化工原理天津大学版化上下册习题答案.doc

　 　　 　　　 　　 化工原理课后习题1. 某设备上真空表的读数为 13.３×１０３ Pa,试计算设备内的绝对压强与表压强已知该地区大气压强为　98.７×103　Pa 解:由　绝对压强 = 大气压强 –　真空度 　 得到:设备内的绝对压强P绝 ＝ 9８．7×１03　Pa -１3.3×10３ Pa 　 　=8．54×1０3　Pa设备内的表压强 P表　= -真空度 = -　1３．3×10３ Pa 2.在本题附图所示的储油罐中盛有密度为 ９6０ ㎏/㎥ 的油品，油面高于罐底 ６.9 ｍ，油面上方为常压在罐侧壁的下部有始终径为 7６０ mm　的圆孔,其中心距罐底 800　mm，孔盖用1４ｍm的钢制螺钉紧固若螺钉材料的工作应力取为39．23×１06 Pa　,问至少需要几种螺钉？分析:罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力 即 　P油　≤ σ螺解：Ｐ螺　=　ρgｈ×A　＝ 960×９.81×(9．６-０．8) ×3.14×０.７6２　 　　 　 150.３０７×103 Nσ螺 ＝ 39．0３×103×3.14×0．0142×ｎ P油 ≤　σ螺 得 n　≥ ６.２3取 n　min＝　７ 　 至少需要7个螺钉　 　 　 　　　 　 　 　 　 　 　 ３.某流化床反映器上装有两个U 型管压差计，如本题附图所示。

测得R1 ＝ ４00 mm ， 　 R２ = 50 mｍ，批示液为水银为避免水银蒸汽向空气中扩散，于右侧的U　型管与大气连通的玻璃管内灌入一段水,其高度R3　＝ ５0 mm试求A﹑B两处的表压强分析:根据静力学基本原则，对于右边的Ｕ管压差计,ａ–a′为等压面，对于左边的压差计,b–b′为另一等压面，分别列出两个等压面处的静力学基本方程求解解：设空气的密度为ρｇ,其她数据如图所示　 　　 ａ–a′处　　ＰA ＋ ρggh1 = ρ水gR3 ＋ ρ水银ɡR2由于空气的密度相对于水和水银来说很小可以忽视不记即：PA =　1.０　×103×9.81×0．０5 + 13.6×10３×9．81×0．０5 　 　　　 = ７.16×103 Pa ｂ－b′处 PＢ + ρgｇｈ3 = PA + ρｇgｈ２ ＋　ρ水银gR1 　 PB = 13.６×１0３×9．8１×０.４ ＋ ７.1６×103　 　 　=6.05×１０3Pa　 　 　 　 　　 　 　4. 本题附图为远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置已知两吹气管出口的距离Ｈ = 1m，U管压差计的批示液为水银，煤油的密度为820Kｇ/㎥。

试求当压差计读数R=68mm时,相界面与油层的吹气管出口距离h分析：解此题应选用的合适的截面如图所示:忽视空气产生的压强,本题中１-1´和４-4´为等压面，2－2´和3－3´为等压面,且1－1´和２-2´的压强相等根据静力学基本方程列出一种方程组求解解:设插入油层气管的管口距油面高Δh　　 　在１－１´与2-2´截面之间P１　= Ｐ２ ＋ ρ水银ｇR∵P1 ＝ Ｐ4 　,P2 ＝ P3 　　且P3 ＝ ρ煤油gΔｈ , P4 ＝ ρ水g（H-h)+　ρ煤油g(Δｈ + h）联立这几种方程得到 ρ水银gＲ　= ρ水g（H-h）+ ρ煤油g（Δh + ｈ)-ρ煤油gΔh 即ρ水银gR ＝ρ水gH + ρ煤油gｈ －ρ水gh 带入数据　1.0³×1０³×1 － 13.６×１0³×0.０68 =　h(1.0×１0³-０．82×１０³)h= 0．41８ｍ ５.用本题附图中串联U管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸气压,Ｕ管压差计的批示液为水银,两U管间的连接管内布满水以知水银面与基准面的垂直距离分别为：ｈ1﹦２．3ｍ,h2=1.2ｍ, h3＝2.5m,ｈ4=1.4m锅中水面与基准面之间的垂直距离h5=3m。

