江南大学化工原理习题要点.docx
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江南大学化工原理习题要点
《化工原理》习题集
第一章流体传递过程基本方程
2-1一搅拌槽中原盛有浓度为60%（质量%，下同）的盐水2000kg。
今以2kg/s的质量流率向槽中加入0.25%的盐水，同时以1.2kg/s的质量流率由槽中排出混合后的溶液。
设槽中溶液充分混合。
求槽中溶液浓度降至1%时所需要的时间。
（总质量衡算，分别按无化学反应和有化学反应考虑）
2-2在下述情况下简化连续性方程，并指出简化过程的依据。
（连续）
（1）不可压缩流体在重力作用下沿倾斜平板壁面作二维稳态流动；
（2）不可压缩流体在水平园管中作轴对称的稳态流动（进口段与充分发展）；
（3）不可压缩流体作球心对称的稳态流动；
（4）不可压缩流体在两水平的平行平板间的稳态流动。
2-3下述不可压缩流体的运动可否存在。
（连续）
（1）u=xi+yj+zk；
（2）u=yzti+xztj+xytk；
（3）ux=2x2+y，uy=2y2+z，uz=-4（x+y）z+xy；
（4）ux=-2x，uy=x+z，uz=2（x+y）。
2-4一不可压缩流体的流动，x方向的速度分量是ux=ax2+by，z方向的速度分量为零，求y方向的速度分量uy，其中a与b为常数。
已知y=0时uy=0。
（连续）
2-5加速度向量可表为Du/Dt，试写出直角坐标系中加速度分量的表达式，并指出何者为局部加速度项，何者为对流加速度项。
（随体）
2-6已知成都和拉萨两地的平均大气压强分别为0.095MPa和0.062MPa。
现有一设备需保持设备内绝对压强为3.0kPa。
问这一设备若置于成都和拉萨两地，表上读数分别应为多少？
2-7用如附图所示的U型管压差计测定反应器内气体在A点处的压强以及通过催化剂层的压强降。
在某气速下测得R1为750mmH2O，R2为80mmH2g，R3为40mmH2O，试求上述值。
2-8如附图所示，倾斜微压差计由直径为D的贮液器和直径为d的倾斜管组成。
若被测流体密度为ρ，指示液密度为ρ0，试导出用R1表示的压强差计算式。
如倾角α为300时，若要忽略贮液器内的液面高度h的变化，而测量误差又不得超过0.1%时，试确定D/d比值至少应为多少？
2-9一水箱用如附图所示的锥阀封水，锥阀底直径为0.5m，高为0.6m，阀重50kg。
当水位达1.5m时，要求阀启动泄水，问外配锤重w应为多少？
习题2-7附图
习题2-8附图
习题2-9附图
2-10某流场可用下述速度向量式表达：
u（x，y，z，t）=xyzi+yj-3ztk。
试求点（2，1，2，1）处的加速度向量。
（随体）
2-11国际标准大气压取海平面为基准（z=0）。
基准面上的物理量取为：
t0=288K，p0=101300Pa，0=1.225kg/m3。
从海平面一直到11公里的高空是对流层。
对流层中温度与高度的关系可用下式表示：
T=T0-z，其中T0=288K，=0.0065度/米。
11公里以上认为是温度不变（216.5K）的同温层。
试分别求出对流层及同温层内压力、密度和高度的依赖关系。
可认为重力加速度为一恒量。
（静）
2-12不可压缩粘性流体在两无限大平行平板间作稳态层流，试推导其速度分布、截面上的平均流速、壁面处的剪切力。
（运动）
2-13不可压缩流体在两根同心的套管环隙间作轴对称的稳态层流，试导出其速度分布，截面上的平均流速，体积流量，壁面处的剪切力。
（运动）
2-14不可压缩粘性流体在重力作用下，沿内径为R的圆筒内壁面向下流动。
设流动是定常的平行直线运动，流体厚度为。
求流体速度分布、流量、平均流速、最大流速及作用在圆筒内壁面上的摩擦力（忽略端效应）。
（运动）
2-15具有等深度a的两层不相混合的不可压缩流体，在两个固定的水平板间作稳态层流，如图所示。
上层流体的粘度和密度为1和1，下层流体的粘度和密度为2和2。
