化工原理课后答案

1、3在大气压力为101.3kPa 的地区，一操作中的吸收塔内表压为130 kPa。若在大气压力为 75 kPa 的高原地区操作吸收塔，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时表压的读数应为多少？p绝pa p表101.3130231.3KPa解：p表p绝pa231.375 1563.KPa1-6 为测得某容器内的压力，采用如图所示的U形压差计，指示液为水银。已知该液体密度为 900kg/m 3,h=0.8m,R=0.45m 。试计算容器中液面上方的表压。p gh 0gh解： p0gR gm13.61039.810.459009.810.860037.27063.252974 Pa 53kPa1-10

2、硫酸流经由大小管组成的串联管路，其尺寸分别为 76× 4mm 和 57× 3.5mm。已知硫酸的密度为1831 kg/m 3，体积流量为 9m3/h, 试分别计算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。解 : (1) 大管 : 76 4mmmsqV 9183116479 kg / hu1qV9 / 36000.69m / s0.785d20.7850.0682G1 u10.6918311263.4kg / m2 s(2) 小管 : 57 3.5mm质量流量不变ms216479kg / hu2qV9/ 36001.27 m / s0.785d2

3、20.7850.052或 :u2u1( d1 ) 20.69( 68)21.27 m / sd 250G2u21.271831kg/m 2s2325.41-11 如附图所示，用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽与反应器均与大气相通，且高位槽中液面恒定。现要求料液以 1m/s 的流速在管内流动，设料液在管内流动时的能量损失为 20J/kg（不包括出口） ，试确定高位槽中的液面应比虹吸管的出口高出的距离。解 :以高位槽液面为1-1 面 , 管出口内侧为2-2 面 , 在 1-1 2-2 间列柏努力方程 :Z1 gp11 u12Z 2 gp21 u22W f22简化 : H ( 1 u22W f )

4、 / g2(1120)9.812.09m21-14附图所示的是丙烯精馏塔的回流系统，丙烯由贮槽回流至塔顶。丙烯贮槽液面恒定，其液面上方的压力为2.0MPa（表压），精馏塔内操作压力为1.3MPa（表压）。塔内丙烯管出口处高出贮槽内液面 30m，管内径为 140mm，丙烯密度为 600kg/m 3。现要求输送量为 40× 103kg/h ，管路的全部能量损失为150J/kg（不包括出口能量附图题 14损失），试核算该过程是否需要泵。解 : 在贮槽液面 1-1 与回流管出口外侧 2-2 间列柏努力方程 :Z1gp11 u12WeZ 2 gp21 u22W f22简化 :p1p212WeZ

5、 2 g2u2W fWep2p112Z 2 gW fu22ms40310600u236001.2m / s0.785d 20.7850.142We(1.32.0)10611.22309.81 1506002721.6J / kg不需要泵 ,液体在压力差的作用下可自动回流至塔中1-16某一高位槽供水系统如附图所示，管子规格为45× 2.5 mm。当阀门全关时，压力表的读数为 78kPa。当阀门全开时，压力表的读数为75 kPa，且此时水槽液面至压力表处的能量损失可以表示为W fu 2J/kg（ u 为水在管内的流速） 。试求：1（ 1）高位槽的液面高度；h（ 2）阀门全开时水在管内的流

6、量（ m3 /h）。解 : (1) 阀门全关 , 水静止题16附图pghp78103h10 37.95mg9.81(2) 阀门全开 :在水槽 1-1 面与压力表 2-2 面间列柏努力方程 :p1 12Z 2 gp212W fZ1 gu12u22p212W f简化 : Z1g2u237.959.8175101 u22 u2210002解之 :u 21.414m / s流量 : Vsd 2u2 0.785 0.042 1.414 1.776 10 3 m3 / s 46.39m 3 / h1-17附图所示的是冷冻盐水循环系统。盐水的密度为1100kg/m 3，循环量为45 m3/h。管路的内径相同

