化工原理习题解答(第二版)(祁存谦)习题解.doc
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祁存谦丁楠吕树申
《化工原理》习题解答
第1章流体流动
第2章流体输送
第3章沉降过滤
第4章传热
第5章蒸发
第6章蒸馏
第7章吸收
第9章干燥
第8章萃取
第10章流态化
广州中山大学化工学院（510275）
2008/09/28
第1章流体流动
1-1．容器A中气体的表压力为，容器B中的气体的真空度为。
试分别求出A、B二容器中气体的绝对压力为若干。
该处环境大气压等于标准大气压。
（答：
；）
解：
取标准大气压为，所以得到：
；
。
1-2．某设备进、出口的表压分别为和，当地大气压为，试求此设备进、出口的压力差为多少。
（答：
）
解：
。
1-3．为了排除煤气管中的少量积水，用如图示水封设备，水由煤气管道上的垂直支管排出，已知煤气压力为（表压）。
问水封管插入液面下的深度最小应为若干？
（答：
）
解：
习题1-3附图
1-4．某一套管换热器，其内管为外管为。
内管流过密度为，流量为的冷冻盐水。
管隙间流着压力（绝压）为，平均温度为，流量为的气体。
标准状态下气体密度为，试求气体和液体的流速分别为若干？
（答：
；）
习题1-4附图
解：
，；
对液体：
；
对气体：
，
，
。
1-5．水在内径为的管内流动，流速为。
试求雷诺准数为若干？
（答：
）
解：
。
（下水的，查物性手册）
1-6．
（1）设流量为，水温，管径为，试判断流动类型。
（2）条件与上相同，但管中流过的是某种油类，油的运动黏度为，试判断流动类型。
（答：
（1），湍流；
（2），层流）
解：
⑴，
，
查物性手册得下水的密度和粘度分别为：
，，
所以流体在管内的流动类型为湍流；
⑵
所以流体在管内的流动类型为层流。
1-7．密度为的某液体经一内径为的管道输送到某处，若其流速为，求该液体的体积流量，质量流量和质量流速。
（答：
；；）
解：
，
，
。
1-8．有一输水管路，的水从主管向两支管流动，主管内水的流速为，支管1与支管2的水流量分别为与。
支管为。
试求：
（1）主管的内径；
（2）支管1内水的流速。
（答：
（1）；
（2））
习题1-8附图
解：
⑴，
，
；
⑵，
。
1-9．已知水在管中流动。
在截面1处的流速为。
管内径为，由于水的压力产生水柱高为；在截面2处管内径为。
试计算在截面1、2处产生水柱高度差为多少？
（忽略水由1到2处的能量损失）（答：
）
习题1-9附图
解：
，
对截面1与截面2列伯努利方程：
，
，
。
1-10．图示吸液装置中，吸入管尺寸为，管的下端位于水面下，并装有底阀及拦污网，该处的局部压头损失为。
若截面处的真空度为，由截面至截面的压头损失为。
求：
（1）吸入管中水的流量，;
（2）吸入口处的表压。
（答：
（1）；
（2））
习题1-10附图
解：
以水面为基准面，在基准面与截面间列伯努利方程：
，
（表压），，，，
代入上式得：
……①
在截面与截面间列伯努利方程：
，
，，，（表压），，
代入上式得：
……②
由①与②解得：
，
；
由①式可以解得：
。
1-11．在图示装置中，出水管直径为。
当阀门全闭时，压力表读数为,而在阀门开启后，压力表读数降至，设总压头损失为（水柱），求水的流量为若干?
