《化工原理》第四版习题答案.doc

绪 论【0-1】 1m3水中溶解0.05kmol CO2，试求溶液中CO2的摩尔分数，水的密度为100kg/m3。解 水 CO2的摩尔分数【0-2】在压力为101325、温度为25条件下，甲醇在空气中达到饱和状态。试求：(1)甲醇的饱和蒸气压；(2)空气中甲醇的组成，以摩尔分数、质量分数、浓度、质量浓度表示。解 (1)甲醇的饱和蒸气压 (2) 空气中甲醇的组成摩尔分数 质量分数 浓度 质量浓度 【0-3】1000kg的电解液中含质量分数10%、的质量分数10%、的质量分数80%，用真空蒸发器浓缩，食盐结晶分离后的浓缩液中含 50%、 2%、48%，均为质量分数。试求：(1)水分蒸发量；(2)分离的食盐量；(3)食盐分离后的浓缩液量。在全过程中，溶液中的量保持一定。解 电解液1000kg 浓缩液中 10000.l=100kg =0.5（质量分数）10000.l=100kg =0.02（质量分数） 10000.8=800kg =0.48（质量分数）在全过程中，溶液中量保持一定，为100kg浓缩液量为200kg浓缩液中，水的含量为2000.48=96kg，故水的蒸发量为800-96=704kg浓缩液中的含量为2000.02=4kg，故分离的量为100-4=96kg第一章 流体流动流体的压力【1-1】容器A中的气体表压为60kPa，容器B中的气体真空度为Pa。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。解 标准大气压力为101.325kPa容器A的绝对压力 容器B的绝对压力 【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 出口绝对压力 进、出口的压力差流体的密度【1-3】正庚烷和正辛烷混合液中，正庚烷的摩尔分数为0.4，试求该混合液在20下的密度。解 正庚烷的摩尔质量为，正辛烷的摩尔质量为。将摩尔分数换算为质量分数正庚烷的质量分数 正辛烷的质量分数 从附录四查得20下正庚烷的密度，正辛烷的密度为混合液的密度 【1-4】温度20，苯与甲苯按4:6的体积比进行混合，求其混合液的密度。解 20时，苯的密度为，甲苯的密度为。混合液密度 【1-5】有一气柜，满装时可装混合气体，已知混合气体各组分的体积分数为操作压力的表压为5.5kPa，温度为40。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。解 混合气体的摩尔质量(1)混合气体在操作条件下的密度为(2)混合气体，摩尔体积为混合气体的量为 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。(1)管子上端空间的绝对压力在水平面处的压力平衡，有习题1-6附图(2)管子上端空间的表压 (3)管子上端空间的真空度(4)槽内为四氯化碳，管中液柱高度 常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为【1-7】在20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，当地大气压力为。试求试管底部的绝对压力为多少Pa。解 水的密度【1-8】如习题1-8附图所示，容器内贮有密度为的液体，液面高度为3.2m。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29.4kPa。试求：(1)压差计读数（指示液密度为）；(2)A、B两个弹簧压力表的读数。解 容器上部空间的压力液体密度 ，指示液密度(1)压差计读数R=?习题1-8附图在等压面(2) 习题1-9附图【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，试求A、B两点的压力差。解 等压面由以上三式，得已知， 习题1-10附图【1-10】常温的水在如习题1-10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，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两点的压力差与液柱压力汁的读数之间的关系式。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。在等压面处因，由上两式求得习题1-11附图因故 【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（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 流量与流速【1-12】有密度为的液体，在内径为60mm的管中输送到某处。若其流速为，试求该液体的体积流量、质量流量与质量流速。解 (1) 体积流量 (2) 质量流量 (3) 质量流速 【1-13】如习题1-13附图所示的套管式换热器，其内管为，外管为。内管中有密度为、流量为的冷冻盐水流动。内、外管之间的环隙有绝对压力为，进、出口平均温度为，流量为的气体流动。在标准状态下，气体的密度为。试求气体和盐水的流速。解 液体 内管内径 液体质量流量 ，体积流量 流速 气体质量流量 密度 体积流量 流速 习题1-13附图 习题1-14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，支管1与支管2中水的流量分别为。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 主管的流量 体积流量 ，流速 管径 选择无缝钢管，内径为，主管内水的流速 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，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 习题1-15附图 习题1-16附图 另一计算法计算液柱高度时，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。