7、，盐水从A 流经两个换热器至 B 的压头损失为9m，由 B 流至 A 的压头损失为12m，问：（ 1）若泵的效率为 70，则泵的轴功率为多少？（ 2）若 A 处压力表的读数为 153kPa，则 B 处压力表的读数为多少？解 : (1)对于循环系统 :题17附图H ehf91221mPeH eVsg21451100 9.81 2.83kW3600轴功率 :PPe2.834.04kW0.7(2) A B 列柏努力方程 :pA1u A2Z ApB1uB2Z Bh fABg2gg2g简化 :pApBZ Bh fABgg15 3103pB1100 9.81 (7 9)pB19656 pa (表 )B 处

8、真空度为 19656 Pa 。3m3/s 的流量流过 57× 3.5mm、长 20m 水平钢管的能量1-23计算 10水以 2.7× 10损失、压头损失及压力损失。（设管壁的粗糙度为0.5mm）Vs2.710 31.376m / s解: u20.7850.0520.785d10 水物性 :999.7kg /m3 ,1.305 10 3 pa sRedu0.05999.71.3765.271041.30510 30.50.01d50查得 0.038W fl u 20.038201.376214.47 J / kgd20.052hfW f/ g1.475mPfWf 14465.

9、7Pa1-25如附图所示，用泵将贮槽中 20的水以 40m3/h 的流量输送至高位槽。两槽的液位恒定，且相差 20m，输送管内径为 100mm ，管子总长为 80m（包括所有局部阻力的当量长度）。已知水的密度为 998.2kg/m 3，粘度为 1.005× 10-3Pa·s，试计算泵所需的有效功率。 =0.2解 :qV40u3600ms20.785 0.121.415 /d4du 0.1 998.2 1.415140542 2000Re1.005 10 3 /d= 0.2/100=0. 002题23附图 0.023在贮槽 1 截面到高位槽2 截面间列柏努力方程:Z1 gp1

10、 12WeZ 2 gp212W f2u12u2简化 :WeZ 2 gW f而 :W flle u 20.023801.415218.42J / kgd20.12We209.8118.42214.6J / kgNe We msWe Vs 214.6240998.2 2380W 2.4kW36001-28如附图所示，密度为800 kg/m 3、粘度为1.5 mPa· s 的液体，由敞口高位槽经 114× 4mm 的钢管流入一密闭容器中，其压力为0.16MPa（表压），两槽的液位恒定。液体在管内的流速为1.5m/s，管路中闸阀为半开，管壁的相对粗糙度d 0.002，试计算两槽液面

11、的垂直距离z 。解: 在高位槽 1截面到容器2 截面间列柏努力方程 :Z1 gp11 2Z2 gp2 12W fu12u22简化 :p2W fZg题26附图Redu0.106800 1.58.4810 41.510 3由0.002 , 查得0.026d管路中 :进口0.590弯头0.75 2 个半开闸阀4.5出口1lu 230 1601.52W f ()(0.0260.5 2 0.75 4.5 1)d20.106260.87 J / kgZ ( p2W f ) / g ( 0.16 10660.87) / 9.8126.6m8001-31 粘度为 30cP、密度为 900kg/m 3 的某油品

12、自容器A 流过内径 40mm 的管路进入容器 B 。两容器均为敞口，液面视为不变。管路中有一阀门，阀前管长50m，阀后管长 20m（均包括所有局部阻力的当量长度）。当阀门全关时，阀前后的压力表读数分别为8.83kPa 和 4.42kPa。现将阀门打开至1/4 开度，阀门阻力的当量长度为 30m。试求：管路中油品的流量。解： 阀关闭时流体静止，由静力学基本方程可得：p1pa8.8310310mzAg9009.81p21pa4.42103mzBg90059.81当阀打开 14 开度时，在 AA 与 BB 截面间列柏努利方程：12pAzB g12p BW fz A gu Au B22其中：pA pB

13、 0 ( 表压 ) ， u AuB0则有ll e u 2( zA zB )gW f2d（ a）由于该油品的粘度较大，可设其流动为层流，则6464Red u代入式（ a），有( zA64 ll e u 232 (ll e )uzB )gd 2d 2d u校核：假设成立。d 2(zAzB ) g0.04 2900(105)9.81u(lle )32 3010 3(50300.736 m/s3220)d u0.04 9000.736883.22000Re30103油品的流量：qV2u20.736 9.244 1043/s3.328m3/hd0.785 0.04m4阻力对管内流动的影响：阀门开度减小时

