化工原理课后习题解答.

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1、化工原理课后习题解答 （夏清、陈常贵主编.化工原理.天津大学出版社,2005.） 第一章第一章流体流动流体流动 1.某设备上真空表的读数为 13.3103 Pa,试计算设备内的绝对压强与表压强。已知该地 区大气压强为 98.7103 Pa。 解：由 绝对压强 = 大气压强 真空度 得到： 设备内的绝对压强 P绝 绝 = 98.7103 Pa -13.3103 Pa =8.54103 Pa 设备内的表压强 P表 = -真空度 = - 13.3103 Pa 2在本题附图所示的储油罐中盛有密度为 960 / 的油品，油面高于罐底 6.9 m，油面 上方为常压。在罐侧壁的下部有一直径为 760 mm

2、的圆孔，其中心距罐底 800 mm，孔盖用 14mm 的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应力取为 39.23106 Pa ， 问至少需要几个螺钉？ 分析：罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力 即 P油 螺 解：P螺 = ghA = 9609.81(9.6-0.8) 3.140.762 150.307103 N 螺 = 39.031033.140.0142n P油 螺 得 n 6.23 取 n min= 7 至少需要 7 个螺钉 3某流化床反应器上装有两个 U型管压差计，如本题 附图所示。测得 R1 = 400 mm ， R2 = 50 mm，指示液 为水银。为防止水银蒸汽向空气中扩散，于右侧的

3、U 型管 与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度 R3 = 50 mm。 试求 AB 两处的表压强。 分析：根据静力学基本原则，对于右边的管压差计， aa为等压面，对于左边的压差计，bb为另一等压面， 分别列出两个等压面处的静力学基本方程求解。 解：设空气的密度为 g，其他数据如图所示 aa处 PA + ggh1 = 水gR3 + 水银R2 由于空气的密度相对于水和水银来说很小可以忽略不记 即：PA = 1.0 1039.810.05 + 13.61039.810.05 = 7.16103 Pa b-b处 PB + ggh3 = PA + ggh2 + 水银gR1 PB = 13.61039.

4、810.4 + 7.16103 =6.05103Pa 4. 本题附图为远距离测量控制装置，用以 测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。已 知两吹气管出口的距离 H = 1m，U 管压差计 的指示液为水银，煤油的密度为 820Kg。 试求当压差计读数 R=68mm 时，相界面与油层 的吹气管出口距离。 分析：解此题应选取的合适的截面如图所示：忽略空气产生的压强，本题中 11和 44 为等压面，22和 33为等压面，且 11和 22的压强相等。根据静力学基本方程 列出一个方程组求解 解：设插入油层气管的管口距油面高 h 在 11与 22截面之间 P1 = P2 + 水银gR P1 = P4 ，P2

5、= P3 且 P3 = 煤油gh ， P4 = 水g（H-h）+ 煤油g（h + h） 联立这几个方程得到 水银gR = 水g（H-h）+ 煤油g（h + h）-煤油gh 即 水银gR =水gH + 煤油gh -水gh 带入数据 1.0101 - 13.6100.068 = h(1.010-0.8210) = 0.418 5用本题附图中串联管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸气压，管压差计的指示液为 水银，两管间的连接管内充满水。以知水银面与基准面的垂直距离分别为： 12.3m，2=1.2m, 3=2.5m,4=1.4m。锅中水面与基准面之间的垂直距离5=3m。 大气压强a= 99.3103。 试

6、求锅炉上方水蒸气的压强。 分析：首先选取合适的截面用以连接两个管，本题 应选取如图所示的 11 截面，再选取等压面，最后根 据静力学基本原理列出方程，求解 解：设 11 截面处的压强为1 对左边的管取-等压面， 由静力学基本方程 0 + 水g(h5-h4) = 1 + 水银g(h3-h4) 代入数 据 0 + 1.01039.81(3-1.4) = 1 + 13.61039.81(2.5-1.4) 对右边的管取-等压面，由静力学基本方程1 + 水g(h3-h2) = 水银g(h1-h2) + 代入数据 1 + 1.01039.812.5-1.2= 13.61039.812.3-1.2 + 99

7、.3103 解着两个方程 得 0 = 3.64105Pa 6. 根据本题附图所示的微差压差计的读数，计算管路中气体的表压强。压差计中以油和 水为指示液，其密度分别为 9203 ,9983,管中油水交接面高度差 R = 300 ，两扩大室的内径 D 均为 60 ，管内径为 6 。当管路内气体压强等于大气压时，两扩大室液面平 齐。 分析：此题的关键是找准等压面，根据扩大室一端与大气 相通，另一端与管路相通，可以列出两个方程，联立求解 解：由静力学基本原则，选取 11为等压面， 对于管左边 表 + 油g(h1+R) = 1 对于管右边 2 = 水gR + 油gh2 表 =水gR + 油gh2 -油g

8、(h1+R) =水gR - 油gR +油g（h2-h1） 当表= 0 时，扩大室液面平齐 即 （D/2）2（h2-h1）= （d/2）2R h2-h1 = 3 mm 表= 2.57102Pa 7.列管换热气 的管束由 121 根 2.5mm 的钢管组成。空气以 9m/s 速度在列管内流动。 空气在管内的平均温度为 50压强为 196103Pa(表压)，当地大气压为 98.7103Pa 试求： 空气的质量流量； 操作条件下，空气的体积流量； 将的计算结果换算成 标准状况下空气的体积流量。 解：空气的体积流量 S = uA = 9/4 0.02 2 121 = 0.342 m3/s 质量流量 ws

