化学工程基础课后习题答案(武汉大学第二版)

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化学工程基础课后习题答案第一章流体力学习题..................................................................................................................2第二章流体流动与输送..............................................................................................................14第三章传热过程......................................................................................................................... 19第三章习题和答案....................................................................................................................... 26第五章吸收.................................................................................................................................38第六章精馏.................................................................................................................................47第六章精馏习题和答案..............................................................................................................49第八章化学反应工程基本原理.................................................................................................. 56第九章均相反应器..................................................................................................................... 58

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第一章流体力学习题1-1试将下列物理量换算成指定的单位质量：1.5 kgf·s2/m=_______kg;密度：13.6 g/cm3=_______kg/m3;压强：35 kgf/cm2=_______Pa; 4.7atm=________Pa; 670mmHg=_______Pa;功率：10马力=_______kW;比热容：2 Btu/(Ib·℉)=______J/(kg·K); 3 kcal/(kg·℃)=_______ J/(kg·K);流量：2.5 L/s=_______m3/h;表面张力：70 dyn/cm=_______N/m; 5 kgf/m=_______N/m。

1-2在气体状态方程中

求用以 kJ/(kmol.K)表示时，R等于多少？

1-3燃烧重油得到的燃烧气，经分析测知其中含8.5%CO2,7.5%O2,76%N2,8%H2O(体积百分数)。试求温度为500℃,压强为1atm时，该混合气体的密度。 1-4某设备上真空表的读数为100mmHg,试计算设备内的绝对压强与表压强各为多少。 (已知该地区大气压强为740mmHg) 1-5在右图所示的储油罐中盛有密度为960 kg/m3的油，油面距罐底9.6m,油面上方为常压，在罐侧壁的下部有一直径为760mm的圆孔，其中心距罐底800mm,孔盖用 M14钢 3.93×10 N/m。问至少需要几个螺钉？7 2

制的螺钉材料的作应力取为

1-6右图所示的测压管分别与3个设备 A,B,C相连通。连通管的下部是水银，上部是水，3个设备内水面在同一水平面上。问： (1)1,2,3,3处压强是否相等？ (2)4,5,6,3处压强是否相等？ (3)若 h1=100mm,h2=200mm,且知设备 A直接通大气(大气压强为760mmHg),求 B,C两设备内水面上方的压强。

1-7用右图中串联的 U型管压差

计测量蒸汽锅炉上面上方的蒸汽压。 U形管压差计的指示液为水银。两U-1-

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形管间的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为： h1=2.3m, h2=1.2m, h3=2.5m, h4=1.4m,锅中水面与基准面间的垂直距离 h5=3m,大气压强 Pa=745 mmHg。试求锅炉上方水蒸汽的压强 p0。

1-8根据右图所示的微差压差计的读数计算管路中气体的表压强 p0压差计中以油和水为指示液，其密度分别为920 kg/m3及998 kg/m3,U形管中油水交界面高差 R=300 mm。两扩大室的内径 D为60 mm,U形管内径 d为6 mm,当管路内气体压强等于大气压强时，两扩大室液面平齐。

1-9平均压强为0.101 Mpa的某气体在φ76 mm×3 mm的管道内流动。当气体的平均压强变为0.505 Mpa时，若要求气体以同样的温度、流速、质量流量在管道内流动，问此时管道的内径应为多少？

1-12如右图所示，密度为850 kg/m3的料液从高位槽送入塔中，高位槽内液面维持恒定，塔内表压强为 9.807×103 Pa,进料量为5 m3/h。连接管为φ38mm×2.5mm的钢管，料液在连接管内流动时的能量损失为30 J/kg(不包括出口的能量损失)。问高位槽内的液面应比塔的进料口高出多少米。

1-13见右图，高位槽内水面高于地面8m,水从φ108mm×4mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。在本题特定条件下，水流经系统的能量损失(不包括出口的能量损失)可按计算，其中 u为水在管内的流速 m/s。试计算： (1)A-A’截面处水的流速； (2)水的流量(以 m3/h计)。

