柴诚敬化工原理答案第二版.docx

1、柴诚敬化工原理答案第二版化工原理(上)-天津大学化工学院-柴诚敬主编绪论SI单位。从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为 水的黏度尸0.00856 g/(cm s)密度 P138.6 kgf ?;2/m4某物质的比热容 Cp=0.24 BTU/(lb T)传质系数 Kg=34.2 kmol/(m 2?i?3tm) 表面张力 cf74 dy n/cm导热系数 入=1 kcal/(m岔？C)本题为物理量的单位换算。水的黏度基本物理量的换算关系为解：(1)1 kg=1000 g , 1 m=100 cm0.00856丄匹吗cm s 1000g 1m8.564 I 410 kg/ m s 8.5

2、6 10 Pa s密度基本物理量的换算关系为1 kgf=9.81 N , 1 N=1 kg ?n/s2cc kgf s2 9.81N 1kg m s2138.6 亠一 y1kgf1N1350 kg/m3从附录二查出有关基本物理量的换算关系为1 BTU=1.055 kJ ,1oF 5oC9I b=0.4536 kgCp 0.24BTU1.055kJ _11b1BTU 0.4536kg 5 9 C1 F1.005 kJ kg C(4)传质系数1 h=3600 s,基本物理量的换算关系为1 atm=101.33 kPaKg 34.21hkmol2m h atm 3600s1atm101.33kPa9

3、.378 10 5 kmol/ m2 s kPa(5)表面张力 基本物理量的换算关系为1 dyn=1 W - N 1 m=100 cm74也cm迪 7.4 10 2N/m1dy n 1m(6)导热系数1 kcal=4.1868基本物理量的换算关系为103：J, 1 h=3600 s1 心4.1868 10J 亠 1.163J m s C 1.163W/m Cm2 h C 1kcal 3600s Ikcal2.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He 3.9A2.78 10 4G b 12.01D C 0.3048Z013 L式中 He等板高度，ft;G气相

4、质量速度，lb/(ft2?i)；D 塔径，ft ；Zo每段(即两层液体分布板之间)填料层高度， a-相对挥发度，量纲为一； 丄一液相黏度，cP;P 液相密度，lb/ft3A、B、C为常数，对25 mm的拉西环，其数值分别为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

5、系为1ft 0.3049mft ；0.57、-0.1 及 1.24。11b/ft2 h 1.356 10 3 kg/ m2 s(见1)a量纲为一，不必换算1cp 110 3Pa slblb 1kgft3 2.2046lb3.2803ft1m3=16.01 kg/m2(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He为例：H Eft H E m_ _ m _ _m3.2803ft则H EHe Heftftm同理GG/ 1.356 103737.5GD3.2803D乙3.2803ZoLl/1 10 3以3.2803H E(3)将以上关系式代原经验公式，得3.2803H

6、E 3.9 0.57 2.78 10 4-0.1 1.24737.5G 12.01 3.2803D1;30.3048 3.28O3Zo 11000 L0.0624 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He 1.084 10 4 A 0.205G 心 39.4D 1.24 Z。13L第一章流体流动流体的重要性质1.某气柜的容积为 6 000 m3，若气柜内的表压力为 5.5 kPa,温度为40 C。已知各组分气体的体积分数为： H2 40%、 N2 20%、CO32%、CO 7%、CH 1%，大气压力为 101.3 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

7、摩尔数n PVnt RT101.3 5.5 1000.0 6000moi 246245.4mol8.314 313解:mtm1 m2 60 60 kg 120kgVtVi V2m1 m2卷 700 m3 0.157m3mtVt迴 kg/m30.157 3764.33kg/m各组分的质量:mH240% ntMh240%246245.42 kg197kgmN220% ntMn220%246245.428kg1378.97 kgmcO32% ntM CO32%246245.428kg2206.36 kgmCO 27%ntM CO 27%246245.444 kg758.44kgmcH41%ntM C

