化工原理第二版夏清贾绍义版上册课后习题答案天津大学.docx
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化工原理第二版夏清贾绍义版上册课后习题答案天津大学
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6.9m,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的钢制螺钉紧固。
若螺钉材料的工
作应力取为39.23X106Pa,
]C
==ii
二[
习題2附图
问至少需要几个螺钉？
分析：
罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应
力即
解：
P螺=pghXA=960X9.81x（9.6-0.8）X
3.14X0.762
150.307X103N
o螺=39.03X103X3.14X0.0142Xn
P油Wo螺得n》6.23
取nmin=7
至少需要7个螺钉
3題3附图
3.某流化床反应器上装有两个U型管压差计，如本题附
水
帮手
本题附图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ho
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少
在1—1与2—2'截面之间
P1=P2+p水银gR
，.卩1=P4，P2=P3
且P3=p煤油gAi，P4=p水g（H-h）+p煤油g（Ah+h）
联立这几个方程得到
p水银gR=pzKg（H-h）+p煤油g（Ah+h）-p煤油gAh即
p水银gR=pzxgH+p煤油gh-p7xgh带入数据
1.03X03X1-13.6X103>0.068=h（1.0X103-0.82X103）
h=0.418m
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，口管
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=2.3m，h2=1.2m,h3=2.5m,h4=1.4m。
锅中水面与基准面之间的垂直距离h5=3mo大气压强pa=99.3X103pa。
分析：
首先选取合适的截面用以连接两
试求锅炉上方水蒸气的压强P
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+1.0X103X9.81X（3-1.4）
=P1+13.6X103X9.81x（2.5-1.4）
对右边的U管取b-b等压面，由静力学基本方程P1+p/Kg（h3-h2）=P
水银g（h1-h2）+pa代入数据
P1+1.0X103X9.81X（2.5-1.2）=13.6X103X9.81X（2.3-1.2）+99.3
X103
解着两个方程得
P0=3.64X105Pa
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=300mm，两扩大室的内径D均为60mm，U管内径d为6mm。
当管路内气体压强等于大气压时，两扩大室液面平齐
与管路相通，可以列出两个方程，联立求解
解：
由静力学基本原则，选取1—1为等压面，
对于U管左边p表+p油g（hi+R）=Pi对于U管右边P2=p水gR+p油gh2
p表=p水gR+p油gh2-p油g（h计R）
=p水gR-p油gR+p油g（h2-hi）
当p表=0时，扩大室液面平齐即n（D/2）2（h2-hi）=n
（d/2）2R
h2-hi=3mm
p表=2.57xiO2Pa
7•列管换热气的管束由i2i根©>2.5mm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i96xiO3Pa（表压），当地大气压为98.7xiO3Pa
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=9xn4X0.022xi2i=0.342m3/s
质量流量Ws=VSP=VSX（MP）/（RT）
=0.342X[29X（98.7+196）]/[8.315X323]=1.09kg/s
换算成标准状况ViPi/V2P2=Ti/T2
VS2=P1T2/P2T1XVS1=（294.7X273）/（101X323）X0.342
=0.843m3/s
8.高位槽内的水面高于地面8m,水从©
108X4mm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Ehf=6.5u2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
Z1g+0+P1/p=Z2g+u2/2+P2/p+Xhf
（乙-Z2）g=u2/2+6.5u2代入数据
（8-2）X9.81=7u2,u=2.9m/s
换算成体积流量
Vs=uA=2.9xn4X0.12X3600
=82m3/h
9.20°C水以2.5m/s的流速流经©38\2.5mm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1.5J/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Ua、uB
UaAa=ubAb二ub=（Aa/Ab）ua=（33/47）2X2.5
=1.23m/s
在A、E两截面处列柏努力方程
乙g+U12/2+Pi/p=Z2g+U22/2+P2/P+Xhf
2二（Pi-P2）/p=Xhf+（ui2-u22）/2
g（hi-h2）=1.5+（1.232-2.52）/2
h1-h2=0.0882m=88.2mm
