天津大学化工原理第二版上册课后习题答案doc.docx
《天津大学化工原理第二版上册课后习题答案doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天津大学化工原理第二版上册课后习题答案doc.docx（102页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
天津大学化工原理第二版上册课后习题答案doc
大学课后习题解答
绪论
1.从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI单位。
（1）水的黏度μ=g/（cm·s）
（2）密度ρ=kgf?
s2/m4
（3）某物质的比热容CP=BTU/（lb·℉）
2
（4）传质系数KG=kmol/（m?
h?
atm）
（5）表面张力σ=74dyn/cm
（6）导热系数λ=1kcal/（m?
h?
℃）
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
则
0.00856
g
1kg
100cm
8.56104kgms8.56104Pas
cms
1000g
1m
（2）密度基本物理量的换算关系为
1kgf=N，1N=1kg?
m/s2
则
138.6kgfs2
9.81N
1kgms2
1350kgm3
m4
1kgf
1N
（3）从附录二查出有关基本物理量的换算关系为
1BTU=kJ，lb=kg
1oF5oC
9
则
cp
0.24BTU
1.055kJ
1lb
1F
1.005kJkgC
lbF
1BTU
0.4536kg
59C
（4）传质系数基本物理量的换算关系为
1h=3600s，1atm=kPa
则
KG34.2
2
kmol
1h
1atm
9.378105kmolm2skPa
m
hatm
3600s
101.33kPa
（5）表面张力基本物理量的换算关系为
1dyn=1×10–5N1m=100cm
则
74dyn
1105N
100cm
7.4102Nm
cm
1dyn
1m
（6）导热系数基本物理量的换算关系为
1kcal=×103J，1h=3600s
则
1
kcall
4.1868103J
1h
2hC
1kcal
1.163JmsC1.163WmC
m
3600s
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
HE3.9A2.7810
4
B
C
0.3048Z
13
L
G
12.01D
0
L
式中HE—等板高度，ft；
G—气相质量速度，lb/（ft
2
?
h）；
D—塔径，ft；
Z0—每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft；
α—相对挥发度，量纲为一；
μL—液相黏度，cP；
3
ρL—液相密度，lb/ft
A、B、C为常数，对25mm的拉西环，其数值分别为、及。
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
1ft0.3049m
1lbft2h1.356103kgm2s（见1）
α量纲为一，不必换算
1cp
1
103Pas
1lb
3
=1
lb
1kg
3.2803ft=kg/m2
ft3
ft3
2.2046lb
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：
HEft
HEm
则
HE
m
m
3.2803ft
HE
HE
3.2803HE
ft
ft
m
同理
G
G
1.356
103
737.5G
D
3.2803D
Z0
3.2803Z0
LL110
3
LL16.010.06246L
（3）将以上关系式代原经验公式，得
3.2803HE3.90.572.78104
737.5G
-0.1
1.24
12.013.2803D
0.3048
3.2803Z0
13
1000
L
0.0624
L
整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即
HE1.084104A0.205G-0.139.4D1.24Z0
13L
L
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kPa，温度为40℃。
已知各组分
气体的体积分数为：
H240%、N220%、CO32%、CO27%、CH41%，大气压力为kPa，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
nt
pV101.35.51000.06000mol
246245.4mol
RT
8.314313
各组分的质量：
mH2
40%nt
MH2
40%
246245.4
2kg
197kg
mN2
20%nt
MN2
20%
246245.4
28kg
1378.97kg
mCO
32%nt
MCO
32%
246245.4
28kg
2206.36kg
mCO2
7%nt
MCO2
7%
246245.4
44kg
758.44kg
mCH4
1%nt
MCH4
1%
246245.4
16kg
39.4kg
2．若将密度为830kg/m
3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
m1
m2
6060kg
120kg
Vt
V1V2
m1
m2
60
60
m3
0.157m3
1
2
8301
710
m
mt
120
kgm
764.33kgm
3
3
Vt
0.157
流体静力学
3．已知甲地区的平均大气压力为
kPa，乙地区的平均大气压力为
kPa，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
绝压=大气压-真空度=
85.3
103
20103
Pa
65.3kPa
（2）真空表读数
真空度=大气压-绝压=
101.33
103
65.3103
Pa
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m，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×
6
10Pa，问至少需要几个螺钉（大
气压力为×103Pa）
解：
由流体静力学方程，距罐底
1000mm处的流体压力为
p
p
gh
101.3
103
960
9.81（9.5
1.0）Pa1.813
103Pa（绝压）
作用在孔盖上的总力为
F
（p
pa）A＝（1.81310
3－101.3
10
3）π
0.76
2
N＝3.62710
4
N
4
每个螺钉所受力为
F1
39.5
10
π
0.0142N
6.093103N
4
因此
n
FF1
3.627
1046.093
103N
5.956（个）
习题5附图
习题4附图
5．如本题附图所示，流化床反应器上装有两个mm，指示液为水银。
为防止水银蒸气向空间扩散，
U管压差计。
读数分别为R1=500mm，R2=80于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入
一段水，其高度R3=100mm。
试求A、B两点的表压力。
解：
（1）A点的压力
pA水gR3汞gR210009.810.1136009.810.08Pa1.165104Pa（表）
（2）B点的压力
pB
pA
汞gR1
1.165104
136009.810.5Pa
7.836104Pa（表）