大气压强ｐa=　 ９9.3×103pａ试求锅炉上方水蒸气的压强Ｐ分析:一方面选用合适的截面用以连接两个U管,本题应选用如图所示的1-1截面，再选用等压面，最后根据静力学基本原理列出方程，求解解：设1－1截面处的压强为P1对左边的U管取a-ａ等压面, 由静力学基本方程 　Ｐ0 ＋ ρ水g（ｈ５-h4) = P1 ＋　ρ水银g(h3－h4) 代入数据Ｐ0 + １.0×103×9．81×(3－1.４) = Ｐ１ + 1３.6×103×9.81×(2.5－１.4)对右边的U管取b-ｂ等压面，由静力学基本方程Ｐ1 + ρ水ｇ(h3-h２) = ρ水银g(h1－ｈ2) + ｐa 代入数据Ｐ1 +　１.0×１03×9.81×﹙2.5-１.2﹚= 13.6×10３×9.８1×﹙2．３-1.2﹚　+ 99.3×103解着两个方程　得Ｐ0 = 3.6４×105Pa6. 根据本题附图所示的微差压差计的读数，计算管路中气体的表压强ｐ压差计中以油和水为批示液,其密度分别为920㎏/ｍ３ ，9９８㎏／ｍ3，U管中油﹑水交接面高度差R　= 30０ mm,两扩大室的内径D　均为6０　ｍm,U管内径d为6 mm当管路内气体压强等于大气压时，两扩大室液面平齐。

分析：此题的核心是找准等压面，根据扩大室一端与大气相通，另一端与管路相通，可以列出两个方程，联立求解解：由静力学基本原则,选用1-1‘为等压面，　 对于Ｕ管左边 　p表 + ρ油ｇ（h1+R) = P1 对于Ｕ管右边 Ｐ２　= ρ水ｇR　＋ ρ油gh2 ｐ表 ＝ρ水gR　＋ ρ油gh2 -ρ油g(ｈ1+R） 　 　 =ρ水ｇＲ　－　ρ油gＲ ＋ρ油g(h2-ｈ1） 　 当ｐ表= 0时，扩大室液面平齐 即 πﻩ(Ｄ/2）2(h2-ｈ1)=　π（d／2)２Ｒ　 　 h2-h１ =　3　mm 　 p表＝ 2.57×102Pa７.列管换热气 的管束由121根φ×2.５mm的钢管构成空气以9m/s速度在列管内流动空气在管内的平均温度为50℃﹑压强为196×１03Pａ(表压)，本地大气压为98.７×103Pa试求:⑴ 空气的质量流量；⑵ 操作条件下,空气的体积流量;⑶　将⑵的计算成果换算成原则状况下空气的体积流量解:空气的体积流量 VＳ = ｕA =　9×π/4　×0.0２ 2　×121 = 0.３４2 ｍ3/ｓ 　 　　质量流量　 ws ＝ＶSρ=ＶS　×(MP）/(RＴ)= ０.342×[２9×(98．７+196）]/[８．３１5×323]=１.０9㎏/ｓ 　 换算成原则状况 V1Ｐ1/V2P２ =T1/T2VS2 ＝ P１T2／P2T1　×VS１ = (294.7×２73)/(１01×323) ×　0.342　 　　 = 0.843 ｍ３/s8　.高位槽内的水面高于地面8m，水从φ108×４mｍ的管道中流出，管路出口高于地面2ｍ。

在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按∑hｆ = 6.5 u2 计算，其中u为水在管道的流速试计算：⑴ A—A' 截面处水的流速;⑵ 水的流量,以m３/h计分析：此题波及的是流体动力学，有关流体动力学重要是能量恒算问题,一般运用的是柏努力方程式运用柏努力方程式解题的核心是找准截面和基准面,对于本题来说,合适的截面是高位槽1—1,和出管口 2—２,，如图所示，选用地面为基准面解:设水在水管中的流速为u ，在如图所示的1—１，　,2—2，处列柏努力方程Z1g ＋ 0 ＋　P1/ρ＝ Z2g+ u2/2 + Ｐ2/ρ　+ ∑ｈf (Z1 - Z2）g ＝ u2／2　+　6.5u2　 　 　 　 代入数据　(8－2）×9.81　＝　７u2　, ｕ　＝ 2．9m/s换算成体积流量 　VS ＝ uA＝ 2．9 ×π/4 × 0.12 × ３６0０ = 82　m3/h 　 　 　９． ２0℃ 水以2.５m/s的流速流经φ38×2.5mm的水平管,此管以锥形管和另一φ53×３m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测两截面的压强。