1-1420℃的水以2.5m/s的流速流经φ38mm×2.5mm的水平管。此管以锥形管与另一φ53mm×3mm的水平管相连，如右图所示。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强，若水流经 A,B两截面间的能量损失为1.5J/kg,求两玻璃管的水面差(以 mm计)。

1-15用离心泵把20℃的水从储槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定。各部分相对位置如右图所示，管路的直径均为φ76mm×2.5mm,在操作条件下，泵入口处真空表读数为185mmHg,水流经吸入管(包括管入口)与排出管(不包括喷头)的能量损失可分别按与计算，由于管径不变，故式中 u为吸入或排出管的流速 m/s,排水管与喷头连接处的压强为 9.81×104Pa(表压)。试求泵的有效功率。

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1-17内截面为1000 mm×1200 mm的矩形烟囱的高度为30 m,平均分子量为30 kg/kmol,平均温度为400℃的烟气自下而上流动，烟囱下端维持49 Pa的真空度。在烟囱高度范围内大气的密度可视为定值，大气温度为20℃,地面处的大气压强为0.101MPa。烟囱内壁的摩擦系数可取为0.05。试求烟道气的流量为若干 kg/h。

1-20一转子流量计，转子材料为

铝，出厂时用20℃,0.1MPa压强下的空气标定，得转子高度为100mm时，流量为10m3/h。今将该流量计用于测量 T=50℃,P=0.15MPa下的氯气，问在同一高度下流量为多少？若将该转子材料换为黄铜，问在同一高度下氯气和空气的流量各为多少？

1-21从设备送出的废气中含有少量可溶物质，在放空之前令其通过一个洗涤塔，以回收这些物质进行综合利用，并避免环境污染。气体流量为3600 m3/h(操作条件下),其物理性质与50℃的空气基本相同，如右图所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的 U形管压差计，其读数为30 mm。输气管与放空管内径均为250 mm,管长、管件与阀门的当量长度之和为50 m(不包括进、出塔及管出口阻力)放空口与鼓风机进口的垂直距离为20 m,已估计气体通过塔内填料层的压降为1961 Pa。管壁的绝对粗糙度ε可取为 0.15mm,大气压强为0.101 Mpa,求鼓风机的有效功率。

1-22用离心泵从井中抽水(如右图),吸水量为20m3/h,吸水管直径为φ108 mm×4 mm,吸水管路阻力损失为4904 Pa,求泵入口处的真空度为多少？

1-23如右图所示，储槽内水位维持不变。槽的底部与内径为100 mm钢质放水管相连，管路上装有一个闸阀。距管路入口端15 m处安有以水银为指示液的与管路出口端之间的直管长度为20 m。 (1)当闸阀关闭时，测得 R=600 mm,h=1500 mm;当闸阀部分开启时，测得 R=400 mm,h=1400 mm。摩擦系数λ可取为0.025,管路入口处的局部阻力系数取为 0.5,问每小时从管中流出多少 m3的水； (2)当闸阀全开时，le/d=15,摩擦系数仍可取0.025。问 U形管压差计测点处的静压强为多少 Pa(表压)? U形管压差计，压差计连接管内充满了水，测压点

1-28在用水测定离心泵性能的实验中，当流量为26m3/h时，泵出口压强表读数为0.152Mpa,泵入口处真空表读数为24.66kPa,轴功率为0.24kW,转速为2900 r/min,真空表与压强表两测压口间的垂直距离为0.4 m,泵的进出口管径相等，两测压口间管路的流动阻力可忽略不计。试计算该泵的效率，并列出该效率下泵的性能。

1-29用离心泵由真空度为48 kPa的容器中输送液体，所选用泵的需要气蚀余量为49 kPa。该液体在输送温度下的饱和蒸汽压为26.66 kPa,密度为900 kg/m3,吸入管道因阻力损失的压头为0.20[米液柱],试决定泵的安装位置。若泵入口端容器改为敞口，该泵又应如何安装？

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第一章流体力学习题解答1-1解：质量：14.71 kg;密度：1.36×104kg/m3;压强：3.43×106Pa; 4.76×105Pa; 8.93×104Pa;功率：7.46kW;比热容：8.37×103J/(kg·K); 1.256×104J/(kg·K);流量： 9m3/h;表面张力：0.07 N/m; 49.05N/m。

