改化工原理第二版课后习题解答

1第一章流体流动与输送机械1.某烟道气的组成为CO213％，N276％，H2O11％（体积％），试求此混合气体在温度500℃、压力101.3kPa时的密度。解：混合气体平均摩尔质量kg/mol1098.2810)1811.02876.04413.0(33iimMyM∴混合密度333kg/m457.0)500273(31.81098.28103.101RTpMρmm2．已知20℃时苯和甲苯的密度分别为879kg/m3和867kg/m3,试计算含苯40％及甲苯60％（质量％）的混合液密度。解：8676.08794.012211aam混合液密度3kg/m8.871mρ3．某地区大气压力为101.3kPa，一操作中的吸收塔塔内表压为130kPa。若在大气压力为75kPa的高原地区操作该吸收塔，且保持塔内绝压相同，则此时表压应为多少？2解：''表表绝＋pppppaakPa3.15675)1303.101)(''＋（－＋真表aapppp4．如附图所示，密闭容器中存有密度为900kg/m3的液体。容器上方的压力表读数为42kPa，又在液面下装一压力表，表中心线在测压口以上0.55m，其读数为58kPa。试计算液面到下方测压口的距离。解：液面下测压口处压力ghpzgpp10m36.255.081.990010)4258(30101hgppgpghpz5.如附图所示，敞口容器内盛有不互溶的油和水，油层和水层的厚度分别为700mm和600mm。在容器底部开孔与玻璃管相连。已知油与水的密度分别为800kg/m3和1000kg/m3。（1）计算玻璃管内水柱的高度；（2）判断A与B、C与D点的压力是否相等。解：（1）容器底部压力ghpghghppaa水水油21题4附图BDh1h2AC题5附图3m16.16.07.010008002121hhhhh水油水水油（2）BAppDCpp6．为测得某容器内的压力，采用如图所示的U形压力计，指示液为水银。已知该液体密度为900kg/m3，h=0.8m，R=0.45m。试计算容器中液面上方的表压。解：如图，1-2为等压面。ghpp1gRppa02gRpghpa0则容器内表压：kPa0.5381.98.090081.945.0136000ghgRppa7．如附图所示，水在管道中流动。为测得A-A′、B-B′截面的压力差，在管路上方安装一U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R＝180mm，试计算A-A′、B-B′截面的压力差。已知水与水银的密度分别为1000kg/m3和13600kg/m3。解：图中，1-1′面与2-2′面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即'11pp，'22pp又gmppA'1题7附图题6附图124gRRmgpgRpgRppB002021)('所以gRRmgpgmpBA0)(整理得gRppBA)(0由此可见，U形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示液的密度、读数R有关，而与U形压差计放置的位置无关。代入数据Pa2224918.081.9)100013600(BApp8．用U形压差计测量某气体流经水平管道两截面的压力差，指示液为水，密度为1000kg/m3，读数R为12mm。为了提高测量精度，改为双液体U管压差计，指示液A为含40％乙醇的水溶液，密度为920kg/m3，指示液C为煤油，密度为850kg/m3。问读数可以放大多少倍？此时读数为多少？解：用U形压差计测量时，因被测流体为气体，则有021Rgpp用双液体U管压差计测量时，有)('21CAgRpp因为所测压力差相同，联立以上二式，可得放大倍数3.1485092010000'CARR题9附图5此时双液体U管的读数为mm6.171123.143.14'RR9．图示为汽液直接混合式冷凝器，水蒸气与冷水相遇被冷凝为水，并沿气压管流至地沟排出。现已知真空表的读数为78kPa，求气压管中水上升的高度h。解:apghp水柱高度m95.781.910107833gppha10．硫酸流经由大小管组成的串联管路，其尺寸分别为φ76×4mm和φ57×3.5mm。已知硫酸的密度为1830kg/m3，体积流量为9m3/h,试分别计算硫酸在大管和小管中的（1）质量流量；（2）平均流速；（3）质量流速。解:(1)大管:mm476φkg/h1647018309ssVmm/s69.0068.0785.03600/9785.0221dVuss)kg/(m7.1262183069.0211uG(2)小管:mm5.357质量流量不变kg/h164702sm6m/s27.105.0785.03600/9785.02222dVus或:m/s27.1)5068(69.0)(222112dduus)kg/(m1.2324183027.1222uG11．如附图所示，用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽与反应器均与大气相通，且高位槽中液面恒定。现要求料液以1m/s的流速在管内流动，设料液在管内流动时的能量损失为20J/kg（不包括出口），试确定高位槽中的液面应比虹吸管的出口高出的距离。解:以高位槽液面为1-1’面,管出口内侧为2-2’面,在1-1’～2-2’间列柏努力方程:fWupgzupgz222221112121简化:gWuHf/)21(22m09.281.9)20121(12．