化工原理习题解答[共115页]

绪论习题1） 木材 木材 120(1-0.52)=(120-w)(1-0.25) 照晒 w=43.2kg2） 以两个串联的蒸发器对NaOH水溶液予以浓缩，流程及各符号意义如图所示，F、G、E皆为NaOH水溶液的质量流量，x表示溶液中含NaOH的质量分数，W表示各蒸发器产生水蒸汽的质量流量。若，问：W1、W2、E、x1各为多少？ W1kg/s W2kg/s NaOH水液 G kg/s E kg/s F=6.2Kg/s 蒸发器1 蒸发器2 X2 =0.30 X0=0.105 W1:W2=1:1.15 , X-(Wt),x1,w1,w2,D,E=? 对控制体I，NaOH物料衡算：Fx0=Ex2即 6.20.105=E0.30 E=2.17 kg/s W1+W2=F-E=6.2-2.17=4.03 kg W1=4.03/2.15=1.87 kg/s ，W2=4.03-1.87=2.16 kg/s 对控制体II，总的物料衡算：G=F-W1=6.2-1.87=4.33 kg/s Fx0=Gx2 即6.20.105=4.33x1,x1=0.15 3)某连续操作的精馏塔分离苯与甲苯。原料液含苯0.45（摩尔分率，下同），塔顶产品含苯0.94。已知塔顶产品含苯量占原料液中含苯量的95%。问：塔底产品中苯的浓度是多少？按摩尔分率计。解：0.95=4)导热系数的SI单位是W/(m)，工程制单位是kcal/(mh)。试问1kcal/( mh)相当于多少W/(m)？并写出其因次式。1kcal/(m.h.0C)=?J/(m.s.0C)写出导热系数的因次式。1kcal=4.187103J,1h=3600s5)已知理想气体通用常数物理大气压升/(摩尔K)，试求采用J/(kmolK)时R的数值。解：写出以J/（kmolk）的单位为理想气体通用常数R之值。 1物理大气压=1.0133105N/m2，1升=10-3m3 R=0.082056） 水蒸汽在空气中的扩散系数可用如下经验公式计算：式中 D扩散系数，英尺2/h；p压强，atm；T绝对压强，。试将上式改换成采用SI单位的形式。各物理量采用的单位是：Dm2/s，pPa，TK。解:经验公式的单位换算:物理量 扩散系数压强绝对温度原来单位英尺2/hatm0R后来单位M2/sPaK1英尺2/h=0.30482/3600m2/s=2.5810-5m2/s,1atm=1.0133105pa,温差 1k=1.80R7） 在冷凝器中蒸汽与冷却水间换热，当管子是洁净的，计算总传热系数的经验式为：式中 K总传热系数，Btu/(ft2h)；u水流速，ft/s。试将上式改换成采用SI单位的形式。各物理量采用的单位是：KW/(m)，um/s。解：经验公式的单位换算：物理量传热系数流速原来单位BUT/ft2.h.0F)ft/s后来单位W/（m2.K）m/s1BUT/(ft2.h.0F)=5.678W/(m2.K),1ft/s=0.3048m/s第一章 流体流动习题解答 1某敞口容器内盛有水与油。如图。已知水及油的密度分别为1000和860kg/m3，解：h1=600mm，h2=800mm，问H为多少mm？2.有一幢102层的高楼，每层高度为4m。若在高楼范围内气温维持20不变。设大气静止，气体压强为变量。地平面处大气压强为760mmHg。试计算楼顶的大气压强，以mmHg为单位。3.某水池，水深4米，水面通大气，水池侧壁是铅垂向的。问：水池侧壁平面每3米宽度承受水的压力是多少N？外界大气压为1atm。 4 4外界大气压为1atm，试按理想气体定律计算0.20at（表压）、20干空气的密度。空气分子量按29计。5 5有个外径为R2、内径为R1为的空心球，由密度为的材料制成。若将该球完全淹没在某密度为的液体中，若球能在任意位置停留，试求该球的外径与内径之比。设球内空气重量可略。 6 6为放大以U形压差计测气体压强的读数，采用倾斜式U形压差计。如图。指示液是=920kg/m3的乙醇水溶液。气体密度为1.20kg/m3。读数R=100mm。问p1与p2的差值是多少mmHg？