化工原理答案(第二版)高等教育出版社-柴诚敬主编

1第一章流体流动流体的重要性质1．某气柜的容积为6000m3，若气柜内的表压力为5.5kPa，温度为40℃。已知各组分气体的体积分数为：H240%、N220%、CO32%、CO27%、CH41%，大气压力为101.3kPa，试计算气柜满载时各组分的质量。解：气柜满载时各气体的总摩尔数mol4.246245mol313314.860000.10005.53.101tRTpVn各组分的质量：kg197kg24.246245%40%4022HtHMnmkg97.1378kg284.246245%20%2022NtNMnmkg36.2206kg284.246245%32%32COtCOMnmkg44.758kg444.246245%7%722COtCOMnmkg4.39kg164.246245%1%144CHtCHMnm2．若将密度为830kg/m3的油与密度为710kg/m3的油各60kg混在一起，试求混合油的密度。设混合油为理想溶液。解：kg120kg606021tmmm331221121tm157.0m7106083060mmVVV33ttmmkg33.764mkg157.0120Vm流体静力学3．已知甲地区的平均大气压力为85.3kPa，乙地区的平均大气压力为101.33kPa，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20kPa。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？解：（1）设备内绝对压力绝压=大气压-真空度=kPa3.65Pa1020103.8533（2）真空表读数真空度=大气压-绝压=kPa03.36Pa103.651033.10133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2（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6．如本题附图所示，水在管道内流动。为测量流体压力，在管道某截面处连接U管压差计，指示液为水银，读数R=100mm，h=800mm。为防止水银扩散至空气中，在水银面上方充入少量水，其高度可以忽略不计。已知当地大气压力为101.3kPa，试求管路中心处流体的压力。解：设管路中心处流体的压力为p根据流体静力学基本方程式，AApp则a++pghgRp汞水习题5附图习题4附图习题6附图380.132kPaPa1.08.9136008.08.91000103.1013gRghppa汞水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。解：3.13gh水m36.1m8.9100010003.133.13gh水流体流动概述8.密度为1800kg/m3的某液体经一内径为60mm的管道输送到某处，若其平均流速为0.8m/s，求该液体的体积流量（m3/h）、质量流量（kg/s）和质量通量[kg/(m2·s)]。解：hm14.8sm360006.0414.38.04π3322hduuAVskg26.2skg100006.0414.38.04π22sduuAwsmkg800smkg10008.022uG9．在实验室中，用内径为1.5cm的玻璃管路输送20℃的70%醋酸。已知质量流量为10kg/min。试分别用用SI和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。解：（1）用SI单位计算查附录70%醋酸在20℃时，sPa1050.2mkg106933，0.015mcm5.1dsm882.0sm1069015.04π60102bu5657105.21069882.0015.03bduRe故为湍流。（2）用物理单位计算scmg025.0cmg10693，cm5.1d，smc2.88bu5657025.0069.12.885.1bduRe10．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）又若槽中装满习题7附图4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AuV512．20℃的水以2.5m/s的平均流速流经φ38mm×2.5mm的水平管，此管以锥形管与另一φ53mm×3mm的水平管相连。如本题附图所示，在锥形管两侧A、B处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压力。若水流经A、B两截面间的能量损失为1.5J/kg，求两玻璃管的水面差（以mm计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。解：在A、B两截面之间列机械能衡算方程22121b12b2f1122ppgzugzuh式中z1=z2=0，sm0.3b1usm232.1sm2003.0053.020025.0038.05.222221b121b1b2dduAAuu∑hf=1.5J/kgkgJ866.0kgJ5.125.2232.1222f2b12b2b221huuupp故mm3.88m0883.0m81.9866.021gpp13．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习题11附图习题12附图习题13附图6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。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动量传递现象与管内流动阻力15．某不可压缩流体在矩形截面的管道中作一维定态层流流动。设管道宽度为b，高度2y0，且by0，流道长度为L，两端压力降为p，试根据力的衡算导出（1）剪应力τ随高习题14附图7度y（自中心至任意一点的距离）变化的关系式；（2）通道截面上的速度分布方程；（3）平均流速与最大流速的关系。解：（1）由于by0,可近似认为两板无限宽，故有yLpybpbL)2(21（1）（2）将牛顿黏性定律代入（1）得dduyddupyyL上式积分得CyLpu22（2）边界条件为y=0，u=0，代入式（2）中，得C=-202yLpC因此)(2202yyLpu（3）（3）当y=y0，u=umax故有20max2yLpu再将式（3）写成2max01()yuuy（4）根据ub的定义，得2bmaxmax0112d1()d3AAyuuAuAuAAy