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1、大学课后习题解答之 化工原理 (上)-天津大学化工学院 -柴诚敬主编 09 化工 2 班制作 QQ972289312 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 =0.00856 g/(cm s) （2）密度 =138.6 kgf ? s 2/m4 （3）某物质的比热容CP=0.24 BTU/(lb ) （4）传质系数KG=34.2 kmol/(m 2 ? h? atm) （5）表面张力 =74 dyn/cm （6）导热系数 =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，
2、1 m=100 cm 则 sPa1056. 8smkg1056.8 1m 100cm 1000g 1kg scm g 00856.0 44 （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 3 2 4 2 mkg1350 1N sm1kg 1kgf N81.9 m skgf 6.138 （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 kg oo5 1 FC 9 则 CkgkJ005.1 C95 F1 0.4536kg 1lb 1BTU kJ055.1 Flb BTU 24.0 p c （4）传
3、质系数基本物理量的换算关系为 1 h=3600 s，1 atm=101.33 kPa 则 kPasmkmol10378.9 101.33kPa 1atm 3600s h1 atmhm kmol 2.34 25 2 G 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 mN104. 7 1m 100cm 1dyn N101 cm dyn 74 2 5 （6）导热系数基本物理量的换算关系为 1 kcal=4.186810 3 J，1 h=3600 s 则 CmW163.1CsmJ163. 1 3600s 1h 1kcal J104.1868 Chm
4、kcall 1 3 2 2 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 L 31 0 C B 4 E 3048.001.121078. 29. 3ZDGAH 式中HE等板高度， ft； G气相质量速度，lb/(ft 2? h)； D塔径， ft； Z0每段（即两层液体分布板之间）填料层高度，ft； 相对挥发度，量纲为一； L液相黏度， cP； L液相密度， lb/ft 3 A、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
5、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 m3049.0ft1 smkg10356.1hftlb1 232 （见 1） 量纲为一，不必换算 sPa101cp1 3 1 3 lb ft =1 3 3 lb1kg3.2803ft ft2.2046lb1m =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。
6、下面 以 HE为例： mft EE HH 则 EEEE 2803. 3 m ft2803.3 ft m ft m HHHH 同理GGG5.73710356.1 3 DD2803.3 00 2803. 3ZZ 3 LL 101 LLL 06246.001.16 (3) 将以上关系式代原经验公式，得 L L 31 0 1.24 -0.1 4 E 0624. 0 1000 2803.33048.0 2803.301.125.7371078.257. 09.32803.3 Z DGH 整理上式并略去符号的上标，便得到换算后的经验公式，即 L L 31 0 1.240.1- 4 E 4.39205. 0
7、10084. 1ZDGAH 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：H2 40%、 N2 20%、CO 32%、CO2 7%、CH4 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 mol4.246245mol 313314. 8 60000.10005. 53.101 t RT pV n 各组分的质量： kg197kg24.246245%40%40 22 HtH Mnm kg97.1378kg284.246245%20%20 22
8、NtN Mnm kg36.2206kg284.246245%32%32 COtCO Mnm kg44.758kg444.246245%7%7 22 COtCO Mnm kg4.39kg164.246245%1%1 44 CHtCH Mnm 2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：kg120kg6060 21t mmm 33 12 2 1 1 21t m157.0m 710 60 830 60mm VVV 33 t t m mkg33.764mkg 157. 0 120 V m 流体静力
9、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 =kPa3.65Pa1020103.85 33 （2）真空表读数 真空度 =大气压 -绝压 =kPa03.36Pa103.651033.101 33 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 m
10、m 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101.310 3 Pa）？ 解：由流体静力学方程，距罐底1000 mm 处的流体压力为 （绝压）Pa10813. 1Pa)0. 15. 9(81. 9960103.101 33 ghpp 作用在孔盖上的总力为 N10627. 3N76. 0 4 103.10110813.1)( 4233 a）（AppF 每个螺钉所受力为 N10093. 6N014.0 4 105.39 32 1F 因此 （个）695. 5N10093.610627. 3
11、 34 1 FFn 5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R1=500 mm， R2=80 mm，指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U 管与大气连通的玻璃 管内灌入一段水，其高度R3=100 mm。试求 A、B 两点的表压力。 解： （1）A 点的压力 （表）Pa101.165Pa08.081.9136001. 081. 91000 4 2汞3水A gRgRp （2）B 点的压力 （表）Pa107.836Pa5. 081.91360010165. 1 44 1 汞 ABgRpp 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
12、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 pp 则 a +pghgRp 汞水 习题 5 附图 习题 4 附图 习题 6 附图 80.132kPaPa1.08.9136008.08.91000103.101 3 gRghpp a汞水 7某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过 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
13、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：3.13gh 水 m36.1m8.9100010003.133.13gh 水 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 2s)。 解： hm14.8sm360006.0 4 14.3 8. 0 4 3322 hduuAV skg26. 2skg100006.0 4 14.3 8. 0 4 22 s duuAw smkg800smkg
14、10008. 0 22 uG 9在实验室中，用内径为1.5 cm 的玻璃管路输送20 的 70%醋酸。已知质量流量为 10 kg/min 。试分别用用SI 和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数，并指出流动型态。 解：（ 1）用 SI 单位计算 查附录 70%醋酸在 20 时，sPa1050.2mkg1069 33 ， 0 .0 1 5 mcm5.1d sm882.0sm1069015.046010 2 b u 5657105.21069882.0015.0 3bdu Re故为湍流。 （2）用物理单位计算 scmg025. 0cmg1069 3 ， cm5.1d，smc2.88 b u 5657025.0069.12.885.1 b du Re 10有一装满水的储槽，直径1.2 m，高 3 m。现由槽底部的小孔向外排水。小孔的直 径为 4 cm，测得水流过小孔的平均流速u0与槽内水面高度z 的关系为： zgu262. 0 0 试求算（ 1）放出 1 m3水所需的时间（设水的密度为1000 kg/m 3） ； （ 2）又若槽中装满 煤油，其它条件不变，放出1m 3 煤油所需时间有何变化（设煤油密度为800 kg/m 3）？ 习题 7 附图