即两玻璃管的水面差为88.2mm
10.用离心泵把20C的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持
作条件下，泵入口处真空表的读数为24.66xi03Pa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,Ihf,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98.07X103Pa（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Ehf=Zhf+，iZhf，2
ui=u2=u=2u2+10u2=12u2
在截面与真空表处取截面作方程：
Z0g+u02/2+P0/p=zig+u2/2+P1/p+
Zhf，1
（P0-P1）/p=z1g+u2/2+3hf，1-■•u=2m/s
ws=uAp=7.9kg/s
在真空表与排水管-喷头连接处取截面Z1g+u2/2+P1/P
+We=z2g+u2/2+P2/p+Xhf，2
•••We=z2g+u2/2+P2/p+Ihf，2—（Z1g+u2/2+P1/P）
=12.5X9.81+（98.07+24.66）/998.2X103+10X22
=285.97J/kg
习隨11图
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Ihf=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
h1g=u引2+Zhf=u2/2+20u2
•••u=（0.48h）1/2=0.7h1/2
槽面下降dh，管内流出uA2dt的液体
•••Adh=uA2dt=0.7h1/2A2dt
•••dt=A1dh/（A20.7h1/2）
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。
管路直径均为巾60X3.5mm，其他尺寸见本题附图。
各管段的能量损失为Ehf，ab=Ehf，
cd=u2，Ehf，bc=1.18u2。
两压差计中的指示液均为水银。
试求当R1=45mm，h=200mm时：
（1）压缩空气的压强已为若干？
（2）U管差压计读数R2为多
少？
解：
对上下两槽取截面列柏努力方程
0+0+P1/p=Zg+O+P2/p+Ehf
•°.Pi=Zgp+O+P2+pXh
=10X9.81X1100+1100（2u2+1.18u2）
=107.91X103+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+R1）=Pc+pg（hBc+x）+p水银R1g
Pb+1100X9.81X（0.045+x）=Pc+1100X9.81X（5+x）+13.6X103X
9.81X0.045
Pb-Pc=5.95X104Pa
在B,C处取截面列柏努力方程
0+ub22+Pb/p=Zg+uc2/2+Pc/p+Xhf,bc
•••管径不变，：
Ub=Uc
Pb-Pc=p（Zg+Ehf,bc）=1100X（1.18u2+5X9.81）=5.95X104Pau=4.27m/s
压缩槽内表压P1=1.23X105Pa
（2）在B,D处取截面作柏努力方程
0+u2/2+Pb/p=Zg+0+0+Xhf,bc+Xhf,cd
Pb=（7X9.81+1.18u2+u2-0.5u2）X1100=8.35X104Pa
Pb-pgh=p水银R2g
8.35X104-1100X9.81X0.2=13.6X103>9.81XR?
R2=609.7mm
数R为100mm,粗细管的直径分别为加0X3.5mm与
C45X3.5mm。
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+3hf
•••1kg水流经A,B的能量损失：
Zhf=（ua2-ub2）/2+（Pa-Pb）/p=（ua2-ub2）/2+pgR/p=4.41J/kg
（2）.压强降与能量损失之间满足：
!
hf=AP/p/.ZP=p3hf=4.41X103
16.密度为850kg/m3，粘度为8X10-3Pas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127.5X103Pa?
解：
（1）Re=dup/卩
=（14X10-3X1X850）/（8X10-3）
=1.49X103>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=0.5Umax=0.5m/s时，
y2=-2p（0.5-1）=d2/8
=0.125d2
••即与管轴的距离r=4.95X10-3m
（3）在147X103和127.5X103两压强面处列伯努利方程
u12/2+Pa/p+Z1g=u22/2+Pb/p+Z2g+Xhf
■/u1=u2,Z1=Z2
•Pa/p=Pb/p+Xhf
损失能量hf=（Pa-Pb）/p=（147X103-127.5X103）/850
=22.94
•••流体属于滞流型
•••摩擦系数与雷若准数之间满足/=64/Re
又Thf=入X（d）X0.5u2
•i14.95m
•••输送管为水平管，••管长即为管子的当量长度
即：
管长为14.95m
19.内截面为1000mmxi200mm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101.33xi03Pao流体经烟囱时的摩擦系数可取为0.05，试求烟道气的流量为若干kg/h?
解：
烟囱的水力半径rH=A/n=（1X1.2）/2（1+1.2）=0.273m
当量直径de=4rH=1.109m
流体流经烟囱损失的能量
Ehf=入?