14、：（ 1）阀关小，阀门局部阻力增大，流速u, 即流量下降。（ 2）在 11 与 AA 截面间列柏努利方程：z1 g1 u1p1zA g1 uA2p AW f 1 A222z1 g2p AW f 1简化得1 u AA2或z1 gpA( l11) u12d2显然，阀关小后uA ， pA ，即阀前压力增加。（ 3）同理，在BB 与 22 截面间列柏努利方程，可得：阀关小后uB ， pB，即阀后压力减小。由此可得结论：（ 1） 当阀门关小时，其局部阻力增大，将使管路中流量减小；（ 2） 下游阻力的增大使上游压力增加；（ 3）上游阻力的增大使下游压力下降。可见，管路中任一处的变化，必将带来总体的变化，因

15、此必须将管路系统当作整体考虑。1-36用离心泵将20水从水池送至敞口高位槽中，流程如附图所示，两槽液面差为12m。输送管为 57× 3.5 mm 的钢管，吸入管路总长为20m，压出管路总长155（包括所有局部阻力的当量长度）。用孔板流量计测量水流量，孔径为20mm，流量系数为0.61 ， U形压差计的读数为00mmHg 。摩擦系数可取为0.02 。试求：（ 1）水流量， m3/h；（ 2）每 kg 水经过泵所获得的机械能。（3）泵入口处真空表的读数。21解：（ 1） VsC02Rg( 0 )A0题36附图0. 61 0.785 0.022 2 0.6 9.81 (13600998.2

16、)998.22.331103 m38.39 m3sh（ 2）以水池液面为 11 面，高位槽液面为 22面，在1 122 面间列柏努利方程：p11 u12Z1g Wep21 u22Z 2 gWf22简化 :WeZgWflleu 2而W fd2其中： uVs2.3311031.19 m0.785d 20.7850.052sW f0.022201.19249.7J0.052kgWe 129.8149.7167.4Jkg（3）以水池液面为11 面，泵入口为33 面，在 1 1 33 面间列柏努利方程：p112Z1gp312Z3 gW fu12u32Z10, u10, Z31.5m, u31.19m /

17、 sW fl120.02201.1925.66 J / Kgu0.052d 2p1p31 u32Z3gW f 21.1921.59.815.6621.023J / kg2p1p321.0239.8120.6kPa1-39在一定转速下测定某离心泵的性能，吸入管与压出管的内径分别为70mm 和50mm。当流量为 30 m3/h 时，泵入口处真空表与出口处压力表的读数分别为40kPa 和 215kPa，两测压口间的垂直距离为0.4m ，轴功率为 3.45kW 。试计算泵的压头与效率。解： u1qV3036002.166 m20.7850.072s4 d1u23036004.246m0.7850.05

18、2s在泵进出口处列柏努力方程，忽略能量损失；p11 u12Z1H ep21 u22Z2g2 gg2gH ep2gp11 (u22u12 )Z2g(21540)10 321(4.24622.116 2 ) 0.410 39.819.81=27.07mN eQH g3039.8127.072.213kW3600 10 Ne100%2.213100%64.1%N3.45第二章非均相物系分离1、试计算直径为30 m 的球形石英颗粒（其密度为2650kg/ m3），在 20水中和20常压空气中的自由沉降速度。解：已知d=30 m、 s=2650kg/m 3（1） 20水=1.01× 10-3P

19、a·s=998kg/m 3设沉降在滞流区，根据式（2-15）d 2 ( s)g(3010 6)2(2650998)9.818.02104m/sut181.0110318校核流型dut3010 68.02 10 49982.38102(104 2)Ret1.0110 3假设成立，ut=8.02× 10-4 m/s 为所求（2） 20常压空气=1.81 ×10-5Pa·s=1.21kg/m 3设沉降在滞流区d 2 ( s)g (30 10 6 )2(2650 1.21) 9.817.18102m/sut181.8110 518校核流型：dut30 10 67

20、.18102 1.21(104 2)Ret1050.1441.81假设成立， ut=7.18 ×10-2m/s 为所求。2、密度为2150kg/ m3 的烟灰球形颗粒在20空气中在层流沉降的最大颗粒直径是多少？解：已知 s=2150kg/m 3查 20空气=1.81× 10-5Pa.s=1.21kg/m 3当 Retdu t2 时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径，根据式（2-15）并整理d 3 ( s) gdut2所以182d 336 2336(1.81105 )27.73 105m 77.3m( s) g(21501.21)9.811.213、直径为10 m 的石英颗粒随