（答：
）
习题1-11附图
解：
取水面为截面，压力表处为截面，以压力表管中心线为基准面。
故，。
当阀门全关闭时：
，
由流体静力学原理得：
，
当阀门打开后，在截面与截面间列伯努利方程：
式中，，，
，
。
1-12．在水平管道中，水的流量为,已知管内径,及。
若忽略能量损失，问联接于该管收缩断面上的水管，可将水自容器内吸上高度为多少？
（答：
）
习题1-12附图
解：
，
，
以管中心线为基准面，取处为面，处为面，在面与面间列伯努利方程：
，
又有
，
。
1-13．求常压下的空气以的流速流经长的水平通风管的能量损失，管道截面为长方形，高，宽。
（）（答：
气柱，这个答案与读图很有关系）
解：
，
，
由，查图得，
。
1-14．如图所示，某一输油管路未装流量计，但在A与B点压力表读数分别为,。
试估计管路中油之流量。
已知管路尺寸为的无缝钢管，A、B两点间长度为，其间还有6个弯头，油的密度为，黏度为。
（答：
）
习题1-14附图
解：
取A点的水平面为基准面，在A与B间列伯努利方程：
式中：
，，
……①，
……②，
①代入②得：
……③，
假设为层流，则：
……④，
将④代入③中得：
，
校核
与假设相符，
。
1-15．水从水塔用有缝钢管引至车间的低位水槽中，水槽与水塔的液位差为，管路长度为（包括管件的当量长度）。
水温为，试求此管路输水量为若干（设）。
（答：
）
解：
由查得：
，
取低位水槽水面为基准面，在低位水槽和水塔间列伯努利方程：
式中：
，，
，
，
由查图并用试差法求得：
，，
。
1-16．在管径为的管道中心装一皮托管，以测定管道中流过的空气流量，空气温度为，压力为（绝压），用斜管压差计测量，其读数为。
斜管压差计的倾斜角度为度。
问这时空气质量流量为若干？
（答：
）
解：
，
，
，
，
查图得：
，
，
。
1-17．密度为的液体，以的流量流经一内径为的管道，该液体的黏度为,若流过孔板的压力降不超过,问孔板的孔径为若干?
（答：
）
解：
式中：
，，
，
，
查图并用试差法得：
，，
故，
验证：
（在直线段），
所以得到：
。
第2章流体输送
2-1．某离心泵以水进行泵性能实验，体积流量为，泵出口压力表读数为，泵入口真空表读数为。
若压力表和真空表测压截面间的垂直距离为，吸入管和压出管内径分别为及，试求泵的扬程。
（答：
）
解：
，
，
，
。
2-2．在一化工生产车间，要求用离心泵将冷却水由贮水池经换热器送到另一个高位槽。
已知高位槽液面比贮水池液面高出，管路总长（包括局部阻力的当量长度在内）为，管内径为，换热器的压头损失为，在上述条件下摩擦系数可取为，离心泵在转速时的特性曲线数据如下表所示。
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
26
25.5
24.5
23
21
18.5
15.5
12
8.5
试求：
（1）管路特性曲线；
（2）泵的工作点及其相应流量及压头。
（答：
）
解：
设管路特性曲线为，
，
代入上式得：
，
计算列表如下：
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
10
10.5
12
14.5
18
22.6
28.1
34.6
42.2
作泵的特性曲线和管路特性曲线图得：
由图可以看出，泵的工作点为两条特性曲线的交点。
工作点：
，。
2-3．某离心泵的额定流量为，扬程为。
试问此泵是否能将密度为、流量为的液体，从敞口贮槽向上输送到表压为的设备中，敞口贮槽与高位设备的液位的垂直距离为。
已知管路的管径为，管长为（包括直管长度与所有管件的当量长度），摩擦系数为。
（答：
此泵合用）
解：