采用微差U形压差计测压差。如图。已知U形管内直径d为6mm，两扩大室半径均为80mm，压差计中用水和矿物油作指示液，密度分别为1000及860kg/m3。当管路内气体压强p与外界大气压p0相等时，两扩大室油面齐平，U形管两只管内油、水交界面亦齐平。现读得读数R=350mm，试计算：（1）气体压强p（表）。（2）若不计扩大室油面高度差，算得的气体压强p是多少？（3）若压差计内只有水而不倒入矿物油，如一般U形压差计，在该气体压强p值下读数R0为多少？ 7 7某倾斜的等径直管道内有某密度的液体流过。如图。在管道的A、B截面设置了两套U形压差计测压差，下测用的是一般U形压差计，上测用的是复式U形压差计，所用的指示液均为密度是1的同一种液体。复式压差计中两段指示液之间的流体是密度为的流过管道内的液体。试求读数R1与R2、R3的关系。 9)将水银倒入到图示的均匀管径的U形管内，水银高度h1=0.25m。然后将水从左支管倒入，测得平衡后左支管的水面比右支管的水银面高出0.40m。试计算U形管内水与水银的体积比。解： R1 =0.4m R2h1=0.25m 1 1 L=0.015m L 习题9附图如图所示1-1为等压面, p1=p1r水g(R1+R2) = r水银gR2103(0.4+R2) = 13.6103R2 R2 = 0.0317mV水银 = d2(2h1+L)V水 = d2(R1+R2) V水银/ V水 = (2h1+L)/ (R1+R2) = (20.25+0.015)/(0.4+0.0317) = 1.1910) 一直立煤气管，在底部U形压差计h1=120mm，在H=25m高处的U形压差计h2=124.8mm。U形管指示液为水。管外空气密度为1.28kg/m3。设管内煤气及管外空气皆静止，求管内煤气的密度。h2Hh1 习题10附图 p2 p2解：H p1 p1p1p1= r水gh1 (1)p2p2= r水gh2 (2)(1)减(2)，得(p1p2)(p1p2) = r水g(h1h2) (3)其中 p1p2 = r煤gH，p1p2 = r空gH，代入(3)式,得：r煤gHr空gH = r水g(h1h2)即 r煤 = r水(h1h2)/Hr空 = 103(0.1200.1248)/251.28= 1.088 kg/m311以2”的普通壁厚的水煤气钢管输送15的清水，水在管内满流。已知水流速u=1.5m/s，求水的质量流量、质量流速和体积流量。12如图所示，质量为3.5kg，面积为4046cm2的一块木板沿着涂有油的斜面等速向下滑动。已知v=1.2m/s，=1.5mm（油膜厚度）。求滑油的粘度。 13 5 12 v d 13解： t a 5 12V a G d从受力分析 Gsina = tA mg sina = tAt = =3.59.81/(404610-4) = 71.77 N/m2t = m= mm = = 71.771.510-3/1.2 = 0.0897 Pas13以压缩空气将某液体自储槽压送到高度H=5.0m、压强p2为2.5at（表压）的容器内，如图。已知液体密度=1800kg/m3，流体的流动阻力为4.0J/kg。问：所需的压缩空气压强p1至少为多少at（表压）？14水以70m3/h的流量流过倾斜的异径管通。如图。已知小管内径dA=100mm，大管内径dB=150mm，B、A截面中心点高度差h=0.3m，U形压差计的指示液为汞。若不计AB段的流体流动阻力，试问：U形压差计哪一支管内的指使液液面较高？R为多少？ 15水以6.410-4m3/s的流量流经由小至大的管段内。如图。小管内径d1=20mm，大管内径d2=46mm。欲测1、2两截面处水的压差，为取得较大的读数R，采用倒U形压差计。已知压差计内水面上空是=2.5kg/m3的空气，读数R=100mm。求水由1至2截面的流动阻力hf。 16水从喷嘴口1-1截面垂直向上喷射至大气。如图。设在大气中流束截面保持圆形，已知喷嘴内直径d1=20mm，出喷嘴口水流速u1=15m/s。问：在高于喷嘴出口5m处水流的直径是多大？忽略摩擦阻力。