21、 20的水作旋转运动，在旋转半径R0.05m 处的切向速度为 12m/s，求该处的离心沉降速度和离心分离因数。解：已知 d=10 m、R=0.05m、 ui =12m/s设沉降在滞流区，根据式（2-15）g 改为 ui / R即d 2 (s) ui210 10(2650 998)1220.0262 m/s 2.62cm/surR181.01 10 30.0518校核流型dur10 50.02629980.259(104 2)Ret1.0110 3ur=0.0262m/s 为所求。所以K cui2122294Rg0.05 9.816、有一过滤面积为0.093m 2 的小型板框压滤机，恒压过滤含有

22、碳酸钙颗粒的水悬浮液。过滤时间为 50 秒时，共得到2.27× 10-3 m3 的滤液； 过滤时间为100 秒时。共得到 3.35× 10-3m3 的滤液。试求当过滤时间为200 秒时，可得到多少滤液？解：已知 A=0.093m 2 、t1=50s 、V1=2.27× 10-3m3 、t2 =100s 、V2=3.35 ×10-3 m3 、t3=200sV12.27 10由于 q10.093AV23.35 10q20.093A324.4110336.021033根据式（ 2-38a）q122qeq1Kt1(24.4110 3)2224.4110 3 qe

23、50Kq222qeq2Kt 2(36.0210 3)2236.0210 3 qe100K联立解之： qe=4.14× 10-3K =1.596× 10-5因此q322 4.1410 3 q3200 1.59610 5q3=0.0525所以V3=q3A=0.0525× 0.093=4.88 × 10-3m3第三章传热1.有一加热器 ,为了减少热损失,在壁外面包一层绝热材料,厚度为 300mm, 导热系数为0.16w/(m.k), 已测得绝热层外侧温度为30 ,在插入绝热层50mm 处测得温度为75 .试求加热器外壁面温度.解： t21=75 , t3=30

24、 ,=0.16w/(m.k)qt1t2t2t3b1b2t17575300.250.050.160.16t1455753002. 设计一燃烧炉时拟采用三层砖围成其炉墙，其中最内层为耐火砖，中间层为绝热砖，最外层为普通砖。 耐火砖和普通砖的厚度分别为0.5m 和 0.25m，三种砖的导热系数分别为 1.02W/(m· )、 0.14 W/(m ·)和 0.92 W/(m ·)，已知耐火砖内侧为1000，普通砖外壁温度为35。试问绝热砖厚度至少为多少才能保证绝热砖内侧温度不超过940，普通砖内侧不超过 138。t 1t 4t 1 t 21000 351000 t 2（

25、a）解： qb2b3b10.5b20.250.5b112311.020.140.921.02将 t2=940代入上式，可解得 b2=0.997mqt1t4t 3 t4100035t 335(b)b2b3b30.5b20.250.25b112331.020.140.920.92将 t3=138oC 解得 b2=0.250m将 b2=0.250m 代入 (a)式解得： t2=814.4故选择绝热砖厚度为 0.25m3. 50 5 mm的不锈钢管，热导率 1=16W/m·K ；管外包厚 30mm的石棉，热导率为2=0.25W/(m·K) 。若管内壁温度为350，保温层外壁温度为1

26、00，试计算每米管长的热损失及钢管外表面的温度；解：这是通过两层圆筒壁的热传导问题，各层的半径如下管内半径 r120mm 0.02m ,管外半径 r 225mm 0.025m管外半径保温层厚度 r30.025 0.030.055m每米管长的热损失：Q2(t1t3 )23.14(350100)l1r21r31251397 W/m55lnlnlnlnrr216200.2225112Q2(t1t 3 )l1r21r3lnlnrr2112t1t2t2t3359t2t21001ln r21lnr21ln251ln551r11r116200.2225t 23496. 冷却水在 25 2.5mm、长度为 2

