化工原理第二版贾绍义夏清版课后习题答案天津大学.docx

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化工原理第二版贾绍义夏清版课后习题答案天津大学

化工原理课后习题答案

（夏清、陈常贵主编•化工原理•天津大

学出版社,2005.）

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960kg/的油品，油面高于罐底m,油面上方

为常压。

在罐侧壁的下部有一直径为760mm的圆孔，其中心距罐底800mm，孔盖用14mm

b螺=x103xxxn

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，相界面与油层的吹气管出口距离h。

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1-1'和4-4'为等压面,

2-2'和3-3'为等压面，且1-1'和2-2'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厶h

在1-1'与2-2'截面之间

P1=P2+p水银gR

•••P1=P4,P2=P3

且P3=p煤油gAh,P4=p水g（H-h）+p煤油g（△h+h）

联立这几个方程得到

p水银gR=p水g（H-h）+p煤油g（Ah+h）-p煤油gAh即

p水银gR=p水gH+p煤油gh-p水gh带入数据

x103x1-x103x=hxx103）

h=m

5•用本题附图中串联U管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸气压，U管压差计的指示液为

水银，两U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：

h1=,h

2=,h3=,h4=。

锅中水面与基准面之间的垂直距离h5=3m。

大气压强pa=x1O3Pao

试求锅炉上方水蒸气的压强P。

七聘，用田

分析：

首先选取合适的截面用以连接两个U管，本题应

选取如图所示的1-1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1-1截面处的压强为P1

对左边的U管取a-a等压面，由静力学基本方程

P0+p水g（h5-h4）=P1+p水银g（h3-h4）代入数据

P0+x103xx

=P1+x103xx对右边的U管取b-b等压面，由静力学基本方程P1+p水g（h3-h2）=

p水银g（h1-h2）+pa代入数据

P1+X103XX（X103XX（+X103

解着两个方程得

P0=x105Pa

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p。

压差计中以油和

水为指示液，其密度分别为920kg/m3,998kg/m3,U管中油、水交接面高度差R=300m

m,两扩大室的内径D均为60mm,U管内径d为6

=卩水gR-p油gR+p油g（h2-h1）

当p表=0时，扩大室液面平齐

即n（D/2）2（h2-h1）=n（d/2）2R

h2-h1=3mm

p表=X102Pa

7列管换热气的管束由121根©X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50C、压强为196X103Pa俵压），当地大气压为X103Pa试求：

⑴空气的质量流量；⑵操作条件下，空气的体积流量；⑶将⑵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Vs=uA=9Xn/4X2X121=m3/s

质量流量Ws=VSp=VsX（MP）/（RT）

=X[29X+196）]/[X323]=kg/s

换算成标准状况V1P1/V2P2=T1/T2

VS2=P1T2/P2T1XVS1=X273）/（101X323）X

=m3/s

8.高位槽内的水面高于地面8m，水从©108X

4mm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Xhf

=u2计算，其中u为水在管道的流速。

试计算:

⑴A—A截面处水的流速；

⑵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1—1,和出管口2—2，,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1—1，，2—2,处列柏努力方程

Zig+0+P1/p=Z2g+u2/2+P2/p+Xhf

（Z1-Z2）g=U/2+代入数据

（8-2）X=7U2,u=s

换算成体积流量

VS=uA=Xn/4XX3600

=82m3/h

9.20r水以s的流速流经©38X的水平管，此管以锥形管和另一©53X3m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。

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A、E两截面处的流速分别为uAub

UB=（Aa/Ab）UA=（3347）2X=s

在A、E两截面处列柏努力方程

Zig+ui2/2+P1/p=Z2g+u22/2+P2/p+Xhf

2：

•（Pi-P2）/p=Xhf+（ui2-u22）/2

g（hi-h2）=+/2

hi-h2=m=mm

即两玻璃管的水面差为

10•用离心泵把20°C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①

76X，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为x103Pa水流经吸入管与排处管（不包括喷头）的能量损失可分别按Xhf,i=2u2，Xhf,2=10u2计算，由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速m/s。

排水管与喷头连接处的压强为x103Pa（表压）。

试求泵的有效功率。

分析：

此题考察的是运用柏努力方程求算管路

系统所要求的有效功率把整个系统分成两部分来处理，从槽面到真空表段的吸入管和从真空表到排出口段的排出管，在两段分别列柏努力方程。

解：

总能量损失Xhf=Xhf+，iXhf，2

ui=u2=u=2u2+10u2=12u2

在截面与真空表处取截面作方程：

Z0g+U02/2+F0/p=zig+u2/2+Pi/p+Xhf，i

（P0-P1）/p=zig+U/2+Xhf，1•:

u=2m/s

•ws=uAp=s

在真空表与排水管-喷头连接处取截面zig+u^+Pi/p+We=z2g+u2/2+P>/p+Xhf，2

•We=z?