压强梯度为p/x且与x和z无关。
求平板间的速度分布u=f（z）。
（注意在交界面上速度的大小是单值的，而且切应力zx也是单值的）。
（运动）
2-16温度为20C的水，以2kg/h的质量流率流过内径为10mm的水平园管，试求算流动充分发展以后：
（1）流体在管截面中心处的流速和剪应力；
（2）流体在壁面距中心半距离处的流速和剪应力；
（3）壁面处的剪应力。
2-17一虹吸管放于水桶中，其位置如图所示。
如果水桶和虹吸管的截面积分别为A和B，且A>>B，试计算虹吸管的流量。
水看作是不可压缩理想流体，且受重力作用，运动是定常的。
（柏）
2-18有一大桶内装有液体，液面距底面高为h。
问在桶侧壁什么位置处开出流小空，流体射柱的射程最远？
习题2-15附图
习题2-17附图
习题2-18附图
2-19水以湍流形式流过一直径相等的90弯管，该管垂直放置。
入口处的压力为p1、平均流速为u1，出口压力为p2、平均流速为u2。
求水流对弯管的作用力。
（动量）
2-20水从供水管流入水箱，再经水平管流出，如图所示。
流入与流出的流量相同。
箱中水面保持在离水管中心线以上距离h处。
箱中各处流速与管中流速相比均可约而不计。
水箱与水管出口之间的阻力损失为hf。
（1）求流量V（用h、A与hf表示）；
（2）如要保持水箱不动，需多大的水平推力Fx？
（柏，动量）
习题2-19附图
习题2-20附图
2-21温度为20C的水稳态流过内径为25mm的镀锌管，流动已充分发展。
试求算下述两种质量流率下的阻力损失：
（1）120kg/h；
（2）1200kg/h。
（直管阻力）
2-22一钢球（=7800kg/m3）直径为0.254mm，在水温为25C的水箱中降落，达到稳定的沉降速度为8.08cm/s。
如果一个钢球在温度为25C的甘油中降落，速度达到8.08cm/s（什么速度？
）。
假定两种情况下球体周围的流动是动力相似的，钢球直径应为多少？
（相似准则）
2-23管流中热充分发展的含义是什么？
热充分发展与流动充分发展有何不同？
2-24试由柱坐标形式的能量方程出发，导出不可压缩流体在园管内进行稳态轴对称对流传热时，流动进口段的能量方程。
（能量）
2-25温度为310.9K的油以0.0126kg/s的质量流率流过内径25.4mm的铜管，管长6.1m。
通过在管外冷凝水蒸汽使管内壁温度保持在374.8K。
假定在整个管长上管内流动都是充分发展的，油的物理性质可认为不变，其值如下：
Cp=2050Jkg-1K-1，=881kgm-3，=5.87X10-4Pas，k=0.143Wm-1K-1。
试计算：
（1）Re；
（2）Pr；（3）油的出口温度。
（园管内的对流传热，层流）
2-26在长度为5m，内径为54mm的管内加热苯溶液。
苯的质量流速为175kg/sm2。
苯在定性温度下的物性数据为：
=0.49cP；k=0.14W/mK；Cp=1.8kJ/kgK。
试求苯对管壁的给热系数。
（对流传热，湍流）
2-27一根具有圆形截面的导线，半径为R，电阻率为。
通过此导线的电流密度为I，导线表面温度为T0。
试导出截面温度分布和最大温度。
（有内热源的稳态导热）
2-28有一半径为R的热圆球悬浮在大量的静止流体中，球表面温度为T0，远离球的流体温度为T。
试确定稳态时：
（1）周围流体的温度分布；
（2）球表面与流体间的传热膜系数及鲁塞尔特数Nu。
（稳态导热）
2-29有一厚度为L的固体大平板，其初始温度为t0，自某时刻起，突然将其两个侧面（哪两个侧面？
最好给个图）的温度升至ts，并维持不变。
试由普遍化的能量方程简化成上述情况下的导热方程，并写出定解条件。
设导热只沿垂直于侧面的方向进行。
（一维不稳态导热）
2-30试证明由A、B两组分组成的双组分系统中，在一般情况下进行分子扩散时（有主体流动，且NA≠NB），在总浓度C恒定的条件下，DAB=DBA。
（传质）
2-31在一细管中，底部水在恒定温度298K下向干空气中蒸发。
