化工原理 第二版 楊祖榮主編習題答案

目錄

第一章流體流動與輸送機械......................................................(2)

第二章非均相物系分離..........................................................(38)

第三章傳熱.....................................................................(44)

第四章蒸發(fā).....................................................................(70)

第五章氣體吸收.................................................................(74)

第六章蒸儲.....................................................................(96)

第七章固體干燥..................................................................(120)

1.某煙道氣的組成為C0213%,N276%,H2011%（體積％），試求此混合氣體在溫度500℃、

壓力時的密度。解：混合氣體平均摩爾質量

Mm=SyiMi=X44+X28+X18）X10?3=X10?3kg/mol

???混合密度

Pm=pMmX103XX10?3==m3X（273+500）RT

2.已知20℃時苯和甲苯的密度分別為879kg/m3和867kg/m3,試計算含苯40%及甲苯60%

（質量％）的混合液密度。解：

1Pm=Plal+P2a2=+879867

混合液密度

Pm=m3

3.某地區(qū)大氣壓力為，一操作中的吸收塔塔內表壓為130kPa。若在大氣壓力為75kPa的

高原地區(qū)操作該吸收塔，且保持塔內絕壓相同，則此時表壓應為多少？解：

p^fi=pa+p^=pa+p表

（p表=（pa+p真）一pa=+130）?75=

4.如附圖所示，密閉容器中存有密度為900kg/m3的液體。容器上方的壓力表讀數(shù)為42kPa,

又在液面下裝一壓力表，表中心線在測壓口以上，其讀數(shù)為58kPa。試計算液面到下方測壓口的

距離。解：液面下測壓口處壓力

p=pO+pgAz=pl+pgh

△z=pl+Pgh?p0p?p0（58?42）X103=1+h=+=PgPg900X

5.如附圖所示，敞口容器內盛有不互溶的油和水，油層和水層的厚度分別為700mm和600mmo

在容器底部開孔與玻璃管相連。已知油與水的密度分別為800kg/m3和1000kg/m3。（1）計算

玻璃管內水柱的高度；（2）判斷A與B、C與D點的壓力是否相等。解：（1）容器底部壓力

hlh2c題5附圖ABD

p=pa+p油ghl+p水gh2=pa+p水gh

h=P油hl+P水h2P水=P油P水hl+h2=800X+=1000

(2)pA#pB

pC=pD

6.為測得某容器內的壓力，采用如圖所示的U形壓力計，指示液為水銀。已知該液體密度為

900kg/m3,h=,R=?試計算容器中液面上方的表壓.解：如圖，『2為等壓面。

12

pl=p+Pgh

p2=pa+p0gR

題6附圖

p+Pgh=pa+P0gR

則容器內表壓：

p?pa=P0gR?Pgh=13600XX?900XX=kPa

7.如附圖所示，水在管道中流動。為測得A-A'、B-B'截面的壓力差，在管路上方安裝一U

形壓差計，指示液為水銀。已知壓差計的讀數(shù)R=180mm,試計算A-A'、B-B'截面的壓力差。已

知水與水銀的密度分別為1000kg/m3和13600kg/m3。解：圖中，1T'面與2-2;面間為靜止、

連續(xù)的同種流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即

題7附圖

pl=Pl'，

p2=p2'

2

又

pl'=pA?Pgm

pl=p2+P0gR=p2'+P0gR=pB?Pg(m+R)+P0gR

所以

pA?pgm=pB?pg(m+R)+p0gR

整理得

pA?pB=(P0?P)gR

由此可見，U形壓差計所測壓差的大小只與被測流體及指示液的密度、讀數(shù)R有關，而與U

形壓差計放置的位置無關。代入數(shù)據

pA?pB=(13600?1000)義X=22249Pa

8.用U形壓差計測量某氣體流經水平管道兩截面的壓力差，指示液為水，密度為1000kg/m3,

讀數(shù)R為12mm。為了提高測量精度，改為雙液體U管壓差計，指示液A為含40%乙醇的水溶液，

密度為920kg/m3,指示液C為煤油，密度為850kg/m3?問讀數(shù)可以放大多少倍？此時讀數(shù)為多

少？解：用U形壓差計測量時，因被測流體為氣體，則有

pl?p2Rgp0

用雙液體U管壓差計測量時，有

pl?p2=R'g（pA?PC）

因為所測壓力差相同，聯(lián)立以上二式，可得放大倍數(shù)

