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