化工原理习题答案.docx
《化工原理习题答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理习题答案.docx（63页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
化工原理习题答案
【0-1】1m3水中溶解0.05kmol
CO2,
试求溶液中C02的摩尔分数，
水的密度为
100kg/m3°
解水1000kg/m3
葺kmol/m3
18
C02的摩尔分数
8.9910
0.05
x
Xecu1000
005.
18
【0-2】在压力为
101325Pa、温度为25C条件下，甲醇在空气中达到饱和状态。
试求:
（1）甲醇的饱和蒸气压质量浓度
Pa；
（2）空气中甲醇的组成，以摩尔分数
yA、质量分数
A、浓度
A表示。
lgpoA7.19736
（1）甲醇的饱和蒸气压poA
摩尔分数
yA
质量分数
浓度Ca
Pa
RT
质量浓度
【0-3】1000kg
169
0.167
101.325
0.16732
0.181
0.16732（10.167）29
16.933
6.8210kmol/m
8.314298
33
CaMa=6.8210320.218kg/m
的电解液中含NaOH质量分数10%、NaCl的质量分数10%、H2O的质量
分数80%，用真空蒸发器浓缩，食盐结晶分离后的浓缩液中
含NaOH50%、NaCI2%、
H2O48%，均为质量分数。
试求:
（1）水分蒸发量;
（2）分离的食盐量；（3）食盐分离后的浓缩
液量。
在全过程中，溶液中的
解电
［解液1000kg
浓缩液中
NaOH
1000xc.l=100kg
NaOH
=0.5
（质量分数）
NaOH
1000X0.l=100kg
NaCl
=0.02
（质量分数）
HaO
1000X0.8=800kg
H2O
=0.48
（质量分数）
NaOH量保持一定。
100kg
在全过程中，溶液中NaOHt保持一定，为
浓缩液量为100/0.5200kg
200kg浓缩液中，水的含量为200X0.48=96kg，故水的蒸发量为800-96=704kg
浓缩液中NaCl的含量为200X0.02=4kg，故分离的NaCl量为100-4=96kg
第一章流体流动
流体的压力
【1-1】容器A中的气体表压为60kPa，容器B中的气体真空度为1.2104Pa。
试分别求
出A、B二容器中气体的绝对压力为若干帕，该处环境的大气压力等于标准大气压力。
解标准大气压力为101.325kPa
容器A的绝对压力Pa101.325+60161.325kPa
容器B的绝对压力pB101.3251289.325kPa
【1-2】某设备进、出口的表压分别为-12kPa和157kPa，当地大气压力为101.3kPa。
试
求此设备的进、出口的绝对压力及进、出的压力差各为多少帕。
解进口绝对压力
p进101.31289.3kPa
出口绝对压力
p出101.3157258.3kPa
进、出口的压力差
p157（12）15712
169kPa或
p258.389.3
169kPa
流体的密度
【1-3】正庚烷和正辛烷混合液中，正庚烷的摩尔分数为
0.4，试求该混合液在20C下
的密度。
解正庚烷的摩尔质量为
100kg/kmol，正辛烷的摩尔质量为
114kg/kmol。
将摩尔分数换算为质量分数
正庚烷的质量分数
正辛烷的质量分数
从附录四查得
0.4100
0.4100
10.369
20C下正庚烷的密度
0.61140^9
0.631
!
684kg/m1*3，正辛烷的密度为
2703kg/m3
混合液的密度
【1-4】温度
解20C时,
苯的密度为879kg/m3，甲苯的密度为
3
867kg/m
混合液密度
8790.48670.6871.8kg/m
【1-5】有一气柜，满装时可装
6000m3混合气体，已知混合气体各组分的体积分数为
h2n2co
CO2CH4
0.40.20.320.070.01
操作压力的表压为5.5kPa，温度为40C。
试求：
⑴混合气体在操作条件下的密度;
混合气体的量为多少kmol。
解T27340313K，p101.35.5106.8kPa（绝对压力）
混合气体的摩尔质量
18.6kg/kmol
20.4280.2280.32440.07160.01
（1）混合气体在操作条件下的密度为
pMm
RT
106.818.6
8.314313
0.763kg/m3
⑵混合气体V6000m3，摩尔体积为
Mm
竺m3/kmol
0.763
混合气体的量为
n
Mm
60000.763
246kmol
流体静力学
【1-6】如习题1-6附图所示，有一端封闭的管子，装入若干水后，倒插入常温水槽中,
管中水柱较水槽液面高出2m,当地大气压力为101.2kPa。
试求：
（1）管子上端空间的绝对压
力；
（2）管子上端空间的表压；（3）管子上端空间的真空度;
氯化碳液柱较槽的液面高出多少米？
解管中水柱高出槽液面2m，h=2m水柱。
（4）若将水换成四氯化碳，管中四
（1）管子上端空间的绝对压力p绝
在水平面11'处的压力平衡，有
p绝gh大气压力
p绝10120010009.81281580Pa（绝对压力）
习题1-6附图
⑵管子上端空间的表压p表
p绝-大气压力=81580101200
19620Pa
（3）管子上端空间的真空度p真
p真=-p表=-1962019620Pa
⑷槽内为四氯化碳，管中液柱高度h'
水h
h'——
CCl4
常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为
1594kg/m3
h'
10002
1594
【1-7】在20C条件下，在试管内先装入
1.25m
12cm高的水银，再在其上面装入5cm高的水。
水银的密度为13550kg/m3，当地大气压力为
101kPa。
试求试管底部的绝对压力为多少
Pa。
解水的密度水=998kg/m3
33
p101100.12135500.059989.81117.410Pa
【1-8】如习题1-8附图所示，容器内贮有密度为
1250kg/m3的液体，液面高度为3.2m。
容器侧壁上有两根测压管线，距容器底的高度分别为
压）为29.4kPa。
试求：
（1）压差计读数（指示液密度为表的读数。
解容器上部空间的压力p29.4kPa（表压）
3
液体密度1250kg/m，指示液密度。
1400kg/
（1）压差计读数R=?
