化工原理第四版第一章课后习题答案_第1页
化工原理第四版第一章课后习题答案_第2页
化工原理第四版第一章课后习题答案_第3页
化工原理第四版第一章课后习题答案_第4页
化工原理第四版第一章课后习题答案_第5页
已阅读5页,还剩15页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

===Word行业资料分享-可编辑版本-双击可'删===

第一章流体的压力

[1-1]容器A中的气体表压为6()kPa,容器B中的气体真空度为1.2xlO4Pa。试分别求出A、B

二容器中气体的绝对压力为若干帕,该处环境的大气压力等于标准大气压力。

容器A的绝对压力p=101,325+60=161.325kPa

A

容器B的绝对压力p=101,325-12=89.325kPa

B

[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=101.3-12=89.3kPa

出口绝对压力p=101.3+157=258.3kPa

进、出口的压力差

Ap=157-(-12)=157+12=169/cPa或Ap=258.3-89.3=169kPa

流体的密度

【1-3】正庚烷和正辛烷混合液中,正庚烷的摩尔分数为,试求该混合液在20℃下的密度。

解正庚烷的摩尔质量为100kgjkmol,正辛烷的摩尔质量为114kgjkmol。

将摩尔分数换算为质量分数

正庚烷的质量分数3=一0-4xl0°—=0369

10.4x100+0.6x114,

正辛烷的质量分数3=1-0.369=0.631

2

从附录四查得20℃下正庚烷的密度p=684切/底,正辛烷的密度为p=703kg/rm

12

混合液的密度p=--------1--------=696切/巾

™0.3690.631

684703

[1-4]温度20-C,苯与甲苯按4:6的体积比进行混合,求其混合液的密度。

解20C时,苯的密度为879处/3,甲苯的密度为867/^/沙。

混合液密度p=879x0.4+867x0.6=871.8kg/

m

有一气柜,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

HN,COCO,CH

2224

0.40.20.320.070.01

操作压力的表压为,温度为40°C,试求:(1)混合气体在操作条件下的密度;(2)混合气体的量

为多少kmolo

解7=273+40=313K,p=101.3+5.5=106.8kPa(绝对压力)

混合气体的摩尔质量

====Word行业资料分享--可编辑版本一双击可删====

M=2x0,4+28x0.2+28x0.32+44x0.07+16x0.01=18.6kgIkmol

m

(1)混合气体在操作条件下的密度为

c_pM106.8x18.6„„,,

P-___T_=__________=0A.76c3kgIm3

mRT8.314x313

(2)混合气体K=6000ATJ3,摩尔体积为—=——m31kmol

p0.763

m

而公后俄帖号去v6000x0.763.

混合气体的量为n=---=-----------=246kmol

M18.6

--rrr

p

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;(4)若将水换成四氯化碳,管中四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。

(7)管子上端空间的绝对压力p

在水平面1-T处的压力平衡,有

P+pg力=大气压力

p=101200-1000x9.81x2=815800。(绝对压力)

(2)管子上端空间的表压p习题1-6附图

P=P-大气压力=81580-101200=79620PQ

表绝

(3)管子上端空间的真空度p

K

p=~p=-(-19620)=19620Pa

真表

(4)槽内为四氯化碳,管中液柱高度h'

P

常温下四氯化碳的密度,从附录四查得为p=1594kglm3

1594

在20C条件下,在试管内先装入12cm高的水银,再在其上面装入5cm高的水。水银

的密度为13550kg/63,当地大气压力为lOlkPao试求试管底部的绝对压力为多少Pa。

解水的密度p=998kg/ms

====Word行业资料分享--可编辑版本一双击可删====

p=101X103+(0.12X13550+0.05x998)x9.81=117.4x10sPa

【1-8】如习题1-8附图所示,容器内贮有密度为1250kg/*的液体,液面高度为。容器侧壁上有

两根测压管线,距容器底的高度分别为2m及1m,容器上部空间的压力(表压)为。试求:(1)

压差计读数(指示液密度为1400kg/);(2)A、B两个弹簧压力表的读数。

解容器上部空间的压力p=29.4APa(表压)

液体密度p=1250kg/m3,指示液密度p=1400kgI

0

⑴压差计读数R=?

