化工原理习题答案.docx

1、化工原理习题答案【0-1】1m3水中溶解0.05kmolCO2,试求溶液中C02的摩尔分数，水的密度为100kg/m 3 解水 1000 kg/ m3葺 kmol/ m318C02的摩尔分数8.99 100.05xX ecu 10000 05 .18【0-2】在压力为101325 Pa、温度为25 C条件下，甲醇在空气中达到饱和状态。试求:(1)甲醇的饱和蒸气压 质量浓度Pa ； (2)空气中甲醇的组成，以摩尔分数yA、质量分数A、浓度A表示。lg poA 7.19736(1)甲醇的饱和蒸气压 poA 摩尔分数yA质量分数浓度CaPaRT质量浓度【0-3 】1000kg1690.167101.

2、3250.167 320.1810.167 32 (1 0.167) 2916.9 3 36.82 10 kmol/ m8.314 2983 3CaMa = 6.82 10 32 0.218 kg / m的电解液中含 NaOH质量分数10%、NaCl的质量分数 10%、H2O的质量分数80%，用真空蒸发器浓缩，食盐结晶分离后的浓缩液中含 NaOH 50%、NaCI 2%、H2O 48%，均为质量分数。试求:(1)水分蒸发量;(2)分离的食盐量；(3)食盐分离后的浓缩液量。在全过程中，溶液中的解电解液 1000kg浓缩液中NaOH1000 xc.l=100kgNaOH=0.5(质量分数)NaOH

3、1000X0.l=100kgNaCl=0.02(质量分数)HaO1000X 0.8=800kgH2O=0.48(质量分数)NaOH量保持一定。100kg在全过程中，溶液中 NaOHt保持一定，为浓缩液量为 100/0.5 200kg200kg浓缩液中，水的含量为 200 X0.48=96kg，故水的蒸发量为 800-96=704kg浓缩液中 NaCl的含量为 200X0.02=4kg，故分离的 NaCl量为100-4=96kg第一章 流体流动流体的压力【1-1】容器A中的气体表压为 60kPa，容器B中的气体真空度为 1.2 104Pa。试分别求出A、B二容器中气体的绝对压力为若干帕，该处环境

4、的大气压力等于标准大气压力。解 标准大气压力为 101.325kPa容器 A 的绝对压力 Pa 101.325+60 161.325 kPa容器B的绝对压力 pB 101.325 12 89.325 kPa【1-2】某设备进、出口的表压分别为 -12kPa和157kPa，当地大气压力为 101.3kPa。试求此设备的进、出口的绝对压力及进、出的压力差各为多少帕。解进口绝对压力p进 101.3 12 89.3 kPa出口绝对压力p出 101.3 157 258.3 kPa进、出口的压力差p 157 （ 12） 157 12169kPa 或p 258. 3 89. 3169 kPa流体的密度【1-

5、3】正庚烷和正辛烷混合液中，正庚烷的摩尔分数为0.4，试求该混合液在 20 C下的密度。解正庚烷的摩尔质量为100kg/ kmol，正辛烷的摩尔质量为114kg / kmol。将摩尔分数换算为质量分数正庚烷的质量分数正辛烷的质量分数从附录四查得0.4 1000.4 1001 0.36920 C下正庚烷的密度0.6 114 090.631! 684kg/m1 * 3，正辛烷的密度为2 703 kg / m3混合液的密度【1-4】温度解 20 C时,苯的密度为 879 kg / m3，甲苯的密度为3867 kg / m混合液密度879 0.4 867 0.6 871.8 kg / m【1-5】有一

6、气柜，满装时可装6000m3混合气体，已知混合气体各组分的体积分数为h2 n2 coCO2 CH40.4 0.2 0.32 0.07 0.01操作压力的表压为 5.5kPa，温度为40 C。试求： 混合气体在操作条件下的密度;混合气体的量为多少 kmol。解 T 273 40 313K，p 101. 3 5. 5 106. 8 kPa（绝对压力）混合气体的摩尔质量18.6 kg / kmol2 0.4 28 0.2 28 0.32 44 0.07 16 0.01(1)混合气体在操作条件下的密度为pMmRT106.8 18.68.314 3130.763 kg / m3混合气体V 6000m3，

7、摩尔体积为Mm竺 m3/kmol0.763混合气体的量为nMm6000 0.763246 kmol流体静力学【1-6】如习题1-6附图所示，有一端封闭的管子，装入若干水后，倒插入常温水槽中,管中水柱较水槽液面高出 2m,当地大气压力为 101.2kPa。试求：(1)管子上端空间的绝对压力；(2)管子上端空间的表压； (3)管子上端空间的真空度;氯化碳液柱较槽的液面高出多少米？解管中水柱高出槽液面 2m，h=2m水柱。(4)若将水换成四氯化碳，管中四(1)管子上端空间的绝对压力 p绝在水平面1 1处的压力平衡，有p绝 gh 大气压力p绝 101200 1000 9.81 2 81580 Pa(绝

