数()真空度=大气压-绝压= 101.33 103 - 65.3 103 Pa = 36.03kPa4. 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 + rgh = 101.3103 + 960 9.81(9.5 -1.0) P

11、a =1.813103 Pa（绝压）作用在孔盖上的总力为F = ( p - p )A（1.813103101.3103） 0.762 N3.627104 Na4每个螺钉所受力为F = 39.510 0.0142 N = 6.093103 N14因此n = F F1= 3.627104(6.093103)N = 5.95 6（个）5. 如本题附图所示，流化床反应器上装有两个 U 管习题 4 附图压差计。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=100mm。试求 A、B 两点的表压力。)解：（1

12、）A 点的压力习题 5 附图p= rgRA水3+ rgR汞2= (1000 9.81 0.1 + 13600 9.81 0.08Pa = 1.165 104 Pa（表）（2）B 点的压力p= pB( A+ rgR汞1)= 1.165104 +136009.810.5 Pa = 7.836104 Pa（表）4 / 37习题 6 附图最新资料推荐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

13、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， p= pAA则p+rgh+rgR = p水汞ap = p(a- rgh - rgR水汞)= 101.3 103 - 1000 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： r水gh = 13.3h = 13.3 (r水g )= 13.3 1000 (1

14、000 9.8)m = 1.36m习题 7 附图流体流动概述8. 密度为 1800 kg/m3 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/(m2s)。解：V= uA = u d 2 = 0.8 0.062 3600 m3 s = 8.14 m3 h3.143.14h44w = uAr = ud 2 r = 0.8 0.062 1000 kg s = 2.26 kg s(s44G = ur = 0.8 1000 kgm 2 s)= 800 kgm 2 s)9. 在实验室中，用内径为1.5 c

15、m 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）用 SI 单位计算查附录 70%醋酸在 20 时， r = 1069 kg m 3 ，m = 2.50 10 -3 Pa s(d = 1.5cm = 0.015mu= 10(b60 4 0.0152 1069)m s = 0.882 m sRe = dumr = 0.015 0.882 10692.5 10-3)= 5657 故为湍流。b（2） 用物理单位计算r = 1069 g cm3 ，m = 0.025 g(cm s)5 / 37最新资

16、料推荐d = 1.5cm ， u= 88.2c m sbRe =du rb= 1.5 88.2 1.069 0.025 = 5657m10. 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：2zgu0 = 0.62试求算（1）放出 1 m3 水所需的时间（设水的密度为 1000 kg/m3）；（2）又若槽中装满煤油，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/m3）？1解：放出 1m3 水后液面高度降至 z ，则z = z10-1= (3 - 0.88

17、46)m = 2.115m 0.7851.22由质量守恒，得w - w + dM = 0 ， w= 0 （无水补充）21dq1w = ru A20 0= 0.62r A2gz0（A 为小孔截面积）0M = rAZ(A 为储槽截面积)故有0.62rA02gz + rA dz = 0dq2gz即dz= -0.62 A dq0A上式积分得q =2( A A0.622g0)(z 1 20- z 1 2 )10.622 9.8121 2 ()= 0.04 31 2 - 2.1151 2s = 126.4s = 2.1min11. 如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面 7 m，水从108 mm4 mm

18、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11ppgz +u2 +1 = gz +u2 +2 + h（1）12b1r22b2rfb11式中z1=7m，u0，p =0（表压）z2=1.5m，p2=0（表压），ub2 =5.5 u2代入式（1）得19.81 7 = 9.811.5 +u2 + 5.5u22 b2b2u= 3.0 m sb（2

19、） 水的流量（以 m3/h 计）6 / 37最新资料推荐V = usb2A = 3.0 3.144 (0.018 - 2 0.004)2= 0.02355 m3 s = 84.78 m3 h1220 的水以 2.5 m/s 的平均流速流经38 mm2.5 mm 的水平管，此管以锥形管习题 11 附图习题 12 附图与另一53 mm3 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 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

20、能衡算方程11ppgz +u2 +1 = gz +u2 +2 + h12b1r22b2rf式中z =z =0， u= 3.0 m s12b1 A d 2 0.038- 0.0025 2 2u= u1 = u1 = 2.5m s = 1.232 m s2b2hf=1.5J/kgb1A2b1 d 2 0.053- 0.003 2 p - pu 2 - u 2 1.2322 - 2.52r12 u=b2b2b1 +2h =f2+ 1.5 J kg = -0.866 J kg故p - p1 rg 2 = 0.866 9.81m = 0.0883m = 88.3mm13. 如本题附图所示，用泵2 将储罐

21、 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定，其上方压力为1.0133 105 Pa。流体密度为 800 kg/m3。精馏塔进口处的塔内压力为 1.21 105 Pa，进料口高于储罐内的液面8 m，输送管道直径为 68 mm 4 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。u2pu2解：在截面 A-A和截面B - B之间列柏努利方程式，得p1 +1 + gZ + W =2 +2 + gZ + hr21er22fp = 1.0133105 Pa；p12= 1.21105 Pa；Z- Z21= 8.0m；习题 13 附图

22、u 0；1 h = 70 J kgfVV20 3600u=m s = 1.966 m s2A3.14()2d 2440.068- 2 0.004p - pu2 - u2()W =21 +21 + g Z - Z+her221f7 / 37最新资料推荐() 1.21-1.0133 1051.9662W =e800+2+ 9.88.0 + 70 J kg= (2.46 +1.93 + 78.4 + 70)J kg = 175 J kgN= w W = 20 3600800173W = 768.9Wese14. 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

