化工原理 (王晓红版)第一章 习题答 案

（3）标准状况下空气的体积流量。 解： （1）查表可知，在 60℃时空气的密度为 1.06 kg / m 3 ，在压强为 200kPa 时， 其密度为：
'

p
p'
1.06 101.3 200 kg / m3 3.15kg / m3 101 .3
3.142 0.025 2 3.48kg / s 4 3.142 0.025 2 1.10 m3 / s （2）操作条件空气的体积流量为：Vs uA 15 150 4
题 1-5 附图 解：对于 U 型管压差计： p左 p 水gH ， p右 pa 汞gR 所以可以得到：
真空度 pa p 水gH - 汞gR 1000 9.8 0.8 13600 9.8 0.04 Pa 2.51kPa
读数改变后，根据题意： 汞gR 指示gR' 所以 指示
10．如附图所示，一管道由两部分组成，一部分管内径为 40mm，另一部分管内 径则为 80mm，流体为水，在管道中流量为 13.57 m3/h 。两部分管道上均有一个 测压点，测压点之间连接一个倒 U 型管压差计，其中充有一定的空气，若两测 压点所在截面之间的摩擦损失为 260mm 水柱， 求倒 U 型管压差计中水柱的高度 差 R 为多少 mm？（原题 8）
p 2 225 kPa（绝对压强）， H f 5m 。
Vs 15 m / s 1.96m / s A 3600 1 3.1416 0.052 2 4 将以上各值代入柏努利方程，可以得到： u2
He Z2
u2 p p1 225 100 1000 5 1.96 2 2 2 H f 18.5 2g g 2 9.81 1000 9.81 18.5 0.2 12.7 5 36.（ 4 mH 2 O）
题 1-10 图 解： 以第一个测压点的管截面为上游截面 1—1’， 第二个测压点的管截面为下游 截面 2—2’，并以管中心线为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即：
Z1 u12 p u2 p 1 He Z2 2 2 H f 2 g g 2 g g
式中： Z 1 0 ， Z 2 0 ， H e 0 ， H f 0.260m ，
解： p1 p0 45 ， p2 p0 700 所以 p p2 p1 745 mmHg 745 133 .3Pa 99.3kPa
4．如图所示的储槽内盛有密度为 800 kg/m3 的油，U 型管压差计中的指示液为 水银，读数 R=0.4m，设容器液面上方的压强 P0 =15kPa（表压） ，求容器内的液 面距底面的高度 h？
汞 R
R'

13600 kg / m3 680kg / m3 20
6．现用列管换热器进行空气的预热，测得空气在管内的流速为 15m/s，其平均 温度为 60℃， 压强为 200kPa （表压强） ， 换热器的管束由 150 根φ30mm× 2.5mm 的钢管组成。请计算： （1）空气的质量流量； （2）操作条件下空气的体积流量；
空气的质量流量为： ws ' uA 3.15 15 150


（3）查表可知，标准状况下空气的密度为： 标 1.205kg / m3 标准状况下空气的体积流量为： Vs '
标
ws

3.48 2.89 m3 / s 1.205
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7．有一套管冷却器，内管为φ25×2.5mm，外管为φ57×3.5mm，冷冻盐水在 套管环隙中流动， 已知盐水流量为 3.73 吨/小时， 密度为 1150 kg/m3， 粘度为 1.2 厘泊，试判断其流动类型？ 解：设套管的外管内径为 d1 ，内管的外径为 d 2 。水通过环隙的流速为：
根据顾毓珍公式： 0.7543 0.7543 0.01227 0.01227 0.02122 0.38 Re 117000 0.38
l le u2 Hf 2g d 12 20 0.02122 35 2 9 0.5 1 0.366 （m） 0.106 2 9.8
题 1-8 图
解：以高位槽水面为上游截面 1—1’，水管出口管截面内侧为下游截面 2—2’， 并以出水管中心线为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即：
Z1 u12 p u2 p 1 He Z2 2 2 H f 2 g g 2 g g
u1 0 ，p1 （表压强） 0 0 式中：Z 1 6m ，Z 2 0 ， ，p 2 （表压强） ，H e 0 ，
u1
Vs Vh 13.57 m/s 3m/s A1 3600 1 d 2 3600 1 3.142 0.04 2 4 4
0.04 3 0.08 m/s 0.75m/s
2 2
d1 u A u 2 1 1 u1 d A2 2
Re1 d1u1
第1章
1．在一个容器中，盛有苯和甲苯的混合物。已知苯的质量分率为 0.4，甲苯为 0.6 ，求 293K 时容器中混合物的密度？（原题 1） 解：在 293K 时， 苯 879kg / m3 ， 甲苯 867kg / m3 。 在 293K 时，苯和甲苯的混合物的密度为：
1
m