解：1-1与2-2之间列柏努利方程 2 2gz1u12/2p1/r = gz2u22/2p2/r z1 = 0，z2 = 5m，p1 = p2 u12/2 = gz2u22/2152/2 = 9.815u22/2 1 1 u2 = 11.26m/s 又， u1d12 = u2d22 习题16附图 d2 = (u1/u2)1/2d1 = 0.020 = 0.0231 m17高、低水库的水面高度差H=42m，水流量为30m3/s，水流的总阻力为4.5mH2O。如图。已知透平的效率=0.78，试计算透平的输出功率。解：u1=u2=0，p1=p2，z2=0， 1 1z1=H=42m1-1与2-2间列柏努利方程 Hgz1+u12/2+p1/r+Ws = gz2+u22/2+p2/r+ShfWs =gz1+Shf =9.81424.59.81103/103 2 2 =368 J/kgNa = WsVr =36830103=1.10107 WNe= Nah = 1.101070.78=8.61106 W=8.61103 kW18某水溶液在圆直、等径管内层流动。管内半径为R。设测点流速的探针头位置与管轴线的距离为r。问：测点相对位置 为多少时该点的点流速等于平均流速？19以水平圆直管输送某油品。管内径为d1，管两段压差为 。因管道腐蚀，拟更换管道。对新装管道要求如下：管长不变，管段压降为原来压降的0.75，而流量加倍。设前后情况流体皆为层流。问：新管道内径d2与原来管内径d1之比为多少？ 20在机械工程中常会遇到流体在两平行固体壁的间隙中作一维定态流动的情况。如图。设流动为层流。设间隙厚为2y0，试证流体沿y轴向点流速呈如下抛物线规律分布： 解：对长度L，高度y，宽度为1的流体元作受力与运动分析: 21粘度为，密度为的液体沿铅垂向平壁膜状流下。如图。设液体层流流动，液膜厚度为，平壁宽度为B。试推导任一流动截面上液体点流速v随y的变化规律，并证明平均流速 解：取宽为B,长为dx ,高为y的流体元作受力与运动分析: 22)串联两管1、2，d1=d2/2，L1=80m，Re1=1600，Shf1 = 0.54m液柱，Shf2 = 56mm液柱，求L2。局部阻力可略。解： Re = ，Re,2 / Re,1 = d1 / d2 =1/2， Re,2 = Re,1 /2 = 1600/2 = 800，两管内皆为层流又，Shf = 32mul / (rgd2) 32mVl / (d2rgd2) l/d4Shf,2 /Shf,1 = (d1/d2)4l2/l1 即 56/540 = (1/2)4l2/80l2 = 133 m23)原r1=920kg/m3，m1=1.30P，现r2=860kg/m3，m2=1.15P，层流，W2/W1=1.30求：Dpf1/Dpf2。局部阻力不计。解：层流，Dpf = 32mul / d2= 32mWl / (d2rd2) Dpf,2 / Dpf,1 = (m2/m1)(W2/W1)(r1/r2) = 1.30= 1.2324) 24) 某牛顿型流体在圆、直、等径管内流动，在管截面上的速度分布可表达为v=24y-200y2，式中：y 截面上任一点至管壁的径向距离，m；v 该点的点流速，m/s。试求：(1)管半径中点处的流速。 (2)管壁处的剪应力。该流体的粘度为0.045Pas。解：若为层流，v = vmax1(r/R)2 = vmax(R2r2)/ R2 = vmax(Rr)(R+r)/R2= vmaxy(2Ry) / R2 = 2 vmaxy /Rvmaxy2/R2可见，该流型为层流2vmax / R = 24，vmax / R2 = 200，二式相除，得(vmax / R2) / (2vmax / R) = 1/(2R) = 200/24R = 0.06mi . y = 0.06/2 = 0.03m，v = 24y200y2 = (240.03)(2000.032)=0.54m/sii. dv/dy = 24400y , dv/dy y=0 = 24tw = m( dv/dy )y=0 = 0.04524 = 1.08 N/m225) W= 35T/h，H= 20m，j1084mm，m = 2840cP，r = 952kg/m3，h = 50%， N= 85kW，求包括局部阻力当量管长的总管长。