《化工原理》第四版习题答案解析

第二章 流体输送机械离心泵特性【2-1】某离心泵用15℃的水进行性能实验，水的体积流量为540m 3/h ，泵出口压力表读数为350kPa ，泵入口真空表读数为30kPa 。

若压力表与真空表测压截面间的垂直距离为350mm ，吸入管与压出管内径分别为350mm 及310 mm ，试求泵的扬程。

解 水在15℃时./39957kg m ρ=，流量/V q m h =3540 压力表350M p kPa =，真空表30V p kPa =-（表压） 压力表与真空表测压点垂直距离00.35h m = 管径..12035031d m d m ==，流速 / ./(.)1221540360015603544V q u m s d ππ===⨯. ../.221212035156199031d u u m s d ⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭扬程 222102M V p p u u Ηh ρg g--=++ ()(.)(.)....⨯--⨯-=++⨯⨯332235010301019915603599579812981....m =++=0353890078393 水柱【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m 3的水溶液，其他性质可视为与水相同。

若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。

解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。

（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。

(3)液体密度ρ增大，则轴功率V q gHP ρη=将增大。

【2-3】某台离心泵在转速为1450r/min 时，水的流量为18m 3/h ，扬程为20m(H 2O)。

试求：(1)泵的有效功率，水的密度为1000kg/m 3; (2)若将泵的转速调节到1250r/min 时，泵的流量与扬程将变为多少？解 (1)已知/,/V q m h H m kg m ρ===331820 1000水柱， 有效功率 .e V P q gH W ρ==⨯⨯⨯=181000981209813600(2) 转速 /m i n 11450n r =时流量3118V q m h =／，扬程1220m H O H =柱 转速 /m i n 21250n r = 流量 ./322111250181551450V V n q q m h n ==⨯= 扬程 .2222121125020149m H O 1450n H H n ⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭柱 管路特性曲线、工作点、等效率方程【2-4】用离心泵将水由敞口低位槽送往密闭高位槽，高位槽中的气相表压为98.1kPa ，两槽液位相差4m 且维持恒定。

第二章 流体输送机械离心泵特性【2-1】某离心泵用15℃的水进行性能实验，水的体积流量为540m 3/h ，泵出口压力表读数为350kPa ，泵入口真空表读数为30kPa 。

若压力表与真空表测压截面间的垂直距离为350mm ，吸入管与压出管内径分别为350mm 及310 mm ，试求泵的扬程。

解 水在15℃时./39957kg m ρ=，流量/V q m h =3540 压力表350M p kPa =，真空表30V p kPa =-（表压） 压力表与真空表测压点垂直距离00.35h m = 管径..12035031d m d m ==，流速 / ./(.)1221540360015603544V qu m s d ππ===⨯扬程 222102M V p p u u Ηh ρg g--=++ 【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m 3的水溶液，其他性质可视为与水相同。

若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。

解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。

（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。

(3)液体密度ρ增大，则轴功率V q gHP ρη=将增大。

【2-3】某台离心泵在转速为1450r/min 时，水的流量为18m 3/h ，扬程为20m(H 2O)。

试求：(1)泵的有效功率，水的密度为1000kg/m 3; (2)若将泵的转速调节到1250r/min 时，泵的流量与扬程将变为多少？解 (1)已知/,/V q m h H m kg m ρ===331820 1000水柱， 有效功率 .e V P q gH W ρ==⨯⨯⨯=181000981209813600(2) 转速 /m i n11450n r =时流量3118V q m h =／，扬程1220m H O H =柱 转速 /m i n 21250n r = 流量 ./322111250181551450V V n q q m h n ==⨯=扬程 .2222121125020149m H O 1450n H H n ⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭柱 管路特性曲线、工作点、等效率方程【2-4】用离心泵将水由敞口低位槽送往密闭高位槽，高位槽中的气相表压为98.1kPa ，两槽液位相差4m 且维持恒定。

绪 论【0-1】 1m 3水中溶解0.05kmol CO 2，试求溶液中CO 2的摩尔分数，水的密度为100kg/m 3。

解 水33kg/m kmol/m 1000100018=CO 2的摩尔分数 (4005)89910100000518-==⨯+x【0-2】在压力为101325Pa 、温度为25℃条件下，甲醇在空气中达到饱和状态。

