《化工原理》第三版复习思考题及解答.docx
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《化工原理》第三版复习思考题及解答
《化工原理》（第三版）复习思考题及解答
第0章绪论
1）广义地说，凡工业生产的关键环节是改变物质组成，这类生产便归属化工生产范畴。
2）为了便于管理及技术交流，很多行业从化工中划分出去，但它们仍属“化工大家族”中的一员。
这些行业有石油化工，塑料工业，制药工业，硅酸盐工业?
?
3）生产工艺学是研究某一化工产品生产全过程的学科。
4）化学工程是研究化工生产中共性问题的学科。
5）化工生产中虽然化学反应是核心，但前、后对物料的处理大都为物理加工过程。
这些对物料的物理加工过程称为单元操作。
6）介绍主要单元操作的原理、方法及设备的课程叫化工原理。
7）物理量=数×单位。
8）基本单位：
长度质量,时间（答：
m，kg，s）
9）导出单位：
力,功或能,功率压强。
10）有的单位前面有“字首”，这些字首的意思是：
k3-2-3,μ-6。
11）查得30℃水的粘度--μ×105/Pa·S为80.12,表明μ=-5。
12）量纲是普遍化单位。
如长度单位有m，cm，mm，km等，其量纲为
13）物料衡算是对一定的时间间隔、一定的空间范围（控制体）而言的。
14）总的物料衡算式为∑Mi－∑Mo=Ma，各种M的单位均为质量单位，如kg。
15）若无化学反应，对任一组分j，物料衡算式为∑Mi，j-∑Mo，j=Ma，j16）若进、出控制体的物料均为连续流股，各流股的质量流量均恒定，∑Mi=∑Mo,控制体内任一位置物料的所有参量—如温度、压强、组成、流速等都不随时间而改变，则该控制体处于定态或称定常态或稳定态过程。
17）流体粘度的单位换算关系是：
cP（厘泊）=0.001Pa·S，则3.5cP=-3Pa·S,0.005Pa·cP。
【分析】3.5cP=3.5cP×（0.001Pa.S/1cP）=3.5×10-3Pa.S
0.005Pa.S=0.005Pa.S×（1cP/0.001Pa.S）=5.0cP式中（0.001Pa.S/1cP及（1cP/0.001Pa.S）称为“转换因子”，用于物理量的单位转换。
18）任一物理方程式中各物理量必然单位和谐。
以离心泵的扬程、流量关系为例，若He=36-0.02V2（单位He—m，V--m3/h）,则式中36的单位是,0.02单位是32。
19）某管路特性方程为He’=8.0+8.07×105V2（式中He’—m，V—m3/s）当以V’[m3/h]替代V，则该公式改为2。
[分析]因为1[m3/h]=（1/3600）[m3/h]，所以He’=8.0+8.07×105[V’×（1/3600）]2=8.0+0.06227（V’）2
20）圆球固体颗粒在流体中作自由重力沉降，在stokes区的沉降速度计算式为ut=gdp2（ρs-ρ）/（18μ）。
式中ut—沉降速度，m/s,g—重力加速度，g=9.81m/s2,dp—颗粒直径，m；ρs—颗粒密度，㎏/m3；μ—流体粘度，Pa·S。
当以ut’[cm/s],μ’[cP]分别替代ut与μ，则该公式为
ut’=10-5gdp2（ρs-ρ）/（18μ’）。
分析：
ut=100ut’，cm/s],μ=1000μ’，所以：
ut’=10-5gdp2（ρs-ρ）/（18μ’）
第一章流体流动
1）温度升高，液体粘度下降，气体粘度增大。
2）流体的粘度可通过流体粘性定律τ=μ（dv/dy）=μ（ΔV/Δy）[N/m2]（y的取向：
令dv/dy为正）求得。
试分
析下列情况的τ值。