若水流经A ﹑B两截面的能量损失为1.5J／㎏,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分析：根据水流过Ａ、B两截面的体积流量相似和此两截面处的伯努利方程列等式求解解:设水流经A﹑B两截面处的流速分别为uA、 uＢ 　 　uAAＡ ＝ ｕＢAＢ　 ∴　uB ＝ (ＡＡ/ＡB )ｕA ＝　（３3/４7)２×2.５ ＝ 1.23m/s在Ａ﹑Ｂ两截面处列柏努力方程Z1ｇ ＋ ｕ１2／2　+ Ｐ１/ρ ＝ Ｚ2g+　u２2／2 + P2/ρ +　∑hf ∵ Z1 = Ｚ２ ∴ (P1-Ｐ2）/ρ = ∑hf　＋（u1２-ｕ２2）/2 　 　　 g(h1-h 2)= 1.5　 ＋ 　(1.232－2.52) ／2 　 ｈ1－h ２　=　0．088２ m = 8８．２ mmﻩ即 两玻璃管的水面差为88.2ｍm1０.用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部,槽内水位维持恒定，各部分相对位置如本题附图所示管路的直径均为Ф7６×2.5mm,在操作条件下,泵入口处真空表的读数为２4.６6×1０³Pa,水流经吸入管与排处管（不涉及喷头）的能量损失可分别按∑ｈf,1＝2u²,∑hf,2＝10u２计算，由于管径不变,故式中u为吸入或排出管的流速ｍ/s。

排水管与喷头连接处的压强为９8.0７×10³Pa（表压）试求泵的有效功率分析:此题考察的是运用柏努力方程求算管路系统所规定的有效功率把整个系统提成两部分来解决，从槽面到真空表段的吸入管和从真空表到排出口段的排出管，在两段分别列柏努力方程解：总能量损失∑hf=∑ｈf+，1∑ｈf，2 u１=ｕ2＝ｕ=2ｕ2+10u²=12u²在截面与真空表处取截面作方程: 　 ｚ0g+u02/2+P0／ρ＝z1ｇ+u2／2+P1/ρ+∑hf,1( Ｐ0－P1）／ρ＝ z1g+u2/2　＋∑hf,1　 　 ∴u=2ｍ/s ∴ ws=uＡρ=７.9kg／s 在真空表与排水管－喷头连接处取截面 　 z1g+u2/2＋P1/ρ+We＝z2g＋u2/2+P2/ρ+∑hf，２　 　 ∴We＝ z2g+u２/２＋P2/ρ+∑ｈｆ,2—（ z1g+ｕ2/2+Ｐ１／ρ) =12.5×9.81+(98.０7＋24.66)/９９8．2×10³+１0×2²=285.97J/kg 　Ｎe= Wｅwｓ=２8５.97×7.9=２.26ｋw１１．本题附图所示的贮槽内径Ｄ为2m,槽底与内径d0为3３mm的钢管相连，槽内无液体补充,其液面高度h０为2m(以管子中心线为基准)。

液体在本题管内流动时的所有能量损失可按∑hf＝20u²公式来计算，式中u为液体在管内的流速ｍ／s试求当槽内液面下降1m所需的时间分析:此题看似一种一般的解柏努力方程的题，分析题中槽内无液体补充,则管内流速并不是一种定值而是一种有关液面高度的函数,抓住槽内和管内的体积流量相等列出一种微分方程，积分求解解：在槽面处和出口管处取截面1-１,2-2列柏努力方程 　 ｈ1g=u2/2+∑hｆ =u2/2+20u2 　　∴u=(0．48h)1。