干空气压力为0.1MPa、温度亦为298K。
水蒸汽在管内的扩散距离（油液面至管顶部）△z=20cm。
在0.1MPa和298K时，水蒸汽在空气中的扩散系数DAB=2.50X10-5m2/s。
试求稳态扩散时水蒸汽的摩尔通量、传质分系数及浓度分布。
（一维稳态扩散）
2-32将温度为298K、压力为1.0atm的He和N2的混合气体装在一根直径为5mm、长度为0.1m的管中进行等摩尔反向扩散。
已知管子两端He的分压分别（保持）为0.06atm和0.02atm，在上述条件下的扩散系数DHe-N2=0.687X10-4m2/s，式计算：
（1）He和N2的扩散通量；
（2）传质分系数；（3）在管中点截面上He和N2的分压。
（等摩尔反向扩散）
2-33在总压为2.0atm下，组分A由湿表面向大量的、流动的不扩散气体B中进行质量传递。
已知界面上A的分压为0.20atm，在传质方向上一定距离处可近似地认为A的分压为零。
已测得A和B在等分子方向扩散时的传质系数ky0=6.78X10-5kmol/m2s（△y）。
求传质系数ky、kg及传质通量NA。
（传质系数）
2-34在直径为25mm、长度为6m的园管内壁面上有一薄层水膜，将30℃、1atm的空气以0.5m/s的速度吹入管内，试计算传质系数、出口浓度和传质速率。
由于在空气中水分的分压很低，气体的物性可以近似的采用空气的物性值。
（管内层流传质）
2-35在常压下大量的干燥空气吹过湿球温度计，当湿球温度为25℃时，试求算干空气的温度。
（湍流传质，柯尔本）
第二章流体输送与流体输送机械
3-1烟道气的组成约为N277%，CO213%，O25%，H2O5%（体积百分数）。
试计算常压下400℃时，该混合气体的密度和粘度。
3-2用一毕托（测速）管测定空气在管道中的流速，用水作指示剂的U型管压差计显示的压差R读数仅为8mmH2O（附图），为了提高读数精度，拟采用以酒精水溶液和煤油为指示剂的双液柱微压差计。
试计算若要使压差读数放大15倍，酒精水溶液的密度以及质量分率为多少？
（水、酒精和煤油的密度可分别取为1000kg/m3、789kg/m3和850kg/m3）
3-3蒸汽锅炉上装有一复式U型水银测压计（附图所示），已知对某基准面而言各点的标高为：
z0=1.8m，z1=0.9m，z2=2.0m，z3=0.7m，z4=2.5m，截面1、2之间充满了水。
试计算锅炉上方水蒸汽压力。
3-4硫酸流经大小管组成的串联管路，硫酸的密度为1830kg/m3，体积流量为9m3/h。
大小管尺寸分别为φ57×3.5mm和φ76×4mm，试分别求硫酸在大管和小管中的
（1）质量流量；
（2）平均流速；（3）质量流速。
3-5如附图将槽A中的NaOH和NaCl的混合水溶液放入反应槽B中，阀C和D同时打开。
问如A槽液面降至0.3m需要多少时间？
已知槽A和槽B的直径为2m，管道尺寸为φ32×2.5mm，溶液在管中的瞬时流速
，式中ΔZ为该瞬时两槽的液面高差。
习题3-2附图
习题3-3附图
习题3-5附图
3-6直径为1.0m的水箱底部有一泄水孔，其孔径为25mm。
当以5.0m3/h的固定流量向水箱加水的同时底部泄水孔也在向外泄水。
若小孔的流量系数Cd为0.62（Cd为孔口实际流量与理想流量之比），试求：
（1）达到出水与进水流量相等时水箱的水位；
（2）达到与上述水位相差0.1m时所需的（假设水箱最初是空的）时间。
3-7用一长度为0.35m的渐缩管将输水管路由内径100mm缩至30mm。
当管内水流量为0.52m3/h，温度为10℃时，问：
（1）在该渐缩管段中能否发生流型转变；
（2）管内由层流转为过渡流的截面距渐缩管大端距离为多少？
3-8用压缩空气将密度为1513kg/m3的硝酸从密闭容器中送至高位槽，要求每批的压送量为0.5m3，10分钟压完，管路能量损失为15J/kg，管内径为25mm，求压缩空气的压力为多少Pa（表压）?