图中A为薄平板或圆筒面的面积（m2）。
（答：
F/A,G.sinα/A,G/（πDH））
1
3）理想流体是μ=0，∑hf=0，△V=0的流体。
4）2.04ml某液体的质量为2.10g，其密度为3。
（答：
1029）
5）1atm=1.013×105Pa=mmHg=2O
1at=2=4mmH2O
6）外界大气压是753mmHg（绝压）某容器内气体的真空度为7.34×104Pa，其绝压为4表压为4。
7）1.60at（绝压），35.0℃的N2（分子量M=28.0）的密度为3（答：
1.72）
【分析】根据题给的条件可按理想气体计算密度。
ρ=pM/（RT）,R=8314J/（kmol.K）,不要用T=273+t。
8）水面压强p0=1atm，水深64m处的压强p=50,p皆为绝压）。
9）如右图，U形压差计读数R=Hg=13.6×103kg/m3,不计两液面大气压P的差异。
10）修正压强pm=在重力场中静止的恒密度流体，只要流体是连通的，则处处流体的pm=常数。
11）流体在圆管内流动，通常讲的“管流”指的是流体充满管内且流动。
【分析】如无说明，流体在管内的流动皆为管流。
12）Φ57×3.5mm的圆直钢管，管内充满流动的水，则水的流动截面积A=-32。
【分析】Φ57×3.5mm，表示钢管外直径为57mm，管子壁厚为3.5mm，其内径为50mm。
13）ρ=940kg/m3的液体，以8.60m3/h的流量流过12）题的管内，其平均流速u=质量流速G=m）（答：
1.22，1146）
14）水在Φ60×3mm钢管内流过，流量V=2.75×10-3m3/h，水的粘度μ=1.005cP,则Re=4，流型为湍流。
【分析】Re=duρ/μ,当流体流过管内，Re=4Vρ/（πdμ）。
前者出现u，后者出现V，此题用后者算比较好。
15）圆直管内流体层流的点流速分布侧型为抛物线,令管子内半径为R,轴心线处点流速为νmax，，则任一点与轴心线距离为r处的点流速ν2。
且平均流速u=νmax。
16）流体在圆、直管内湍流的点流速分布规律ν=νmax（n,常见的n值为
17）均匀流遇到与其流线平行的静止固体壁面时，与壁面接触的流层质点被固体吸着而流速降为零，流体与壁面间没有摩擦发生，这叫无滑动现象。
由于流体有粘性，受壁面影响而流速降为零的流体层逐渐增厚。
若均匀流流速为u0，则，ν<0.99u0的减速部分称为边界层。
18）湍流边界层紧邻壁面处存在着。
19）均匀流体流入圆管内，随着流进圆管内距离的增加，边界层不断增大的管段称为进口段,在边界层厚
2
度达到管内半径以后的管段称为稳定段,管流的Re及流速侧型都是指稳定段而言的。
20）u2/2表示每_稳定段u2/（2g）表示每
21）流体从1截面流至2截面的过程中，由于流体有_______,导致部分流体机械能转变为内能，每kg流体由此损耗的机械能以________表示。
22）某液体，ρ=880kg/m3，μ=24cP，在Φ57×3mm圆直管内流过，流速u=0.802m/s,则流过20m管子的阻力为5.38J/kg。
【分析】Re=duρ/μ=0.051×0.802×880/（240×0.001）=1500,层流，层流阻力可按海根.泊稷叶公式计算。
∑hf=32μul/（ρd2）=32×24×0.001×0.802×20/（880×0.0512）=5.38J/kg
23）流体在一圆直管内流动，Re=700，若流量加倍，对同一管段来说，阻力消耗的功率为原来的（答：
4）
【分析】原来是层流，流量加倍后，Re=1400，仍属层流。
层流：
N=∑hf.（Vρ）[w],所以N’/N=（∑hf’/∑hf）（V’/V）=（u’/u）2=22=4
