化工原理第二版答案柴诚敬主编.docx
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化工原理第二版答案柴诚敬主编
绪论
SI单位。
1.从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为
（1）水的黏度口=0.00856g/（cm•s）
（2）密度p=138.6kgf?
s2/m4
（3）某物质的比热容C=0.24BTU/（lb•?
）
（4）传质系数K=34.2kmol/（m?
h?
atm）
（5）表面张力d=74dyn/cm
（6）导热系数入=1kcal/（m?
h?
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
-g1kg「100cm]4打、4
冋I」-0.008568.5610kgms=8.5610~Pas
则||cms1000g1m
（2）密度基本物理量的换算关系为
2
1kgf=9.81N,1N=1kg?
m/s
kgfs29.81N1kgms2ILm4_1kgf_1N
（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
则
（4）传质系数基本物理量的换算关系为
1h=3600s,1atm=101.33kPa
则
（5）表面张力基本物理量的换算关系为
_5
1dyn=1x10N1m=100cm
则
、、II:
（6）导热系数基本物理量的换算关系为
3
1kcal=4.1868x10J,1h=3600s
则
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，即式中HE—等板高度，ft;
G-气相质量速度，lb/（ft2?
h）;
D—塔径，ft;
Z0—每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft；
a—相对挥发度，量纲为一；
「一液相黏度，cP；
pL—液相密度，lb/ft3
ABC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
11bft2h=1.35610Jkgm2s（见1）
a量纲为一，不必换算
1lb3=1他丫％丫3.2803和3=16.01kg/m2
ftft3.2.20461b.1m
（2）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：
则办二血—殊山宓価=3.2803血
ftftm
'lI/”少〉flu
同理G=G1.35610-=737.5G
./Ij/11、汀
（3）将以上关系式代原经验公式，得
整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即
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%
N20%CO32%CQ7%CHd%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山=pv=101.35.51000.06000mol=246245.4molRT8.314x313
各组分的质量：
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：
mt=mhm2=6060kg=120kg
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
I/ffI*
绝压=大气压-真空度=85.3103_20103Pa=65.3kPa
（2）真空表读数
真空度=大气压-绝压=101.33103-65.3103Pa=36.03kPa
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
作用在孔盖上的总力为
每个螺钉所受力为
因此
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R=500mmR=80mm指示液为水银。
u.''习题4附图习题5附图
习题6附图
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F3=100mm试求AB两点的表压力。
解：
（1）A点的压力
Pa=:
水gRs?
汞gR2M10009.810.1136009.810.08Pa=1.165104Pa（表）
（2）B点的压力
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=100mmh=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，Pa二Pa，
则p+匚水gh+二汞gR二Pa
故有0.62汎.2gz；A-dZ=0
即dZ二_0.62A°cH
2gzA
上式积分得e=——（_A）（zl2_z12）
0.62^27Ao
管路出口高于地面1.5mo
11.如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7m水从01O8mnX4mmB勺管道中流出,
习题14附图
已知水流经系统的能量损失可按刀hf=5.5『计算，其中u为水在管内的平均流速（m/s）o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（nf/h）o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
gz1+丄口：
1+^=gz2+乌+送hf
（1）
式中Z1=7mUb1〜0,p1=0（表压）
2
Z2=1.5m,p2=0（表压），Ub2=5.5u
代入式
（1）得
（2）水的流量（以m/h计）
习题11附图习题12附图
12.20C的水以2.5m/s的平均流速流经038mnX2.5mm的水平管，此管以锥形管与另一053mm<3mm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习题13附图
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AB两截面之间列机械能衡算方程
式中Z1=Z2=0,ubi=3.0ms
刀hf=1.5J/kg
故P1-5=0.866/9.81m=0.0883m=88.3mm
13•如本题附图所示，用泵2将储罐1中的有机混合液送至精馏塔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1.21x105Pa,进料口高于储罐内的液面8m输送管道直径为0
68mm4mm进料量为20M5/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B-B■之间列柏努利方程式，得
0.21—1.0133抑051.9662
We9.88.0
14•本题附图所示的贮槽内径D=2m槽底与内径do
|（8002
=2.461.9378.470Jkg=175Jkg
Ne=wSWe=203600800173W=768.9W
hi为2m（以管子中心线为基准）。
液体在管内流动时的
为32mm的钢管相连，槽内无液体补充，其初始液面高度
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
Wl=W2
dM
（1）
dr
2
生20u2=20.5ub
2
将式
（2）,（3）代入式
（1）得
即ub+（D）2黔0（4）
在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程
2
即gh=学=
（4）与式（5）联立，得
-5645-dh=d6vh
i.c.9=0,h=h1=2m9=9,h=1m积分得v-乃64521-212S=4676s=1.3h
b,高度2yo，且b»y。
，流道
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。
设管道宽度为长度为L,两端压力降为p，试根据力的衡算导出
（1）剪应力t随高度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>>y。
可近似认为两板无限宽，故有
1A-ip
（-p2yb）y
（1）
2bLL
（2）将牛顿黏性定律代入
（1）得上式积分得
u^y2C
（2）
2-L
边界条件为y=°,u=0,代入式
（2）中，得C=-C供y2
因此心舟（y2小（3）
（3）当y=yo,U=Umax
再将式（3）写成
根据Ub的定义，得
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。
IL[i”!
■
解：
（1）U=Umax』—（l）2〔2Ub.|1—（｝I
（1）
-匚--□
当U=Ub时，由式
（1）得
解得r=0.707「i
由管壁面算起的距离为y円-「=匚-0.707^^0.293^
（2）
.=」du对式
（1）求导得dr
=竺％「二兮土「（3）
皆2'21
rA
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
试计算管内平均流速与最大流速之比u/Umax。
1r1Rr计7
解：
u-uz2ndr=2Mumax2ndr
tR2znV」0lR丿max
\\II■-
令
1--y,贝Vr=R（1—y）
R18.某液体以一定的
1R111
U吕0Uz2ndr占0y1^x2衣（1-y）dy=2Umax0（y17-y87）dy=0.817UmaxnRtJr
1/2，问因流动阻力而产生的
质量流量在水平直圆管内作湍流流动。
若管长及液
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