完整版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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完整版化工原理第二版上册课后习题答案完整版柴诚敬主编
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）水的黏度尸0.00856g/（cms）
（2）密度p138.6kgf公/m4
（3）某物质的比热容Cp=0.24BTU/（lb°F）
（4）传质系数Kg=34.2kmol/（m2/h/atm）
（5）表面张力产74dyn/cm
（6）导热系数入=1kcal/（m?
i?
C）
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
1kg=1000g,1m=100cm
0.00856亠如遊
cms1000g1m
8.56104kg.ms8.56104Pas
（2）密度基本物理量的换算关系为
1kgf=9.81N,1N=1kg?
n/s2
138.6辿1kgms2
m1kgf1N
1350kgm3
（3）从附录二查出有关基本物理量的换算关系为
1BTU=1.055kJ,lb=0.4536kg
10F5oC
cp0.24BTU上
plbF1BTU0.4536kg59C
1.005kJkgC
（4）传质系数基本物理量的换算关系为
1h=3600s,1atm=101.33kPa
则
kmol1h1atm,-2
Kg34.2—-9.37810kmol.mskPa
m2hatm3600s101.33kPa
（5）表面张力基本物理量的换算关系为
1dyn=110-N1m=100cm
则
一dyn1105N100cm
74
cm1dyn1m
7.4102Nm
（6）导热系数基本物理量的换算关系为
1kcal=4.18681破J,1h=3600s
则
kcall4.1868103J1h
2
mhC1kcal3600s
1.163JmsC1.163WmC
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
3.9A2.78104G
12.01D
0.3048Z。
式中He—等板高度，ft；
G—气相质量速度，lb/（ft钿）；
D—塔径，ft；
Z0—每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft;
L相对挥发度，量纲为一；
仏一液相黏度，cP;
P—液相密度，lb/ft3
A、B、C为常数，对25mm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，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
1ft0.3049m11b.ft2h1.356103kgm2s（见1）
a量纲为一，不必换算
1cp1103Pas
lblb1kg3.2803ft32
13=13=16.01kg/m
ftft2.2046lb1m
⑵将原符号加上以代表新单位的符号，导出原符号的“数字”表达式。
下面
以He为例：
HEftHEm
3.2803HE
mm3.2803ft
HeHeHe_
ftftm
同理GG1.356103737.5G
D3.2803D
Z03.2803Z0
LL.110
L.16.010.06246L
将以上关系式代原经验公式，得
3.2803HE3.90.572.7810
-0.1
737.5G12.013.2803D
1.24
0.3048
3.2803Z。
13
1000L
0.0624L
整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即
He1.084104A0.205G-0.139.4D1.24Z。
13—-
L
第一章流体流动
流体的重要性质
1.某气柜的容积为6000m3，若气柜内的表压力为5.5kPa,温度为40C。
已知各组
分气体的体积分数为：
H240%、N220%、CO32%、CO7%、CH41%，大气压力为101.3kPa，
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
pVnt
RT
各组分的质量：
101.35.51000.06000
mol246245.4mol
8.314313
mH2
40%nt
Mh2
40%
246245.4
2kg
197kg
mN2
20%nt
MN2
20%
246245.4
28kg
1378.97kg
mco
32%nt
MCO
32%
246245.4
28kg
2206.36kg
mCO2
7%m
MCO2
7%
246245.4
44kg
758.44kg
mCH4
1%m
MCH4
1%
246245.4
16kg
39.4kg
2.若将密度为830kg/m3的油与密度为710kg/m3的油各60kg混在一起，试求混合油的密度。
设混合油为理想溶液。
解：
mtmtm26060kg120kg
Vt
Vv2匹
m2
60603
m0.157m
1
2
830!
710
m
mt120
kg.m3
764.33kgm3
Vt0.157
流体静力学
3.已知甲地区的平均大气压力为85.3kPa,乙地区的平均大气压力为101.33kPa,在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20kPa。
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？
解：
（1）设备内绝对压力
绝压=大气压-真空度=85.310320103Pa65.3kPa
（2）真空表读数
真空度=大气压-绝压=101.3310365.3103Pa36.03kPa
4•某储油罐中盛有密度为960kg/m3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5m，
油面上方与大气相通。
在罐侧壁的下部有一直径为760mm的孔，其中心距罐底1000mm，
孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。
若螺钉材料的工作压力为39.5X106Pa，问至少需要几个螺
钉（大气压力为101.3X103Pa）?