在等压面上p=p'

11习题附图

Pi=p+(3.2-1+/1+R)pg

p,=p+(3.2-2+l+/?)pg+Rpg

p+(2.2+h+R)pg=p+(2.2+h)pg+Rp,g

Rg(p-p)=0

因g(p-p)H0,故R=0

0

(2)p=p+(3.2-l)pg=29.4xl03+2.2xl250x9.81=56.4x103Pa

A

p=p+(3.2-2)p5=29.4x103+1.2x1250x9.81=44.1x103Pa

B

[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'

11

P=P-"P9

IA水

p'=p-(0.5+4+R)pg+Rpg

1B水汞

由以上三式,得

p-p-Rpg-(0.5+R)pg

ABs水

已知R=0.15m,p=13600/co/,

p-p=0.15x13600x9.81-(0.5+0.15)xl000x9.81

AB

=13.64xlO3Pa=13.64kPa

[1-10]常温的水在如习题1-1()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U形管的连接管中,

习题1-10附图

====Word行业资料分享--可编辑版本-双击可删====

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A、B两点的压力差如与液柱

压力汁的读数R、R之间的关系式。

12

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

(R)

p=p+||Pg-Rp%(R+6.,g

2A1/%*水1汞气

p'=p+iH-pg+Rpg

2J水2汞

2R

因p=p',由上两式求得

22/、

(P+P1

p-p=(R+R)|P—一七—,

AB12|泵2)

因P«p

气水

-(/P)

故p-p='/?+/?4P-.小一|g

AB12l汞2J

【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lOkPa(表压),试计算水封管插入液面下的深度h最小应

为若干米。

解h=P=10x10:,=1.02m

pg1000x9.81

习题1-11附图

流量与流速

[1-12]有密度为1800kg/m,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(冲/力)、质量流量(kg/s)与质量流速[kg/Cn2.s/。

q=-d2u=HxO.O62x0.8=2.26x10-37713/s=8.14m^/h

解(1)体积流量

u44

(2)质量流量q=Qp=2.26x10-3xl800=4.07kg/s

mV

q4.07

(3)质量流速①二-^------------二1440kg/s)

4三xO.O62

4

【1・13]如习题1-13附图所示的套管式换热器,其内管为633.5mmx3.25mm,外管为

4)60mmx3,5mmo内管中有密度为1150kg/m3、流量为5000kg/人的冷冻盐水流动。内、外管之间的环隙

有绝对压力为0.5MPa,进、出口平均温度为0℃,流量为160kg/A的气体流动。在标准状态下

(0℃101.325kPa),气体的密度为1.2kg/m^o试求气体和盐水的流速。

解液体p=1150kg/m3

====Word行业资料分享-可编辑版本-双击可删====

内管内径d=33.5-3.25x2=27mm=0.027m

液体质量流量q-5000kg//?,体积流量q/力

mV1150

湍4〃q5000/11500M.

佩逐〃液=—为—=----------n--------=2.11mIs

ZLda3600x_x0,0272

4内4

气体质量流量q=160kgIh

m

0.5x106

密度p=1.2x=5.92kgImi

气101325

160

体积流量q=---m^/h

v5.92

流速u160/5.92二5.67mIs

3*N(o.O532-0.03352)

习题1-13附图

[1-14]如习题1-14附图所示,从一主管向两支管输送20℃的水。要求主管中水的流速约为

LOm/s,支管1与支管2中水的流量分别为20t/h与lOt/6。试计算主管的内径,并从无缝钢管规格

表中选择合适的管径,最后计算出主管内的流速。

解水:t=20℃fp=998.2/^/m:ul000kgIma

主管的流量q=q+q=20+10=30t/h=30xl0:tkgIh

mmlm2

体积流量q=qm=3°xl°=30T7?3/hf流速U=1.0/77/s

管径

=0.103m=103mm

选择e108mmx4mm无缝钢管,内径为d-100mm,

主管内水的流速q/360030/3600

m=1.06mis

―0-2--nx(0.1)-

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0.5mls,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之间所产生的水柱高度差h为多少(忽略从1到2处的压头损失)?