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=100mm，
h=800mm。
为防止水银扩散至空气中，在水银面上方充入少量水，
习题6附图
其高度可以忽略不计。
已知当地大气压力为kPa，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，pApA
则p+
水gh+
汞gRpa
p
pa
水gh
汞gR
101.3
103
10009.80.8136009.80.1Pa80.132kPa
7．某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过kPa（表压），在炉外装一安全液封管
（又称水封）装置，如本题附图所示。
液封的作用是，
当炉内压力超过规定值时，气体便从液封管排出。
试
求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。
解：
水gh13.3
h13.3水g13.3100010009.8m1.36m
流体流动概述
习题7附图
8.密度为1800kg/m3的某液体经一内径为
60mm的管道输送到某处，若其平均流速为
m/s，求该液体的体积流量（
3
kg/s）和质量通量
2
m/h）、质量流量（
[kg/（m·s）]。
解：
Vh
uA
uπd2
0.8
3.140.062
3600m3s8.14m3h
4
4
ws
uA
u
π
2
3.14
0.06
2
1000kgs2.26kgs
d
0.8
4
4
G
u
0.8
1000kg
m2s
800kg
m2s
9．在实验室中，用内径为
cm的玻璃管路输送
20℃的70%醋酸。
已知质量流量为10
kg/min。
试分别用用SI和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。
解：
（1）用SI单位计算
查附录70%醋酸在20℃时，1069kgm3，2.50103Pas
d
1.5cm
0.015m
ub
1060
π40.0152
1069ms
0.882ms
Re
dub
0.0150.882
10692.5
103
5657
故为湍流。
（2）用物理单位计算
1069gcm3，
0.025gcms
d
1.5cm，ub
88.2cms
Re
dub
1.5
88.2
1.0690.025
5657
10．有一装满水的储槽，直径m，高3m。
现由槽底部的小孔向外排水。
小孔的直径为
4cm，测得水流过小孔的平均流速u0与槽内水面高度z的关系为：
u00.622zg
试求算
（1）放出1m3水所需的时间（设水的密度为1000kg/m3）；
（2）又若槽中装满
煤油，其它条件不变，放出1m3煤油所需时间有何变化（设煤油密度为800kg/m3）
解：
放出1m3水后液面高度降至z1，则
1
30.8846m2.115m
z1z0
1.22
0.785
由质量守恒，得
w2w1
dM
，w1
0
（无水补充）
0
d
w2u0A00.62A02gz（A0为小孔截面积）
MAZ（A为储槽截面积）
故有
0.62A0
2gz
Adz
0
d
即
dz
0.62A0
d
2gz
A
上式积分得
2
（A）（z012
z112）
0.62
2gA0
2
1
2
0.62
9.81
312
2.11512s
126.4s
2.1min
2
0.04
11
．如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面
7m，水从φ108mm×4mm的管道中流
出，管路出口高于地面
m。
已知水流经系统的能量损失可按∑
hf=计算，其中u为水在管内
的平均流速（m/s）。
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
（m3/h）。
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
1ub12
p1
gz2
1ub22p2
hf
2
2
（1）
式中
z
1
=7m，u～0，p=0（表压）
b1
1
z2=m，p2=0（表压），ub2=u2
代入式
（1）得
9.81
7
9.81
1.51ub22
5.5ub22
2
ub
3.0ms
（2）水的流量（以
m3/h计）
Vsub2A
3.0
3.14
0.01820.0042
0.02355m3s84.78m3h
4
习题11附图习题12附图
12．20℃的水以m/s的平均流速流经φ38mm×mm的水平管，此管以锥形管与另一φ
53mm×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
以观察两截面的压力。
若水流经A、B两截面间的能量损失为J/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A、B两截面之间列机械能衡算方程
gz1
1ub12p1
gz2
1ub22
p2
hf
2
2
式中
z1=z2=0，ub1
3.0ms
A1
d12
0.038
0.0025
2
ub2
ub1
2.5
2
ub1
d22
0.053
0.003
ms1.232ms
A2
2
∑hf=J/kg
p1p2ub2
ub22
ub12
hf
1.2322
2.52
1.5Jkg
0.866Jkg
2
2
故
p1
p2
0.8669.81m0.0883m88.3mm
g
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
Pa。
流体密度为800kg/m3。
精馏塔进口处的塔内压力为Pa，
习题13附图
进料口高于储罐内的液面8m，输送管道直径为φ68mm4mm，
进料量为20m3/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
p1
u12
gZ1We
p2
u22
gZ2
hf
2
2
p1
1.0133
10
5
；
1.21
10
5
；
Z1
8.0m
；
Pap2
PaZ2
u1
；
hf
70Jkg
0
u2
V
V
203600
ms
1.966ms
A
π
3.14
2
0.068
2
0.004
2
d
4
4
We
p2
p1
u22
u12
gZ2
Z1
hf
2
We
1.21
1.0133
105
1.9662
9.88.0
70
Jkg
800
2
2.461.93
78.4
70Jkg
175Jkg
Ne
wsWe
203600
800173W
768.9W
习题14附图
14．本题附图所示的贮槽内径
D=2m，槽底与内径
d为32mm的钢管相连，槽内无液体补充，其初始液面高度h
为2m（以管子中心线为基准）。
0
1
液体在管内流动时的全部能量损失可按∑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
W1
W2
dM
（1）
d
W1
0，W2
π
2
（2）
d
0ub
4
dM
π2
dh
（3）
d
4
D
d
将式
（2），（3）代入式（
1）得
π2
2dh
4
d0ub
4
D
d
0
即
ub
（D）2dh
0
（4）
d0
d
在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程
gz1
ub12
p1
gz2
ub22
p2
hf
2
2
即
gh
ub2
hf
ub2
20ub2
20.5ub2
2
2
或写成
20.5
2
h
9.81
ub
ub
0.692
h
（5）
式（4）与式（5）联立，得
0.692h
（2）2dh0
0.0
升级会员 