柴诚敬化工原理答案(第二版)

柴诚敬化工原理答案(第二版)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=0.00856 g/(cm·s) （2）密度ρ=138.6 kgf ·s 2/m 4（3）某物质的比热容C P =0.24 BTU/(lb·℉) （4）传质系数K G =34.2 kmol/(m 2·h ·atm) （5）表面张力σ=74 dyn/cm （6）导热系数λ=1 kcal/(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1 kg=1000 g ，1 m=100 cm则)s Pa 1056.8s m kg 1056.81m 100cm 1000g 1kg s cm g 00856.044⋅⨯=⋅⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅=--μ（2）密度 基本物理量的换算关系为1 kgf=9.81 N ，1 N=1 kg ·m/s 2则3242m kg 13501N s m 1kg 1kgf N 81.9m s kgf 6.138=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅=ρ（3）从附录二查出有关基本物理量的换算关系为1 BTU=1.055 kJ ，l b=0.4536 kgoo51F C9= 则()C kg kJ 005.1C 95F 10.4536kg 1lb 1BTU kJ 055.1F lb BTU 24.0︒⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡︒︒⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡︒=p c（4）传质系数 基本物理量的换算关系为1 h=3600 s ，1 atm=101.33 kPa则()kPa s m kmol 10378.9101.33kPa 1atm 3600s h 1atm h m kmol 2.34252G ⋅⋅⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⋅=-K（5）表面张力 基本物理量的换算关系为1 dyn=1×10–5 N 1 m=100 cm则m N 104.71m 100cm 1dyn N 101cm dyn 7425--⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡=σ（6）导热系数 基本物理量的换算关系为1 kcal=4.1868×103 J ，1 h=3600 s则))C m W 163.1C s m J 163.13600s 1h 1kcal J 104.1868C h m kcall 132︒⋅=︒⋅⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡︒⋅⋅=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()()()L L310CB4E 3048.001.121078.29.3ραμZ D G A H -⨯=式中H E—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25 mm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ft1.0m3049())s m kg 10356.1h ft lb 1232⋅⨯=⋅- （见1）α量纲为一，不必换算 s Pa 101cp 13⋅⨯=-13lb ft =133lb 1kg 3.2803ft ft 2.2046lb 1m ⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭=16.01 kg/m 2(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H E 为例：m ft EE H H '=则 EE EE 2803.3mft2803.3ft m ft m H H H H '=⨯'='= 同理()G G G '=⨯'=-5.73710356.13D D '=2803.3 02803.3Z Z '=()3LL 101-⨯'=μμL LL 06246.001.16ρρρ'='=(3) 将以上关系式代原经验公式，得()()()⎪⎪⎭⎫⎝⎛'''⨯⨯⨯'⨯'⨯⨯⨯='-LL310 1.24-0.14E0624.010002803.33048.02803.301.125.7371078.257.09.32803.3ρμαZ D G H整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即()()LL3101.240.1-4E 4.39205.010084.1ραμZ D G A H -⨯=第一章 流体流动流体的重要性质1．某气柜的容积为6 000 m 3，若气柜内的表压力为5.5 kPa ，温度为40 ℃。

已知各组分气体的体积分数为：H 2 40%、 N 2 20%、CO 32%、CO 2 7%、C H 4 1%，大气压力为 101.3 kPa ，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()mol 4.246245mol 313314.860000.10005.53.101t =⨯⨯⨯+==RT pV n各组分的质量：kg197kg 24.246245%40%4022H t H =⨯⨯=⨯=M n m kg97.1378kg 284.246245%20%2022N t N =⨯⨯=⨯=M n m kg 36.2206kg 284.246245%32%32CO t CO =⨯⨯=⨯=M n mkg 44.758kg 444.246245%7%722CO t CO =⨯⨯=⨯=M n mkg4.39kg 164.246245%1%144CH t CH =⨯⨯=⨯=M n m2．若将密度为830 kg/ m 3的油与密度为710 kg/ m 3的油各60 kg 混在一起，试求混合油的密度。

设混合油为理想溶液。

解：()kg120kg 606021t =+=+=m m m331221121t m 157.0m 7106083060=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=+=ρρm m V V V33t t m m kg 33.764m kg 157.0120===V m ρ流体静力学3．已知甲地区的平均大气压力为85.3 kPa ，乙地区的平均大气压力为101.33 kPa ，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa 。

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= ()kPa 3.65Pa 1020103.8533=⨯-⨯（2）真空表读数 真空度=大气压-绝压=()kPa03.36Pa 103.651033.10133=⨯-⨯4．某储油罐中盛有密度为960 kg/m 3的重油（如附图所示），油面最高时离罐底9.5 m ，油面上方与大气相通。

在罐侧壁的下部有一直径为760 mm 的孔，其中心距罐底1000 mm ，孔盖用14 mm 的钢制螺钉紧固。

若螺钉材料的工作压力为39.5×106 Pa ，问至少需要几个螺钉（大气压力为101.3×103 Pa ）？解：由流体静力学方程，距罐底1000 mm 处的流体压力为[]（绝压）Pa 10813.1Pa )0.15.9(81.9960103.10133⨯=-⨯⨯+⨯=+=gh p p ρ作用在孔盖上的总力为N 10627.3N 76.04π103.10110813.1)(4233a⨯⨯⨯⨯⨯-=＝）－＝（A p p F 每个螺钉所受力为 N 10093.6N 014.04π105.39321⨯=÷⨯⨯=F 因此()（个）695.5N 10093.610627.3341≈=⨯⨯==F F n5．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R 1=500 mm ，R 2=80 mm ，指示液为水银。

为防止水银蒸气向空间扩习题5附图习题4附图散，于右侧的U 管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R 3=100 mm 。

试求A 、B 两点的表压力。

解：（1）A 点的压力()（表）Pa 101.165Pa 08.081.9136001.081.9100042汞3水A ⨯=⨯⨯+⨯⨯=+=gR gR p ρρ（2）B 点的压力()（表）Pa 107.836Pa 5.081.91360010165.1441汞A B ⨯=⨯⨯+⨯=+=gR p p ρ 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 =100 mm ，h =800 mm 。

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101.3 kPa ，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，AA p p '=则a++p gh gR p ρρ=汞水()80.132kPaPa 1.08.9136008.08.91000103.1013=⨯⨯-⨯⨯-⨯=--=gRgh p p a 汞水ρρ 7．某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不习超过13.3 kPa （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()()m36.1m 8.9100010003.133.13=⨯⨯==g h 水ρ流体流动概述8. 密度为1800 kg/m 3的某液体经一内径为60 mm 的管道输送到某处，若其平均流速为0.8 m/s ，求该液体的体积流量（m 3/h ）、质量流量（kg/s ）和质量通量[kg/(m 2·s)]。

解： h m 14.8s m 360006.0414.38.04π3322h =⨯⨯⨯===d u uA V s kg 26.2s kg 100006.0414.38.04π22s =⨯⨯⨯===ρρd uuA w()()s m kg 800s m kg 10008.022⋅=⋅⨯==ρu G9．在实验室中，用内径为1.5 cm 的玻璃管路输送20 ℃的70%醋酸。