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天大化工原理第3版课后习题答案1-3章

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1 第一章 流体流动

流体的重要性质

1．某气柜的容积为6 000 m3，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mol4.246245mol313314.860000.10005.53.101tRTpVn

各组分的质量：

kg197kg24.246245%40%4022HtHMnm

kg97.1378kg284.246245%20%2022NtNMnm

kg36.2206kg284.246245%32%32COtCOMnm

kg44.758kg444.246245%7%722COtCOMnm

kg4.39kg164.246245%1%144CHtCHMnm

2．若将密度为830 kg/ m3的油与密度为710 kg/ m3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： kg120kg606021tmmm

331221121tm157.0m7106083060mmVVV

33ttmmkg33.764mkg157.0120Vm

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= kPa3.65Pa1020103.8533

（2）真空表读数

真空度=大气压-绝压=kPa03.36Pa103.651033.10133

4．某储油罐中盛有密度为960 kg/m3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 2 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）Pa10813.1Pa)0.15.9(81.9960103.10133ghpp

作用在孔盖上的总力为

N10627.3N76.04π103.10110813.1)(4233a＝）－＝（AppF

每个螺钉所受力为

N10093.6N014.04π105.39321F

因此

（个）695.5N10093.610627.3341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）Pa101.165Pa08.081.9136001.081.9100042汞3水AgRgRp

（2）B点的压力

（表）Pa107.836Pa5.081.91360010165.1441汞ABgRpp

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

习题5附图

习题4附图

习题6附图

3 根据流体静力学基本方程式，AApp

则 a++pghgRp汞水

80.132kPaPa1.08.9136008.08.91000103.1013gRghppa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

m36.1m8.9100010003.133.13gh水

流体流动概述

8. 密度为1800 kg/m3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（m3/h）、质量流量（kg/s）和质量通量[kg/(m2·s)]。

解： hm14.8sm360006.0414.38.04π3322hduuAV

skg26.2skg100006.0414.38.04π22sduuAw

smkg800smkg10008.022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，sPa1050.2mkg106933，

0.015mcm5.1d

sm882.0sm1069015.04π60102bu

5657105.21069882.0015.03bduRe 故为湍流。

（2）用物理单位计算

scmg025.0cmg10693，

cm5.1d，smc2.88bu

5657025.0069.12.885.1bduRe

习题7附图 4 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：

zgu262.00

试求算（1）放出1 m3水所需的时间（设水的密度为1000 kg/m3）；（2）又若槽中装满煤油，其它条件不变，放出1m3煤油所需时间有何变化（设煤油密度为800 kg/m3）？

解：放出1m3水后液面高度降至z1，则

m115.2m8846.032.1785.01201zz

由质量守恒，得

21d0dMww，01w （无水补充）

200000.622wuAAgzA（为小孔截面积）

AZM (A为储槽截面积)

故有 0262.00ddzAgzA

即 dAAgzdz062.02

上式积分得 ))((262.022112100zzAAg

min1.2s4.126s115.2304.0181.9262.0221212

11．如本题附图所示，高位槽内的水位高于地面7 m，水从φ108 mm×4 mm的管道中流出，管路出口高于地面1.5 m。已知水流经系统的能量损失可按∑hf=5.5u2计算，其中u为水在管内的平均流速（m/s）。设流动为稳态，试计算（1）A-A'截面处水的平均流速；（2）水的流量（m3/h）。

解：（1）A- A'截面处水的平均流速

在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得

22121b12b2f1122ppgzugzuh （1）

式中 z1=7 m，ub1～0，p1=0（表压）

z2=1.5 m，p2=0（表压），ub2 =5.5 u2

代入式（1）得

22b2b219.8179.811.55.52uu

sm0.3bu

（2）水的流量（以m3/h计）

hm78.84sm02355.0004.02018.0414.30.3332b2sAuV 5

12．20 ℃的水以2.5 m/s的平均流速流经φ38 mm×2.5 mm的水平管，此管以锥形管与另一φ53 mm×3 mm的水平管相连。如本题附图所示，在锥形管两侧A、B处各插入一垂直玻璃管以观察两截面的压力。若水流经A、B两截面间的能量损失为1.5 J/kg，求两玻璃管的水面差（以mm计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。