解u-0.5m/s

====Word行业资料分享-可编辑版本-双击可删====

d=0.2m,d=0.1/77

12

u=u—LI=0.5x(2)2=2mIs

2MdJ

'2'

PU2DU2

-I-+-I-=-H-+—

p2p2

p-PU2一”222-0.52

i2—2i==1.875

P22

Ap=p_p=1.875p=1.875x1000=1875Pa

Ap21875

h=___==0.191m=191mm

pg1000x9.81

习题1-15附图习题1-16附图

另一计算法

P〃2P“2

•p-r-+—I--2-

g2gg2g

P-PU2-U222-0.52

h=12=21==0.191m

pg2g2x9.81

计算液柱高度时,用后一方法简便。

[1-16]在习题1-16附图所示的水平管路中,水的流量为2.5/Js。已知管内径d5cm,

d=2.5cm,液柱高度h=lm。若忽略压头损失,试计算收缩截面2处的静压头。

21

解水的体积流量q=2.5L/s=2.5x10-3mUs9

v

截面1处的流速%=件竺=1.274m/s

—d2-x0.052

414

(dY(005、2

截面2处的流速u=wI_LI=1.274x-------I=5,In?Is

2J10.025;

在截面1与2之间列伯努利方程,忽略能量损失。

,U2p〃2

-pn-4--T-?-

92gg2g

Ph+4=1+-^^=1+0,025

pg122

(1.274>,(5.1>

1+0.025+=力+

2x9,8122x9.81

截面2处的静压头h=-0.218血水柱

2

====Word行业资料分享-可编辑版本-双击可删====

负值表示该处表压为负值,处于真空状态。

[1-17]如习题1-17附图所示的常温下操作的水槽,下面

的出水管直径为^57mmx3.5mmo当出水阀全关闭时,压力表读

数为。而阀门开启后,压力表读数降至。设压力表之前管路中

的压头损失为水柱,试求水的流量为多少m3/h?

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h习题1-17附图

h=P&=30.4x103=3.im

~pg10sx9.81

阀门开启后,压力表读数p=20,3kPa(表压)

2

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U

Z=/+"+EH2

'pg2g/

Z=h=3.1m,SH=0.5m水柱

if

20.3x103U2

3.1=+2+0.5

103x9.812x9.81

u=3.23/77/sd=0.05m

2

水的流量

7171

q=—d2〃=—x0.052x3.23=6.34x10-3Is=22.8Ih

v424

【1-18】若用压力表测得输送水、油(密度为880kgim3)、98%硫酸(密度为1830kg/m)的某段

水平等直径管路的压力降均为49kPao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H与压力降Ap的关系为H=空。

ffpg

H=踊=49x103二刖水柱

/水pg1000x9.81

„Ap49x103....

H=___=________=5.68m油柱

/油p-7880x9.81

Ap49x103,

H===2.73m硫酸柱

/痂酸pg1830x9.81

酶酸

如习题1-19附图所示,有一高位槽输水系统,管径为(|)57mmx3.5mm。已知水在管路中

-U2

流动的机械能损失为Zh=45x_(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

f2

20%,应将高位槽水面升高多少米?

解管径d=0.05m,

jj2

机械能损失Zh=45x_

/2

习题1・19附图

====Word行业资料分享-可编辑版本-双击可删====

(1)以流出口截面处水平线为基准面,

Z=5m,Z=0,u=0,u=?

1212

“2U2

Zg=2+45x2

122

=_dzu=_x(0,05)2x1.46=2.87x10-3^3/s=10.3mVh

水的流量q

V424

(2)q'=(l+0.2)q=i.2qd=1.2u=1.2x1.46=1.75mis

VVV22

Z'g=23(u')2z,=-2:3X(L75):=7sim

i2i9.81

高位槽应升高7.18-5=2.18m

[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(|)32mmx2.5mm,管的下端位于水面以下2m,并装

有底阀与拦污网,该处的局部压头损失为上。若截面处

8x2.2,的真

2g

空度为,由1-1截面至2-2,截面的压头损失为Ixt。试求:(I)

吸入

22g

管中水的流量,W3//J;(2)吸入口1-1,截面的表压。

解管内径(7=0.032-0.0025x2=0.027mm,水密度

p=1000kg/rm

截面2-2'处的表压p=-39.2kPa,水槽表面p=0(表压)

21

(1)从0-0'至2-2',0-0'为基准面,

Z=0,Z=3m,u=0,u=?