8、H41%246245.416kg39.4kg2.若将密度为830 kg/ m3的油与密度为710 kg/ m3的油各60 kg混在一起，试求混合油 的密度。设混合油为理想溶液。流体静力学85.3 kPa,乙地区的平均大气压力为 101.33 kPa,在甲其读数为20 kPa。若改在乙地区操作，真空表的读数3.已知甲地区的平均大气压力为 地区的某真空设备上装有一个真空表， 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 20 103 Pa 65.3kPa（2）真空表读数真空度=大气压-绝压=101.33 103 65.3 103

9、 Pa 36.03kPa4.某储油罐中盛有密度为960 kg/m3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底 9.5 m , 油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为 760 mm的孔，其中心距罐底 1000 mm,孔盖用14 mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为 39.5X 106 Pa,问至少需要几个螺钉（大气压力为 101.3X 103 Pa）?1.0） Pa 1.813 103Pa（绝压）P P gh 101.3 103 960 9.81 （9.5作用在孔盖上的总力为F （P Pa）A=（1.813 103-101.3 103）-40.762N=3.627 10 N每个螺钉所受力

10、为因此Fi 39.510 n2 30.014 N 6.093 10 N3.62710 6.093 103 N 5.95 6（个）习题4附图5.如本题附图所示，流化床反应器上装有两个 R2=80 mm，指示液为水银。 管内灌入一段水，其高度解：(1) A点的压力为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的R3=100 mm。试求A、B两点的表压力。U管压差计。读数分别为 R1=500 mm ,U管与大气连通的玻璃Pa水gR3汞gR2 1000 9.81 0.1 13600 9.810.08 Pa 1.165 104 Pa（表）(2)B点的压力Pb Pa 汞 gR1.165 10413600 9.81 0.

11、5 Pa 7.836 1 04 Pa （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=800 mm。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 101.3 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， PA Pa习题6附图则P+水gh+汞gR PaP Pa 水 gh 汞 gR101.3 103 1000 9.8 0.8 13600 9.80.1 Pa 80.132kPa7 .某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过13

12、.3 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ho解:水 gh 13.3h 13.3/ 水 g 13.3 1000/ 1000 9.8 ma流体流动概述8.密度为1800 kg/m3的某液体经一内径为 60 mm的管道输送到某处，若其平均流速为0.8 m/s，求该液体的体积流量（m3/h）、质量流量（kg/s）和质量通量kg/（m 2 0.8 3.14 0.062 3600m3/s 8.14m7hs) o解:VhuAu nd24WsuAu nd2440.8

13、空0.062 1 000kg/s 2.26kgs0.8 1000kg/m2800 kg/ m2 s用内径为 1.5 cm的玻璃管路输送20 C的70%醋酸。已知质量流量为9.在实验室中，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 C时,1069 kg/m32.50 10 3Pa sUbRe1.5cm10/60dub0.015mn 4 0.01520.015 0.8821069 m/s 0.882 m/s1069 2.5 10 3 5657故为湍流。（2 ）用物理单位计算1069 g/cm3，0.025

14、g/ cm sd 1.5cm , ub88.2c m/sRe 虬 1.588.2 1.069/0.025 565710.有一装满水的储槽，直径 1.2 m，高3 m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直 径为4 cm,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：uo 0.62 J 2zg试求算（1）放出1 m3水所需的时间（设水的密度为 1000 kg/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 800 kg/m3）?解：放出1m3水后液面高度降至Z1,则1 _ .Z1 Z0 2 3 0.8846 m 2.115m0.785 1.

15、2由质量守恒，得w2WidM 0, W1 0d（无水补充）W2UoAo 0.62 Ao 丽（A,为小孔截面积）故有0.62dz上式积分得AZ （A为储槽截面积）Ao丽 A字0d0.62 生 dA120.62727 ac/Zoz?2）0.6229.81 0.0423?2 211512s 126.4s 2.1min1211.如本题附图所示， 流出，管路出口高于地面 为水在管内的平均流速（ 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1 2 gz1 -Ub12高位槽内的水位高于地面 7 m，水从0 108 mm X 4 mm的管道中1.