试求：(1)甲醇的饱和蒸气压A p ；(2)空气中甲醇的组成，以摩尔分数A y 、质量分数ωA 、浓度A c 、质量浓度ρA 表示。

解 (1)甲醇的饱和蒸气压A p.lg ..1574997197362523886=-+Ap.169=ApkPa(2) 空气中甲醇的组成摩尔分数 (169)0167101325==A y质量分数...(.)01673201810167321016729ω⨯==⨯+-⨯A浓度3..kmol/m .A A p c RT -===⨯⨯316968210 8314298质量浓度../A A A c M kg m ρ-=⨯⨯=3368210320218 =【0-3】1000kg 的电解液中含N aO H 质量分数10%、NaCl 的质量分数10%、2H O 的质量分数80%，用真空蒸发器浓缩，食盐结晶分离后的浓缩液中含N aO H 50%、NaCl 2%、2H O 48%，均为质量分数。

试求：(1)水分蒸发量；(2)分离的食盐量；(3)食盐分离后的浓缩液量。

在全过程中，溶液中的NaOH 量保持一定。

解 电解液1000kg 浓缩液中N aO H 1000×0.l=100kg NaOH ω=0.5（质量分数）NaOH1000×0.l=100kgNaCl ω=0.02（质量分数）2H O 1000×0.8=800kg 2H O ω=0.48（质量分数）在全过程中，溶液中NaOH 量保持一定，为100kg浓缩液量为/.10005200=kg200kg 浓缩液中，水的含量为200×0.48=96kg，故水的蒸发量为800-96=704kg 浓缩液中NaCl 的含量为200×0.02=4kg，故分离的 NaCl 量为100-4=96kg第一章 流体流动流体的压力【1-1】容器A 中的气体表压为60kPa ，容器B 中的气体真空度为.⨯41210Pa 。

绪论0.1复习笔记【知识框架】【概念汇总】表0-1-1本章重点概念【重点归纳】一、“化工原理”主要学习内容“化工原理”学习内容包括单元操作（重点内容）、传递过程（全书主线）、研究方法（重要手段）。

1．单元操作各单元操作的内容包括：过程和设备。

常见单元操作见表0-1-2。

表0-1-2化工常见单元操作【注意】①单元操作以物理过程为目的，兼顾过程原理和相态；②上表中各单元操作皆属传递过程。

2．传递过程（1）动量传递过程（单相或多相流动）。

（2）热量传递过程——传热。

（3）物质传递过程——传质。

3．基本研究方法（1）数学分析法。

（2）实验研究方法，是经验方法。

（3）数学模型方法，是半理论半经验方法。

总体来说，化工原理主要是建立在经验上，解决实际工业问题的一门课程。

二、化工生产过程1．化学工业的定义化学工业核心是化学反应过程和反应器，其定义为对原料进行化学加工以获得有用产品的工业。

2．化工生产的要求在化工生产中，原料需经过前处理，产物需要经过后处理。

前处理是指原料经过一系列预处理除去杂质，达到特定的纯度、温度和压力的过程。

后处理是指反应产物经过各种处理加以精制的过程，例如回收压强能、热能等。

0.2课后习题详解本章无课后习题。

0.3名校考研真题详解什么是化工原理中的三传？试论述三传的可比拟性。

[中山大学2010研]答：（1）化工原理的三传是指质量传递、热量传递、动量传递。

（2）三传的可比拟性如下：①传递本质类比a．动量传递是由于流体层之间速度不等，动量将从速度大处向速度小处传递。

b．热量传递是流体内部因温度不同，有热量从高温处向低温处传递。

c．质量传递是因物质在流体内存在浓度差，物质将从浓度高处向浓度低处传递。

②基础定律数学模型类比a．动量传递的牛顿黏性定律。

b．热量传递的傅立叶定律。

c．质量传递的费克扩散定律。

③物性系数类比a．动量传递的黏度系数。

b．热量传递的导热系数。

c．质量传递的分子扩散系数。

第1章流体流动1.1复习笔记【知识框架】【概念汇总】表1-1-1本章基本概念表1-1-2本章重点概念【注意1】流体质点不是真正几何意义上的点，而是具有质点尺寸的点。

感谢您选择了《化工原理》第四版柴诚敬教授的课程，以下是部分课后答案供您参考。

1、什么是化学反应速率？速率常数的单位是什么？答：化学反应速率是指化学反应物质参加反应的速度，通常用反应物的消失速率或生成物的出现速率来表示。

速率常数是反应速率与各反应物摩尔浓度的乘积之比，单位为L/(mol·s) 或mol/(L·s)。

2、简述气体扩散的弥散定律。

答：气体扩散的弥散定律是指在稳态下，气体分子的自由扩散速率与浓度梯度成正比。

即 Fick 定律：$\frac{\mathrm{d}C}{\mathrm{d}t}=-D\frac{\mathrm{d}^2C}{\mathrm{d}x^2} $，其中 $C$ 表示气体浓度，$D$ 表示气体扩散系数。

