化工原理第二版两册答案(习题5--附图主编)

1第一章流体流动4．某储油罐中盛有密度为960kg/m3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5m，油面上方与大气相通。在罐侧壁的下部有一直径为760mm的孔，其中心距罐底1000mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作压力为39.5×106Pa，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3×103Pa）？解：由流体静力学方程，距罐底1000mm处的流体压力为（绝压）Pa10813.1Pa)0.15.9(81.9960103.10133ghpp作用在孔盖上的总力为N10627.3N76.04π103.10110813.1)(4233a＝）－＝（AppF每个螺钉所受力为N10093.6N014.04π105.39321F因此（个）695.5N10093.610627.3341FFn5．如本题附图所示，流化床反应器上装有两个U管压差计。读数分别为R1=500mm，R2=80mm，指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3=100mm。试求A、B两点的表压力。解：（1）A点的压力（表）Pa101.165Pa08.081.9136001.081.9100042汞3水AgRgRp（2）B点的压力（表）Pa107.836Pa5.081.91360010165.1441汞ABgRpp7．某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过13.3kPa（表压），在炉外装一安全液封管（又称水封）装置，如本题附图所示。液封的作用是，当炉内压力超过规定值时，气体便从液封管排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。习题5附图习题4附图2解：3.13gh水m36.1m8.9100010003.133.13gh水10．有一装满水的储槽，直径1.2m，高3m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直径为4cm，测得水流过小孔的平均流速u0与槽内水面高度z的关系为：zgu262.00试求算（1）放出1m3水所需的时间（设水的密度为1000kg/m3）；（2）又若槽中装满煤油，其它条件不变，放出1m3煤油所需时间有何变化（设煤油密度为800kg/m3）？解：放出1m3水后液面高度降至z1，则m115.2m8846.032.1785.01201zz由质量守恒，得21d0dMww，01w（无水补充）200000.622wuAAgzA（为小孔截面积）AZM(A为储槽截面积)故有0262.00ddzAgzA即dAAgzdz062.02上式积分得))((262.022112100zzAAgmin1.2s4.126s115.2304.0181.9262.022121211．如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7m，水从φ108mm×4mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5m。已知水流经系统的能量损失可按∑hf=5.5u2计算，其中u为水在管内的平均流速（m/s）。设流动为稳态，试计算（1）A-A'截面处水的平均流速；（2）水的流量（m3/h）。解：（1）A-A'截面处水的平均流速在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得22121b12b2f1122ppgzugzuh（1）式中z1=7m，ub1～0，p1=0（表压）z2=1.5m，p2=0（表压），ub2=5.5u2习题7附图3代入式（1）得22b2b219.8179.811.55.52uusm0.3bu（2）水的流量（以m3/h计）hm78.84sm02355.0004.02018.0414.30.3332b2sAuV13．如本题附图所示，用泵2将储罐1中的有机混合液送至精馏塔3的中部进行分离。已知储罐内液面维持恒定，其上方压力为1.0133105Pa。流体密度为800kg/m3。精馏塔进口处的塔内压力为1.21105Pa，进料口高于储罐内的液面8m，输送管道直径为φ68mm4mm，进料量为20m3/h。料液流经全部管道的能量损失为70J/kg，求泵的有效功率。解：在截面-AA和截面-BB之间列柏努利方程式，得2211221e2f22pupugZWgZhsm966.1sm004.02068.0414.33600204πkgJ700m0.8Pa1021.1Pa100133.1222f1125251dVAVuhuZZpp；；；；222121e21f2ppuuWgZZh768.9WW173800360020kgJ175kgJ704.7893.146.2kgJ700.88.92966.1800100133.121.1ese25WwNWe14．本题附图所示的贮槽内径D=2m，槽底与内径d0为32mm的钢管相连，槽内无液体补充，其初始液面高度h1为2m（以管子中心线为基准）。液体在管内流动时的全部能量损失可按∑hf=20u2计算，式中的u为液体在管内的平均流速（m/s）。试求当槽内液面下降1m时所需的时间。习题11附图习题13附图习题14附图4解：由质量衡算方程，得12ddMWW（1）2120bπ04WWdu，（2）2dπdd4dMhD（3）将式（2），（3）代入式（1）得220bπd044dhduD即2b0d()0dDhud（4）在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程22b1b21212f22uuppgzgzh即2222bbfbb2020.522uughhuu或写成2b20.59.81hub0.692uh（5）式（4）与式（5）联立，得22d0.692()00.032dhh即dhhd5645i.c.