8、对压力)习题1-6附图管子上端空间的表压 p表p绝-大气压力=81580 10120019620 Pa(3)管子上端空间的真空度 p真p真=-p表=-19620 19620 Pa槽内为四氯化碳，管中液柱高度 h水hh CCl4常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为1594 kg / m3h1000 21594【1-7】在20 C条件下，在试管内先装入1.25 m12cm高的水银， 再在其上面装入 5cm高的水。水银的密度为 13550kg / m3，当地大气压力为101kPa。试求试管底部的绝对压力为多少Pa。解 水的密度 水=998kg/m33 3p 101 10 0.12 13550 0.0

9、5 998 9.81 117.4 10 Pa【1-8】如习题1-8附图所示，容器内贮有密度为1250kg / m3的液体，液面高度为 3.2m。容器侧壁上有两根测压管线，距容器底的高度分别为压）为29.4kPa。试求：（1）压差计读数（指示液密度为 表的读数。解 容器上部空间的压力 p 29. 4kPa（表压）3液体密度 1250kg/m，指示液密度 。1400kg /（1）压差计读数 R=?2m及1m ,容器上部空间的压力（表PP3.2 1h R gp1 p3.22 1h g R 0gp 2.2 hRg P2.2 h g R gRg00在等压面1 1 上 口 P；因g 0 ，故R 0Pap

10、3.2 129.4 103 2.2 1250 9.8156.4 103 PaPb3.2 2 g29.4 103 1.2 1250 9.8144.1 103Pa【1-9】如习题1-9附图所示的测压差装置，其U形压差计的指示液为水银，其他管中习题1-9附图皆为水。若指示液读数为 R 150mm，试求A、B两点的压力差。解 等压面1 1，p p；5 Pa H 水 gp1 Pb 0.5 H R 水g R 汞g由以上三式，得Pa Pb R 汞 g .5 R 水 g已知 R 0.15m,汞 13600kg / m3,Pa Pb 0.15 13600 9.81 0.5 0.15 1000 9.8113.64

11、 1 03 Pa 13.64 kPa【1-10】常温的水在如习题 1-10附图所示的管路中流动，为测量 A、B两截面间的压力差，安装了两个串联的 U形管压差计，指示液为汞。测压用的连接管中充满水。两管的连接管中，充满空气。若测压前两U形压差计的水银液面为同一高度，试推导两点的压力差 p与液柱压力汁的读数 R、R2之间的关系式。解 设测压前两 U形压差计的水银液面，距输水管中心 线的距离为 H。在等压面2 2处R1 R1 R2P2 Pa H 水 g R1 汞 g 2 气 g因P2 P 2，由上两式求得水 气Pa Pb (R 只2)汞 2 g因气 水R2p2 Pb H -水 g R2 汞 gPa

12、Pb R1 R2水汞-g【1-11】力了排除煤气管中的少量积水， 用如习题1-11附图所示水封设备，使水由煤气管路上的垂直管排出。已知煤气压力为 10kPa (表压)，试计算水封管插入液面下的严f处尢f IE廈J深度h最小应为若干米。Pg10 1031.02m1000 9 81习题1-11附图流量与流速【1-12】有密度为1800 kg / m3的液体，在内径为60mm的管中输送到某处。若其流速为0.8m/s，试求该液体的体积流量(m3/ h)、质量流量kg/s与质量流速kg/ m2 s解(1)体积流量0vd 2u0.062 0.82.26 10 3m3 /s 8.14m3/ h4 4(2)质

13、量流量qmqv 2.26310 18004.07 kg / sq 4 07 2(3)质量流速 =土 = 一:=1440 kg/(m s)A _ 0 0624 【1-13】如习题 1-13附图所示的套管式换热器，其内管为 33.5mm 3.25mm，外管为60mm 3.5mm。内管中有密度为 1150kg/m、流量为5000kg/ h的冷冻盐水流动。内、外管之间的环隙有绝对压力为 0.5MPa,进、出口平均温度为 0C，流量为160kg/h的气体流动。在标准状态下(0 C,101.325kPa)，气体的密度为 1.2kg/ m 。试求气体和盐水的流速。解 液体1150 kg /m3内管内径 d内