解：
由流体静力学方程，距罐底1000mm处的流体压力为
ppgh101.31039609.81（9.51.0）Pa1.813103Pa（绝压）
作用在孔盖上的总力为
/33n24
F（ppa）A=（1.81310-101.3103）0.76N=3.62710N
4
每个螺钉所受力为
n23
F139.5100.014N6.09310N
4
因此
nF.F3.627104；6.093103N5.956（个）
5•如本题附图所示，流化床反应器上装有两个U管压差计。
读数分别为R1=500mm,
R2=80mm,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）A点的压力
pA水gR3汞gR210009.810.1136009.810.08Pa1.165104Pa（表）
（2）B点的压力
PbPa汞gR
1.165104136009.810.5Pa7.836104Pa（表）
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=800mm。
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101.3kPa,
试求管路中心处流体的压力。
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，pApA
则p+水gh+汞gRPa
pPa水gh汞gR
101.310310009.80.8
136009.80.1Pa80.132kPa
7.某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过
13.3kPa（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ho
解：
水gh13.3
h13.3水g13.3100010009.8m
流体流动概述
8.密度为1800kg/m3的某液体经一内径为60mm的管道输送到某处，若其平均流速为0.8m/s，求该液体的体积流量（m3/h）、质量流量（kg/s）和质量通量［kg/（m2•s）］。
解:
必uA怕20.8攀0.0623600m3s8・14m3h
Ws
uA
und2
4
0.83140.0621000kgs2.26kgs
4
0.81000kgm2s
800kgm2s
9.在实验室中，用内径为1.5cm的玻璃管路输送20C的70%醋酸。
已知质量流量为
10kg/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。
查附录70%醋酸在20C时,
解：
（1）用SI单位计算
1069kg/m3,2.50103Pas
d1.5cm0.015m
Ub1060n40.01521069ms0.882ms
rl11
故为湍流。
Re—0.0150.88210692.51035657
（2）用物理单位计算
1069gcm3,
0.025gcms
d1.5cm,ub88.2cms
Re1.588.21.0690.0255657
10.有一装满水的储槽，直径1.2m，高3m。
现由槽底部的小孔向外排水。
小孔的直
径为4cm,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：
u00.622zg
试求算
（1）放出1m3水所需的时间（设水的密度为1000kg/m3）;
（2）又若槽中装满
解：
放出1m3水后液面高度降至乙，则
Zi
z。
1
230.8846m2.115m
0.7851.2
由质量守恒,
W2
Wi
（无水补充）
U0A00.62A^.2gz
（A为小孔截面积）
故有
0.62
dz
2gz
上式积分得
AZ（A为储槽截面积）
A。
.2gzA史0
d
0.62%
A
—（£）（z012
0.62、,2gAo
Zi12）
1212
0.6229.810-04
32.115s126.4s2.1min
11.如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7m，水从0108mmX4mm的管道中
流出，管路出口高于地面1.5m。
已知水流经系统的能量损失可按刀hf=5.5u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
12
gzUb1
2
P1
gz2
12
Ub2
2
_P1
hf
习题12附图
12.20C的水以2.5m/s的平均流速流经038mmX2.5mm的水平管，此管以锥形管与另一053mmX3mm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1.5J/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。
解：
在A、B两截面之间列机械能衡算方程
12P1
gz1Ub1
2
12
gZ22Ub2
式中
Zl=Z2=0,
Ub1
3.0ms
Ub2Ub1
A2
Ub1
d2
d；
2
2.5°.°38°.00252ms1.232ms
0.0530.0032
刀hf=1.5J/kg
2
P1P2uUb2
Ub2:
2
2
Ub1
hf
1.23222.52
2
1.5Jkg0.866Jkg
P1一P20.8669.81m
g
13.如本题附图所示，用泵
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
1.0133105Pa。
流体密度为800kg/m3。
精馏塔进口处的塔内压力为1.21105Pa,进料口高于储罐内的液面8m，输送管道直径为
68mm4mm，进料量为20m3/h。
料液流经全部管道的能量损失
为70J/kg，求泵的有效功率。
解：
在截面A-A和截面
2
U1gZ1We
2
P1
P1
U1
U2
We
0.0883m88.3mm
2将储罐1中的有机混合液送至精
B-B之间列柏努利方程式,
2
p也gZ2
2
1.0133105Pa;p21.21105Pa;
0；
P2
hf70Jkg
203600
hf
8.0m;
习题13附图
nd2
P1
3.14
0.068
4
22
U2U1gZ~2~gZ2
ms
1.966ms
20.004
hf
We1.211.0133109.88.070Jkg
…2
800
2.461.9378.470Jkg175Jkg
NewsWe203600800173W768.9W
14.本题附图所示的贮槽内径D=2m，槽底与内径d0为32mm的钢管相连，槽内
无液体补充，其初始液面高度h1为2m（以管子中心线为基准）。
液体在管内流动时的全部
能量损失可按刀hf=20u2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1m时所需的时间。
解：
由质量衡算方程，得
dM
d
W1
（1）
习题14附图
W1
0,W；
（2）
将式
dM
d
（2），（3）
dhd
nf2
D
4
代入式
（1）得
（3）
nd0ub
4
（4）
/D、2dh
do
%F丁
在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程
gZi
gh
2
ub1
2
2
u^
2
Pi
hf
gz；
2
Ub2P2
20u；
hf
20.5ub
或写成
20.5
9.81
2
Ub
Ub
0.692h
（5）
式（4）
（5）联立，得
°692"（孟牛
与式
5645dhd
h
i.c.