已知管内径, ，液柱高度。若忽略压头损失，试计算收缩截面2处的静压头。解 水的体积流量 ，截面1处的流速 截面2处的流速 在截面1与2之间列伯努利方程，忽略能量损失。截面2处的静压头 水柱习题1-17附图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。当出水阀全关闭时，压力表读数为30.4kPa。而阀门开启后，压力表读数降至20.3kPa。设压力表之前管路中的压头损失为0.5m水柱，试求水的流量为多少?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阀门开启后，压力表读数（表压）从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速水的流量【1-18】若用压力表测得输送水、油（密度为）、98%硫酸(密度为)的某段水平等直径管路的压力降均为49kPa。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与压力降的关系为。习题1-19附图【1-19】如习题1-19附图所示，有一高位槽输水系统，管径为。已知水在管路中流动的机械能损失为 (u为管内流速)。试求水的流量为多少。欲使水的流量增加20%，应将高位槽水面升高多少米？解 管径，机械能损失(1) 以流出口截面处水平线为基准面， 水的流量 (2) 习题1-20附图高位槽应升高 【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，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。若截面处的真空度为39.2kPa，由截面至截面的压头损失为。试求：(1)吸入管中水的流量，；(2)吸入口截面的表压。解 管内径，水密度截面处的表压，水槽表面（表压）(1) 从为基准面，压头损失 水的流量 (2) 从流体的黏度【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 60水 空气 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，水的黏度，密度，管内径，流速【1-23】 (1)温度为20、流量为的水，在的直管中流动，试判断流动类型；(2)在相同的条件下，水改为运动黏度为的油，试判断流动类型。解 (1) 流速 雷诺数 (2) 雷诺数 【1-24】 20的水在的直管内流动。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，体量流量 (2) 管内流体流动的摩擦阻力损失习题1-25附图【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管路从截面A到截面B的摩擦损失。若流体密度为，指示液密度为，压差计读数为R。试推导出用读数R计算摩擦损失的计算式。解 从截面A到截面B列伯努利方程，截面A为基准面，则得液柱压差计1-1为等压面由式得 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，有的水平管与垂直管，其中有温度为20的水流动，流速为。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。试问这两个直管上的两个弹簧压力表读数的差值是否相同？如果不同，试说明其原因。习题1-26附图如果用液柱压差计测量压力差，则两个直管的液柱压力计的读数R是否相同？指示液为汞，其密度为。解 已知管内径，水的温度t=20密度，黏度，流速雷诺数 湍流管壁相对粗糙度 查得摩擦系数 这两个直管的摩擦阻力损失相同，为(1) 弹簧压力表读数之差值水平管在A、B两截面列伯努利方程因，故得垂直管在A、B两截面间列伯努利方程，以截面A为基准面，上述计算结果表明，垂直管的大于水平管的。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水平管与前面相同，由伯努利方程得 另从U形管压差计等压面处力的平衡，求得 由式与式，求得垂直管与前面相同，由伯努利方程得另从U形管压差计等压面处力的平衡，求得由式，求得从上述推导可知，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，就可以分别用式求得水平管及垂直管的。【1-27】有一输送水的等直径（内径为d）垂直管路，在相距H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。当流速由增大到时，试求压差计中水银指示液读数是R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成正比，即。又知道，在粗糙管完全湍流区为阻力平方区，即摩擦损失与流体流速的平方成正比，。由上述分析可知 因此 【1-28】水的温度为10，流量为，在直径、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，试计算其摩擦损失。解 水在10时的密度，黏度，光滑管。(1) 体积流量 流速 雷诺数 摩擦系数 摩擦损失 (2) 体积流量 因流量是原来的3倍，故流速雷诺数湍流对于光滑管，摩擦系数用Blasius 方程式计算也可以从摩擦系数与雷诺数Re的关联图上光滑管曲线上查得，。