14、 33.5 3.25 2 27mm 0.027 m液体质量流量5000kg / h，体积流量5000 3 /qv 甘/流速5000/1150气体质量流量密度流速160 kg/h体积流量160 /5.92b4Dl/b习题1-13附图习题1-14附图3 mqm曇mA h士 5.92kg/1013255.67 m/ s23600 0 053 0 03354 2.1123600 0 0274 【1-14】如习题1-14附图所示，从一主管向两支管输送 20 C的水。要求主管中水的流速约为1.0n/ s，支管1与支管2中水的流量分别为 20t/h与10t/h。试计算主管的内径，并从 无缝钢管规格表中选择合

15、适的管径，最后计算出主管内的流速。解 水：t 20C,998.2kg/m3 1000 kg / m3主管的流量体积流量qv30 1031000330m /h，流速u 1.0m/ s管径 d300.103m 103 mm选择 108mm 4mm无缝钢管，内径为 d 100mm,主管内水的流速U qm/360 30/3600 1 06 m/s4 W)24d2连续性方程与伯努利方程【1-15】常温的水在如习题 1-15附图所示的管路中流动。在截面1处的流速为 0.5m/s ,管内径为200mm，截面2处的管内径为 100mm。由于水的压力，截面1处产生 1m高的水柱。试计算在截面 1与2之间所产生的

16、水柱咼度差h为多少（忽略从1到2处的压头损失）U1 0.5m/sd1 0.2m, d20.1md12 U1 d20.52(2) 2m / sP1 P22U22U1y2u2P22U222 221.8751.8751.875 1000 1875Pa0.191m 191mmT-习题1-16附图习题1-15附图P1 P2P g18751000 9.81另一计算法计算液柱高度时,【1-16】在习题d2 2.5cm，液柱高度P1g, P1 P2 hg用后一方法简便。1-16解 水的体积流量I 2g2 2 U2 U1附图所示的水平管路中,P2g222U2石0 520.191m2 9 81水的流量为1m。若忽

17、略压头损失，试计算收缩截面% 2.5L/s 2.5 10 3 m3/s ,2.5L/s。已知管内径 d1 5cm,2处的静压头。截面1处的流速qVU124d12 5 10 34 OX1.274m /s截面2丄 H 一丿 1丿 11L /1、 U2 M1 d20.0251与2之间列伯努利方程，忽略能量损失。22P1 U1 P2U2g 2g g2gP1d1 . 0.05h - 110.050.0252g/ 、-P-Ix T7在截面22212741 0 0252d15.1m / s截面2处的静压头hz29.810.218m水柱hz25.129.81负值表示该处表压为负值，处于真空状态。【1-17】如

18、习题1-17附图所示的常温下操作的水槽,F面的出水管直径为 57mm 3.5mm。当出水阀全关闭时，压力表读数为 30.4kPa。而阀门开启后，压力表读数降至20.3kPa。设压力表之前管路中的压头损失为 试求水的流量为多少 m3 / h ?0.5m水柱,解 出水阀全关闭时，压力表读数30. 4kPa （表压）能反映出水槽的水面距出水管的高度p表 30 4 103 表 3 3.1mg 103 9.81阀门开启后，压力表读数 pa 20.3kPa （表压）从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速2乙巴+竺+ g 2gU2乙 h 3.1m, H f0.5 m水柱3.1 +103

19、 9.812U22 9.81 0.5U2 3.23m/sd 0.05m.2qV d u24水的流量|3/h-0.052 3.23 6.34 10 3m3/s 22.8 m：4【1-18】若用压力表测得输送水、油（密度为880kg/m3 ）、98%硫酸（密度为 1830kg/ m3）的某段水平等直径管路的压力降均为49kPa。试问三者的压头损失的数值是否相等？各为多少米液柱?解 从伯努利方程得知， 等直径水平管的压头损失 Hf与压力降 p的关系为Hf 。g【1-19】如习题 1-19附图所示，有高位槽输水系统，管径为57mm 3.5mm。已知水=p4910水g10009.81=p491031油g

20、8809.81p49103硫酸g18309.814.99m水柱5.68m油柱2.73m硫酸柱H f硫酸=H f油H f水2在管路中流动的机械能损失为hf 45 U2 （u为管内流速）。试求水的流量为多少 m3/ h。欲使水的流量增加20%，应将高位槽水面升高多少米？解管径d0.05m，机械能损失2hf 45 才（1）以流出口截面处水平线为基准面,Z1 5m, Z2 0, u2U2乙9 452Z?.460, U2 ？U2水的流量qv 4% -1.46 m/sU 22U22.87 10 3m3 / s 10.3 m3/ h(2) qv 1 0.2 qv 1.2qv1.2U2 1.2 1.46 1.