3、液-液萃取的原理是什么？答：液-液萃取是指将需要分离的两种液体混合物加入到另一种相容性差的溶剂中，通过溶剂与其中一种液体成分亲和力不同而实现分离的过程。

其原理是基于液体分子之间的相互作用力和表面张力的不同，利用溶剂与其中一种液体成分的亲和力不同，使其在液液界面上产生不同的分配系数，从而实现分离。

4、什么是难溶物？答：难溶物是指在水或其他溶剂中，由于溶剂对溶质的溶解度有限，因而无法完全溶解的物质。

难溶物的形成主要是由于溶质和溶剂之间的相互作用力不足以克服其相互之间的相互作用力而导致的。

5、什么是表面活性剂？请举例说明。

答：表面活性剂是指在液-液界面或液-气界面上能够降低表面张力的一类化合物。

常见的表面活性剂有阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂等。

例如：肥皂就是一种阴离子表面活性剂，其主要成分是油酸钠或棕榈酸钠；十二烷基苯磺酸钠是一种阴离子表面活性剂，广泛用于洗涤剂中；十六烷基三甲基溴化铵是一种阳离子表面活性剂，常用于消毒剂中。

6、什么是热力学第一定律？答：热力学第一定律是指能量守恒定律，即在任何过程中，能量的总量都保持不变。

第六章 蒸 馏相平衡【6-1】苯(A)和甲苯(B)的饱和蒸气压数据如下。

101.33 38.8 179.19 74.53 根据上表数据绘制总压为101.33kPa 时苯一甲苯溶液的-t y x -图及y x -图。

此溶液服从拉乌尔定律。

解 计算式为,0000B AA Bp p p x y x p p p -==- 计算结果见下表苯-甲苯溶液的t x y --计算数据苯-甲苯溶液的t y x --图及y x -图，如习题6-1附图1与习题6-1附图2所示。

习题6-1附图1 苯-甲苯t-y-x 图习题6-1附图2 苯-甲苯y-x 图【6-2】在总压.101325kPa 下，正庚烷-正辛烷的汽液平衡数据如下。

温度/℃ 液相中正庚烷的摩尔分数()x汽相中正庚烷的摩尔分数()y温度/℃ 液相中正庚烷的摩尔分数()x 汽相中正庚烷的摩尔分数()y 98.4 105 1101.0 0.656 0.4871.0 0.81 0.673115 120 125.60.311 0.157 00.491 0.280 0试求：(1)在总压.101325kPa 下，溶液中正庚烷为0.35（摩尔分数）时的泡点及平衡汽相的瞬间组成；(2)在总压.101325kPa 下，组成.035x =的溶液，加热到117℃，处于什么状态？溶液加热到什么温度，全部汽化为饱和蒸气？解 用汽液相平衡数据绘制t y x --图。

(1) 从t y x --图上可知，.035x =时的泡点为113.8℃，平衡汽相的瞬间组成.053y =。

(2) .035x =的溶液，加热到117℃时为气液混合物，液相组成.024x =，汽相组成.040y =。

.035x =的溶液加热到118℃时，全部汽化为饱和蒸气。

习题6-2附图 正庚烷-正辛烷t-y-x 图【6-3】 甲醇(A)-丙醇(B)物系的汽液平衡服从拉乌尔定律。

(1) 试求温度80℃t =、液相组成.05x =（摩尔分数）时的汽相平衡组成与总压。

1章答案（一）习题静压强及其应用1-1用如图1-2-1所示的U形压差计测量管路A点的压强，U形压差计与管道的连接导管中充满水。

指示剂为汞，读数R＝120mm，当地大气压P a为760mmHg，试求：（1）A点的绝对压强，Pa；（2）A 点的表压，Pa。

图1-2-1解：已知则1-2为测量腐蚀性液体贮槽中的存液量，采用图1-2-2所示的装置。

测量时通入压缩空气，控制调节阀使空气缓慢地鼓泡通过观察瓶。

今测得U形压差计读数为R＝130mm，通气管距贮槽底面h＝20cm，贮槽直径为2m，液体密度为980kg/m3。

试求贮槽内液体的储存量为多少吨？图1-2-2解：已知：管道中空气缓慢流动，u＝0。

求：贮槽内液体的储存量W。

由题意，则故贮槽内液体的储存量为1-1一敞口贮槽内盛20℃的苯，苯的密度为880kg/m3。

液面距槽底9m，槽底侧面有一直径为500mm 的人孔，其中心距槽底600mm，人孔覆以孔盖，试求：（1）人孔盖共受多少液柱静压力，以（N）表示；（2）槽底面所受的压强是多少（Pa）？解：已知：求：（1）人孔盖受力F（N）；（2）槽底压强P（Pa）。