摩擦损失 【1-29】试求下列换热器的管间隙空间的当量直径：(1)如习题1-29附图(a)所示，套管式换热器外管为，内管为；(2)如习题1-29附图(b)所示，列管式换热器外壳内径为500mm，列管为的管子174根。习题1-29附图解 (1)套管式换热器，内管外径，外管内径当量直径 (2) 列管式换热器，外壳内径，换热管外径，根数根 当量直径 【1-30】常压下35的空气，以12m/s的流速流经120m长的水平管。管路截面为长方形，高300mm，宽200mm，试求空气流动的摩擦损失，设。解 空气，流速。管路截面的高。当量直径 雷诺数 摩擦损失 【1-31】把内径为20mm、长度为2m的塑料管（光滑管），弯成倒U形，作为虹吸管使用。如习题1-31附图所示，当管内充满液体，一端插入液槽中，另一端就会使槽中的液体自动流出。液体密度为，黏度为。为保持稳态流动，使槽内液面恒定。要想使输液量为，虹吸管出口端距槽内液面的距离需要多少米？解 已知，体积流量流速 从液槽的液面至虹吸管出口截面之间列伯努利方程式，以虹吸管出口截面为基准面光滑管，查得，管入口突然缩小U形管（回弯头）习题1-31附图 习题1-32附图【1-32】如习题1-32附图所示，有黏度为、密度为的液体，从高位槽经直径为的钢管流入表压为的密闭低位槽中。液体在钢管中的流速为，钢管的相对粗糙度，管路上的阀门当量长度。两液槽的液面保持不变，试求两槽液面的垂直距离H。解 在高位槽液面至低位槽液面之间列伯努利方程计算H，以低位槽液面为基准面。，液体密度雷诺数管长，阀门，高位槽的管入口，低位槽管出口，90弯头 习题1-33附图【1-33】如习题1-33附图所示，用离心泵从河边的吸水站将20的河水送至水塔。水塔进水口到河水水面的垂直高度为34.5m。管路为的钢管，管长1800m，包括全部管路长度及管件的当量长度。若泵的流量为，试求水从泵获得的外加机械能为多少？钢管的相对粗糙度。解 水在20时，流量 流速 湍流查得摩擦阻力损失 以河水水面为基准面，从河水水面至水塔处的水管出口之间列伯努利方程。外加机械能 【1-34】如习题1-34附图所示，在水塔的输水管设计过程中，若输水管长度由最初方案缩短25%，水塔高度不变，试求水的流量将如何变化？变化了百分之几？水在管中的流动在阻力平方区，且输水管较长，可以忽略局部摩擦阻力损失及动压头。解 在水塔高度H不变的条件下，输水管长度缩短，输水管中的水流量应增大。从水塔水面至输水管出口之间列伯努利方程，求得习题1-34附图因水塔高度H不变，故管路的压头损失不变。管长缩短后的长度与原来长度的关系为 在流体阻力平方区，摩擦系数恒定不变，有故流速的比值为流量的比值为 流量增加了15.5%管路计算【1-35】用的钢管输送流量为的原油，管长为，油管最大承受压力为。已知50时油的密度为，黏度为。假设输油管水平铺设，其局部摩擦阻力损失忽略不计，试问为完成输油任务，中途需设置几个加压站？解 因为是等直径的水平管路，其流体的压力降为油管最大承受压力为加压站数 需设置2级加压，每级管长为50km，每级的，低于油管最大承受压力。【1-36】如习题1-36附图所示，温度为20的水，从水塔用钢管，输送到车间的低位槽中，低位槽与水塔的液面差为12m，管路长度为150m（包括管件的当量长度）。试求管路的输水量为多少，钢管的相对粗糙度。解 水，由伯努利方程，得管路的摩擦阻力损失为管内水的流速未知，摩擦系数不能求出。本题属于已知、，求的问题。 验算流动类型 体积流量 习题1-36附图 习题1-37附图【1-37】如习题1-37附图所示，温度为20的水，从高位槽A输送到低位槽B，两水槽的液位保持恒定。当阀门关闭时水不流动，阀前与阀后的压力表读数分别为80kPa与30kPa。当管路上的阀门在一定的开度下，水的流量为，试计算所需的管径。输水管的长度及管件的当量长度共为42m，管子为光滑管。 本题是计算光滑管的管径问题。虽然可以用试差法计算，但不方便。最好是用光滑管的摩擦系数计算式（适用于）与及，推导一个之间的计算式。解 水在水的流量，管长及管件当量长度阀门关闭时，压力表可测得水槽离压力表测压点的距离。两水槽液面的距离以低位槽的液面为基准面，从高位槽A的液面到低位槽B之间列伯努利方程，得管路的摩擦损失与的关系式为对于水力光滑管，与及之间的计算式为代入已知数习题1-38附图求得管内径为 验证范围 湍流符合计算式中规定的范围【1-38】 如习题1-38附图所示，水槽中的水由管C与D放出，两根管的出水口位于同一水平面，阀门全开。各段管内径及管长（包括管件的当量长度）分别为 AB BC BD d 试求阀门全开时，管C与管D的流量之比值，摩擦系数均取0.03。解 从水槽的水面至出水口之间列伯努利方程，以出水口的水平面为基准面，得 （a）BC管的压头损失 （b）BD管的压头损失 （c）将式，得因，故流量之比值【1-39】有一并联管路，输送20的水。若总管中水的流量为，两根并联管的管径与管长分别为。试求两根并联管中的流量各为若干？管壁绝对粗糙度为。解 用试差法求解，设各支管的流体流动处于完全湍流粗糙管的阻力平方区。两根支管的相对粗糙度分别为从教材的图1-28查得总流量支管1的流量支管2的流量下面核算值水在20时，故 由，从图上查得，与原假设相同。由，从图上查得，与原假设的接近。故以上计算结果正确。流量的测定【1-40】 在管径的管路中心处安装皮托测速管，测量管路中流过的空气流量。空气温度为21，压力为（绝对压力）。用斜管压差计测量，指示液为水，读数为200mm，倾斜角度为20度。试计算空气的质量流量。解 空气温度，绝对压力，空气的密度为水的密度 空气的黏度查得 空气质量流量【1-41】 20的水在的管路中输送，管路上安装角接取压的孔板流量计测量流量，孔板的孔径为50mm。U形管压差计指示液为汞，读数R=200mm。试求水在管路中的质量流量。解 水在20时孔板孔径 从关系曲线上查得，在的水平段的值，U形管差压计的读数，汞密度孔板前后的压力差水的质量流量流速 由关系曲线上查得，。与前面查得值相同，计算正确。