23、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dMW = W +12dq习题 14 附图（1）W = 0，W =d 2u r1（2）dM240 b= D2r dh（3）dq4dq将式（2），（3）代入式（1）得d 2u40 br + p D2 r dh = 0 4dq即 u + ( D )2 dh = 0bddq0（4）在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程+u2gzb1p = gz1u2p+b22+ h12

24、r22rf即u2u2gh =b + h =b + 20u2 = 20.5u2或写成2f2bb=20.5hu29.81 bu = 0.692 h（5）b式（4）与式（5）联立，得0.692h + (2)2 dh = 0q0.032d即- 5645 dhh= dqi.c.=0，h=h1=2m；=，h=1m积分得q = -5645 21 - 21 2 s = 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道中作一维定态层流流动。设管道宽度为b，高度8 / 37最新资料推荐002y ，且 by ，流道长度为 L，两端压力降为Dp ，试根据力的衡算导出（1）剪应力

25、随高度 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 by0 ,可近似认为两板无限宽，故有t =1(-Dp 2 yb) = - Dp y（1）2bLL（2）将牛顿黏性定律代入（1）得t = -m dudym du = Dp ydyL上式积分得10 / 37Dp u = 2mLy 2 + C（2）Dp边界条件为y=0，u=0，代入式（2）中，得 C=- C =因此u = Dp ( y 2 - y 2 )（3）y 22mL02mL0（3）当 y=y ，u=u故有 umax0= - Dp y22mL0max再将式（3）写成y

26、（4）u = u1- ()2 max y0根据 ub 的定义，得1 1 y2u =udA =u1- ()2 dA =ubAAAA max y30max16. 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）rr（1）u = u1- ()2 = 2u1- ()2 max rir1当 u=ub 时，由式（1）得()2 = 1 -b rir2i解得r = 0.707ri由管壁面算起的距离为 y = ri- r = ri- 0.707ri= 0.29

27、3ri（2）由t = -m du对式（1）求导得drdu = 2umax ridrr 2故t = 2mumaxr = 4mur（3）br 2r 2ii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ur 1 7zumax= 1 -R 试计算管内平均流速与最大流速之比 u /u。解： u =1R u2rdr =1R 1-maxur 1 72rdrR20z令R20 R max1- r = y，则r = R(1- y) Ru =1R2R u0z2rdr =1R21 y1 7u 0max2R2 (1- y)dy = 2umax1 ( y1 7 - y8 7 )

28、dy =0.817u0max18. 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fDp = r hf或hf= Dpf/ r = lL r u 2bd2 hlduhf2 =（ l2 )( d 1 )( ub2 ) 2f112b11式中d d2=2 ， ub2ub1d=（1 ）2 =4d2l hll因此f2h= ( l2 )(2)(4) 2 =322f111又由于l = 0.316Re0.25lRe2 =（1 )0.25 =（d u1 b1 )0.25 =（21

29、)0.25 =（0.5）0.25=0.841lRe12d u42b2 h故f2hf1=320.84=26.9最新资料推荐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f 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

30、：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z + u2 + p + W = gz + u2 + p + hb112r1eb222r2fg式中z1=0，z2=17 m，u0（1）ub2 = p4wd 2 rb1=2 104m s = 1.43 m s 3600 0.785 0.0682 1073p1=-25.9103Pa (表)，p2=0 (表)将以上数据代入式（1），并整理得u2p - pW = g(z - z ) +b2 +21 + he212rf=9.8117+ 1.432 + 25.9 103 + h =192

31、.0+ h21073ff其中h =（ l +L + Le+ z ） u2b2fd2Re =du rb= 0.068 1.431073=1.656105m0.6310-3e d = 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 =11m故 h =(0.03 35 + 0.86 +11 +0.5+4) 1.432 J kg =25.74J/kgf0.0682于是W= (192.0 + 25.74)J kg = 217.7 J kge泵的轴功率为N s=W ew /h = 217

32、.7 2 104 W =1.73kW3600 0.7流体输送管路的计算11 / 37最新资料推荐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；习题 20 附图当闸阀部分开启时，测得R=400 mm、h=1400 mm。摩擦系数l 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

33、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+=u2p1rgzb1gz12u2p+rb2222+ hf，12（a）式中p1=0(表)p= r2HggR - rH 2OgR = (13600 9.81 0.4 - 1000 9.81 1.4)Pa = 39630Pa（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

34、方程知rH2Og(z1+ h) = rHggR（b）式中h=1.5m,R=0.6m将已知数据代入式（b）得 13600 0.61z= 1000- 1.5m = 6.66m152 h= (l L + zu= 2.13u2 = (0.025 + 0.5) u2= 2.13u2)bbf,1-2dc2b0.12b39630将以上各值代入式（a），即9.816.66= u 2 +2.13u 2解得ubb2= 3.13 m s1000b()水的流量为Vs= 36004d 2 u=b3600 0.785 0.12 3.13m3 s = 1.43 m3 s（2） 闸阀全开时测压点处的压力在截面 1-1，与管路

35、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+=u2p1rgzb1gz12u2p+rb3332+ hf，13（c）式中z1=6.66m，z3=0，ub1=0，p1=p312 / 37最新资料推荐 h= (l L + L + z ) u 2 = 0.025( 35 +15) + 0.5 u2= 4.81u2ebbf,1-3dc20.1 2b将以上数据代入式（c），即b9.816.66= u 2 +4.81u 2b2解得ub = 3.13 m s再在截面 1-1，与 2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得+=u2p1rgzb1gz12u2p+rb2222+ hf，12（d）式中z1=6.66m，z2=0，ub1 0，ub2=3.51m/s，p1=0（表压力）h= 0.0251.5 + 0.5 3.512J kg = 26.2