2m及1m,容器上部空间的压力（表
P
P
3.21
hRg
p'1p
3.2
21
hgR0g
p2.2h
R
gP
2.2hgR°g
Rg
0
0
在等压面11'上口P；
因g0°，故R0
Pa
p3.21
29.41032.212509.81
56.4103Pa
Pb
3.22g
29.41031.212509.81
44.1103Pa
【1-9】如习题1-9附图所示的测压差装置，其
U形压差计的指示液为水银，其他管中
习题1-9附图
皆为水。
若指示液读数为R150mm，试求A、B两点的压力
差。
解等压面11'，pp；
5PaH水g
p'1Pb0.5HR水gR汞g
由以上三式，得
PaPbR汞g°.5R水g
已知R0.15m,汞13600kg/m3,
PaPb0.15136009.810.50.1510009.81
13.64103Pa13.64kPa
【1-10】常温的水在如习题1-10附图所示的管路中流动，为测量A、B两截面间的压
力差，安装了两个串联的U形管压差计，指示液为汞。
测压用的连接管中充满水。
两
管的连接管中，充满空气。
若测压前两
U形压差计的水银液面为同一高度，试推导
两点的压力差p与液柱压力汁的读数R、R2之间的关系式。
解设测压前两U形压差计的水银液面，距输水管中心线的距离为H。
在等压面22'处
R1R1R2
P2PaH—水gR1汞g2气g
因P2P2，由上两式求得
水气
PaPb（R只2）汞2g
因气水
R2
p'2PbH-水gR2汞g
PaPbR1R2
水
汞-g
【1-11】力了排除煤气管中的少量积水，用如习题1-11
附图所示水封设备，使水由煤气管路上的垂直管排出。
已
知煤气压力为10kPa（表压），试计算水封管插入液面下的
严f处尢fIE廈J
深度h最小应为若干米。
P
g
10103
1.02m
1000981
习题1-11附图
流量与流速
【1-12】有密度为1800kg/m3的液体，在内径为
60mm的管中输送到某处。
若其流速为
0.8m/s
，试求该液体的体积流量
（m3/h）
、质量流量
kg/s与质量流速
kg/m2s
解
（1）体积流量
0v
d2u
0.0620.8
2.26103m3/s8.14
m3/h
44
（2）质量流量
qm
qv2.26
3
101800
4.07kg/s
q4072
（3）质量流速=土=一:
——=1440kg/（ms）
A_0062
4'
【1-13】如习题1-13附图所示的套管式换热器，其内管为33.5mm3.25mm，外管为
60mm3.5mm。
内管中有密度为1150kg/m、流量为5000kg/h的冷冻盐水流动。
内、外管之
间的环隙有绝对压力为0.5MPa,进、出口平均温度为0C，流量为160kg/h的气体流动。
在
标准状态下（0C,101.325kPa），气体的密度为1.2kg/m。
试求气体和盐水的流速。
解液体
1150kg/m3
内管内径d内33.53.25227mm0.027m
液体质量流量
5000kg/h，体积流量
50003/
qv甘/'
流速
5000/1150
气体质量流量
密度
流速
160kg/h
体积流量
160/5.92
b4Dl/b
习题1-13附图
习题1-14附图
3m
qm
曇mAh
士5.92kg/
101325
5.67m/s
2
3600—005300335
4''
2.11
2
36000027
4'
【1-14】如习题1-14附图所示，从一主管向两支管输送20C的水。
要求主管中水的流
速约为1.0n/s，支管1与支管2中水的流量分别为20t/h与10t/h。
试计算主管的内径，并从无缝钢管规格表中选择合适的管径，最后计算出主管内的流速。
解水：
t20C,
998.2kg/m31000kg/m3
主管的流量
体积流量
qv
30103
1000
3
30m/h，流速
u1.0m/s
管径d
30
0.103m103mm
选择108mm4mm无缝钢管，内径为d100mm,