P0R'1000===RPA?PC920?850

此時雙液體U管的讀數(shù)為

R'==X12=

9.圖示為汽液直接混合式冷凝器，水蒸氣與冷水相遇被冷凝為水，并沿氣壓管流至地溝排出。

現(xiàn)已知真空表的讀數(shù)為78kPa,求氣壓管中水上升的高度h。解：

p+Pgh=pa

題9

附圖

3

水柱高度

h=

pa?p78X103=3=Pg10X

10.硫酸流經由大小管組成的串聯(lián)管路，其尺寸分別為676X4mm和657義。已知硫酸的密度

為1830kg/m3,體積流量為9m3/h,試分別計算硫酸在大管和小管中的（1）質量流量；（2）平

均流速；（3）質量流速。解：（1）大管：676X4mm

ms=Vs?P=9X1830=16470kg/h

ul=Vs=9/3600X2

s

G1=ulP=X1830=(m2?s)

(2)小管：*57X質量流量不變

u2=Vs

22

ms2=16470kg/h

9/3600X2

或：

u2=ul(

dl268)=()2=m/sd250

G2=u2?P=X1830=(m2?s)

11.如附圖所示，用虹吸管從高位槽向反應器加料，高位槽與反應器均與大氣相通，且高位槽

中液面恒定。現(xiàn)要求料液以lm/s的流速在管內流動，設料液在管內流動時的能量損失為20J/kg

(不包括出口)，試確定高位槽中的液面應比虹吸管的出口高出的距離。解：以高位槽液面為i-r

面，管出口內側為2-2'面，在1-r?2-2'間列柏努力方程：

zlg+

Pl

pll2+ul2=z2g+2+u2+EWfP2P2

簡化：

12II=(u2+EWf)/g2

1=(X1+20)4-=2

4

12.一水平管由內徑分別為33mm及47mm的兩段直管組成，水在小管內以s的速度流向大管,

在接頭兩側相距Ini的1、2兩截面處各接一測壓管，已知兩截面間的壓頭損失為70mmH20,問兩

測壓管中的水位哪一個高，相差多少？并作分析。解：1、2兩截面間列柏努利方程：

△h

zl+

plpl212+ul=z2+2+u2+￡hfPg2gPg2g

du2=ul?l?d?2??33??=??=s??47??

22

其中：zl=z2

Ah=

1

2

pl?p21122=(u2?ul)+Ehf=2?2)+二？mPg2g2X

說明2截面處測壓管中水位高。這是因為該處動能小，因而靜壓能高。

13.如附圖所示，用高位槽向一密閉容器送水，容器中的表壓為80kPao已知輸送管路為4)48

Xmm的鋼管，管路系統(tǒng)的能量損失與流速的關系為SWf=2(不包括出口能量損失),

試求：(1)水的流量；(2)若需將流量增加20%,高位槽應提高多少m?解：(1)如圖

在高位槽液面1-1與管出口內側2-2間列柏努利方程

題13附圖10m

zlg+p2

pl

p112+ul2=z2g+2+u2+EWfP2P2

(1)

簡化：

zlg=

12+u2+EWfP2

即解得流量

10X=

80X103122+u2+210002

u2=s

VS

JI

4

d2u2=XX=X10?3m3/s=3/h

5

'（2）流量增加20%,則u2=X=s

此時有

z'1g=

，zl=（

P2

12+u'2+￡W'fp2

80X1031+X2+X2）/=10002

即高位槽需提升。

14.附圖所示的是丙烯精儲塔的回流系統(tǒng)，丙烯由貯槽回流至塔頂。丙烯貯槽液面恒定，其

液面上方的壓力為（表壓），精儲塔內操作壓力為（表壓）。塔內丙烯管出口處高出貯槽內

液面30m,管內徑為140mm,丙烯密度為600kg/m3?現(xiàn)要求輸送量為40X103kg/h,管路的全部能

量損失為150J/kg（不包括出口能量損失），試核算該過程是否需要泵。解:在貯槽液面i-r

與回流管出口外側2-2’間列柏努利方程：

題14附圖

zlg+

pl

pll2+ul2+We=z2g+2+u2+EWfp2P2pl+We=z2g+p2?plp2

12+u2+EWfp2

簡化：

P

We=

P

msP

2

12+u2+z2g+EWf2

40X103X6003600=sX2

u2=

；.We=

?X1061+X2+30X+1506002

=?kg

，不需要泵,液體在壓力差的作用下可自動回流至塔中

15.用壓縮空氣將密閉容器中的硫酸壓送至敞口高位輸送管路為637X如附圖所示。輸送量

為2m3/h,槽，

6題15附圖

的無縫鋼管。兩槽中液位恒定。設管路的總壓頭損失為1m(不包括出口)，硫酸的密度為1830

kg/m3o試計算壓縮空氣的壓力。解：以容器中液面為1-r面，管出口內側為2-2'面，且以1-11

面為基準，在1-V?2-2'間列柏努力方程：

plpl212ul+zl=2++u2+z2+Ehfpg2gp2g

簡化：

P112=u2+z2+EhfPg2g

其中：u2=

Vs2/3600==sn2X2d4

代入：

pl=Pg(

12u2+z2+Ehf)2g1X2+12+1)2X

=1830XX(

=234kPa(表壓)