一水平管由内径分别为33mm及47mm的两段直管组成，水在小管内以2.5m/s的速度流向大管，在接头两侧相距1m的1、2两截面处各接一测压管，已知两截面间的压头损失为70mmH2O，问两测压管中的水位哪一个高，相差多少？并作分析。解：1、2两截面间列柏努利方程：fhuggpzuggpz222221112121h7其中：21zzm/s23.147335.2222112dduum17.007.0)5.223.1(81.921)(2122212221fhuuggpph说明2截面处测压管中水位高。这是因为该处动能小，因而静压能高。表压为80kPa。已知输送管路为5.348mm的钢13．如附图所示，用高位槽向一密闭容器送水，容器中的管，管路系统的能量损失与流速的关系为28.6uWf（不包括出口能量损失），试求：（1）水的流量；（2）若需将流量增加20％，高位槽应提高多少m？解：（1）如图在高位槽液面1-1与管出口内侧2-2间列柏努利方程fWupgzupgz222221112121简化：fWupgz222121（1）即222238.6211000108081.910uu题13附图10m128解得m/s57.12u流量/hm45.7/1007.257.1041.0785.04333222smudVS（2）流量增加20％，则m/s88.157.12.1'2u此时有fWupgz'22'21'21m78.1081.9/)88.18.688.12110001080(223'1z即高位槽需提升0.78m。14．附图所示的是丙烯精馏塔的回流系统，丙烯由贮槽回流至塔顶。丙烯贮槽液面恒定，其液面上方的压力为2.0MPa（表压），精馏塔内操作压力为1.3MPa（表压）。塔内丙烯管出口处高出贮槽内液面30m，管内径为140mm，丙烯密度为600kg/m3。现要求输送量为40×103kg/h，管路的全部能量损失为150J/kg（不包括出口能量损失），试核算该过程是否需要泵。解:在贮槽液面1-1’与回流管出口外侧2-2’间列柏努利方程:feWupgzWupgz222221112121题14附图9简化:feWupgzWp2222121feWgzuppW2221221m/s2.114.0785.060036001040785.02322dmus15081.9302.12160010)0.23.1(26eWJ/kg6.721不需要泵,液体在压力差的作用下可自动回流至塔中15．用压缩空气将密闭容器中的硫酸压送至敞口高位槽，如附图所示。输送量为2m3/h，输送管路为φ37×3.5mm的无缝钢管。两槽中液位恒定。设管路的总压头损失为1m（不包括出口），硫酸的密度为1830kg/m3。试计算压缩空气的压力。解:以容器中液面为1-1’面,管出口内侧为2-2’面,且以1-1’面为基准,在1-1’～2-2’间列柏努力方程:fhzugpzuggp222212112121简化:题15附图10fhzuggp222121其中:m/s786.003.0785.03600/24222dVus代入:)21(2221fhzuggp)112786.081.921(81.918302)(kP234a表压16．某一高位槽供水系统如附图所示，管子规格为φ45×2.5mm。当阀门全关时，压力表的读数为78kPa。当阀门全开时，压力表的读数为75kPa，且此时水槽液面至压力表处的能量损失可以表示为2uWfJ/kg（u为水在管内的流速）。试求：（1）高位槽的液面高度；（2）阀门全开时水在管内的流量（m3/h）。解:(1)阀门全关,水静止ghpm95.781.910107833gph(2)阀门全开:在水槽1-1’面与压力表2-2’面间列柏努力方程:h题16附图111fWupgzupgz222221112121简化:fWupgz22212122223211000107581.995.7uu解之:m/s412.12u流量:/sm10773.1412.104.0785.0433222udVs/hm38.6317．用泵将常压贮槽中的稀碱液送至蒸发器中浓缩，如附图所示。泵进口管为φ89×3.5mm，碱液在其中的流速为1.5m/s；泵出口管为φ76×3mm。贮槽中碱液的液面距蒸发器入口处的垂直距离为7m。碱液在管路中的能量损失为40J/kg（不包括出口）蒸发器内碱液蒸发压力保持在20kPa（表压），碱液的密度为1100kg/m3。设泵的效率为58％，试求该泵的轴功率。解：取贮槽液面为1-1截面，蒸发器进料口管内侧为2-2截面，且以1-1截面为基准面。在1-1与2-2间列柏努利方程：feWupgzWupgz222221112121（a）题17附图12或feWppuugzzW12212212)(21)(（b）其中：z1=0；p1=0（表压）；u1≈0z2=7m；p2=20×103Pa（表压）已知泵入口管的尺寸及碱液流速，可根据连续性方程计算泵出口管中碱液的流速：06.2)7082(5.1)(2222dduu入入m/sρ=1100kg/m3，ΣWf=40J/kg将以上各值代入（b）式，可求得输送碱液所需的外加能量129401100102006.22181.9732eWJ/kg碱液的质量流量72.8110006.207.0785.042222udmskg/s泵的有效功率kW125.1W112572.8129seemWN泵的效率为58%，则泵的轴功率94.158.0125.1eNNkW1318．如附图所示，水以15m3/h的流量在倾斜管中流