化工原理习题集..doc

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绪论

1.按定义写出下列各物理量的SI单位与工程单位：

（a）密度—单位体积的质量；

（b）功率—单位时间所做功；

（c）传热速率—单位时间所传递的热量。

解：

（a）密度SI单位：

[r]=kg/m3

工程单位：

[r]=（kgf×s2/m）/m3=kgf×s2/m4

（b）功率SI单位：

[N]=J/s（=W）

工程单位：

[N]=kgf×m/s

（c）传热速率SI单位：

[Q]=J/s（=W）

工程单位：

[Q]=kcal/s

2.进行下列单位换算（根据单位之间的关系变换，不用单位换算表）：

（a）30℃时水的表面张力s=71dyn/cm，将此cgs单位换算成SI单位；

（b）30℃时水粘度m=0.008g/（cm×s），将此cgs单位换算成SI单位；

（c）传质系数kG=1.6kmol/（m2×h×atm），换算成SI单位：

kmol/（m2×s×Pa）。

解：

（a）s=71dyn/cm=71´（10-5N）/（10-2m）=0.071N/m；

（b）m=0.008g/（cm×s）=0.008´（10-3kg）/（10-2m×s）

=8×10-4kg/（m×s）

（c）kG=1.6kmol/（m2×h×atm）=1.6kmol/（m2×3600s×101300Pa）

=4.39×10-9kmol/（m2×s×Pa）

3.湿物料原来含水16%（wt%），在干燥器中干燥至含水0.8%，试求每吨物料干燥出的水量。

解：

干燥前物料总量：

1000kg

干燥前含水：

1000×16%=160kg

干燥后含水：

[1000×（1-16%）/（1-0.8%）]×0.8%=6.8kg

则每吨物料干燥出的水量=160-6.8=153.2kg

4.例3中的两个蒸发器，若每个的蒸发量相等，而原料液和最终浓缩液的浓度都不变，试求从第一个蒸发器送到第二个蒸发器的溶液量及其浓度。

解：

按例3附图，作全系统的物料衡算

总物料：

5000=A+C+D=2A+D⑴

NaOH：

5000×0.12=D×0.5⑵

由式

（2）解得D=1200kg/h

代入式

（1）A=（5000-1200）/2=1900kg/h

由蒸发器1物料衡算：

B=5000-1900=3100kg/h

xB=5000×0.12/3100=0.194=19.4%

5.1atm下苯的饱和蒸汽（80.1℃）在换热器中冷凝并冷却到70℃。

冷却水于30℃下送入，于60℃下送出。

求每千克（重量）苯蒸汽需要多少冷却水。

1atm下苯的汽化潜热为94.2kcal/kg，在0~70℃内的平均比热为0.42kcal/（kg×℃）。

解：

以1kg苯蒸汽为基准作热量衡算，基准温度70℃，设水流量为W

以整个体系为研究对象：

热量输入：

苯94.2+0.46（80.1-70）=98.85

水W（30-70）×1=-40W

热量输出：

苯0

水W（60-70）×1=-10W

热量衡算：

98.85-40W=-10W

所以水流量W=98.85/30≈3.3kg水/kg苯

第一章流体流动

1.试计算空气在-40℃和310mmHg真空度下的密度和重度（用SI制和工程单位制表示。

）

解：

已知空气T=-40℃=233.15K，p=p大气压-p真空度=760-310=450mmHg

SI制表示：

=0.898kg/m3

g=rg=0.898×9.81=8.81（kg/m3）（m/s2）=8.81N/m3

工程单位制表示：

g=0.898kgf/m3

r=g/g=0.898/9.81=0.092kgf×s2/m4

2.在大气压为760mmHg的地区，某真空蒸馏塔塔顶真空表的读数为738mmHg。

若在大气压为655mmHg的地区使塔内绝对压力维持相同的数值，则真空表读数应为多少？

解：

因为p绝=p大-p真

据题意有：

p绝==

已知=760mmHg=738mmHg=655mmHg

=-+=655-760+738=633mmHg

3.敞口容器底部有一层深0.52m的水（r=1000kg/m3），其上为深3.46m的油（r=916kg/m3）。

求器底的压力，以Pa、atm及mH2O三种单位表示。

这个压力是绝压还是表压？

解：

已知r水=1000kg/m3，h水=0.52m，r油=916kg/m3，h油=3.46m

器底压力p=r水gh水+r油gh油

=1000×9.81×0.52+916×9.81×3.46

=36193Pa

=36193/101325=0.357atm

=0.357×10.33=3.69mH2O

此压力为表压。

第4题图

4.如附图所示，封闭的罐内存有密度为1000kg/m3的水。

水面上所装的压力表读数为42kPa。

又在水面以下装一压力表，表中心线在测压口以上0.55m，其读数为58kPa。

求罐内水面至下方测压口的距离。

解：

已知p1=42000Pa，p2=58000Pa，h=0.55m

取a-a为等压面可列出下式：

p1+rgDz=p2+rgh

Dz=（p2-p1）/（rg）+h

=（58000-42000）/（1000×9.81）+0.55=2.13m

第5题图

5.图示的汽液直接接触混合式冷凝器，蒸汽被水冷凝后冷凝液和水一道沿气压管流至地沟排出，现已知器内真空度为0.85kgf/cm2，问其表压和绝压各为多少mmHg、kgf/cm2和Pa？