主管内水的流速
Uqm/360°30/3600106m/s
4W）2
4d2
连续性方程与伯努利方程
【1-15】常温的水在如习题1-15附图所示的管路中流动。
在截面
1处的流速为0.5m/s,
管内径为200mm，截面2处的管内径为100mm。
由于水的压力，截面
1处产生1m高的水
柱。
试计算在截面1与2之间所产生的水柱咼度差
h为多少（忽略从
1到2处的压头损失）
U10.5m/s
d10.2m,d2
0.1m
d1
°2U1d
2
0.5
2
（2）2m/s
P1P2
2
U2
2
U1
y
2
u
2~
P2
2
U2
22—2
2
1.875
1.875
1.87510001875Pa
0.191m191mm
■T-
习题1-16附图
习题1-15附图
P1P2
Pg
1875
10009.81
另一计算法
计算液柱高度时,
【1-16】在习题
d22.5cm，液柱高度
P1
g
P1P2h
g
用后一方法简便。
1-16
解水的体积流量
I2g
22U2U1
附图所示的水平管路中,
P2
g
22
2
U2
石
052
0.191m
2981
水的流量为
1m。
若忽略压头损失，试计算收缩截面
%2.5L/s2.5103m3/s,
2.5L/s。
已知管内径d15cm,
2处的静压头。
截面1处的流速
qV
U1
2
4d1
25103
4OX
1.274m/s
截面2
丄H一丿~1丿11L/<1、U2M1
d2
0.025
1与2之间列伯努利方程，
忽略能量损失。
2
2
P1U1P2
U2
g2gg
2g
P1
d1.0.05
h-1
1
0.05
0.025
2
g
/、-P-IxT~7—
在截面
2
2
2
1274
10025
2
d1
5.1m/s
截面2处的静压头
hz
29.81
0.218m水柱
hz
2
5.1
2
9.81
负值表示该处表压为负值，处于真空状态。
【1-17】如习题1-17附图所示的常温下操作的水槽,
F面的出水管直径为57mm3.5mm。
当出水阀全关闭时，
压力表读数为30.4kPa。
而阀门开启后，压力表读数降至
20.3kPa。
设压力表之前管路中的压头损失为试求水的流量为多少m3/h?
0.5m水柱,
解出水阀全关闭时，压力表读数
30.4kPa（表压）
能反映出水槽的水面距出水管的高度
p表304103表33.1m
g1039.81
阀门开启后，压力表读数pa20.3kPa（表压）
从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速
2
乙巴+竺+g2g
U2
乙h3.1m,Hf
0.5m水柱
3.1+
1039.81
2
U2
29.810.5
U23.23m/s
d0.05m
.2
qVdu2
4
水的流量
|3/h
-0.0523.236.34103m3/s22.8m：
4
【1-18】若用压力表测得输送水、油（密度为
880kg/m3）、98%硫酸（密度为1830kg/m3）
的某段水平等直径管路的压力降均为
49kPa。
试问三者的压头损失的数值是否相等？
各为多
少米液柱?
解从伯努利方程得知，等直径水平管的压头损失Hf与压力降p的关系为Hf」。
g
【1-19】如习题1-19附图所示，有
高位槽输水系统，管径为
57mm3.5mm。
已知水
=p
49
10
水g
1000
9.81
=p
49
103
1
油g
880
9.81
p
49
103
硫酸g
1830
9.81
4.99m水柱
5.68m油柱
2.73m硫酸柱
Hf硫酸=
Hf油
Hf水
2
在管路中流动的机械能损失为
hf45U2（u为管内流速）。
试求水的流量为多少m3/h。
欲
使水的流量增加
20%，应将高位槽水面升高多少米？
解管径d
0.05m，
机械能损失
2
hf45才
（1）以流出口截面处水平线为基准面,
Z15m,Z20,u
2
U2
乙9©45
2Z?