离心泵的送液能力和扬程都大于管路系统所要求的，故此泵合用。
2-4．由山上的湖泊中引水至某贮水池，湖面比贮水池面高出，管道流量达到,试选择管直径为多少？
假定所选管道的磨檫系数。
经长期使用，输水管内壁锈蚀，其磨檫阻力系数增大至。
问此时水的流量减至若干？
（答：
，）
解：
，
因为水在管内的流速一般取，我们取，
此时：
，选用的热轧无缝钢管。
在湖面和贮水池面之间列伯努利方程得：
式中：
，，，，
，又
，
2-4．由山上的湖泊中引水至某贮水池，湖面地面高出45m，管道总长4000m（包括直管长度和局部阻力当量长度），要求流量达到。
若使用新铸铁管，其摩擦阻力系数，则铸铁内径需多大？
经长期使用，铸铁管内壁腐蚀，其摩擦阻力系数增大至，问此时水流量减至若干？
解：
在湖面和贮水池面之间列伯努利方程得：
因为（表压），
所以
（1）
因为所以
代入式
（1）得所以:
当时,代入式
（1）得
2-5．某工艺装置的部分流程如下图所示。
已知各段管路均为的无缝钢管，AB段和BD段的总长度（包括直管与局部阻力当量长度）均为，BC段总长度为。
管中流体密度为,管内流动状况均处于阻力平方区，且，其它条件如图所示，试计算泵的流量和扬程。
（答：
，）
图2-27习题2-5附图
解：
以地面为基准面。
在E和F之间列伯努利方程得：
其中：
，，，
，
即在BD段中流体的流速，
在B与右侧贮液器之间列伯努利方程得：
……①
在B与C之间列伯努利方程得：
……②
由①②得：
其中：
，，，，
，，
，
由分支管路特性知：
，
在B与左侧贮液器之间列伯努利方程得：
其中：
，，，，
泵的流量
第3章沉降过滤
3-1、试求直径，密度为的球形石英粒子，在水中及在空气中的沉降速度。
（答：
，）
解：
⑴在水中的沉降速度
先假定此沉降属层流区，可按斯托克斯定律求，
查表得水的，，
复核：
与假定相符；
⑵在空气中的沉降速度
先假定此沉降属层流区，按按斯托克斯定律求，
查表得空气的，，
复核：
与假定不符，
再设该沉降属于过渡区，按艾伦定律求，
复核：
属于过渡区，与假定相符。
3-2、有一玉米淀粉水悬浮液，温度，淀粉颗粒平均直径为，淀粉颗粒吸水后的密度为，试求颗粒的沉降速度。
（答：
）
解：
先假定此沉降属层流区，按按斯托克斯定律求，
已知：
，，
查表得20℃的水的，，
检验值：
计算结果表明，与假设相符，故算得的正确。
3-3、密度为的球形石英微粒在空气中自由沉降，计算服从斯托克斯公式的最大微粒直径及服从牛顿公式的最小微粒直径。
（答：
，）
解：
⑴层流区的上限值：
，
查表得空气的，，
⑵湍流区的下限值：
，
3-4、气流中悬浮某种球形微粒，其中最小微粒为10，沉降处于斯托克斯定律区。
今用一多层隔板降尘室以分离此气体悬浮物。
已知降尘室长度，宽度，共层，每层高，气体密度为，粘度，微粒密度为。
试问：
（1）为保证最小微粒的完全沉降，可允许的最大气流速度为多少？
（2）此降沉室最多每小时能处理多少气体？
（答：
，）
解：
⑴
水平流速；
⑵。
3-5、一除尘室用以除去炉气中的硫铁矿尘粒。
矿尘最小粒径，密度为。
除尘室内长，宽，高。
室内温度为，在此温度下炉气的黏度为，密度为。
若每小时需处理炉气标准，试计算除尘室隔板间的距离及除尘室的层数。
（答：
，）
解：
，
水平流速，
假定此沉降属层流区，按按斯托克斯定律求，
，
每层间距，
层数，
复核：
与假定相符。
3-6、用一个截面为矩形的沟槽，从炼油厂的废水中分离所含的油滴。
拟回收直径为以上的油滴。
槽的宽度为，深度为。
在出口端，除油后的水可不断从下部排出，而汇聚成层的油则从顶部移去。
油的密度为，水温为。
若每分钟处理废水，求所需槽的长度。
（答：
）
解：
假定此沉降属层流区，按按斯托克斯定律求，