并估计气压管内的液柱高度H为多少米？

（大气压为752mmHg）

解：

由表压和绝压的定义式可知：

p表=-p真

p表=-0.85kgf/cm2

=-0.85×735.5mmHg=625.2mmHg

=-0.85×98100Pa=-833400Pa

p绝=p大-p真

=752-0.85×735.5=126.8mmHg

=0.173kgf/cm2=16905.8Pa

取地沟液面a-a为等压面得

p大=p绝+rgH

p大-p绝=p真

rgH=p真

H=p真/（rg）=0.85×98100/（1000×9.81）=8.5m

第6题图

6.用一复式U管压差计测定水流管道A、B两点的压差，压差计的指示液为汞，两段汞柱之间放的是水，今若测得h1=1.2m，h2=1.3m，R1=0.9m，R2=0.95m，问管道中A、B两点间的差压DpAB为多少？

（先推导关系式，再进行数字运算）。

解：

如图取等压面，推导p1与p6的关系

已知p1=p2，p3=p4，p5=p6

p1=p4+rHggR1

p6=p4+rg（R1+h2-h1）

p1-rHggR1=p6-rgR1-rgh2+rgh1

p1=pA+rgh1

p6=pB+rHggR2+rg（h2-R2）则

pA-pB=rHggR1-rgh1+rHggR2+rgh2-rgR2-rgR1-rgh2+rgh1

=rHgg（R1+R2）-rg（R1+R2）

=（rHg-r）g（R1+R2）

=（13600-1000）×9.81×（0.9+0.95）

=2.287×105Pa=1.71×103mmHg

7.用双液体U管压差计测定两点间空气的差压，读数为320mm。

由于侧壁上的两个小室不够大，致使小室内两液面产生4mm的高差。

求实际的差压为多少Pa。

若计算时不考虑两小室内液面有高差，会造成多大的误差？

两液体的密度如附图所示。

第7题图

第7题图

解：

如图取a-a为等压面，则静力学方程式可得：

R=0.32m，Dh=0.004m

p1+rcgR=p2+rcgDh+rAgR

实际压差p1-p2=（rA-rc）gR+rcgDh

=（1000-910）×9.81×0.32+910×9.81×0.004

=282.5+35.7=318.2Pa

若不计两液面高差则

p1-p2=（1000-910）×9.81×0.32=282.5Pa

误差=（318.2-282.5）/318.2=11.2%

8.硫酸流经由大小管组成的串联管路，硫酸相对密度为1.83，体积流量为150L/min，大小管尺寸分别为f57´3.5mm和f76´4mm，试分别求硫酸在小管和大管中的⑴质量流量；⑵平均流速；⑶质量流速。

解：

由题意知，r=1830kg/m3，d小=50mm，d大=68mm，V=150L/min

⑴质量流量m小=m大=Vr=150´10-3´1830=274.5kg/min=4.575kg/s

⑵平均流速u=V/[（p/4）d2]，则

小管u小==1.274m/s

大管u大=u小=1.274´（50/68）2=0.689m/s

⑶质量流速G=ur

小管G小=u小r=1.274´1830=2331kg/（m2×s）

大管G大=u大r=0.689´1830=1261kg/（m2×s）

第9题图

9.如图在槽A中装有NaOH和NaCl的混合水溶液，现须将该溶液放入反应槽B中，阀C和D同时打开。

问如槽A液面降至0.3m需要多少时间。

已知槽A与槽B的直径为2m，管道尺寸为f32´2.5mm，溶液在管中的瞬时流速u=0.7m/s，式中为该瞬时两槽的液面高差。

解：

A、B槽直径相同，故当A槽液面下降2.7m时，B槽液面将升高2.7m。

现对B槽列微分衡算式

uS小dq=S大dh

式中S小—管截面，S大—槽截面，m2。

已知u=0.7，dh=（-1/2）d（Dz）

代入上式得0.7S小dq=S大（-1/2）d（Dz）

分离变量，在Dz=18至18-2´2.7间积分：

q=

=5432s=1.51h

10.一高位槽向喷头供应液体，液体密度为1050kg/m3。

为了达到所要求的喷洒条件，喷头入口处要维持0.4atm（表压）的压力。

液体在管路内的速度为2.2m/s，管路损失为25J/kg（从高位槽算至喷头入口为止）。

求高位槽内的液面至少要在喷头入口以上几米。

解：

取槽内液面为1面，取喷头入口处为2面，以2面为基准，对1、2截面列柏努利方程式。

取高位槽内液面至喷头入口垂直距离为Dz

已知：

p1=0，p2=0.4atm，u1=0，u2=2.2m/s，wf1-2=25J/kg，则

=6.73m

第11题图

11.从容器A用泵B将密度为890kg/m3的液体送入塔C。

容器内与塔内的表压如附图所示。

输送量为15kg/s。

流体流经管路（包括出口）的机械能损耗为122J/kg。

求泵的有效功率。

解：

如图所示，对容器A液面至塔内的管出口外列柏努利方程式：

已知：

z1=2.1m，z2=36m，u1=0，u2=0（管出口外），p1=0，

p2=2160kPa，wf=122J/kg。

代入上式得：

we=（z2-z1）g+p2/r+wf

=（36-2.1）´9.81+2160´103/890+122

=332.6+2427+122

=2881.5J/kg

泵的有效功率Ne=wems=2881.5´15=43.2kW

第12题图

12.图示一冷冻盐水的循