.46
0,U2？
U2
水的流量qv4%-
1.46m/s
U2
2
U2
2.87103m
3/s10.3m3/h
（2）q'v10.2qv1.2qv
1.2U21.21.461.75m/s
2
Z'1g23（U'2）
2
（1.75）
Z'123
9.81
7.81m
高位槽应升高
7.1852.18m
【1-20】如习题1-20附图所示，用离心泵输送水槽中的常温水。
泵的吸入管为32mm2.5mm，管的下端位于水面以下
2
并装有底阀与拦污网，该处的局部压头损失为8丄。
若截面
2g
处的真空度为39.2kPa,由11'截面至22'截面的压头损
12
-—。
试求：
（1）吸入管中水的流量，m/h；⑵吸入口
22g'、）
的表压。
2m，
22'
失为
11'截面
1000kg/m
（表压）
（1）从0O'至22',0O'为基准面,
压头损失
乙
0,Z2
3m,U00,U2
?
f8
212
U21U2
=8
1U2
H
+_
—
2g22g
22g
2
2
乙
P0
U0
P2
U2
Hf
石
Z2
石
g
g
03
39.2
103
2
U2
8
2
1U2
1000
9.81
29.81
229.81
U2
1.43m/s
223
4du236004（O027）1433600295m/h
水的流量
qv
⑵从11'至22',Zi
0,Z25
2
PrP21U2
Z2
gg22g
pu39.210311.432
10009.8110009.81229.81
P110.4103Pa10.4kPa（表压）
流体的黏度
【1-21】当温度为
20C及60C时，从附录查得水与空气的黏度各为多少？
说明黏度与
温度的关系。
解20C
水1.005103Pas
空气18.1106Pas
60C
3
0.46910Pas
6
20.110Pas
水温度升高，黏度减小；空气温度升高，黏度增大。
雷诺数与流体流动类型
【1-22】25C的水在内径为50mm的直管中流动，流速为2m/s。
试求雷诺数，并判断其流动类型。
解25C,水的黏度
0.8937103Pas，密度
997kg/m3，管内径d0.05m，流速
u2m/s
RedU
0.893719971j21054000为湍流
【1-23】
（1）温度为20C、流量为4L/s的水，在57mm3.5mm的直管中流动，试判断
流动类型；
（2）在相同的条件下，水改为运动黏度为4.4cm2/s的油，试判断流动类型。
解
（1）d0.05m,qV4103m3/s,1.005103Pas,998.2kg/m3
410
4d
雷诺数
Re
⑵v
4.4cm
雷诺数
Re
qv
流速
u
【1-24】
2.038m/s
22
4（0.05）
du°.052.038998.2诃倍4000为湍流
3
1.00510
,—42
/s4.410m/s
du0-052.0382322000为层流
v4.410兀
20C的水在219mm6mm的直管内流动。
试求：
（1）管中水的流量由小变大，
当达到多少
m3/s时，能保证开始转为稳定湍流;
⑵若管内改为运动黏度为0.14cm2/s的某种
液体，为保持层流流动，管中最大平均流速应为多少?
解
（1）水，20C,
998.2kg/m[
1.005103Pas,d0.207m
Re
du
4000
0.207u998.2
u0.01945m/s
1.005103
体量流量
qv
22
—d2u—0.207
44
0.019456.54104m3/s
⑵
2
0.14cm/s
0.14104m2/s
Re巴20000.207u4u0.135m/s
0.1410
管内流体流动的摩擦阻力损失
【1-25】如习题1-25附图所示，用U形管液柱压差计测量等直径管路从截面A至懺面
B的摩擦损失hf。
若流体密度为，指示液密度为o，压差计读数为R。
试推导出用读
数R计算摩擦损失hf的计算式。
A为基准面,
B
色Hg止
hf
P
Pa
Pb
Hpghf
液柱压差计
1-1为等压
土面
Pa
R
g
Pb
H
gR0g
P
Pa
Pb
R
0
gHg
由式
（1）与式
2得
hf
R
0
g
解从截面A到截面B列伯努利方程，截面则得
此式即为用U形管压差计测量流体在两截面之间流动的摩擦损失的计算式。
【1-26】如习题1-26附图所示，有57mm3.5mm的水平管与垂直管，其中有温度为20C
的水流动，流速为3m/s。
在截面A与截面B处各安装一个弹簧压力表，两截面的距离为
6m,管壁的相对粗糙度/d0.004。
试问这两个直
管上的两个弹簧压力表读数的差值是否相同？
如果
不同，试说明其原因。
如果用液柱压差计测量压力差，则两个直管的
液柱压力计的读数R是否相同？
指示液为汞，其密
度为13600kg/m3。
解已知管内径d0.05m，水的温度t=20C
雷诺数Re巴
005399825
14910湍流
管壁相对粗糙度
0.004d
查得摩擦系数
0.0293
密度998.2kg/m3，黏度1.004103Pas,流速u3m/s
这两个直管的摩擦阻力损失相同，为
hf
lu2
002
升级会员 