θ=0，h=h1=2m；θ=θ，h=1m积分得1.3hs4676s21256452118．某液体以一定的质量流量在水平直圆管内作湍流流动。若管长及液体物性不变，将管径减至原来的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的多少倍？解：流体在水平光滑直圆管中作湍流流动时fp=fh或fh=fp/=2b2uLdf1f2hh=（2b1b22112))()(uudd式中21dd=2，b2b1uu=（21dd）2=45因此f1f2hh=221()(2)(4)=3212又由于25.0Re316.012=（25021.)ReRe=（0.251b12b2)dudu=（2×25041.)=（0.5）0.25=0.841故f1f2hh=32×0.84=26.919．用泵将2×104kg/h的溶液自反应器送至高位槽（见本题附图）。反应器液面上方保持25.9×103Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压。管道为76mm×4mm的钢管，总长为35m，管线上有两个全开的闸阀、一个孔板流量计（局部阻力系数为4）、五个标准弯头。反应器内液面与管路出口的距离为17m。若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。（已知溶液的密度为1073kg/m3，黏度为6.310-4Pas。管壁绝对粗糙度可取为0.3mm。）解：在反应器液面1-1，与管路出口内侧截面2-2，间列机械能衡算方程，以截面1-1，为基准水平面，得22b1b2121e2f22uuppgzWgzh（1）式中z1=0，z2=17m，ub1≈0sm43.1sm1073068.0785.036001024242b2dwup1=-25.9×103Pa(表)，p2=0(表)将以上数据代入式（1），并整理得2b221e21f()2uppWgzzh=9.81×17+24312.+1073109.253+fh=192.0+fh其中fh=（+eLLd+）2b22uRebdu=30.0681.4310730.6310=1.656×1050044.0de根据Re与e/d值，查得λ=0.03，并由教材可查得各管件、阀门的当量长度分别为闸阀（全开）：0.43×2m=0.86m标准弯头：2.2×5m=11m习题19附图6故fh=(0.03×350.86110.068+0.5+4)kgJ243.12=25.74J/kg于是kgJ217.7kgJ74.250.192eW泵的轴功率为sN=eW/w=W7.036001027.2174=1.73kW流体输送管路的计算20．如本题附图所示，贮槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100mm的钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀，距管路入口端15m处安有以水银为指示液的U管压差计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的直管长度为20m。（1）当闸阀关闭时，测得R=600mm、h=1500mm；当闸阀部分开启时，测得R=400mm、h=1400mm。摩擦系数可取为0.025，管路入口处的局部阻力系数取为0.5。问每小时从管中流出多少水（m3）？（2）当闸阀全开时，U管压差计测压处的压力为多少Pa（表压）。（闸阀全开时Le/d≈15，摩擦系数仍可取0.025。）解：（1）闸阀部分开启时水的流量在贮槽水面1-1，与测压点处截面2-2，间列机械能衡算方程，并通过截面2-2，的中心作基准水平面，得22b1b21212f1222uuppgzgzh，－（a）式中p1=0(表)（表）Pa39630Pa4.181.910004.081.913600OHHg22gRgRpub2=0，z2=0z1可通过闸阀全关时的数据求取。当闸阀全关时，水静止不动，根据流体静力学基本方程知2HO1Hg()gzhgR（b）式中h=1.5m,R=0.6m将已知数据代入式（b）得m66.6m5.110006.0136001z2222bbf,1-2cbb15()2.13(0.0250.5)2.1320.12uuLhuud将以上各值代入式（a），即9.81×6.66=2b2u+100039630+2.13ub2解得sm13.3bu习题20附图7水的流量为sm43.1sm13.31.0785.036004π3600332b2sudV（2）闸阀全开时测压点处的压力在截面1-1，与管路出口内侧截面3-3，间列机械能衡算方程，并通过管中心线作基准平面，得22b1b33113f1322uuppgzgzh，－（c）式中z1=6.66m，z3=0，ub1=0，p1=p32ebf,13c()2LLuhd=22bb350.025(15)0.54.810.12uu将以上数据代入式（c），即9.81×6.66=2b2u+4.81ub2解得sm13.3bu再在截面1-1，与2-2，间列机械能衡算方程，基平面同前，得22b1b21212f1222uuppgzgzh，－（d）式中z1=6.66m，z2=0，ub10，ub2=3.51m/s，p1=0（表压力）kgJ26.2kgJ251.35.01.05.1025.022f,1h将以上数值代入上式，则2.261000251.366.681.922p解得p2=3.30×104Pa（表压）22．如本题附图所示，自水塔将水送至车间，输送管路用114mm4mm的钢管，管路总长为190m（包括管件与阀门的当量长度，但不包括进、出口损失）。水塔内水面维持恒定，并高于出水口15m。设水温为12℃，试求管路的输水量（m3/h）。解：在截面11