（计算时密闭容器中近似以最终液面为准）。
3-9高位槽内的水面离地面10m，水从φ108×4mm的导管中流出。
导管出口与地面距离为2m，在本题特定条件下，管路摩擦损失可按Σhf=6.5u2J/kg（不包括导管出口的局中阻力）计算，u为水在管内的流速m/s。
试计算：
（1）A—A截面处水的流速；
（2）水的流量。
3-10如附图所示，水从离地面18m处用φ273×5mm，长35m（包括局部阻力损失的当量长度）的管道连接到离地面10m处，并测得高低两处压强分别为345kPa和415kPa（表压）。
试确定：
（1）水的流动方向；
（2）若管路摩擦系数取0.026，管路中水的流量为多少？
习题3-8附图
习题3-9附图
习题10附图
3-11欲在一内径为200mm的输水管路中安装一文丘里流量计（附图）。
若输水量为180m3/h时，要求在文丘里流量计的入口和喉口两截面间检测的R读数不大于700mmHg，且允许的阻力损失不大于静压能差的5%。
试计算该流量计的喉口直径d0和流量系数Cv。
3-12如图所示的一冷冻盐水循环系统，盐水循环量为40m3/h时，盐水由A流至B的阻力损失为100J/kg，由B流至A的阻力损失为50J/kg。
管路系统采用同直径管子，盐水密度为1100kg/m3（忽略泵进、出口的高差），试计算：
（1）若泵的效率为68%，泵的轴功率为多少kW？
（2）若泵出口压力为0.26MPa（表压），B处压力表读数为多少Pa？
习题3-11附图
习题3-12附图
3-13水库引水发电，水流经水轮机后经尾水管流入下水池（如附图所示）。
已知H=60m，h=4m，引水和尾水管内径d=1.2m，引水管阻力损失可取管路动能的8.5倍，尾水管的阻力损失取该管动能的1.0倍。
试求：
流量为1.5m3/s时，水轮机进、出口处的压强以及水轮机的功率。
3-14如图所示，槽内水位维持不变，槽底部与内径为100mm的钢管联结，管路中B处装有一U型管压差计（指示剂为水银）。
当阀门关闭时读数R=600mm，h=1500mm。
（1）阀门部分开启时，测得R=500mm，h=1450mm，若AB段能量损失为10J/kg，问管内流量为多少m3/h？
（2）阀门全开时，若AB段与AC段的能量损失分别按ΣhfAB=1.6u2J/kg，ΣhfAC=7u2J/kg计算（不包括管出口阻力），u为管内流速。
问压差计测压点B处水的静压强为多少？
3-15如附图所示，高25m,内径0.6m的烟囱，烟气的密度为0.6kg/m3，外部的空气密度为1.2kg/m3，炉膛流通面积为烟囱流通面积的2倍，烟囱内壁烟气流动的摩擦系数可取0.025，烟气由炉膛进入烟囱的局部阻力系数为0.65。
试求：
（1）、当测得炉膛内外气体流动的压强差为12mmH2O时，烟囱通过的燃气质量流量为多少？
（2）、若每小时需排出燃气7000m3/h，考虑炉膛真空度仍为12mmH2O，则烟囱的高度为多少？
习题3-13附图
习题3-14附图
习题3-15附图
3-16如附图所示，活塞以一定的速度将油缸中的油推至排油口。
已知油的密度为920kg/m3，缸内径为100mm，排油口直径为30mm，油由油缸进入排油口的局部阻力系数为0.46。
求当活塞上受力6000N时，排油流量及作用在油缸上的力（活塞与缸壁的摩擦可不计）。
3-17试求如附图所示管路中长为L的连续泄流管段的阻力损失。
已知管内径为100mm，泄流管段长10m，水流入该管段流量为0.1m3/s，流出流量为0.02m3/s。
假设沿管长单位长度泄出的水流量相同，且沿管长摩擦系数可取为0.027。
习题3-16附图
习题3-17附图
3-18要求向精馏塔中以均匀的速度进料，现装设一高位槽，使料液自动流入精馏塔中（如附图所示）。
高位槽内的液面保持距槽底1.5米的高度不变，塔内的操作压力为0.04MPa（表压），塔的进料量须维持在每小时为50m3，则高位槽的液面要高出塔的进料口多少米才能达到要求？