解： W = 35T/h = 35103kg/hd = 10842 = 100mm = 0.1m ，m = 2840cP = 2.84PasNe = Nh = 851030.5 = 4.25104 WWs = Ne/W = 4.251043600/(35103) = 4371 J/kg1-1与2-2间列柏努利方程gz1+u12/2+p1/r+ Ws = gz2+ u22/2+p2/r+Shfz1 = 0，z2 = H = 20m，u1= u2= 0，p1= p2 Ws = gH+ShfShf = WsgH = 43719.8120 = 4175 J/kgu =35103/ (36009520.12) = 1.30 m/sRe = 43.6 110 m3/h 适用 (2) H=(D/D)2H V=(D/D)V 切削叶轮后：(D/D)2H=131.8-0.384(D/D)V 即 H=(D/D)2131.8-0.384(D/D)V V=110 m3/h 时，H=(D/D)2131.8-0.384(D/D)V=(D/D)2131.8-0.384(D/D) 110 =131.8(D/D)2-42.24(D/D) He=55+0.00201V2 =55+0.002011102=79.32 m ，由He=H，解得D/D=0.95213） 13）某离心泵输水流程如附图示。泵的特性曲线方程为：He=42-7.8104V2 (He-m , V-m3/s)。图示的p为1kgf/cm2(表)。流量为12 L/s时管内水流已进入阻力平方区。若用此泵改输r=1200kg/m3的碱液, 阀开启度、管路、液位差及P值不变，求碱液流量和离心泵的有效功率。 习题13 附图解：p=1kgf/cm2=9.807104Pa V=12L/s=0.012m3/s 管路He=H0+KV2=10+(9.807104)/(9.8071000)+KV2=20+K0.0122 He=42-7.81040.0122=30.77 m He=HeK=7.48104 改输碱液阀门开度、管路不变 K=7.48104 不变 管路: He=Dz+p/(rg)+KV2=10+9.81104/(9.811200)+7.48104V2 =18.33+7.48104V2 泵 He=42-7.8104V2 He=He ，解得：V=0.0124m3/s He=42-7.8104V2=42-7.81040.01242=30.0 m Ne= HegVr=30.09.810.01241200=4.38103W14) 14)某离心泵输水，其转速为2900r/min，已知在本题涉及的范围内泵的特性曲线可用方程He = 36-0.02V来表示。泵出口阀全开时管路特性曲线方程为： He = 12 + 0.05V2(两式中He、Hem，Vm3/h)。求泵的最大输水量。当要求水量为最大输水量的85 %时，若采用库存的另一台基本型号与上述泵相同，但叶轮经切削5 %的泵，需如何调整转速才能满足此流量要求？解：(1)由He=36-0.02V He=12+0.05V2 令He=He 解得V=21.71m3/h (2)D/D=0.95 V=0.85V=0.8521.71=18.45m3/h 另一泵：He=360.952-0.020.95V=32.49-0.019V 调整转速后：He=32.49(n/2900)2-0.019(n/2900)V =32.49(n/2900)2-0.019(n/2900) 18.45 =32.49(n/2900)2-0.351(n/2900) 又 He=12+0.05V2 =12+0.0518.452=29.02 m，由 He=He 解得n=2756 r/min15) 15)某离心泵输水流程如图示。水池敞口，高位槽内压力为0.3at(表)。