9=0,h=hi=2m;9=0,
h=1m
积分得
564521212s4676s1.3h
b,高度
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
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b>>yo,可近似认为两板无限宽，故有
1）得
1
（P2yb）
2bL
（2）将牛顿黏性定律代入（
dU
dy
dUp
y
dyL
（1）
上式积分得
（2）
边界条件为
y=0，
u=0，代入式
2）中，得C=-C
P2ny°
因此
匕（y2y：
）
2L
（3）
故有
（3）
Umax
y=yo，U=Umax
P
2
2
Ly°
再将式（
3）写成
UUmax
中2
（4）
根据Ub的定义，得
2
Umax
3
11
UbUdAUmax
baaaamax
16.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）UUmax1（匚）22Ub1
r
（r）2ri
（1）
当U=Ub时，由式
（1）得
（匚r12
ri2
解得r0.707ri
由管壁面算起的距离为yrir
ri0.707r0.293h
（2）
由竺对式
（1）求导得
dr
du
dr
2u
max
Umax
2
「i
在管中心处，r=0,故t=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
Uz
17
max
解：
u
1R
n20
uz2ndr
1
盲
Rr17
01"RUmax
2ndr
令
1
r
Ry，
则rR（1
y）
u
1R
R0
Uz2ndr
1
nR2
1
0y17Umax2nR2（1
1
y）dy2Umax0（y17y87）dy
试计算管内平均流速与最大流速之比U/Umax。
18.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,
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？
0.817Umax
将管径
解：
流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时
Pf=
hf
或
式中
因此
I2
LUb
d
hf22d1Ub22
d（丄XT"』）2hf11d2Ub1
d1=2,坠=（）2=4d2'山1d2
hf2
hf1
=（」）
（2）（4）2=32」
又由于
0.316
Re
0.25
』=（脸）0.25=（如）0.25=（2X丄严=（0.5）0.25=0.841
1Re2d2Ub24
hf2
=32X0.84=26.9
hf1
gz;
Ub1
"2
P1
gz.
2
Ub2
~2
hf
（1）
19.用泵将2X104kg/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25.9x103Pa的真
空度，高位槽液面上方为大气压。
管道为76mmx4mm
的钢管，总长为35m，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17m。
若泵的效率为0.7,
求泵的轴功率。
（已知溶液的密度为1073kg/m3，黏度为
6.310-4Pas。
管壁绝对粗糙度可取为0.3mm。
）
解：
在反应器液面1-1与管路出口内侧截面2-2间列机械能衡算方程，以截面1-1，为基准水平面，得
式中Z1=0,z2=17m,ub1~0
w2104’f
Ub22ms1.43ms
_d236000.7850.06821073'
4
p1=-25.9x103Pa（表）,p2=0（表）
将以上数据代入式
（1）,并整理得
2
Ub2P2Pl.
Weg（Z2乙）一--hf
2
=9.81x17+
2
1.432
3
+25.910+
1073
hf=192.0+
hf
其中
Le
+
d
2
Ub2
2
hf=（
Re
0.0681.431073
0.6310
=1.656x105
ed0.0044
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）：
0.43x2m=0.86m
标准弯头：
2.2x5m=11m
故hf=（0.03x350.8611+0.5+4）!
^Jkg=25.74J/kg
0.0682
We192.025.74Jkg217.7Jkg
泵的轴功率为
Ns=wew/
流体输送管路的计算
217.72104
36000.7
W=1.73kW
Pa（表压）。
（闸阀全开时Le/d~
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20m。
（1）当闸阀关闭时，测得R=600mm、h=1500mm；当闸阀部分开启时，测得R=400mm、h=1400mm。
摩擦
系数可取为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
15,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
基准水平面，得
2
Ub1
Pi
gz2
2
Ub2
~2
P2
2-2，间列机械能衡算方程，并通过截面
hf,—2
2-2,的中心作
（a）
（b）
6.66m
2
）UT
2.13u：
（0.02515
0.1
2
Ub2
0.5）」2.13ub
2
式中P1=0（表）
P2HggRH2OgR136009.810.410009.811.4Pa39630Pa（表）
Ub2=0,Z2=0
Z1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方程知
H2cg（z1h）HggR
式中h=1.5m,R=0.6m
将已知数据代入式（b）得
136000.6
1.5
m
1000
将以上各值代入式（a）,即
2
9.81X6.66=―
2
39630
1000
+2.13
2
Ub
解得ub3.13ms
水的流量
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