27、m 的钢管中以 1m/s 的流速流动，其进出口温度分别20和 50，试求管内壁对水的对流传热系数。解：空气的定性温度： t2050。在此温度查得水的物性数据如下：235cp 4.174kJ/kgK， 62.57 10 2 W/mK ， 7.28 10 5 Pa s 994kg/m 3u 1 m/sdu 0.02 1 99410000Re72.810 527307cp 4.87Prl/d=2/0.02=100 0.0230.8Pr0.40.02362.5710 20.80.4Re0.02273074.87d0.719535401.884788W /(m2)3-15 载热体流量为1500kg/h

28、，试计算各过程中载热体放出或得到的热量。（ 1）100的饱和蒸汽冷凝成100的水；（2）110的苯胺降温至10；（ 3）比热容为 3.77kJ/(kg·K) 的 NaOH溶液从 370K 冷却到290K；（ 4）常压下150的空气冷却至20；（ 5）压力为147.1kPa 的饱和蒸汽冷凝，并降温至。(1)qm1500r2258kJ / kgkg / s,3600QqmW3600( 2)Tm383283cp2.19kJ /(kg K )2333KQqmc p (T1T2 )15002.19(383283)91.3kW3600( 2) NaOHc p3.77kJ

29、 /( kgK )Qqmc p (T1T2 )15003.77 (370 290 ) 126kW3600( 4)t m20150c p1.009kJ /( kg )285Qqmc p ( t1t2 )15001.009(15020)54.7kW3600(5) p 147.1kPat s 111,r2230kJ / kgt 25011150t m280.5c p4.2kJ /(kg )Qqm r cp (t11500(22304.2 61)1035.9kW .t 2 )36003-17 在一套管式换热器中，用冷却水将 1.25kg/s 的苯由 350K 冷却至 300K，冷却水进出口温度分别为

30、290K 和 320K。试求冷却水消耗量。解：350300c p11.83kJ /( kg K )Tm2325KQqm1cp1(T1 T2 )1.25 1.83(350300) 114.3kW290320cp 4.174kJ /( kg )t m3052Q114.30.91kg/sqmt2 ) 4.174 30c p2 (t13-18 在一列管式换热器中，将某液体自15加热至 40 ，热载体从 120 降至 60 . 试计算换热器中逆流和并流时冷热流体的平均温度差。解：逆流解：逆流：t11204080,t2 60 15 45t1t280453560.8t mt1800.5753lnt2ln45

31、并流 t112015 105,t 2 6040 20t1t2105208551.3t mt11051.658lnt2ln201206040153-20 在一内管为25 2.5mm 的套管式换热器中，管程中热水流量为3000kg/h ，进出口温度分别为 90和 60；壳程中冷却水的进出口温度分别为 20和 50，以外表面为基准的总传热系数为 2000W/(m2· ), 试求：（ 1）冷却水的用量； （ 2）逆流流动时平均温度差及管子的长度；（ 3）并流流动时平均温度差及管子的长度。解：Q qm1cp1 (T1T2 ) qm2 cp 2 ( t1t2 )c p14.19 kJ / kg

32、, c p24.174kJ / kg30004.19(90 60)qm24.174 (50 20)qm 2 3011kg/h逆流： t190 5040, t2 60 2040t m40QKS t mSQ3000 4.19 103301.309m2Ktm3600 2000 40sdlls1.3092.315m3d并流t19020t1t2t mt1lnt23.141801070,t 260 50 1070106030.7670ln1.9510SQ30004.19103 301.703m2Ktm3600200030.76s1.7033.01ml3.14 18010 3d吸收2向盛有一定量水的鼓泡吸收

33、器中通入纯的CO2 气体，经充分接触后，测得水中的CO2 平衡浓度为 2.875×10 2kmol/m 3 ，鼓泡器内总压为101.3kPa，水温 30，溶液密度为 1000 kg/m 3。试求亨利系数 E、溶解度系数 H 及相平衡常数m。解：查得 30，水的 ps4.2kPap* Ap ps 101.34.2 97.1kPa稀溶液： c100055.56kmol/m 3M S18c A 2.87510 24x5.17 10c55.56p A*97.11.876 105kPaE5.17 104xcA2.875 102104kmol/(kPa m3)H97.12.96p*AE1.876 1051852m101.3p5用清水逆流吸收混合气中的氨，进入常压吸收塔的气体含氨6（体