解：在A、B两截面之间列机械能衡算方程

22121b12b2f1122ppgzugzuh

式中 z1=z2=0，sm0.3b1u

sm232.1sm2003.0053.020025.0038.05.222221b121b1b2dduAAuu

∑hf=1.5 J/kg

kgJ866.0kgJ5.125.2232.1222f2b12b2b221huuupp

故 mm3.88m0883.0m81.9866.021gpp

13．如本题附图所示，用泵2将储罐1中的有机混合液送至精馏塔3的中部进行分离。已知储罐内液面维持恒定，其上方压力为1.0133105 Pa。流体密度为800 kg/m3。精馏塔进口处的塔内压力为1.21105 Pa，进料口高于储罐内的液面8 m，输送管道直径为φ68

mm 4 mm，进料量为20 m3/h。料液流经全部管道的能量损失为70

J/kg，求泵的有效功率。

解：在截面-AA和截面-BB之间列柏努利方程式，得

2211221e2f22pupugZWgZh

sm966.1sm004.02068.0414.33600204πkgJ700m0.8Pa1021.1Pa100133.1222f1125251dVAVuhuZZpp；；；；

习题11附图 习题12附图

习题13附图

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化工原理第三章沉降与过滤课后习题及标准答案()

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第三章 沉降与过滤

沉 降

【3-1】 密度为1030kg/m3、直径为400m的球形颗粒在150℃的热空气中降落，求其沉降速度。

解 150℃时，空气密度./30835kgm，黏度.524110Pas

颗粒密度/31030pkgm，直径4410pdm

假设为过渡区，沉降速度为

()(.)()./..1122223345449811030410179225225241100835ptpgudms

验算 .Re..454101790．835=24824110ptdu

为过渡区

【3-2】密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中和空气中以相同的速度沉降。试求在这两种介质中沉降的颗粒直径的比值，假设沉降处于斯托克斯定律区。

解 在斯托克斯区，沉降速度计算式为

/218tppudg

由此式得（下标w表示水，a表示空气）

()2218= pwpwpapatwaddug

()()pwpawpapwadd

查得20℃时水与空气的密度及黏度分别为

./,.339982 100410wwkgmPas

./,.35120518110aakgmPas

已知玻璃球的密度为/32500pkgm，代入上式得

(.)..(.).35250012051004109612500998218110pwpadd

化工原理第3章_习题课和要求和思考题

化工原理第3章_习题课和要求和思考题

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第三章传热

基本要求

1. 掌握的内容：（1）热传导基本原理，一维定常傅里叶定律及其应用，平壁及园筒壁一维定常热传导计算及分析；（2）对流传热基本原理，牛顿冷却定律，影响对流传热的主要因；。（3）无相变管内强制对流传热系数关联式及其应用，Nu、Re、Pr、Gr等准数的物理意义及计算，正确选用对流传热系数计算式，注意其用法、使用条件；（4）传热计算：传热速率方程与热负荷计算，平均传热温差计算，总传热系数计算及分析，污垢热阻及壁温计算，传热面积计算，加热与冷却程度计算，强化传热途径。

2. 熟悉的内容：（1）对流传热系数经验式建立的一般方法；（2）蒸汽冷凝、液体沸腾对流传热系数计算；（3）热辐射基本概念及两灰体间辐射传热计算；（4）列管式换热器结构特点及选型计算。

3. 了解的内容：（1）加热剂、冷却剂的种类及选用；（2）各种常用换热器的结构特点及应用；（3）高温设备热损失计算。

思考题

1．传热速率方程有哪几种？各有什么特点？分别写出它们的表达式并指出

相应的推动力和热阻。

2．何谓热负荷与传热速率？热量衡算式与速率方程式的差别是什么？

3．如图所示为冷热流体通过两层厚度相等的串联平壁进行传热时的温度分

布曲线，问：

（1）两平壁的导热系数1与2哪个大？（2）间壁两侧的传热膜1与

2哪个大？（3）若将间壁改为单层薄金属壁，平均壁温接近哪一侧流体的温度？ 4．试分别用傅立叶定律、牛顿冷却定律说明导热系数及对流传热系数的物理意义，它们分别与哪些因素有关？