xwA
A
12．如图，用泵将 20℃的苯从地面以下的贮槽送到高位槽，流量为 300l/min， 高位槽的液面比贮槽液面高 10m。泵的吸入管为φ89×4mm 的无缝钢管，直管 长度 15m， 并有一个底阀， 一个 90o 弯头。 泵排出管为φ57×3.5mm 的无缝钢管， 直管长度 50m，并有一个闸阀，一个标准阀和三个 90o 弯头，两个三通。阀门均 为全开，泵的效率为 75%，试计算泵的轴功率。
9．如图所示为二氧化碳水洗塔的供水系统，水塔内绝对压强为 210kPa，储槽水 面绝对压强为 100kPa， 塔内水管入口处高于储槽水面 18.5m， 管道内径为 52mm， 3 送水量为 15m /h，塔内水管出口处绝对压强为 225kPa，设系统中全部的能量损 失为 5m 水柱，求输水泵所需的外加压头？ （原题 7）

xwB
B

0.4 0.6 879 867
所以， m 872 kg / m3


2．已知某混合气体的组成为 18%N2、54%H2 和 28%CO2（均为体积分率） ，试 3 求 100m 的混合气体在温度为 300K 和 1MPa 下的质量？（原题 2） 解：混合气体可以视为理想气体，则：
u
Vs ws 3.73 103 m / s 0.612 m / s 3.142 A d2 d2 2 2 3600 1150 0.050 0.025 1 2 4 4




环隙的当量直径为： de d1 d 2 0.050 0.025 0.025m 所以 Re
根据题意：p1=p2=pa, u1=u2=0, z1=0, z2=10m。 所以上式简化为：
H e z2 H f
对于管路的总阻力： （1）吸入管路： d1 89 4 2 81(mm ) ，l1=15m， 底阀的当量长度为 5m，90o 弯头的阻力系数为 0.75，进口阻力系数 0.5。 V Vm 300 u1 s m/s 0.97 m/s 1 1 A1 60 d 2 1000 60 3.142 0.0812 1 4 4 查表，20℃时，苯的密度为 879kg/m3，粘度为 0.737cP
（原题 4）
解：对于 U 型管压差计：
p左 pa p0 油gh ， p右 pa 汞gR
所以可以得到： h
汞gR - p0 13600 9.8 0.4 15000 m 4.88m 油g 800 9.8
5． 如图所示， 用 U 形管压差计测量某容器内水上方气体的压强， 指示液为水银， 读数 R=4cm，H=80cm，试计算容器内水上方的真空度为多少 kPa？现在由于精 度需要， 希望读数增大到原来的 20 倍， 请问应该选择密度为多少的指示液？ （U 型管左端的液位可以认为不变） 。
题 1-12 图 补充条件：底阀为止回阀（止逆阀） ，其当量长度为 5m。 解：以贮槽液面为上游截面 1—1’， 高位槽液面为下游截面 2—2’，并以贮槽液 面为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即：
z1 u12 p u2 p 1 H e z2 2 2 H f 2 g g 2 g g
H f 5.7m 。
将以上各值代入柏努利方程，可以得到：
u 2 2 g Z1 H f 2 9.81 6 5.7 m/s 2.43m/s
1 1 2 Vh 3600Vs 3600 u2 A2 3600 u2 d 2 3600 2.43 3.142 0.068 2 31.77 m 3 /h 4 4
n pv 1 10 6 100 40 103 mol RT 8.3144 300
混合气体的平均摩尔质量为：
M m M A y A M B yB M C yC 28 0.18 2 0.54 44 0.28 18.44kg / kmol
混合气体的质量为： m n M m 40kmol 18.44kg / kmol 737.6kg 3．某设备进出口测压仪表的读数分别为 45mmHg（真空度）和 700mmHg（表 压） ，求两处的绝对压强差是多少 kPa？ （原题 3）
题 1-9 图
解：以储槽水面为上游截面 1—1’，塔内水管出口内侧为下游截面 2—2’，并以 截面 1—1’为基准水平面。在两截面间列柏努利方程式，即：
Z1 u12 p u2 p 1 He Z2 2 2 H f 2 g g 2 g g
式 中 ： Z 1 0 ， Z 2 18.5m ， u1 0 ，， p1 100 kPa （绝对压强） ，
题 1-11 图 V Vh Vh 31.7 解： u s m/s 1m/s A 3600 A 3600 1 d 2 3600 1 3.142 0.106 2 4 4
Re du


0.106 1 1100 1.17 10 5 3 1 10
将以上各值代入柏努利方程，可以得到：
2 p1 p 2 u 2 u12 0.75 2 3 2 Hf 0.26 0.17 （mH 2 O） g 2g 2 9.81
11．如图所示，某料液从高位槽流向反应器，已知该溶液的密度为 1100 kg/m3， 粘度为 1 厘泊，采用φ114×4mm 的钢管，直管全长为 20m，管道上有一个全开 的闸阀和两个 90°的标准弯头，其流量为 31.7 m3/h，求总的压头损失？（原题 11）
d eu 0.025 0.612 1150 14662 .5 1.2 10 3

所以流动类型为湍流。 8．如图所示的高位槽的水面距出水管的垂直距离保持为 6m 不变，水管系采用 内径 68mm 的钢管，设总的压头损失为 5.7 m 水柱（不包括排水管出口的压头 损失） ，试求每小时可输送的水量？（原题 6）