16.某一高位槽供水系統(tǒng)如附圖所示，管子規(guī)格為4>45X。當閥門全關時，壓力表的讀數(shù)為

78kPa。當閥門全開時，壓力表的讀數(shù)為75kPa,且此時水槽液面至壓力表處的能量損失可以表示

為f=u2J/kg（u為水在管內的流速）。試求：（1）高位槽的液面高度；。（2）閥

門全開時水在管內的流量（m3/h）解：（1）閥門全關,水靜止

題16附圖

1

h

P=Pgh

：.h=p78X103=3=Pg10X

（2）閥門全開：在水槽1-P面與壓力表2-21面間列柏努力方程：

7

zlg+

pl

pll2+ul2=z2g+2+u2+EWfp2P2p212+u2+EWfp2

簡化：zlg=

X=

解之：

75X103122+u2+u210002

u2=s

4

流量：Vs=nd2u2=X2X=X10?3m3/s

=3/h

17.用泵將常壓貯槽中的稀堿液送至蒸發(fā)器中濃縮，如附圖所示。泵進口管為689X,堿液

在其中的流速為s；泵出口管為676X3mm。貯槽中堿液的液面距蒸發(fā)器入口處的垂直距離為7m。

堿液在管路中的能量損失為40J/kg（不包括出口）蒸發(fā)器內堿液蒸發(fā)壓力保持在20kPa（表壓），

堿液的密度為1100kg/m3,設泵的效率為58%,試求該泵的軸功率。解：取貯槽液面為卜1截

面，蒸發(fā)器進料口管內側為2-2截面，且以1T截面為基準面。在1-1與2-2間列柏努利方程:

題17附圖

zlg+

pl

p1124-ul2+We=z2g+2+u2+SWfp2P2

We=(z2?zl)g+

zl=O；z2=7m；

(a)

或

p?pl122(u2?ul)+2+ZWf2P

(b)

其中：

pl=O(表壓)ul^O；p2=20X10Pa(表壓)

3

已知泵入口管的尺寸及堿液流速，可根據連續(xù)性方程計算泵出口管中堿液的流速:

u2=u入(

d入282)=()2=m/sd270

P=1100kg/m3,SWf=40J/kg

8

將以上各值代入(b)式，可求得輸送堿液所需的外加能量

We=7X+

堿液的質量流量

120X103X2++40=12921100

J/kg

ms=

JI

4

d2u2P=X2XX1100=

2

kg/s

泵的有效功率

Ne=Wems=129X=1125W=

泵的效率為58%,則泵的軸功率

N=

Ne

n

kW

18.如附圖所示，水以15m3/h的流量在傾斜管中流過，管內徑由100mm縮小到50mm。A、B

兩點的垂直距離為。在兩點間連接一U形壓差計，指示劑為四氯化碳，其密度為1590kg/m3o若

忽略流動阻力，試求：(1)U形管中兩側的指示劑液面哪側高，相差多少mm?(2)若保持流

量及其他條件不變，而將管路改為水平放置，壓差計的讀數(shù)有何變化？則解：在1-1與2-2截

面間列柏努利方程

zlg+

其中：ul=

pl

pl12+ul2=z2g+2+u2+EWfp2P2

=15/3600X=s

VS12

u2=

VS

22

15/3600X2

s

題18附圖

z2?zl=

SWf=0

(1)

pl?p2

P

12=(z2?zl)g+(u2?ul2)2

=X+X?)=

由靜力學基本方程：

9

(pl+Pgzl)?(p2+Pgz2)=(P0?P)gR

R==(pl+Pgzl)?(p2+Pgz2)(pl?p2)+pg(zl?z2)=(p0?P)

g(P0?P)gX1000?1000XX=(1590?1000)X

(2)

故U形壓差計兩側為左低右高。

(2)當管路水平放置時：由柏努利方程

pl?p2

P

Pl?P2

12(u2?ul2)2Rg(P0?P)

由靜力學方程

P

P

兩式聯(lián)立:

Rg(P0?P)