g+u2/2+P>/p+Xhf，2—（zig+u2/2+Pi/p）

=X+（+）/Xi03+i0X22

=kg

11.本题附图所示的贮槽内径D为2m,槽底与内径

do为33mm的钢管相连，槽内无液体补充，其液面高度ho为2m（以管子中心线为基准）。

液体在本题管内流动时的全部能量损失可按刀hf=20u2公式来计

算，式中u为液体在管内的流速m/s。

试求当槽内液面下降1m所需的时间。

分析：

此题看似一个普通的解柏努力方程的题，分析题中槽内无液体补充，则管内流速并不是一个定值而是一个关于液面高度的函数，抓住槽内和管内的体积流量相等列出一个微分方

程，积分求解。

解：

在槽面处和出口管处取截面1-1,2-2列柏努力方程

hig=u2/2+刀hf=u2/2+20u2

u=1/2=2

槽面下降dh,管内流出uA2dt的液体

.Adh=uA2dt=2A2dt

.dt=A1dh/

（2）

对上式积分：

t=1.8.h

13.用压缩空气将密度为1100kg/m3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液位恒定。

管路直径均为e6ox,

其他尺寸见本题附图。

各管段的能量损失为刀hf,AB=Eh

f,CD=u2,刀hf,BC=。

两压差计中的指示液均为水银。

试求当R1=45mm,h=200mm时：

（1）压缩空气的压强P1为若

干

（2）U管差压计读数R,为多少

解：

对上下两槽取截面列柏努力方程

0+0+P1/p=Zg+0+P?

/p+Ehf

--P1=Zgp+0+P2+p刀hf

=10XX1100+1100（2u2+）

=X103+3498u2

在压强管的B,C处去取截面，由流体静力学方程得

Pb+pg（x+Ri）=Pc+pg（hBc+x）+p水银Rig

PB+1100xx（+x）=Pc+1100XX（5+x）+x103XX

Pb_Pc=x104Pa

在B,C处取截面列柏努力方程

0+ub2/2+Pb/p=Zg+uc2/2+FC/p+Ehf,bc

•••管径不变，•••Ub=uc

Pb-Pc=p（Zg+Ehf,bc）=1100X（+5X）=X104Pau=s

压缩槽内表压P1=x105Pa

（2）在B,D处取截面作柏努力方程

0+u2/2+Pb/p=Zg+0+0+Ehf,Bc+Ehf,CD

Pb=（7X++）X1100=X104Pa

Pb-pgh=p水银R?

g

X104-1100XX=X103XXR2

R2=

15.在本题附图所示的实验装置中，于异径水平管段两截面间连一倒置U管压差计，以测量两截面的压强差。

当水的流量为10800kg/h时，U管压差计读数R为100mm，粗细管的直径分别为①60X与①45X。

计算：

（1）1kg水流经两截面间的能量损失。

（2）与该能量损失相当的压强降为若干Pa

解：

（1）先计算A,B两处的流速:

ua=ws/psA=295m/s,ub=ws/psb

在A,B截面处作柏努力方程：

ZAg+UA2/2+PA/p=ZBg+UB2/2+PB/p+Ehf

•1kg水流经A,B的能量损失：

Ehf=（Ua2-ub2）/2+（Pa-Pb）/p=（ua2-ub2）/2+pgR/p=kg

（2）•压强降与能量损失之间满足:

16.密度为850kg/m3，粘度为8x10-3Pa-s的液体在内径为14mm的钢管内流动，溶液的流速为1m/s。

试计算：

（1）泪诺准数，并指出属于何种流型

（2）局部速度等于平均速度处与管轴的距离；（3）该管路为水平管，若上游压强为147X103Pa,液体流经多长的管子其

压强才下降到x103Pa

解：

（1）Re=dup/

=（14x10-3x1x850）/（8x10-3）

=x103>2000

•此流体属于滞流型

（2）由于滞流行流体流速沿管径按抛物线分布，令管径和流速满足

y2=-2p（u-um）

当u=0时，y2=r2=2pum•p=r2/2=d2/8

当U=U平均=Umax=S时,

y2=-2p（）=d2/8

=d2

•即与管轴的距离r=x10-3m

（3）在147X103和X103两压强面处列伯努利方程

u12/2+FA/p+Z1g=u22/2+Pb/p+Z?