16、5 m。已知水流经系统的能量损失可按刀 hf=5.5u2计算，其中um/s）。设流动为稳态，试计算（1） A-A截面处水的平均流速；（2）吐gz2丄ub2邑2hf，得（1） 式中代入式Z1=7 m , Ub1 0, p 1=0z2=1.5 m , p2=0 （表压）（1）得（表压）2，Ub2 =5.5 u9.81 7 9.811.5 2ub225.5u22Ub 3.0 m/s（2 ）水的流量（以Vs Ub2 A 3.0m3/h 计）3.1440.018 2 0.004 2 0.02355m3/s 84.78m7h习题11附图12. 20 C的水以2.5 m/s的平均流速流经 0 38 mm x

17、 2.5 mm的水平管，此管以锥形管 与另一 0 53 mm x 3 mm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 1.5 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1 2 P1gz1 2山1 式中Zl = Z2=0 ,Ub13.0m/sUb2 Ub1Ub1d1d2cu 0.038 0.0025 22.50.053 0.003 22mjs 1.232 m/s刀 hf=1.5 J/kgjub22 2Ub2 Ub12hf1 23O

18、2 2 52 . 1.5 J kg 0.866jkg一巴 0.866/9.81mg 13.如本题附图所示，用泵馏塔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 1.0133 105 Pa。流体密度为800 kg/m3。精馏塔进口处的塔内压力 为1.21 105 Pa,进料口高于储罐内的液面 8 m，输送管道直径为68 mm 4 mm，进料量为20 m3/h。料液流经全部管道的能量损失 为70 J/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，2gZ1 We 21.0133 105 Pa; p20.0883m 88.3mm2将储罐1中的有机混合液送至精PiP12

19、y gZ21.21 105 Pa;hf8.0m;U10；U2WeP2hf 70jkgV 2Q/3600nd2 314 0.068 2 0.0044 42 2P1 U2 U1 r h2 g Z2 乙 hf-m/s21.966m/sWe1.21 1.0133 10 1.9更 9.8 8.0 70 Jkg2 8002.46N e wsWe1.93 78.4 70 J kg 175J/kg20/3600 800 173W 768.9W14.本题附图所示的贮槽内径D=2 m,槽底与内径 （以管子中心线为基准） 为液体在管内的平均流速 下降1 m时所需的时间。由质量衡算方程,W2 dMd解:Wi(1)Wi

20、0, W2将式dMd(2), ( 3)nd0ub4或写成式（4）d0为32 mm的钢管相连，槽内无液体补充，其初始液面高度 h1为2 m液体在管内流动时的全部能量损失可按刀 hf=20 U2计算，式中的U（m/s）o试求当槽内液面A17t2doUbdh dJ 2-D4代入式(1 )得dh 0 d-D24D,2 dhUb （丁在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程gzighUb与式do2Ub122UiTPihfgz22UbT习题14附图(4)20.59.812Ub0.692亦（5）联立，得2Ub2 P2220u2hf20.5u20.692扁（蠹誓5645 半 dVhi.c.0=0, h=hi

21、=2 m ; 9= 0,h=1m积分得5645 21 212 s 4676s 1.3h 动量传递现象与管内流动阻力b,高度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 2y0，且by0，流道长度为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均流速与最大流速的关系。解：（1）由于by0 ,可近似认为两板无限宽，故有 1航（P 2yb）（2）将牛顿黏性定律代入（dudydu通道截面上的速度分布方程;(3)平dy Lpy上式积分得边界条件为y=0，因此故有再将式（Ty1)得(1)u=0，代入式（2）中，得

22、C=- CP / 2 22T(y y0)Umaxy=yo, U= Umax p22Ly03）写成u Umax（f）2根据Ub的定义，得1 I 1u b udA A A AA Umax1 (工)2 dA -Umaxyo 3P 22Ty01）与主体流速u 其中ri为管内半径；（2）剪应力沿径向为直线分布，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（ 相应的速度点出现在离管壁 0.293ri处，且在管中心为零。解：(1) U Umax 1 F2Ube)2(1)当U=Ub时，由式（1）得（:）2 1 1解得 r 0.707ri由管壁面算起的距离为 yrir 0.707ri 0.293

