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《化工原理》习题集

第一章语文课本中的文章都是精选的比较优秀的文章,还有不少名家名篇。

如果有选择循序渐进地让学生背诵一些优秀篇目、精彩段落,对提高学生的水平会大有裨益。

现在,不少语文教师在分析课文时,把文章解体的支离破碎,总在文章的技巧方面下功夫。

结果教师费劲,学生头疼。

分析完之后,学生收效甚微,没过几天便忘的一干二净。

造成这种事倍功半的尴尬局面的关键就是对文章读的不熟。

常言道“书读百遍,其义自见”,如果有目的、有计划地引导学生反复阅读课文,或细读、默读、跳读,或听读、范读、轮读、分角色朗读,学生便可以在读中自然领悟文章的思想内容和写作技巧,可以在读中自然加强语感,增强语言的感受力。

久而久之,这种思想内容、写作技巧和语感就会自然渗透到学生的语言意识之中,就会在写作中自觉不自觉地加以运用、创造和发展。

流体与流体中的传递现象

“师”之概念，大体是从先秦时期的“师长、师傅、先生”而来。

其中“师傅”更早则意指春秋时国君的老师。

《说文解字》中有注曰：

“师教人以道者之称也”。

“师”之含义，现在泛指从事教育工作或是传授知识技术也或是某方面有特长值得学习者。

“老师”的原意并非由“老”而形容“师”。

“老”在旧语义中也是一种尊称，隐喻年长且学识渊博者。

“老”“师”连用最初见于《史记》，有“荀卿最为老师”之说法。

慢慢“老师”之说也不再有年龄的限制，老少皆可适用。

只是司马迁笔下的“老师”当然不是今日意义上的“教师”，其只是“老”和“师”的复合构词，所表达的含义多指对知识渊博者的一种尊称，虽能从其身上学以“道”，但其不一定是知识的传播者。

今天看来，“教师”的必要条件不光是拥有知识，更重于传播知识。

1-1从力学角度来看，固体和流体、液体和气体的主要区别是什么？

一般说来，“教师”概念之形成经历了十分漫长的历史。

杨士勋（唐初学者，四门博士）《春秋谷梁传疏》曰：

“师者教人以不及，故谓师为师资也”。

这儿的“师资”，其实就是先秦而后历代对教师的别称之一。

《韩非子》也有云：

“今有不才之子……师长教之弗为变”其“师长”当然也指教师。

这儿的“师资”和“师长”可称为“教师”概念的雏形，但仍说不上是名副其实的“教师”，因为“教师”必须要有明确的传授知识的对象和本身明确的职责。

1-2设稀薄气体的分子自由程是几米的数量级，问下列两种情况连续介质假设是否成立？

（1）人造卫星在飞离大气层进入稀薄气体层时；

（2）假想地球在这样的稀薄气体中运动。

1-3指出下列作用在流体上的力中，哪些是体积力，哪些是面力？

电磁力，重力，惯性力，静压力，固体边界作用于流体的力，粘性力。

1-4粘性流体的流动型态有几种？

如何判别？

1-5从时间和空间来判别下列运动属什么类型。

（1）ux=cy，uy=uz=0；

（2）ux=cx，uy=-cy，uz=cxy；

（3）ux=yzt，uy=zxt，uz=0；

（4）ur=2k（t）cos/r3，u=k（t）sin/r3，u=0。

1-6流体在园管中流动时，“进口段”与“流动已充分发展”的含义是什么？

在什么情况下充分发展后的流动为层流，又在什么情况下充分发展后的流动为湍流？

1-7比较三种扩散现象的类似性。

1-8扩散定律前面的负号的物理意义是什么？

1-9粘性流体在静止时有没有剪应力？

理想流体在运动时有没有剪应力？

若流体静止时没有剪应力，那么它们是不是都没有粘性？

1-10试分析理想流体与静止流体内部应力的特点。

1-11流线和迹线有什么区别？

流体作定常流动，流线与迹线是否重合？

流体作非定常流动，流线与迹线是否重合？

为什么？

1-12陨星下坠时在天空划过的白线是什么线？

烟囱里冒出的烟是什么线？

1-13设u≠0，说明Du/Dt=0，∂u/∂t=0，（u•）u=0的物理意义。

第二章传递过程基本方程

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，ρ0=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）

第三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