化工原理第二版杨祖荣主编习题答案完整版 .doc
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1、目 录第一章 流体流动与输送机械(2)第二章 非均相物系分离(38)第三章 传热(44)第四章 蒸发(70)第五章 气体吸收(74)第六章 蒸馏(96)第七章 固体干燥(120) 1. 某烟道气的组成为CO2 13,N2 76,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 M m = y i M i = (0.13 44 + 0.76 28 + 0.11 18) 10 ?3 = 28.98 10 ?3 kg/mol 混合密度 m =pM m 101.3 10 3 28.98 10 ?3 = = 0.457kg/m 3 8.3
2、1 (273 + 500) RT 2已知 20时苯和甲苯的密度分别为 879 kg/m3和 867 kg/m3,试计算含苯 40及甲苯 60(质量)的混合液密度。 解: 1m=1a1+ 2a2=0.4 0.6 + 879 867 混合液密度 m = 871.8kg/m 3 3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 = p a + p 表 = p a p 表 ( p 表 = ( p ap 真 )p a = 101.3130) ? 75 = 156.3
3、kPa 4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 p = p0 + gz = p1 + gh z = p1 + gh ? p 0 p ? p0 (58 ? 42) 10 3 = 1 +h= + 0.55 = 2.36m g g 900 9.81 5. 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 8
4、00 kg/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 h1 h2 C 题5 附图 A B D p = p a + 油 gh1 + 水 gh2 = p a + 水 gh h= 油 h1 + 水 h2 水 = 油 水 h1 + h2 = 800 0.7 + 0.6 = 1.16m 1000 (2) p A p B pC = p D 6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
5、:如图,1-2 为等压面。 1 2 p1 = p + gh p 2 = p a + 0 gR 题 6 附图 p + gh = p a + 0 gR 则容器内表压: p ? p a = 0 gR ? gh = 13600 0.45 9.81 ? 900 0.8 9.81 = 53.0 kPa 7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
6、,且处于同一水平面,因此为等压面,即 题7 附图 p1 = p1 ,p 2 = p 22 又 p1 = p A ? gm p1 = p 2 + 0 gR = p 2 + 0 gR = p B ? g (m + R) + 0 gR 所以 p A ? gm = p B ? g (m + R) + 0 gR 整理得 p A ? p B = ( 0 ? ) gR 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 p A ? p B = (13600 ? 1000) 9.81 0.18 = 22249Pa 8用U形压差计测量
7、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 p1 ? p 2 Rg 0 用双液体 U 管压差计测量时,有 p1 ? p 2 = R g ( A ? C ) 因为所测压力差相同,联立以上二式,可得放大倍数 0 R 1000 = = = 14.3 R A ? C 920 ? 850 此时双液体 U 管的读数为 R
8、 = 14.3R = 14.3 12 = 171.6mm 9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 = p a 题9 附图 3 水柱高度 h= pa ? p 78 10 3 = 3 = 7.95m g 10 9.81 10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
9、 4mm m s = V s ? = 9 1830 = 16470kg/h u1 =Vs 0.785d2=9 / 3600 0.785 0.068 2 = 0.69m/s G1 = u1 = 0.69 1830 = 1262.7kg/(m 2 ? s) (2) 小管: 57 3.5mm 质量流量不变 u2 = Vs 2 0.785d 2 m s 2 = 16470kg/h = 9 / 3600 0.785 0.05 2 = 1.27m/s 或: u 2 = u1 ( d1 2 68 ) = 0.69( ) 2 = 1.27 m/s d2 50 G 2 = u 2 ? = 1.27 1830 =
10、 2324.1kg/(m 2 ? s) 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: z1 g + p1 p 1 1 2 + u12 = z 2 g + 2 + u 2 + W f 2 2 简化: 1 2 H = ( u2 + W f ) / g 2 1 = ( 1 + 20) 9.81 = 2.0
11、9m 2 4 12一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: h z1 + p1 p 1 2 1 2 + u1 = z 2 + 2 + u2 + h f g 2 g g 2 g d u 2 = u1 ? 1 ?d ? 2 ? ? 33 ? ? = 2.5? ? = 1.23m/s ? ? 47 ? ? 2 2 其中: z1 = z 2 h = 1 2 p1
12、 ? p 2 1 1 2 2 = (u 2 ? u1 ) + h f = (1.23 2 ? 2.5 2 ) + 0.07 = ?0.17 m g 2g 2 9.81 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 W f = 6.8u 2 (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
13、题 13 附图 10m z1 g + p2 p1 p 1 1 2 + u12 = z 2 g + 2 + u 2 + W f 2 2 (1) 简化: z1 g = 1 2 + u2 + W f 2 即 解得 流量 10 9.81 = 80 10 3 1 2 2 + u 2 + 6.8u 2 1000 2 u 2 = 1.57m/s VS = 4 d 2 u 2 = 0.785 0.0412 1.57 = 2.07 10 ?3 m 3 / s = 7.45m 3 /h 5 (2)流量增加 20,则 u 2 = 1.2 1.57 = 1.88m/s 此时有 z 1 g = z1 = ( p2 1
14、2 + u 2 + W f 2 80 10 3 1 + 1.88 2 + 6.8 1.88 2 ) / 9.81 = 10.78m 1000 2 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
15、管出口外侧 2-2间列柏努利方程: 题 14 附图 z1 g + p1 p 1 1 2 + u12 + We = z 2 g + 2 + u 2 + W f 2 2 p1 + We = z 2 g + p 2 ? p1 p2 1 2 + u2 + W f 2 简化: We = ms 2 1 2 + u2 + z2 g + W f 2 40 10 3 600 3600 = 1.2m/s 0.785 0.14 2 u2 = 0.785d = We = (1.3 ? 2.0) 10 6 1 + 1.2 2 + 30 9.81 + 150 600 2 = ?721.6J/kg 不需要泵,液体在压力差的
16、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 输送管路为373.5mm 如附图所示。 输送量为 2m3/h, 槽, 6 题 15 附图 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 p 1 2 1 2 u1 + z1 = 2 + + u2 + z2 + h f g 2 g 2g 简化: p1 1 2 = u2 + z2 + h f g 2 g 其中: u 2 = Vs
17、 2 / 3600 = = 0.786m/s 2 0.785 0.03 2 d 4 代入: p1 = g ( 1 2 u2 + z2 + h f ) 2g 1 0.786 2 + 12 + 1) 2 9.81 = 1830 9.81 ( = 234kPa (表压) 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 的能量损失可以表示为 W f = u 2 J/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)
18、 解: (1) 阀门全关,水静止 题 16 附图 1 h p = gh h = p 78 10 3 = 3 = 7.95m g 10 9.81 (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: 7 z1 g + p1 p 1 1 2 + u12 = z 2 g + 2 + u 2 + W f 2 2 p2 1 2 + u2 + W f 2 简化: z1 g = 7.95 9.81 = 解之: 75 10 3 1 2 2 + u2 + u2 1000 2 u 2 = 1.412m/s 4 流量: Vs = d 2 u 2 = 0.785 0.04 2 1.412 = 1.7
19、73 10 ?3 m 3 /s = 6.38m 3 /h 17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89 3.5mm, 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 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: 题 17 附图 z1
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