120/2、

压头损失U21U2(1]U2

Z”=8一+—-二|8+——

f2922gl2)2g

W2

nLZ2_7P.yu

Ipg2g2pg2gf

-39.2x103+m+(8+1)避

°=3+1。。05书.*81.22x__81

8129.I)9.

u=1.43mIs

2

兀兀

水的流量q=—d2”x3600=—x(0.027)2x1.43x3600=2.95m^/h

v424

(2)从1一「至2—2:Z=0,Z=5

12

Pp1172

;=Z+2+-2

pg2P922g

p-39.2x10311.432

-------»------=5+---------------+—x---------

lOOOx9.81lOOOx9.8122x9.81

p=10.4x103Pa=10.4kPa(表压)

流体的黏度

====Word行业资料分享--可编辑版本-双击可删===

[1-21]当温度为20℃及60℃时,从附录查得水与空气的黏度各为多少?说明黏度与温度的关

系。

解20℃6()'C

水1.005x10-3p(j.s0.469x10-3Pa-s

空气18.1x10-6Pa.s20.1xl0-«Po-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℃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g=0.8937x10-3Pas,密度p=997kg/m:,,管内径d=0.05m,流速u=2m/s

dup0.05x2x997a曲、*

Rne=—=----------=1.12xl05>4000为漓流

N0.8937x10-3

[1-23](1)温度为20℃、流量为4L/s的水,在<|)57mmx3.5mm的直管中流动,试判断流动类

型;(2)在相同的条件下,水改为运动黏度为4.4cmz/s的油,试判断流动类型。

解(1)d=0.05m,q=4x10-3msIs,p=1.005x10-3Pa-s,p=998.2/co/

V

流速U=1'=—^^-=2.038^/5

工d2—X(0.05)2

44

0.05x2.038x998.2.<八八八二”云

雷诺数Re=—匕=-----------=1.01x105A>4000为湍流

日1.005x10-3

(2)v=4.4cm2/s=4.4xlO-im2/s

雷诺数Re=du=0.0ox2.038=232<2000为层流

v4.4x10-1

[1-24]2()℃的水在4219mmx6mm的直管内流动。试求:(1)管中水的流量由小变大,当达到

多少时,能保证开始转为稳定湍流;(2)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℃,p=998.2%/加,N=1.005x10-3Pa-s,d=0.207m

0,2Q7xMX998-2

Re=^l£4000-u=0.01945m/s

1.005x10-3

71Tt

体量流量q=—d^u=—x(0.207>x0.01945=6.54x10-163/s

v44

(2)u=0.14cn?2/s=0.14x10-1n?2/s

ndu0.207"_.

Re=——n2A0A0A0=---------w=0.13A51mO/s

o0.14x10-1

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形管液柱压差计测量等直径

习题1-25附图

====Word行业资料分享--可编辑版本-双击可删====

管路从截面A到截面B的摩擦损失Eh.若流体密度为p,指示液密度为p,压差计读数为R«

f0

试推导出用读数R计算摩擦损失Eh的计算式。

f

解从截面A到截面B列伯努利方程,截面A为基准面,则得

PA=H,q+PB+Y.hAp=p-p=Hpg+pZh(1)

ppfABf

液柱压差计LI为等压面

p+Rpg=p+Hpg+Rpg(2)

AB0

△p=p-p=R(p-p)g+Hpg

AB0

由式⑴与式(2)得Zh=四P"「P)9

fp

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x3.5mm的水平管与垂直管,其中有温度为2()℃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e/d=0.004.试问这两个直管上的两个

