化工原理(上)课后习题解答+天津大学化工学院+柴诚敬

1大学课后习题解答之化工原理(上)-天津大学化工学院-柴诚敬主编绪论1.从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI单位。（1）水的黏度μ=0.00856g/(cm·s)（2）密度ρ=138.6kgf·s2/m4（3）某物质的比热容CP=0.24BTU/(lb·℉)（4）传质系数KG=34.2kmol/(m2·h·atm)（5）表面张力σ=74dyn/cm（6）导热系数λ=1kcal/(m·h·℃)解：本题为物理量的单位换算。（1）水的黏度基本物理量的换算关系为1kg=1000g，1m=100cm则()sPa1056.8smkg1056.81m100cm1000g1kgscmg00856.044⋅×=⋅×=⋅=−−µ（2）密度基本物理量的换算关系为1kgf=9.81N，1N=1kg·m/s2则3242mkg13501Nsm1kg1kgfN81.9mskgf6.138=⋅⋅=ρ（3）从附录二查出有关基本物理量的换算关系为1BTU=1.055kJ，lb=0.4536kgoo51FC9=则()CkgkJ005.1C95F10.4536kg1lb1BTUkJ055.1FlbBTU24.0°⋅=°°°=pc（4）传质系数基本物理量的换算关系为1h=3600s，1atm=101.33kPa则()kPasmkmol10378.9101.33kPa1atm3600sh1atmhmkmol2.34252G⋅⋅×=⋅⋅=−K（5）表面张力基本物理量的换算关系为1dyn=1×10–5N1m=100cm则2mN104.71m100cm1dynN101cmdyn7425−−×=×=σ（6）导热系数基本物理量的换算关系为1kcal=4.1868×103J，1h=3600s则()()CmW163.1CsmJ163.13600s1h1kcalJ104.1868Chmkcall132°⋅=°⋅⋅=×°⋅⋅=λ2．乱堆25cm拉西环的填料塔用于精馏操作时，等板高度可用下面经验公式计算，即()()()LL310CB4E3048.001.121078.29.3ραµZDGAH−×=式中HE—等板高度，ft；G—气相质量速度，lb/(ft2·h)；D—塔径，ft；Z0—每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft；α—相对挥发度，量纲为一；μL—液相黏度，cP；ρL—液相密度，lb/ft3A、B、C为常数，对25mm的拉西环，其数值分别为0.57、-0.1及1.24。试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为SI单位。解：上面经验公式是混合单位制度，液体黏度为物理单位制，而其余诸物理量均为英制。经验公式单位换算的基本要点是：找出式中每个物理量新旧单位之间的换算关系，导出物理量“数字”的表达式，然后代入经验公式并整理，以便使式中各符号都变为所希望的单位。具体换算过程如下：（1）从附录查出或计算出经验公式有关物理量新旧单位之间的关系为m3049.0ft1=()()smkg10356.1hftlb1232⋅×=⋅−（见1）α量纲为一，不必换算sPa101cp13⋅×=−13lbft=133lb1kg3.2803ftft2.2046lb1m=16.01kg/m2(2)将原符号加上“′”以代表新单位的符号，导出原符号的“数字”表达式。下面以HE为例：mftEEHH′=则EEEE2803.3mft2803.3ftmftmHHHH′=×′=′=同理()GGG′=×′=−5.73710356.133DD′=2803.3002803.3ZZ′=()3LL101−×′=µµLLL06246.001.16ρρρ′=′=(3)将以上关系式代原经验公式，得()()()′′′×××′×′×××=′−LL3101.24-0.14E0624.010002803.33048.02803.301.125.7371078.257.09.32803.3ρµαZDGH整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即()()LL3101.240.1-4E4.39205.010084.1ραµZDGAH−×=4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=+=+=+=ρρmmVVV33ttmmkg33.764mkg157.0120===Vmρ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5[]（绝压）Pa10813.1Pa)0.15.9(81.9960103.10133×=−××+×=+=ghppρ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×=××+××=+=gRgRpρρ（2）B点的压力()（表）Pa107.836Pa5.081.91360010165.1441汞AB×=××+×=+=gRppρ6．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++pghgRpρρ=汞水习题5附图习题4附图习题6附图6()80.132kPaPa1.08.9136008.08.91000103.1013=××−××−×=−−=gRghppa汞水ρρ7．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ρ()()m36.1m8.9100010003.133.13=××==gh水ρ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=×××===ρρduuAw()()smkg800smkg10008.022⋅=⋅×==ρuG9．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⋅×==−µρ，0.015mcm5.1==d()sm882.0sm1069015.04π60102b=×××=u()5657105.21069882.0015.03b=×××==−µρduRe故为湍流。（2）用物理单位计算()scmg025.0cmg10693⋅==µρ，cm5.1=d，smc2.88b==u5657025.0069.12.885.1b=××==µρduRe10．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7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21d0dMwwθ−+=，01=w（无水补充）200000.622wuAAgzAρρ==（为小孔截面积）AZMρ=(A为储槽截面积)故有0262.00=+θρρddzAgzA即θdAAgzdz062.02−=上式积分得))((262.022112100zzAAg−=θ()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22121b12b2f1122ppgzugzuhρρ++=+++∑（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）()hm78.84sm02355.0004.02018.0414.30.3332