5．在什么情况下，管道外壁设置保温层反而增大热损失？

6．在包有内外两层相同厚度保温材料的圆形管道上，导热系数小的材料应包在哪一层，为什么？

7．某人将一盘热水和一盘冷水同时放入冰箱，发现热水比冷水冷却速度快，如何解释这一现象？

8．试述流动状态对对流传热的影响？

9．分别说明强制对流和自然对流的成因，其强度用什么准数决定？

化工原理 第三章传热习题答案

化工原理 第三章传热习题答案

化工原理练习题

传热第1页 第三章 传热习题

一、 填空题

1．三层圆筒壁热传导过程中，最外层的导热系数小于第二层的导热系数，两层厚度相同。在其他条件不变时，若将第二层和第三层的材料互换，则导热量变（ ），第二层与第三层的界面温度变（ ）。

答：变小，变小。

2．在垂直冷凝器中，蒸汽在管内冷凝，若降低冷却水的温度，冷却水的流量不变，则冷凝传热系数（ ），冷凝传热量（ ）。

答：减小，增加。

冷凝传热系数与温差的-1/4次方成正比，故温差增加，冷凝传热系数减小；

冷凝传热量与温差的3/4次方成正比，故温差增加，冷凝传热量增加。

3．在管壳式换热器中，热流体与冷流体进行换热，若将壳程由单程该为双程，则传热温度差（ ）。

答：下降

4．在高温炉外设置隔热档板，挡板材料的黑度越低，则热损失越（ ）。

答：越小

5．黑体的表面温度提高一倍，则黑体的辐射能力提高（ ）倍。

答：15

6．沸腾传热设备壁面越粗糙，汽化核心越（ ），沸腾传热系数α越（ ）。

答：多，大

7．苯在内径为20mm的圆形直管中作湍流流动，对流传热系数为1270W/（m2．℃）。如果流量和物性不变，改用内径为30mm的圆管，其对流传热系数变为（ ）W/（m2．℃）。

答：612

=0.023nrPd8.0Re

=0.023dnSdWdPr4/8.02

∝8.0)21(1d=8.1d

=8.12030=0.482 化工原理练习题

传热第2页 =0.482=0.4821270=612W/(2m·℃)

8.某液体在一直管内（忽略进口段的影响）稳定强制湍流流动，该管内径为20mm，测得其对流传热系数为，现将管内径改为27mm，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。⑴若液体的流速保持不变，管内对流传热系数为原传热系数的0.9417倍；⑵若液体的质量流量保持不变，管内对流传热系数为原传热系数的0.5826倍；

第三章化工原理-修订版-天津大学-

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. . 第三章 机械分离和固体流态化

1. 取颗粒试样500 g，作筛分分析，所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。

习题1附表

筛号 筛孔尺寸/mm 截留量/g 筛号 筛孔尺寸/mm 截留量/E

10

1.651

0 66 0.208 60.0

14 1.168 20.0 100 0.147 30.0

20 0.833 40.0 150 0.104 15.0

28 0.589 80.0 200 0.074 10.0

35 0.417 13.0 270 0.053 5.0

48 0.295 11.0 共计500

解：颗粒平均直径的计算

由11iaiGddG

2204080130110(5001.6511.1681.1680.8330.8330.5890.5890.4170.4170.2956030151050.2950.2080.2080.1470.1470.1040.1040.0740.0740.053 ）

2.905(1/mm)

由此可知，颗粒群的平均直径为da=0.345mm.

2. 密度为2650 kg/m3的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降，计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。

解：20C时，351.205/,1.8110kgmPas空气

对应牛顿公式，K的下限为69.1，斯脱克斯区K的上限为2.62

那么，斯脱克斯区：

max335222.6257.4()1.205(26501.205)9.81(1.8110)sKdmg .