已知料液的密度为900kg/m3，粘度为1.5cp，连接管的尺寸为φ108×5mm的钢管，其长度为[（x-1.5）+3]m，管道上的管件有180°回弯管一个，截止阀一个及90°弯头一个。
3-19水由水箱A经一导管路流入敞口贮槽B中，各部分的相对位置如图所示。
水箱液面上方压力为0.02MPa（表压），导管为φ108×4mm的钢管，扩大管D内径为200mm，管路中装有一闸阀（1/2开），转弯处均为90°标准弯头，试计算：
（1）水的流量（设输水管很短，即直管阻力可忽略不计）；
（2）若此系统其它条件不变，仅输水管增长200m，此系统阻力为若干？
习题3-18附图
习题3-19附图
习题3-20附图
3-20如附图所示含有少量可溶物质的废气，在放空之前令其通过一洗涤塔，以避免环境污染。
该气体物理性质与50℃的空气基本相同，鼓风机入口处气体压力为30mmH2O（表压），流量为3600m3/h。
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（不包括进、出塔及管出口阻力），放空口与鼓风机进口的垂直距离为20m，估计气体通过塔内填料层的压力降为200mmH2O，管壁绝对粗糙度ε可取为0.15mm，大气压为0.1MPa。
求鼓风机的有效功率。
3-21用φ60×3.5mm钢管从敞口高位槽中引水至一常压吸收塔内。
高位槽液面与水喷头出口高差10m，管路流量最大可达15m3/h。
现需将流量增加到25m3/h，试求：
（1）管路不变，在管路中增加一台泵，该泵的功率；
（2）管路布局不变，换新的管子，管子的直径。
以上计算中摩擦系数可视为不变。
3-22用钢管将密度为1010kg/m3的稀水溶液由敞口贮槽甲送往敞口贮槽乙。
贮槽乙的液面较贮槽甲的液面低8m，管路总长1500m（忽略局部阻力损失），摩擦系数均取0.029，每天输液量为110吨，每日工作8小时，泵的轴功率10kW，效率60%，试计算：
（1）若流量增加20%，仍用原管路，问需耗轴功率多少kW（设λ保持不变）？
（2）流量增加后，管道总长及两贮槽位置不变，而将输水管改作内径为100mm的钢管，问能否利用位差来完成输送任务。
3-23从山上的湖泊中引水至贮水池，湖面与池面的高差为45米，管道长度约为4000m，要求的流量是306m3/h，湖水温度可取为10℃，如采用新铸铁管，问需多大直径的管子？
如果长期锈蚀ε变为1mm，你所选的管子能否继续使用？
3-24距水箱A液面2.5m深处用一根水管向水箱B放水，连接AB水箱的水管由φ60×33.0mm与φ45×2.5mm不锈钢管组成，长度分别为10m与15m，水出口距水箱B液面0.5m，如附图所示。
两液面高度稳定不变时，求流经管道的流量。
3-25为了调节温度，在空气加热器的进出口并联一旁路（附图）。
已知鼓风机出口压强为0.03MPa（表）,温度为25℃，流量为每小时340m3/h，空气通过换热器的压降为0.01MPa。
若旁路管长6m，管路上标准弯头两个，调节阀一个（按1/2开计），试确定当旁路通过最大气量为总气量的15%时，所用管子的规格。
习题3-24附图
习题3-25附图
3-26温度为20℃的空气以2000m3/h的流量通过φ194×6mm的钢管管路ABC于C处进入一常压设备，如附图所示。
现因生产情况变动，C处的设备要求每小时送风量减少为1200m3/h。
另需在管道上的B处接出一支管BD，要求从此支管按每小时800m3的流量分气，于D处进入另一常压设备。
设管道BC间和BD间各层局部阻力系数之和分别为7及4，试计算BD分气支管的直径。
3-27如附图所示，齿轮泵同时从A、B两油箱吸油，油的密度为850kg/m3，粘度为2.5×10-3Pa.s,吸入流量为3L/s。
A、B两油箱液面差0.6m,A、B两油箱出口到汇合点M处油管长分别为20m和8m，油管内径均为50mm。
不计局部阻力损失。
试求
（1）若两油箱液面保持不变，每个油箱流出油的流量；
（2）若保持A油箱液面高度不变，当B油箱流出流量为零时，两油箱液面差为多少?