21、75 m/s2Z1g 23(U2)2(1.75)Z1 239.817.81 m高位槽应升高7.18 5 2.18 m【1-20】 如习题1-20附图所示，用离心泵输送水槽中的常 温水。泵的吸入管为 32mm 2.5mm，管的下端位于水面以下2并装有底阀与拦污网， 该处的局部压头损失为 8丄。若截面2g处的真空度为39.2kPa ,由1 1截面至2 2截面的压头损1 2-。试求：（1）吸入管中水的流量， m / h ；吸入口2 2g 、）的表压。2m，2 2失为1 1截面1000kg/m（表压）(1)从0 O至2 2, 0 O为基准面,压头损失乙0, Z23 m, U0 0,U2?f 82 1

22、2U2 1 U2=81 U2H+ _ 2g 2 2g2 2g22乙P0U0P2U2Hf石Z2石gg0 339.21032U2821 U210009.812 9.812 2 9.81U21.43m/ s2 2 34d u2 3600 4(O027)143 3600 295 m/h水的流量qv从1 1至2 2,Zi0,Z2 52P r P2 1 U2Z2g g 22gp u 39.2 103 1 1.4321000 9.81 1000 9.81 2 2 9.81P1 10.4 103Pa 10.4kPa(表压)流体的黏度【1-21】当温度为20 C及60 C时，从附录查得水与空气的黏度各为多少？说

23、明黏度与温度的关系。解 20 C水 1.005 10 3 Pa s空气 18.1 10 6 Pa s60 C30.469 10 Pa s620.1 10 Pa s水温度升高，黏度减小；空气温度升高，黏度增大。雷诺数与流体流动类型【1-22】25 C的水在内径为 50mm的直管中流动，流速为 2m/s。试求雷诺数，并判断 其流动类型。解 25 C,水的黏度0.8937 10 3 Pa s，密度997kg / m3，管内径 d 0.05m，流速u 2m/ sRe dU0.8937 19971j2105 4000 为湍流【1-23】(1)温度为20C、流量为 4L/s的水，在 57mm 3.5mm的

24、直管中流动，试判断流动类型；(2)在相同的条件下，水改为运动黏度为 4.4cm2 / s的油，试判断流动类型。解 (1) d 0.05m, qV 4 10 3m3/s, 1.005 10 3 Pa s, 998.2kg/m34 104d雷诺数Re v4.4 cm雷诺数Reqv流速u【1-24】 2.038 m/s2 24 (0.05)du .05 2.038 998.2 诃倍 4000为湍流31.005 10, 4 2/s 4.4 10 m /sdu 0-05 2.038 232 2000为层流v 4.4 10 兀20 C的水 在219mm 6mm的直管内流动。试求： （1）管中水的流量由小变

25、大，当达到多少m3 /s时，能保证开始转为稳定湍流;若管内改为运动黏度为 0.14cm2 /s的某种液体，为保持层流流动，管中最大平均流速应为多少?解(1)水，20 C,998.2 kg/ m1.005 10 3 Pa s,d 0.207mRedu40000.207 u 998.2u 0.01945m/ s1.005 10 3体量流量qv2 2d2u 0.2074 40.01945 6.54 10 4m3/s20.14cm / s0.14 104m2/sRe 巴 2000 0.207u 4 u 0.135m/s0.14 10管内流体流动的摩擦阻力损失【1-25】如习题1-25附图所示，用 U形

26、管液柱压差计测量等直径管路从截面 A至懺面B的摩擦损失 hf。若流体密度为 ，指示液密度为 o，压差计读数为 R。试推导出用读数R计算摩擦损失 hf的计算式。A为基准面,B色Hg止hfPPaPbHpg hf液柱压差计1-1为等压土面PaRgPbHg R 0gPPaPbR0g H g由式（1）与式2得hfR0g解 从截面A到截面B列伯努利方程，截面 则得此式即为用 U形管压差计测量流体在两截面之间流动的摩擦损失的计算式。【1-26】如习题1-26附图所示，有57mm 3.5mm的水平管与垂直管， 其中有温度为 20 C的水流动，流速为 3m/s。在截面 A与截面 B处各安装一个弹簧压力表，两截面的距离为6m,管壁的相对粗糙度 /d 0.004。试问这两个直管上的两个弹簧压力表读数的差值是否相同？如果不同，试说明其原因。如果用液柱压差计测量压力差，则两个直管的液柱压力计的读数 R是否相同？指示液为汞，其密度为 13600 kg /m3。解已知管内径 d 0.05m，水的温度 t=20 C雷诺数Re巴0 05 3 998 2 5149 10 湍流管壁相对粗糙度0.004 d查得摩擦系数0.0293密度 998.2kg/m3，黏度 1.004 10 3 Pa s , 流速u 3m/s这两个直管的摩擦阻力损失相同，为hfl u2002