该泵的特性曲线方程为：He=48-0.01V2 (Hem , Vm3/h)。在泵出口阀全开时测得流量为30m3/h。现拟改输碱液，其密度为1200kg/m3，管线、高位槽压力等都不变，现因该泵出现故障，换一台与该泵转速及基本型号相同但叶轮切削5 %的离心泵进行操作，问阀全开时流量为多少？ 解：p=0.3at=2.94104 Pa 管路He=Dz+p/(rg)+KV2=20+2.94104/(9.811000)+KV2=23+KV2 V=30m3/h时He=48-0.01V2=48-0.01302=39 m 习题15 附图He=23+KV2=23+K302 由于He=He K=0.0178 管路He=23+0.0178V2 泵: He=48(D/D)2-0.01V2=480.952-0.01V2=43.32-0.01V2 改泵后管路: He=Dz+p/(rg)+KV2=20+2.94104/(9.811200)+0.018V2 =22.5+0.018V2 He=43.32-0.01V2 He=22.5+0.018V2 得V=27.3 m3/h16) 16)IS100-80-160型离心泵， P0=8.6mH2O,水温150C,将水由低位槽汲入泵，有管路情况基本的性能，知V=60m3/h,查的h,允=3.5m,已知汲入管阻力为2.3m,H2O,求最大安装高度解 150C清水：=9999kg./m3,PV=1705.16Pa 17) 17)100KY100-250型离心泵，P0=8.6mH2O,水温150C,将水由低位槽汲入泵，已知工作点流量为100m3/h,查得HS=5.4m,汲水管内径为100mm,汲水管阻力为5.4mH2O。求Hg,max 18）大气状态是10、750mmHg(绝压)。现空气直接从大气吸入风机，然后经内径为800mm的风管输入某容器。已知风管长130m，所有管件的当量管长为80m，管壁粗糙度，空气输送量为2104m3/h (按外界大气条件计)。该容器内静压强为1.0104Pa(表压)。库存一台9-26型No.8离心式风机，当流量为21982 m3/h，mmH2O，其出风口截面为0.3920.256m2。问：该风机能否适用？19） 19） 离心式风机输送空气，由常压处通过管道水平送至另一常压处。流量6250kg/h。管长1100m(包括局部阻力)，管内径0.40m,摩擦系数0.0268。外界气压1kgf/cm2，大气温度20，。若置风机于管道出口端，试求风机的全风压。提示：1. 风管两端压力变化(p1-p2)/p1 20 %时，可视为恒密度气体，其rM值按平均压力(p1+p2)/2计算。2. 为简化计算，进风端管内气体压力视为外界气压。3. 管道两端压差 104Pa 解: 以下以H表示管路的压降 (p1p2)。 pm=p0+(p0H)/2=p0H/2 rm=pmM/(RT)=(p0H/2)M/(RT) H=l(l/d)(u2/2) rm=l(l/d)( rm u)2/(2rm) =llW2/(p/4)d222drm =8llW2RT/p2d5(p0H/2)M 令C=8llW2RT/(p2d5M) 则上式为 H22p0H+2C=0 其中C=80.02681100(6250/3600)28314293.2/(p20.40529)=5.912108 由 H2(29.81104)H+(25.912108)=0 解得 H=6222 Pa 校核：H/p1=6222/(9.81104)=0.063 0.20，把气体密度视为常量是可以的。 则风机的全风压H全=H=6222 Pa20） 20） 离心泵、往复泵各一台并联操作输水。两泵“合成的”性能曲线方程为：He = 72.50.00188(V-22)2，V指总流量。 阀全开时管路特性曲线方程为：He= 51+KV2, (两式中：He、He-mH2O，V-L/s)。现停开往复泵，仅离心泵操作，阀全开时流量为53.8L/s。试求管路特性曲线方程中的 K值。解：只开离心泵时 He=72.5-0.00188V2 V=53.8 L/s时 He=72.5-0.00188V2=72.5