查表得20℃的水的，，
负号代表油滴向上运动，
复核：
与假定相符，
油滴从槽底升至表面所需的时间，
故废水在槽中通过的时间应大于，即：
废水在槽内通过的时间
3-7、过滤含（质量）固相的水悬浮液，得到滤液。
滤渣内含有水分。
求所得干滤渣的量。
（答：
）
解：
设悬浮液量，湿滤渣量，干滤渣量
由上面两式可得：
，，。
3-8、用一台型板框压滤机过滤某悬浮液，悬浮液中固相质量分率为，固相密度为，液相为水。
每一滤饼中含水，其余全为固相。
已知操作条件下的过滤常数，。
滤框尺寸为，共个框。
试求：
（1）过滤到滤框内全部充满滤渣所需的时间及所得滤液体积；
（2）过滤完毕用清水洗涤滤饼，求洗涤时间。
洗水温度及表压与滤浆的相同。
（答：
，，）
解：
滤框尺寸：
，共个框，
框内实际总容积为，
滤饼体积等于全部滤框内的实际总容积即，
滤饼中含水量，体积为，
滤饼中固相体积，
滤饼中固相质量，
悬浮液的质量，
滤液的质量
滤液的体积，
过滤面积，
单位面积的滤液量，
由
式中：
，，
（过滤时间）
清洗时间。
第4章传热
4-1、燃烧炉的平壁由下列三种材料构成:
耐火砖的热导率为厚度；绝热砖的热导率为；普通砖的热导率为。
若耐火砖内侧温度为,耐火砖与绝热砖接触面最高温度为,绝热砖与普通砖间的最高温度不超过（假设每两种砖之间接触良好界面上的温度相等）。
试求：
（1）绝热砖的厚度。
绝热砖的尺寸为：
;
（2）普通砖外测的温度。
普通砖的尺寸为：
。
（答：
⑴；⑵）
解：
⑴第一层：
第二层：
因为绝热砖尺寸厚度为，故绝热砖层厚度取，
校核：
；
⑵
。
4-2、某工厂用的无缝钢管输送水蒸气。
为了减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料：
第一层为厚的矿渣棉，其热导率为;第二层为厚的石棉灰，其热导率为。
管内壁温度为，保温层外表面温度为。
管道长。
试求该管道的散热量。
无缝钢管热导率为（答：
）
解：
已知：
，
查表得：
其中：
，
，
，
。
4-3、冷却水在，长为的钢管中以的流速通过。
水温由升至。
求管壁对水的对流传热系数。
（答：
）
解：
设为湍流
水的定性温度，
查表得：
，
，
，
，
，，
，
与假设相符，
，
。
4-4、空气以的流速通过一的钢管，管长。
空气入口温度为，出口为。
试计算空气与管壁间的对流传热系数。
如空气流速增加一倍。
其它条件不变，对流传热系数又为多少？
（答：
，）
解：
设为湍流
空气的定性温度，
查表得：
，
，
，
，
，，
，
与假设相符，
，
，
当时
。
。
4-5、有一套管式换热器，外管尺寸为，内管为的钢管，冷水在管内以的流速流动。
水进口温度为，出口为。
试求管壁对水的对流传热系数。
（答：
）
解：
设为湍流
水的定性温度，
查表得：
，
，
，
，
与假设不符，为过度流，
，
，
，
。
4-6、现测定套管式换热器的总传热系数，数据如下：
甲苯在内管中流动，质量流量为，进口温度为，出口温度为；水在环隙中流动，进口温度为，出口为。
逆流流动。
冷却面积为。
问所测得得总传热系数为若干？
（答：
）
解：
甲苯的定性温度，
查表得：
，
，
，
，
，，
。
4-7、在一套管式换热器中，内管为的钢管，内管中热水被冷却，热水流量为，进口温度为，出口为。
环隙中冷却水进口温度为，出口温度为，总传热系数。
试求：
（1）冷却水用量；
（2）并流流动时的平均温度差及所需的管子长度；
（3）逆流流动时的平均温度差及所需的管子长度。
（答：
（1）；
（2），；（3），）
解：
⑴，
；
⑵，
，
，
，
；
⑶，
，
，，
，
4-8、一套管式换热器内流体的对流传热系数，管外流体的对流传热系数。