/（le）u2/2
=0.05X（30/1.109）Xu2/2
=0.687u2
空气的密度p空气=PM/RT=1.21Kg/m3
烟囱的上表面压强（表压）P上二p空气gh=1.21X9.81X30
=-355.02Pa
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
p/30X10-3X101128）//8.314X673）
=0.5422Kg/m3
在烟囱上下表面列伯努利方程
P上/pP下/p+Zg+Xhf
.•.Xh=（P上-P下）/p—Zg
=（-49+355.02）/0.5422-30X9.81
=268.25=0.687u2
流体流速
质量流量
u=19.76m/s
3s=uAP=19.76X1X1.2X0.5422
计（局部阻力系数为
=4.63X104Kg/h
20.每小时将2X103kg的溶液用泵从反应器输
送到高位槽。
反应器液面上方保持26.7X103Pa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
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0.7,求泵的轴功率
解：
流体的质量流速ws=2X104/3600=5.56kg/s
流速u=ws/（Ap）=1.43m/s
雷偌准数Re=dup/尸165199>4000
查本书附图1-29得5个标准弯头的当量长度：
5X2.1=10.5m
2个全开阀的当量长度:
2X0.45=0.9m
••局部阻力当量长度Ee=10.5+0.9=11.4m
假定1/屮2=2lg（d/9+1.14=2lg（68/0.3）+1.14
.=0.029
检验d/（£KeX护）=0.008>0.005
••符合假定即1=0.029
••全流程阻力损失Eh=入X+K|/dXu2/2+ZX2/2
=[0.029X（50+11.4）/（68X103）+4]X
1.432/2
=30.863J/Kg
在反应槽和高位槽液面列伯努利方程得
p+We=Zg+P2/p+Xh
We=Zg+（P1-P2）/p+Xh
=15X9.81+26.7X103/1073+30.863=202.9J/Kg
有效功率Ne=WeX©=202.9X5.56=1.128X103
轴功率n二Ne/t=1.128X103/0.7=1.61X103W
=1.61KW
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1.96xi03Pa。
管壁的绝对粗糙度可取0.15mm,大气压强为
101.33X103。
求鼓风机的有效功率。
解：
查表得该气体的有关物性常数尸1.093,p=1.96X10-5Pas
气体流速u二3600/（3600X4/nX.252）=20.38m/s
质量流量cos=uAs=20.38X4/nX.252X1.093
=1.093Kg/s
流体流动的雷偌准数Re=dup/尸2.84X105为湍流型
所有当量长度之和总=+2ei
=50m
&取0.15时闭=0.15/250=0.0006查表得Q0.0189
所有能量损失包括出口入口和管道能量损失
即：
Eh=0.5Xu2/2+1Xu2/2+（0.0189X50/0.25）-u2/2
=1100.66
在1-1、2-2两截面处列伯努利方程
u2/2+P1/p+We=Zg+u2/2+P2/p+Eh
We=Zg+（P2-P1）/p+Eh
而1-1、2-2两截面处的压强差P2-P1=P2-p水gh=1.96X103-103X
9.81X31X103
=1665.7Pa
•••We=2820.83W/Kg
习他22附忸
泵的有效功率
Ne=WeXg=3083.2W=3.08KW
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0.025，管路入口处的局部阻力系数为0.5。
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"15,摩擦系数仍取0.025。
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（1.5+x）=13.6X103X0.6
x=6.6m
部分开启时截面处的压强P1=p水银gR-pzKgh=39.63X103Pa
在槽面处和1-1截面处列伯努利方程
Zg+0+0=0+u2/2+P1/p+Xh
而Xh=[入（+Weld+z]u2/2
=2.125u2
•••6.6X9.81=u2/2+39.63+2.125u2
u=3.09/s
体积流量3s=uAP=3.09xnX（O.1）2X36OO=87.41m3/h
⑵闸阀全开时取2-2,3-3截面列伯努利方程
Zg=u2/2+0.5u2/2+0.025X（15+/d）u2/2
u=3.47m/s
取1-1、3-3截面列伯努利方程
Pl'/P=u2/2+0.025X（15+'（/d）u2/2
•P'=3.7X104Pa
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
习轴毎附图度），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为气体在管内的流速m/s,气体在支管内流动的摩擦系数为0.02。
管路的气体总流量为0.3m3s。
试求：
（1）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Ehf=入（i+X/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
由本书附图1—29查得d=200mm时阀线的当量长度e=150m
Ehfi=入（i+Xei/d）-ui2/2+5ui2
=0.02x（50+150）/0.2・Ui2/2+5ui2
Xhf2=入（2+Xe2/d）•U22/2+4Ui2
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