24）量纲分析法是一种指导的方法。
其依据是任一物理方程必然量纲。
通过量纲分析，可把理量间一般不定函数式转变成特征数间一般不定函数式。
根据∏定理，“特征数”数=“物理量”数－“基本量纲”数。
25）量纲分析法的好处是：
①减少变量，大大减轻实验工作量。
②在满足流体各物性值均为恒值的条件下，通过实验得到的特征数间的定量关系式可推广应用于其它工质及其它几何相似的不同尺寸的设备。
26）雷诺数表示之比。
27）由量纲分析法指导实验得到的公式是一种半理论半经验公式。
28）工业上常用的粗糙管有水煤气管，无缝钢管，铸铁管。
29）工业上常用的光滑管有玻璃管，塑料管，黄铜管。
30）计算直管沿程阻力的范宁公式为∑hf=λ（l/d）u2/2J/kg。
31）在湍流区（包括过渡流区），当ε/d一定，随Re增大，λ值先，然后达到常数。
λ=常数的区域称为阻力平方或高度湍流区。
32）在高度湍流区摩擦系数λ取决于与无关。
若流体在某粗糙管内高度湍流，当流量加倍，对同一直管段来说，阻力将增至原来的4倍。
（答：
ε/d，Re，4）
33）在湍流区（包括过渡流区），当Re一定，随着ε/d减小，λ值减少。
ε/d的极限为光滑管。
光滑管，当Re=3000，λ=0.3164/Re0.25，此公式称为布拉修斯公式。
34）流体流过弯头，三通，阀门等的阻力称为局部阻力。
局部阻力总伴随着边界层分离现象。
计算局部阻力的公式有两种，即hf=2/2J/kg及hf=λ（u2/2J/kg。
35）通过管道，将地面管内的水输到敞口水塔水面上方。
已知出水口距地面高20m，水流速1.20m/s，管长及局部阻力当量管长l+∑le为40m，管内径38mm，摩擦系数λ=0.028输入端管内的表压p1=at。
【分析】p1/1000=（9.81×20）+（0.028×40/0.038）×（1.20）2/2
所以，p1=2.174×105Pa（表压）=2.216at（表压）
36）水由A水库通过长管道流入B水库，如下图所示管内径为d1，输入量为V1。
现欲加大流量，要求V2=2.4V1，设管长不变，布拉修斯公式可用，局部阻力不计，采用增大管内径方法解决，则d2/d1=
【分析】EＡ－ＥＢ＝∑hf（Ｅ通常表示每千克流体的总机械能。
）
因前后情况EＡ和ＥＢ都没有改变，故∑hf，１＝∑hf，２，
∑hf＝８λｌV／（πｄ）＝８×０.３１６４ｌV／｛［４Vρ／πｄμ］
πｄ｝∝（V２５１.７５２２５２０．２５／ｄ４．７５）
3
V１１.７５／ｄ１４．７５＝V２１.７５／ｄ２４．７５所以d2/d1=（V2/V1）（1.75/4.75）=1.38
37）如下图所示，水由A-A截面经向上倾斜异径管流至B-B截面。
A、B截面处均流线平行，由A、B截面到U形管的连接管内及U形压差计内指示液上方均为与管内相同的水。
已知R=68mm，则pm,A－pm,B=3。
【分析】在重力场中流体恒密度条件下，静止流体的Pm为恒值，由此可导出下式：
pm,A－pm,B=pm,3－pm,4=p3－p4=（ρ
=8.405×103PaHg-ρ）gR=（13.6-1）×103×9.81×0.068
读R不变,（pA-pB）减小。
【分析】
根据
38）承37题，若流量不变把管子水平放置，则会发生如下变化：
（pm,A－pm,B）不变
==4.33m3/h经验E1恒定A阀门开大?
?
?
→V↑→∑hf,1-4↑?
?
?
→E4↓→P4↓→E5↓→V3↓
（1+∑le）=30/20=（1+∑le）1-
?
V1=8.14m3/h?
?
?
H=41.3m1?
e，?