g+刀hf

■/u1=u2,Z1=Z2

•-Pa/p=FB/p+Ehf

损失能量hf=（Pa-Pb）/p=（147XX103）/850

•••流体属于滞流型

•摩擦系数与雷若准数之间满足入=64/Re

又Thf=入X（|/d）xu2

•l=

•••输送管为水平管，•管长即为管子的当量长度即：

管长为

19.内截面为1000mmx1200mm的矩形烟囱的高度为30Aim。

平均分子量为30kg/kmol,

平均温度为400C的烟道气自下而上流动。

烟囱下端维持49Pa的真空度。

在烟囱高度范围

内大气的密度可视为定值，大气温度为20C，地面处的大气压强为x103Pa。

流体经烟囱时

的摩擦系数可取为，试求烟道气的流量为若干kg/h

解：

烟囱的水力半径rh=A/n=（ix/2（1+=

20.每小时将2x103kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽。

反

流体流经烟囱损失的能量

Ehf=入（1/de）•u2/2

=x（30/xu2/2

空气的密度

p空气=PM/RT=m3

烟囱的上表面压强

（表压）P上=-p空气gh=xx30

=Pa

烟囱的下表面压强

（表压）P下=-49Pa

烟囱内的平均压强

P=（P上+P下）/2+P0=101128Pa

由p=PM/RT可以得到烟囱气体的密度

（30x10-3x101128）/（x673）

Kg/m3

在烟囱上下表面列伯努利方程

P上/p=P下/p+Zg+Ehf

•••Ehf=（P上-P下”p—Zg

=（-49+/-30x

应器液面上方保持x103Pa的真空读，高位槽液面上方为大气压强。

管道为的钢管，总长为

50m，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），5个标准弯头。

反

应器内液面与管路出口的距离为15m。

若泵效率为，求泵的轴功率。

解：

流体的质量流速3s=2x104/3600=kg/s

流速u=3s/（Ap）=s

雷偌准数Re=dup/卩=165199>4000

查本书附图1-29得5个标准弯头的当量长度：

5X=

2个全开阀的当量长度：

2X=

•••局部阻力当量长度刀ie=+=

假定1/入1/2=2lg（d/&）+=2lg（68+

•••入=

检验d/（eXRex入1/2）=>

•符合假定即入=

•••全流程阻力损失Eh=^x（I+Ele）/dXu2/2+zxu2/2

=[X（50+/（68X103）+4]X2

=J/Kg

在反应槽和高位槽液面列伯努利方程得

P1/p+We=Zg+P/p+Eh

We=Zg+（R-巳）/p+Eh

=15X+X103/1073+

=J/Kg

有效功率Ne=WeXws=X=X103

轴功率N=Ne/n=x103/=x103W

21.从设备送出的废气中有少量可溶物质，在放空

之前令其通过一个洗涤器，以回收这些物质进

行综合利用，并避免环境污染。

气体流量为3600m3/h，其物理性质与50C的空气基本相同。

如

本题附图所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的U管压差计，起读数为

30mm。

输气管与放空管的内径均为250mm，管长与管件，阀门的当量长度之和为50m,放空机与鼓风机进口的垂直距离为20m，已估计气体通过塔内填料层的压强降为x103Pa。

管

壁的绝对粗糙度可取，大气压强为x103。

求鼓风机的有效功率。

解：

查表得该气体的有关物性常数P=，卩=x10-5Pa•s

气体流速u=3600/（3600x4/nX=m/s

质量流量3s=uAs=X4/nXX

=Kg/s

流体流动的雷偌准数Re=dup/卩=x105为湍流型

所有当量长度之和I总=I+Sie

=50m

&取时&/d=250=查表得入=

所有能量损失包括出口，入口和管道能量损失

即：

Eh=Xu2/2+1Xu2/2+X50/•u2/2

在1-1、2-2两截面处列伯努利方程

u2/2+Pi/p+We=Zg+lf/2+F2/p+Eh

We=Zg+（P2-F1）/p+Eh

而1-1、2-2两截面处的压强差P2-F1=F2-p水gh=X103-103XX31X103

Fa

•••We=W/Kg

<1題22吋樹

22.如本题附图所示，，贮水槽水位维持不变。

槽底与内径为100mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15m处安有以水银为指示液的U管差压计，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长度为20m。