已知两种流体均在湍流情况下进行换热。
试回答下列问题：
（1）假设管内流体流动增加一倍；
（2）假设管外流体流速增加二倍。
其它条件不变，试问总传热系数是原来的多少倍？
管壁热阻及污垢热阻可不计。
（答：
（1）倍；
（2）倍）
解：
，
；
⑴管内流速增加一倍，即，
因为是湍流情况下的换热，故：
，
，
，
；
⑵管外流速增加一倍，即，
因为是湍流情况下的换热，故：
，
，
，
。
4-9、有一套管式换热器，内管为，外管为的钢管。
内管中苯被加热，苯进口温度为，出口为。
流量为。
套管中为的饱和水蒸气冷凝，冷凝的对流传热系数为。
已知管内壁的垢阻为，管壁及管外侧热阻均可不计。
苯的密度为。
试求：
（1）加热水蒸气用量；
（2）管壁对苯的对流传热系数；（3）完成上述处理所需套管的有效长度。
（答：
（1）；
（2）；（3））
解：
苯的定性温度，
查表得：
，
，
，
，
下：
饱和水蒸气的饱和温度，汽化热；
⑴
；
⑵设为湍流
，
与假设相符，
，
；
⑶，
，
，，
，
4-10、空气在预热器内从加热至，的饱和蒸汽在管外冷凝，若保持空气进出口温度不变，而将预热器内的空气流量增加，而预热器不更换。
试通过定量计算来说明采用什么措施来完成新的生产任务？
假定空气在管内做湍流流动，且总传热系数约等于空气一侧的对流传热系数。
（答：
管径缩小为原来管径的倍；管长增加为原来管长的倍；将加热蒸气的温度升为）
解：
故，
根据，且，
故可从以下三方面着手提高生产能力：
⑴增大值，即提高值，物性不变：
，而
可减小，
而，不变
，
而，，
，
即管径缩小为原来管径的倍；
⑵增大：
由，故，因管径不变，也不变，
且，
，
而，，
即管长增加为原来管长的倍；
⑶提高：
由于，不变，故只能升高加热蒸气的温度，此时不改变，
，
，
，
，
，
即，
，
，
即将加热蒸气的温度升为。
4-11、在列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油，温度为的饱和蒸汽在壳程冷凝，原料油在管程流动并由加热到。
操作温度下油的密度为，油在管中的平均流速为，换热器热负荷为。
列管换热器共有根的管子，管长为。
若已知蒸汽冷凝系数为，油侧污垢热阻为，管壁和蒸汽侧污垢热阻可忽略。
试求管内油侧对流传热系数为多少？
若油侧流速增加一倍，此时总传热系数为原来的倍，试求油的出口温度，设油的物性常数不变。
（答：
）
解：
⑴，
基于管内表面总传热系数：
，
由
即
；
⑵由原热负荷：
，
得:
现热负荷：
，
又传热速率方程：
，
，
。
第5章蒸发
5-1、在葡萄糖水溶液浓缩过程中，每小时的加料量为，浓度由15%（质量）浓缩到70%（质量）。
试求每小时蒸发水量和完成液量。
（答：
，）
解：
⑴蒸发水量；
⑵完成液量。
5-2、固体NaOH的比热容为，试分别估算NaOH水溶液浓度为10%和25%时的比热。
（答：
，）
解：
⑴浓度的溶液：
；
⑵浓度的溶液：
。
5-3、已知单效常压蒸发器每小时处理NaOH水溶液，溶液浓度由15%（质量）浓缩到25%（质量）。
加热蒸汽压力为（绝压），冷凝温度下排出。
分别按20℃加料和沸点加料（溶液的沸点为113℃）。
求此两种情况下的加热蒸汽消耗量和单位蒸汽消耗量。
假设蒸发器的热损失可以忽略不计。
（答：
、，、）
解：
蒸发水量，
时蒸气的潜热，
溶液的比热，
⑴原料于加入二次蒸气的焓
；
⑵沸点加料
。
5-4、传热面积为52m2的蒸发器，在常压下每小时蒸发2500kg浓度为7%（质量）的某种水溶液。
原料液的温度为95℃，常压下的沸点为103
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