压力表读数的差值是否相同?如果不同,试说明其

因。

如果用液柱压差计测量压力差,则两个直管的

压力计的读数R是否相同?指示液为汞,其密度为

13600kg/m3。

解己知管内径d=0.05m,水的温度t=20℃

密度p=998.2kg/3,黏度日=1.004x10-3PQ.S,

u=3m/s

壬,里%c0.05x3x998.2.八血法

雷诺数Re=-=-------------=1.49x105湍流

p1.004x10-3

管壁相对粗糙度-=0004

d

查得摩擦系数X.=0.0293

这两个直管的摩擦阻力损失相同,为

h=九上以=0.0293x-^15.8J/kg

fd20.052

(1)弹簧压力表读数之差值

①水平管

在A、B两截面列伯努利方程

rPW”P"2

gZ+_1+一1=gZ+―a+―a+n

Ap2Bp2f

====Word行业资料分享-可编辑版本--双击可删====

因Z=Z,u=u,故得

p-p=ph=998.2x15.8=15770Pa=15.77/cPa

②垂直管

在A、B两截面间列伯努利方程,以截面A为基准面,

AB

PP

p-p=PgZ+ph=998.2x9.81x6+998.2x15.8=74530Po=74.53kPa

上述计算结果表明,垂直管的p-p大于水平管的p-p«这是因为流体在垂直管中从下向上

流动时,位能增大而静压能减小。

(2)U形管液柱压差计的读数R

①水平管与前面相同,由伯努利方程得

P-P=ph

另从U形管压差计等压面处力的平衡,求得

p+Rpg=p+Rpg

A8未

由式(a)与式(b),求得

ph998.

R=/=

g(P]-P)9.81x(13

②垂直管与前面相同,由伯努利方程得

p-p=pgL+ph(。另从U

形管压差计等压面处力的平衡,求得

P+Rpg=p+Lpg+Rpg

P-P—pg

由式(c)与式(d),求得

g(p-p)

从上述推导可知,垂直管与水平管的液柱压差计的读数R相同。有了读数R值,就可以分别

用式G)及式(d)求得水平管及垂直管的(p-p).

A8

====Word行业资料分享--可编辑版本-双击可删====

【1-27】有一输送水的等直径(内径为d)垂直管路,在相距”高度的两截面间安装一U形管

液柱压差计。当管内水的流速为“时,测得压差计中水银指示液读数为R.当流速由u增大到加时,

试求压差计中水银指示液读数8是£的多少倍。设管内水的流动处于粗糙管完全湍流区。

解从习题2-25与习题2-28可知,U形管液柱压差计的读数R与两截面间流体流动的摩擦损

失h成正比,即Rxh.

//

又知道,在粗糙管完全湍流区为阻力平方区,即摩擦损失h/与流体流速U的平方成正比,

/?X1/2o

f

由上述分析可知Rxu2

因此旦'=出』吧

R“2”2

[1-28]水的温度为10℃,流量为330L/h,在直径x3.5mm、长为100m的直管中流动。

此管为光滑管。(1)试计算此管路的摩擦损失;(2)若流量增加到990L//!,试计算其摩擦损失。

解水在10'C时的密度p=999.7kg/冲,黏度=1.306x10-3Pas,d=0.05m,/=100m,光滑管。

(7)体积流量q=330L//i=0.33m3/h

V

流速u=----%----=-------------=0.0467mis

3600x_.7Tt/23600x—x0.052

44

雷诺数Re=dup_°.05x°.0467x999.7_]787层流

|11.306x10-3

摩擦系数X.=64=64=0.0358

Re1787

摩擦损失h=X--=0.0358x):,^0.0781J/kg

fd20.052

(2)体积流量q=990L//i=0.99mVh

V

因流量是原来的3倍,故流速u=0.0467x3=0.14mis

雷诺数Re=1787x3=5360湍流

对于光滑管,摩擦系数九用Blasius方程式计算

0.31640.3164.

A=------=--------=0.037

Reo.25(5360)025

也可以从摩擦系数入与雷诺数Re的关联图上光滑管曲线上查得,X=0.037.

摩擦损失h=Z--^=0.037x—xI.725J/kg

fd20.052

【1-2

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论