（1）由于人孔盖对中心水平线有对称性，且静压强随深度作线性变化，所以能够以孔盖中心处的压强对全面积求积得F为（2）槽底面所受的压强为1-2如图1-2-3所示为一油水分离器。

油与水的混合物连续进入该器，利用密度不同使油和水分层。

油由上部溢出，水由底部经一倒U形管连续排出。

该管顶部用一管道与分离器上方相通，使两处压强相等。

已知观察镜的中心离溢油口的垂直距离H s＝500mm，油的密度为780kg/m3，水的密度为1000kg/m3。

今欲使油水分界面维持在观察镜中心处，问倒U形出口管顶部距分界面的垂直距离H应为多少？因液体在器内及管内的流动缓慢，本题可作静力学处理。

图1-2-3解：已知：求：H（m）。

由于液体流动速度缓慢，可作静力学处理，，故1-1如图1-2-4所示复式U形压差计测定水管A、B两点的压差。

第一章 流体流动流体的压力【1-1解 标准大气压力为101.325kPa容器A 的绝对压力 ..p kPa ==A 101325+60161325 容器B 的绝对压力 ..B p kPa =-=1013251289325 【1-2】解 进口绝对压力 ..进101312893 =-=p kPa出口绝对压力 ..出101 31572583 =+=p kPa 进、出口的压力差..p kPa p kPa ∆=--=+=∆=-=157（12）15712169 或 258 389 3169【1-3解 正庚烷的摩尔质量为/kg kmol 100，正辛烷的摩尔质量为/kg kmol 114。

将摩尔分数换算为质量分数 正庚烷的质量分数 (104100)03690410006114ω⨯==⨯+⨯正辛烷的质量分数 ..2103690631ω=-=从附录四查得20℃下正庚烷的密度/kg m ρ=31684，正辛烷的密度为/kg m ρ=32703 混合液的密度 /..3169603690631684703ρ==+m kg m【1-4】混合液密度 ../3879048670．68718 ρ=⨯+⨯=m kg m【1-5】解 ...T K p kPa =+==+=27340313，101 35 5106 8 （绝对压力） 混合气体的摩尔质量....../2042802280324400716001186 =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=m M kg kmol(1)混合气体在操作条件下的密度为.../.m m pM kg m RT ρ⨯===⨯310681860763 *******(2)混合气体36000=V m ，摩尔体积为./.mmM m kmol ρ=31860763混合气体的量为 ..m mV n kmol M ρ⨯===60000763246 186流体静力学【1-6】解 管中水柱高出槽液面2m ，h=2m 水柱。

(1)管子上端空间的绝对压力绝p 在水平面11'-处的压力平衡，有.绝绝大气压力1012001000981281580 （绝对压力）ρ+==-⨯⨯=p gh p Pa(2)管子上端空间的表压 表p表绝 -大气压力=8158010120019620 =-=-p p Pa(3)管子上端空间的真空度真p()真表=-=-1962019620 p p Pa -=(4)槽内为四氯化碳，管中液柱高度'h'cclhh ρρ=4水 常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为/ccl kg m ρ=431594'.h m ⨯==10002125 1594【1-7】解 水的密度/3水=998ρkg m()....331011001213550005998981117410=⨯+⨯+⨯⨯=⨯p Pa【1-8】解 容器上部空间的压力.29 4（表压）=p kPa 液体密度 /31250ρ=kg m ，指示液密度/301400ρ=kg m (1)压差计读数R=? 在等压面''1111上-=p p()()()()().'...p p h R g p p h g R g p h R g p h g R g Rg ρρρρρρρρ=+-++=+-++++++=+++-=11000 321 32212222 0()0因g 0，故0ρρ-≠=R(2) ().....A p p g Pa ρ=+-=⨯+⨯⨯=⨯333212941022125098156410().....333222941012125098144110ρ=+-=⨯+⨯⨯=⨯B p p g Pa习题1-6附图习题1-8附图【1-9】。