23、ri屯对式(1)求导得drdu 2Umaxdr ri22 Umax r 4 Ub r2 2 r r在管中心处，r=0，故T =0o17 .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UzU max试计算管内平均流速与最大流速之比U /Umaxo解：uR0 uz2ndrJumaxXndrrRJ 看 0 z nR218.某液体以一定的质量流量在水平直圆管内作湍流流动。减至原来的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍?解：流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时式中因此又由于y贝打 R(1R0 Uz2 ndrPf = hfhf = Pf/y)0y7umax2nR2(1 y)dy2Um

24、ax 0( y17 y-7)dy 0.817Umax若管长及液体物性不变，将管径2UbJ (丄)(知半)21 d2 Ub1hf1d1=2，d2Ul=(鱼)2 =4Ub1 d2竺=(丄)(2)(4)hf1 10.3160.25Re=32丄17=（話宀（d1Ub1 0.25 1、025 0 25 )=(2X-)0.25= ( 0.5) 0.25=0.841d2Ub2 4=32 X 0.84=26.9hf1ar19.用泵将2X 104 kg/h的溶液自反应器送至高位槽（见本题附图）。反应器液面上方保持 25.9 X 103 Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压。 管道为 76 mm X 4 mm的钢

25、管，总长为35 m，管线上有两个全开的闸阀、一个 孔板流量计（局部阻力系数为 4）、五个标准弯头。反应器内液面与管路出口的距离为 17 mo若泵的效率为0.7,求泵的轴功率。（已知溶液的密度为 1073 kg/m3，黏度为0.3 mm o）6.3 10-4 Pa so管壁绝对粗糙度可取为解：在反应器液面1-1，与管路出口内侧截面 2-2,间 列机械能衡算方程，以截面2 匹B W2 egzi1-1，为基准水平面，得2Ub2习题19附图式中 Z1=0,z2=17 m , ub1 021042 ms_d2 3600 0.785 0.0682 1073 才P1=-25.9X 103 Pa （表）,P2

26、=0 （表）将以上数据代入式（1）,并整理得2/ 、 Ub2 P2 PlWe g（z2 乙） 22=9.81 X 17+ 1 + 25.92其中Ub2hf1073103+ hf =192.0+1.43 m/shfhf =（L Le+ +2Ub220.068 1-43 1073=1.656 X 1050.63 103e/d 0.0044根据Re与e/d值，查得y=0.03，并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为 闸阀（全开）：标准弯头：0.43 X 2 m =0.86 m2.2 X 5 m =11 mhf =（0.03 X235 0.86 11 c u 八 1.43 / “ “ ,z, +0

27、.5+4） Jkg =25.74J/kg0.068 2泵的轴功率为Ns=We w/217.7 2 104 W=1.73kW3600 0.7流体输送管路的计算20.如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的 底部与内径为100 mm的钢质放水管相连，管路上装有一 个闸阀，距管路入口端 15 m处安有以水银为指示液的 U管压差计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计 连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长 度为20 m。（1）当闸阀关闭时，测得 R=600 mm、h=1500 mm ; 当闸阀部分开启时，测得 R=400 mm、h=1400 mm。摩擦系数 可取为0.025,管路入口处的

28、局部阻力系数取为 0.5。问每小时从管中流出多少水（ m3）?（2）当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少15,摩擦系数仍可取 0.025。）解：（1）闸阀部分开启时水的流量在贮槽水面1-1,与测压点处截面2-2，间列机械能衡算方程，并通过截面 2-2,的中心作基准水平面，得2 “ Ub1 Pl g 乙 2 I5rn 一一习题20附图Pa （表压）。（闸阀全开时 Le/dgz22Ub22p2 hf,1_2(a)式中 P 1=0(表)P2 HggRH2OgR13600 9.81 0.4 1000 9.81 1.4 Pa 39630Pa (表)Ub2=0, z2=0Z1可通过闸阀全关时的数据求