22pm,A/ρ+uA/2=pm,B/ρ+uB+∑hf，∑hf与管子倾斜角度无关，所以（pm,A-pm,B）不
变，亦即R不变。
pm,A-pm,B=（pA+ρgzA）-（pB+ρgzB）=常量
pA-pB=常量+ρg（zB-zA）
当管子由倾斜向上改为水平，（zB-zA）减小，（pA-pB）减小。
39）三根内径相同的直管，管内水流量相同，两侧压点的距离相同，但管子安装方向不同，一根水平，一根倾斜向上，一根倾斜向下，如下图所示，则R1，R2，R3的关系是R1关系是p2=R2=R3p1、△p2、△p3的>p1>p3。
=pm,2=pm,3，∴R1=R2=R3【分析】pm,1
pA-pB=常量+ρg（zB-zA），∴p2>p1>p3
4
40）某套管，外管内直径为d2，内管外直径为d1，此套管的当量直径de
41）有时把流体流过一段管路的阻力∑hf改用摩擦压降-?
pf形式表示，二者关系是∑hf=-pf/ρ。
τ42）水以1.2m/s流速从圆直等径管内流过，摩擦系数λ=0.026，则紧邻管壁处流体剪应力w=
2，在r/R=0.50（R为管半径）处的剪应力τ=N/m2。
【分析】①pm,1/ρ=pm,2/ρ+∑hf=pm,2/ρ+λ（l/d）u2/2
∴（pm,1-pm,2）d/l=λ?
ρu2/2
②参看右图，沿管轴线向作1长管段的力的衡算：
（π/4）d2（p1-p2）-（π/4）d2lρgsinα=τw?
πdl
其中，lsiαn=z2-z1，可整理得
∴（pm,1-pm,2）d/l=4τw
③因此，τw=λρu2/8=0.026?
103?
（1.2）/8=4.68N/m2
④无论层流或湍流的管流，剪应力τ均与该流层距轴心线的距离r成正比，故2
τ=τw（r/R）=4.68?
0.5=2.34N/m2
43）如右图所示，dA>>dB。
当水流向为A形压差计读数为R1。
当流向为BAR2。
两者流量相同，均不计AB段直管阻力，只计截面突变阻力，则R1R2。
【分析】当dA>>dB,由A→B，ζ=0.5，由B→A，ζ=1，局部阻力均按ζuA2/2计。
A→
B：
222pA/ρ+uA/2=pB/ρ+uB/2+0.5uB/2
∴
B→A：
22/2-uA/2（pA-pB）/ρ=1.5uB222pB/ρ+uB/2=pA/ρ+uA/2+uB/2
5
∴（pB-pA）/ρ=uA2
/2
44）45℃的水蒸汽压PV=9.586kPa，PO=1atm，u2=0.60
虹吸操作的2gHom/s,Ho=1.5m,则如图所示的能正常Hmax=m（计算Hmax时可忽略阻力）。
【分析】u2
时的H==3.25m/s=u3虹吸管正常操作应该管内的水不汽化。
令P3=PvHmax，排1-3截面的伯努利方程，得：
51.0?
13为10＝/1000
9.81Hmax+
9.586?
103/1000+（3.25）2/2∴Hmax=8.81m
45）两管并联，管1的管长（包括局部阻力的当量管长）、管内径及摩擦系数为
应值为l1、d1和λ1，管2的相l2、d2和λ2，则流量比V
12=
46）转子流量计对某种流体的操作特性是恒流速、恒压降，现有一转子流量计，转子密度ρf=2800kg/m3
，其刻度是按3ρ=840kg/m120℃的水标定的。
当用于的流体，读得刻
33.80m/h,则实际流量是m3/h。
度为
【分析】V1=V
==4.33m3/h47）以孔板流量计测量某液体流量，用U形压差计作为测压仪器。
若流量加倍且流量改变前后孔流系数C0为不变的常数，则加大流量后U形压差计读数R'为原流量时读数R的4倍。
（答：
4）
48）以下是两道判断题。
在分析=时，可用E表示某截面每kg液体的总机械能，可略去液体动能。
各水槽液位假设不变。
①当阀A关小，P3升高，P4降低。
[分析]
6
h,4-2
hf,1-
3
②原来A，B阀均部分开启，当A阀开大，B阀不变，则V增大，P4下降，V3减少。
→V↑→[分析]A阀门开大?
?
?
经验∑hf,1-4E1恒定↑?
?
?