9、 =S=S (MP)/(RT) = 0.34229(98.7+196)/8.315323=1.09/s 换算成标准状况 V1P1/V2P2 =T1/T2 S2 = P1T2/P2T1 S1 = (294.7273)/(101323) 0.342 = 0.843 m3/s 8 .高位槽内的水面高于地面 8m，水从 1084mm 的管 道中流出，管路出口高于地面 2m。在本题特定条件下， 水流经系统的能量损失可按f = 6.5 u2 计算，其中 u 为水在管道的流速。试计算： AA 截面处水的流速； 水的流量，以 m3/h 计。 分析：此题涉及的是流体动力学，有关流体动力学主要是能量恒算问题，一般

10、运用的是柏 努力方程式。运用柏努力方程式解题的关键是找准截面和基准面，对于本题来说，合适的 截面是高位槽 11,和出管口 22,如图所示，选取地面为基准面。 解：设水在水管中的流速为 u ，在如图所示的 11, ，22,处列柏努力方程 Z1 + 0 + 1/= Z2+ 22 + 2/ + f （Z1 - Z2）g = u2/2 + 6.5u2 代入数据 (8-2)9.81 = 7u2 , u = 2.9m/s 换算成体积流量 VS = uA= 2.9 /4 0.12 3600 = 82 m3/h 9. 20 水以 2.5m/s 的流速流经 382.5mm 的水平管，此管以锥形管和另一 533m

11、 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 面的压强。若水流经 A B 两截面的能量损失为 1.5J/，求两玻璃管的水面差（以 计） ，并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。 分析:根据水流过 A、B 两截面的体积流量相同和此两截面处的伯努利方程列等式求解 解：设水流经两截面处的流速分别为 uA、 uB uAAA = uBAB uB = （AA/AB ）uA = （33/47）22.5 = 1.23m/s 在两截面处列柏努力方程 Z1 + 122 + 1/ = Z2+ 222 + 2/ + f Z1 = Z2 （1-2）/ = f +（12-2

12、2）2 g（h1-h 2）= 1.5 + (1.232-2.52) /2 h1-h 2 = 0.0882 m = 88.2 mm 即 两玻璃管的水面差为 88.2mm 10.用离心泵把 20的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本 题附图所示。管路的直径均为 762.5mm，在操作条件下，泵入口处真空表的读数为 24.6610Pa,水流经吸入管与排处管（不 包括喷头）的能量损失可分别按 f,1=2u，hf,2=10u2计算，由于管径 不变，故式中 u 为吸入或排出管的流速 /s。排水管与喷头连接处的压强为 98.0710Pa（表压） 。试求泵的有效功率。 分析：此题考察的

13、是运用柏努力方程求算管路系统 所要求的有效功率把整个系统分成两部分来处理，从槽面到真空表段的吸入管和从真空表到排出口 段的排出管，在两段分别列柏努力方程。 解：总能量损失hf=hf+，1hf，2 u1=u2=u=2u2+10u=12u 在截面与真空表处取截面作方程： z0g+u02/2+P0/=z1g+u2/2+P1/+hf，1 （ P0-P1）/= z1g+u2/2 +hf，1 u=2m/s ws=uA=7.9kg/s 在真空表与排水管-喷头连接处取截面 z1g+u2/2+P1/+We=z2g+u2/2+P2/+hf，2 We= z2g+u2/2+P2/+hf，2（ z1g+u2/2+P1/

14、） =12.59.81+（98.07+24.66）/998.210+102 =285.97J/kg Ne= Wews=285.977.9=2.26kw 11.本题附图所示的贮槽内径 D 为 2，槽底与内径 d0为 33mm 的钢管相连，槽内无液体补充，其液面高 度 h0为 2m（以管子中心线为基准） 。液体在本题管 内流动时的全部能量损失可按hf=20u公式来计算， 式中 u 为液体在管内的流速 ms。试求当槽内液面 下降 1m 所需的时间。 分析：此题看似一个普通的解柏努力方程的题，分析题中槽内无液体补充，则管内流速并不 是一个定值而是一个关于液面高度的函数，抓住槽内和管内的体积流量相等列出

15、一个微分方 程，积分求解。 解：在槽面处和出口管处取截面 1-1，2-2 列柏努力方程 h1g=u2/2+hf =u2/2+20u2 u=(0.48h)1/2=0.7h1/2 槽面下降 dh，管内流出 uA2dt 的液体 Adh=uA2dt=0.7h1/2A2dt dt=A1dh/（A20.7h1/2） 对上式积分：t=1.h 12.本题附图所示为冷冻盐水循环系统，盐水的密度为 1100kgm，循环量为 36m。管路的直径相同，盐水由 A 流经两个换热器而至 B 的能量损失为 98.1Jkg，由 B 流至 A 的能量损失为 49Jkg，试求：（1）若泵的效率 为 70%时，泵的抽功率为若干 kw？（2）若 A 处的压强表 读数为 245.210Pa 时，B 处的压强表读数为若干 Pa？ 分析：本题是一个循环系统，盐水由 A 经两个换热器被冷却后又回到 A 继续被冷却，很