P

12(u2?ul2)2

可見，流量不變時，ul,u2不變，即U形壓差計讀數(shù)不變。

19.附圖所示的是冷凍鹽水循環(huán)系統(tǒng)。鹽水的密度為1100kg/m3,循環(huán)量為45m3/h。管路

的內徑相同，鹽水從A流經兩個換熱器至B的壓頭損失為9m,由B流至A的壓頭損失為12m,問：

(1)若泵的效率為70%,則泵的軸功率為多少？(2)若A處壓力表的讀數(shù)為153kPa,則B處

壓力表的讀數(shù)為多少？解：(1)對于循環(huán)系統(tǒng)：

He=Ehf=9+12=21m

題19附圖

Ne=He?VsPg=21X45

軸功率：N=

3600

X1100X=

Ne==n

(2)A-B列柏努力方程：

pApl212+uA+zA=B+uB+zB+EhfABpg2gpg2g

10

簡化：

pApB=+zB+￡hfABPgPg

153X103=pB+1100XX(7+9)，pB=?19656pa(表)B處真空度為19656

Pa。

20.用離心泵將20℃水從貯槽送至水洗塔頂部，槽內水位維持恒定。泵吸入與壓出管路直徑

相同，均為476X。水流經吸入與壓出管路(不包括噴頭)的能量損失分別，式中，u為水在管內

的流速。在操作條件下，泵入為f1=2u2及EWf2=lOu2(J/kg)口真空表的讀數(shù)

為，噴頭處的壓力為(表壓)。試求泵的有效功率。解：以水槽液面為1T截面，泵入口處

為2-2截面，且以1T面為基準面。在兩截面間列柏努利方程

zlg+

pl

pll2+ul2=z2g+2+u2+SWflp2P2p212+u2+SWf1=0P2

簡化為

z2g+

題20

附圖

即解得

X?

u2=s

X103122+u2+2u2=010002

在水槽IT截面與噴頭處3-3截面間列柏努利方程

zlg+

pl

p112+ul2+We=z3g+3+u3+EWfp2P2p312+u3+EWfp2

簡化為

We=z3g+p3

即其中

We=z3g+

u=u3=u2=s

pl22+u3+2u2+lOu2=z3g+3+3P2P

11

則水的流量：泵有效功率

We==14X+

mS=VsP=

X103+X2=kg1000

H2dUpXXX1000=s4

Ne=mSWe=X=2544W=

21.25℃水以35nl3/h的流量在巾76X3mm的管道中流動，試判斷水在管內的流動類型。解：查

附錄25℃水物性：

P=m3,P=

u=

Vs

2

3600=sX2

35

Re=

dup

X996.95X=X105?4000?3X10

為湍流

22.運動黏度為X105m2/s的有機液體在＜b76X的管內流動，試確定保持管內層流流動的最

大流量。解：

Re=duPdu==2000vp2000v2000XX10?5==sd

n2dumax=X2X=X10?3m3/s4

umax=

Vmax=

=3/h

長23.計算10℃水以X103m3/s的流量流過。57義、20m水平鋼管的能量損失、（設管

壁的粗糙度為）壓頭損失及壓力損失。解:

u=Vs2=Xio?3X2=s

1O℃水物性：

P=kg/m3,u=X10?3pa?s

Re=

dupXX==XIO4uXIO?3

12

e

d

=50

查得

X=

1u2202=XX=kgd22

EWf=X

Ehf=￡Wf/g=

APf=￡Wf?p=15525Pa

24.如附圖所示，水從高位槽流向低位貯槽，管路系統(tǒng)中有兩個90。標準彎頭及一個截止閥,

管內徑為100mm,管長為20m。設摩擦系數(shù)X=,試求：（1）截止閥全開時水的流量；（2）

將閥門關小至半開，水流量減少的百分數(shù)。解：如圖取高位槽中液面為i-r面，低位貯槽液面為

2-2'截面，且以2-2'面為基準面。在1-1'與2-2'截面間列柏努利方程：

12pl2pzlg+ul+l=z2g+u2+2+Wf2P2P

其中：zl=4；z2=0；簡化得ul^O；u2、0；pl=0（表壓）；p2=0（表壓）

1

1'

4m22'

zlg=SWf

題24附圖

各管件的局部阻力系數(shù)：進口突然縮小90。標準彎頭2個截止閥（全開）出口突然擴大

C二一X2二一一

2c=+++二

1?U2?20?U2?ZWf=?S^+X?=?+X=2?d?2??2?

13

4X=2u=m/s

水流量

VS二冗2du二XX=3/s=3/h4

（2）截止閥關小至半開時：截止閥半開的局部阻力系數(shù)此時總阻力

C二

l?u'20?u'??’2Wf=？2C'+入？=？+X=，2?d?2?0.1?2?

閥門關小后，局部阻力發(fā)生變化，但由于高位槽高度zl不變，所以管路總阻力不變，即2W

f=SWf

2

2

2='2

VSu'==VSu

即流量減少10%o

7.5=0.9

25.如附圖所示，用泵將貯槽中20℃的水以40m3/h的流量輸送至高位槽。兩槽的液位恒定,

且相差20m,輸送管內徑為100mm,管子總長為80m（包括所有局部阻力的當量長度）。試計算

泵所需的有效功率。（設管壁的粗糙度為解：

u=40Vs3600=s=n2Xd4

20℃水物性：P=m3,u

Re=duPXX==X105?3UX10

根據￡/d=/100=,查得X=