→E4↓→P4↓→E5↓→V3↓
第二章流体输送机械
1）流体输送机械依结构及运行方式不同，可分为4种类型，即。
2）离心泵均采用后弯叶片，其泵壳侧形为蜗壳形，引水道渐扩，是为了使流体动能转化为静压能。
3）离心泵的三条特性曲线是和η~V曲线。
这些曲线是一定的流体工质和一定转速条件下，由实验测得的。
4）离心泵铭牌上写的参量是η时的参量。
5）离心泵启动前要盘车、灌液，灌液是为了防止现象发生。
6）离心泵停泵要前先关小出口阀，以避免发生易损坏阀门和管道的水锤现象。
7）离心泵在长期正常操作后虽工作条件未变，却发生气蚀，其原因一般是汲入管内壁因污垢沉积造成流体流动阻力增加。
8）液体容器绕中心轴等角速度ω旋转，如附图所示。
液面任一点高度z与该点对轴心线的距离r之间的数量关系是z=ω2r2/2g。
【分析】旋转液体中任一点都满足的方程是：
p+ρgz-ρω2r2/2=常量c，如图，取o点为柱坐标原点，在o点处，r=0，z=0，p=p0，所以c=p0，于是，上式可改成p+ρgz-ρω2r2/2=p0，在液面上，p=p0，即ρgz=ρω2r2/2，则z=ω2r2/2g
9）如下图，用离心泵将水由水槽输入塔内，塔内压强p2=0.2at（表压），汲入及压出管总长及局部阻力当量管长1+∑le=20mm，摩擦系数λ=0.024，则输送每N水所需的外加功He’与流量V的数量关系式为’62
【分析】排1-2截面间伯努利方程：
He’=p2-p08λ（1+le）2H++V=ρgπ2gd5
0.2?
9.81?
1048?
0.024?
2428.2++2V=10.2+4.06?
106V251000?
9.81π9.81（0.025）
式中单位：
He’—m，V—m3/s
7
10）承9）题，He’表示在9）题条件下，为实现水流量为V[m3/s]的输送，1[N]水必须得到的外加机械能[J]。
9）题导出的He~V关系又称为λ’211）承9）题的管路特性方程可改写成He’=10.2+0.313V2[m]（式中：
V—m3/h）。
如选用的泵的“He~V”关系可表达为He=42－0.01V2[m]，则工作点为3【分析】泵：
He=42－0.01V2，He’=10.2+0.313V2令He=He’，得V=9.92m3/h，He=41m注意：
V的单位只能统一才能联立求解。
12）承11）题，若略关小出口阀，使1+∑le=30m，设λ不变，则新工作点为3，。
【分析】出口阀关小后，与原来的相比，K1=1.5K=1.5?
0.313=0.47，新的管路特性方程为He'
（1+∑le）=30/20=1.5，所以（1+∑le）1-
=10.2+0.47V2
=41.3m
{
泵：
He=42-0.01V管路：
He'=10.2+0.47V2
，令He
=He'，所以{V1=8.14m3/h，He
，1
13）承12）题，已知在出口阀关小后V1=8.14m3/h时泵的效率η=0.62，与原来的V=9.92m3/h相比，因关小阀而多消耗在阀上的轴功率ΔNa=
【分析】参照附图，当阀关小V1=8.14m3/h时，若按原来的管路特性曲线计，只需
He'=10.2+0.313?
（8.14）2=30.9m，但因阀关小增加阀的阻力，实际He,1=41.3m，所以因阀关小而多耗的轴
功率
?
Na=?
He?
Vρg/η=（41.3-30.9）?
8.14?
103?
9.81/（3600?
0.62）=372W
n'/n=V'/V=8.14/9.92=0.822（42-0.01（V/2）2）He'=6.2+0.0854V2m（V-m3/h）∑Hf=KV2
2Hgmax=（p1-pv）/（ρg）-?
h允-∑Hf，汲=0-2.4-3.3=-5.7mu2ρ1/2V',HT'/ρ'
?
Na=?
He?
Vρg/η=（41.3-30.9）?
8.14?
103?