（1）.当闸阀关闭时，测得R=600mm,h=1500mm;当闸阀部分开启时，测的R=400mm,

h=1400mm。

摩擦系数可取，管路入口处的局部阻力系数为。

问每小时从管中水流出若干立方米。

（2）•当闸阀全开时，U管压差计测压处的静压强为若干（Pa,表压）。

闸阀全开时le/d

疋15，摩擦系数仍取。

解：

⑴根据流体静力学基本方程，设槽面到管道的高度为x

p水g（h+x）=p水银gR

103X+x）=x103x

x=

部分开启时截面处的压强Pi=p水银gR-p水gh=x103Pa

在槽面处和1-1截面处列伯努利方程

Zg+0+0=0+u2/2+P1/p+Eh

•••P1'=x104Pa

•••x=u2/2++u2

u=s

体积流量3s=uAp=Xn/4x2x3600=h

⑵闸阀全开时取2-2,3-3截面列伯努利方程

Zg=u2/2+2+X（15+i/d）u2/2

取1-1、3-3截面列伯努利方程

=u2/2+X（15+i'/d）u2/2

25.在两座尺寸相同的吸收塔内，各填充不同的填料，并以相同的

管路并联组合。

每条支管上均装有闸阀，两支路的管长均为5m（均包括除了闸阀以外的管件局部阻力的当量长度），管内径为200mm。

通过田料层的能量损失可分别折算为5u12与4u22，式中u为气

两阀全开时，两塔的通气量；

（2）附图中AB的能量损失。

分析：

并联两管路的能量损失相等，且各等于管路总的能量损失，各个管路的能量损失由两

部分组成，一是气体在支管内流动产生的，而另一部分是气体通过填料层所产生的，即刀h

（i+Eie/d）•u2/2+hf填而且并联管路气体总流量为个支路之和,即Vs=Vs1+

Vs2

解：

⑴两阀全开时，两塔的通气量

由本书附图1一29查得d=200mm时阀线的当量长度ie=150m

Ehfi=入・（ii+Eiei/d）•ui2/2+5ui2

=X（50+i50）/•ui2/2+5ui2

Ehf2=入・（i2+Eie2/d）•U22/2+4Ui2

=X（50+i50）/•U22/2+4ui2

'/Ehfi=Ehf2

•••Ui2/U22=即Ui=

又•••Vs=Vsi+Vs2

=uiA1+U2A2,Ai=A2=2n/4=n

=+U2）n

U2=suiA=m/s

即两塔的通气量分别为Vsi=m3/s,Vsi2=m3/s

⑵总的能量损失Ehf=Ehfi=Ehf2

=X155/•ui2/2+5ui2

=ui2=J/Kg

26.用离心泵将20C水经总管分别送至A,B容器内，总管流量为89m/h3，总管直径为

©127X5mm。

原出口压强为X

105Pa,容器B内水面上方表压为

泵的有效压头He；

（2）两支管的压头损失Hf,o-A，Hf,O-B,。

解：

（1）离心泵的有效压头

总管流速u=Vs/A

而A=3600Xn/4X（117）2X10-6

u=s

在原水槽处与压强计管口处去截面列伯努利方程

Zog+We=『/2+Pb/p+EhfT总管流动阻力不计刀hf=0

We=u2/2+Pb/p-Zog

=2+X1b5/-2X

=Kg

•••有效压头He=We/g=

⑵两支管的压头损失

在贮水槽和A、B表面分别列伯努利方程

Zog+We=Zig+Pi/p+Ehfi

Zog+We=Z2g+P>/p+Ehf2得到两支管的能量损失分别为

Ehfi=Z）g+We—（Zig+Pi/p）

=2X+

-（16X+0）

=Kg

Eh

f2=Z0g+We

-（Z2g+P2/p）

=2X+

-（8X+X103/

=J/Kg

•••压头损失

Hf1=

Ehf1/g=m

Hf2=

Ehf2/g=

28.本题附图所示为一输水系统，高位槽的水面维持

恒定，水分别从BC与BD两支管排出，高位槽液面与两支管出口间的距离为11m,AB段内径为38mm,

长为58m;BC支管内径为32mm，长为；BD支管的内径为26mm，长为14m，各段管长均

包括管件及阀门全开时的当量长度。

AB与BC管的摩擦系数为。

试计算：

（1）当BD支管的阀门关闭时，BC支管的最大排水量为若干m3/h

（2）当所有的阀门全开时，两支管的排水量各为若干m3/hBD支管的管壁绝对粗糙度为，水的

密度为1000kg/m3，粘度为・s。

分析：

当BD支管的阀门关闭时，BC管的流量就是AB总管的流量；当所有的阀门全开时，

AB总管的流量应为BC,BD两管流量之和。

而在高位槽内，水流速度可以认为忽略不计。

解：

（1）BD支管的阀门关闭

VS,AB=VS,BC即

uoAo=uiAiuon38/4=uin322/4••U0=

分别在槽面与C-C,B-B截面处列出伯努利方程

0+0+Z）g=U12/2+0+0+Ehf,Ac

0+0+Zig=U02/2+0+0+Ehf,AB

而Ehf,AC=入（IAB/d0）•U02/2+入（IBC/d1）•U12/2

=X（58000/38）Xu02/2+•（12500/32）Xu12/2

22

=u0+u1

=ui2/2+入（iAB/d0）•uo2/2+入（