（VA=V时，可取λA=0.03）
3-28附图所示的双扩散管汽化器。
已知内扩散管喉管直径d1为25mm，出口直径d2为42mm，外扩散管喉管直径d3为60mm。
内扩散管收缩阻力系数ζ1为0.06，扩散阻力系数ζ2为0.12（对d1处流速而言），外扩散管收缩阻力系数ζ3为0.08。
试验测得空气在内扩散管喉管处的真空度R为150mmHg。
空气由大气吸入，密度为1.2kg/m3，入口阻力可不计。
试求由管子入口处吸入的空气质量流量。
习题3-26附图
习题3-27附图
习题3-28附图
3-29温度为20℃的软水由高位槽分别流入反应器B和吸收塔C中，如附图所示。
器B内压力为0.05MPa（表压），塔C中真空度为0.01MPa。
总管为φ57×3.5mm，管长（20+ZA）m，通向器B的管路为φ25×2.5mm，长15m，通向塔C的管路为φ25×2.5mm，长20米（以上各管长均包括各种局部阻力的当量长度在内）。
所有管道皆为无缝钢管，绝对粗糙ε取为0.15mm。
如果要求向反应器供应0.314kg/s的水，向吸收塔供应0.471kg/s的水，问高位槽液面至少应高于地面多少米？
习题3-29附图
3-30用泵将水送至蓄水池，输水管长2000m，管内径为0.2m，流量为0.05m3/s。
当发现进蓄水池流量减少为0.04m3/s时，测得泵出口流量略有增加为0.052m3/s，而出口压力则下降了0.035MPa。
试确定：
（1）泄漏发生点距泵出口的大致距离：
（2）泄漏孔口与圆孔相当的直径。
（摩擦系数可视为不变，局部阻力忽略不计）。
3-31压力为0.35MPa（表压），温度为25℃的天然气（以甲烷计）经过长100m（包括局部阻力的当量长度）φ25×3mm的水平钢管后，要求压力保持0.05MPa（表压）。
如视为等温流动，天然气的粘度为0.011cp，钢管的绝对粗糙度取为0.15mm，大气压力为0.1MPa。
求天然气的质量流量。
习题3-34附图
3-32进吸收塔的空气管道上安装一毕托管用于测量其流量。
已知管道的内径为350mm，空气温度为35℃，压强为0.1MPa。
检测压差用习题2所示的双液柱压差计。
试求所测管中心处双液柱压差计读数为300mm时，管道内空气的流量。
3-33用20℃、0.1MPa空气标定其刻度，转子材料为铝材的转子流量计测定温度为60℃，压力为0.3MPa的二氧化碳气体。
当转子流量计上读数为5m3/h时，二氧化碳的实际流量应为多少？
若将转子换为同形状、同大小的不锈钢转子，在此读数下二氧化碳的流量又为多少？
3-34用离心泵将敞口贮槽中温度为20℃的水送住一容器中，如附图所示。
容器内压力保持0.01MPa（表压），贮槽液面与容器入口之间的垂直距离为40m，管路为φ83×4mm的钢管（ε=0.2mm），管道总长45m，其上装有孔径d0=30mm的孔板流量计，1/2开闸阀和1/2开球心阀各一个，此外还有4个90°标准弯头。
今测得连接孔板的指示剂为水银的U型管差压计的读数R=320mm，孔板阻力可取所测得压差的80%。
试求泵消耗的轴功率，泵的效率取为65%。
贮槽很大，液面视为稳定。
3-35拟用泵将20℃水由贮池打入一常压洗涤塔内。
贮池液面距塔内水喷淋器出口有10m位差，管路为φ76×4mm钢管，绝对粗糙度为0.2mm。
出口管路上有一调节阀，管路总长40m（包括除调节阀以外的所有局部阻力的当量长度）。
试求：
（1）在阀1/2开度和全开两种情况下，流动处于阻力平方区时管路特性方程；
（2）流量为30m3/h时，两种情况下管路所需的压头及功率。
3-3
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