9.81/（3600?
0.62）=372W
14）承13）题，若管路及阀门开启度均保持原来情况不变，用减小泵转速的方法使流量降至8.14m3/h，则调节后的转速与原转速之比n’/n=。
8
【分析】n'/n=V'/V=8.14/9.92=0.82
15）已知单台离心泵的性能为He=42－0.01V2（V—m3/h），则两台相同的上
述的泵串联或并联，其综合的性能分别为He，串=2
=42-0.01（V（42-0.01V），H2e，并/2）2。
16）如图，当泵出口阀全开，V=25m3/h时管路阻力∑Hf=53.4mH2O，则阀全开时的管路特性方程为He'=6.2+0.0854V2m（V-m3/h）。
【分析】阀全开，
程为He'∑Hf=KV2，即53.4=K（25）2，所以K=0.0854m/（m3/h）2故阀全开时管路特性方=6.2+0.0854V2m（V-
m3/h）
17）单项选择题：
离心泵的安装高度与
（A）泵的结构无关（B）液量流量无关（C）汲入管阻力无关（D）液体密度有关
【分析】当离心泵从低位液槽汲液，液槽的液面压强为P1（绝压），该液体在工作温度下的蒸汽压为Pv，则泵的最大安装高度为
Hgmax=（p1-pv）/（ρg）-?
h允-∑Hf，汲
其中允许汽蚀余量?
h允与泵的类型，尺寸，转速，流量有关。
18）某离心泵在高原使用，外界大气压p0=8.6mH2O（绝压），输15℃的水，水的蒸汽压pV=1.707kPa。
由工作点查得Δh允=3.5m，可算得汲入管阻力为2.3mH2O，则最大安装高度为m。
【分析】Hgmax=p0/（ρg）-pv/（ρg）-?
h允-∑Hf，汲
=8.6-1.707?
103/（1000?
9.81）-3.5-2.3=2.63m
19）以离心泵由A槽把饱和液体输至B槽。
要求流量为16m3/h。
查得该泵在该流量时
Δh允=2.4m，可算得汲入管阻力为3.3m。
可判断此泵在该流量时不会发生气蚀。
【分析】饱和液体，即工作温度下液体的蒸汽压pv等于外压p1，于是
Hgmax=（p1-pv）/（ρg）-?
h允-∑Hf，汲=0-2.4-3.3=-5.7m从附图见，Hg=-8m，因此Hg<Hgmax,故不会产生气蚀。
20）使用离心泵从此泵的位置更低的液槽汲液，不应在汲入管上装阀以调节流量，原因是成气蚀。
9
21）往复泵属于正位移类型的流体输送机械，常用于流量小，压头大的场合。
在固定操作条件下，通过泵体的液体流量是恒定的。
当需要调节流量时，不能用调节出口阀的办法，只能用调节旁路阀门方法解决。
22）在风机样本中，离心式风机的性能曲线是在一定转速下，规定进口气体密度ρ=3条件下测得的。
性能曲线共有4条，即HT静~V,Na
23）若以下标“1”、“2”表示风机的进、出口截面，风机全风压HT为按风机进口截面处气体密度计的每立方米气体流过风机所提高的机械能，J/m3或Pa。
24）在全风压中，往往略去位能项。
25）若风机操作时进风口压强为p1，出风口压强为p2（全为绝压），进风口气体密度为ρ1，出风口气速为u2，则风机的静压强H静u2ρ1
，2/2。
，26）若风机在工作时进风口气体密度为ρ，按此密度计的风机流量为V，实测得风机全风压为HT,为了从
风机样本中选择风机型号，须做参量转换。
转换关系为：
V样本=V,（HT）样本/1.2=HTρ。
/，，''
第三章颗粒流体力学与机械分离
1）正圆柱体颗粒，高h=2mm，底圆直径d=2mm，其等体积当量直径de,v=形状系数Ψ=。
2）对某号筛，穿过筛孔的颗粒质量称为筛过量，留在该号筛面上的称为筛余量。
3）某颗粒群，依颗粒大小的差异，可粗分为
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