1-2解：答：R

等于8.31 kJ/(kmol.K)

1-3解：对于一般气体来说，可以认为体积百分数=摩尔分数，所以可由式(1-5)求得混合气体的平均摩尔质量为：

答：该混合气体的密度0.455kg/m3。讨论：误用(1-4)式计算，其中ρI用非500℃,1atm状态下的数据代进去计算。

1-4解：绝对压强=740-100=640 mmHg由附录2查得1mmHg=133.32Pa故640 mmHg=8.53×104 Pa表压强=-真空度故表压强=-100mmHg=-1.33×104 Pa答：设备内的绝对压强是8.53×104 Pa。设备内的表压强是-1.33×104 Pa。-4-

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1-5解：孔中心处静压强：=960×9.81×(9.6-0.8)=8.287×104 Pa

圆孔受力：F=P×A孔=

= 3.76×104 N

每个螺钉受力极限：F钉=

=6050 N

所需螺钉数：

答：最少需要7个螺钉。讨论：容器内孔盖中心处的压强考虑了大气压强，可又忽略了孔盖外的大气压，错误地得出14颗螺钉的结论。这样其实是将空盖外的环境置于真空中。 1-6解： (1)1,2,3,3处虽然是在同一水平面上，也是静止的，但竖管内液体注入情况不同，1,2,3,3处不是连续、均一的流体，故压强不相等。 (2)4,5,6,3处是在同一水平面上的连续、均一、静止的的流体，故压强相等。 (3) Pa Pa答： (1)1,2,3,3处压强不相等。 (2)4,5,6压强相等。 (3)B上方压强 Pa,C上方压强 Pa。

1-7解：对于习题1-7右图所示之 b,c,d位置，有

答：锅炉上方水蒸汽的压强是3.64×105Pa。 1-8解：当管路内气体压强等于大气压强时，两扩大室液面平齐，则管路内的压强在不同的 P时，两扩大室液面差 r与 R的关系为：-5-

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∵△R=0.3m∴△r=0.003m∴答：管路内气体压强是256.55 Pa(表压)。讨论：当扩大室截面积和管截面积之比不大于100时，要考虑扩大室中液面的变化。

1-9解：∵T不变.∴

∵u,qm不变∴

答：管道的内径应为31.3 mm。

1-12解：取高位槽内液面为1-1截面，出料口内侧液面为2-2截面，则有： u1=0,P1=0(表压),z1=h;连接管内径为38-2.5×2=33mm=0.033m

,P2=9.807×103 Pa(表压),z2=h; We=0,。

根据柏努利方程：

得 h=4.369 m答：高位槽内的液面应比塔的进料口高出4.369 m。讨论：应用柏努利方程时，要注意单位统一。根据阻力计算的不同的表达式，选用相应的柏努利方程式，如在习题1—12,1-13,1-15中。 1-13解：取高位槽内液面为1-1截面，出料口外侧为2-2截面，则有：u1=0,u2=0,z1=8m,z2=2m,P1=P2=0(表压),We=0。管道出口局部阻力系数ζ=1

所以全程能量损失

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由柏努利方程，

解得速度为： u=2.90 m/s

答： (1)A-A’截面处水的流速是2.90 m/s。 (2)水的流量是82m3/h。

1-14解：dA=3

8-2.5×2=33 mm=0.033m;dB=53-3×2=47 mm=0.047m; uA=2.5 m/s;

根据连续性方程式(1-33b)有 zA=zB

由柏努利方程可得：

答：B处玻璃管水面比 A处玻璃管高88.6 mm。

1-15解：取截面0-0’为槽中水面，1-1’截面为泵入口处，2-2’截面为排水管与喷头连接处得截面。则有： u0=0,z0=0,P0=0(表压); u1=u,z1=1.5m,P1=-185mmHg(表压)= -2.47×104 Pa; u2=u,z2=14m,P2=9.81×104 Pa(表压)。

所以，在截面0-0’与1-1’之间有：

即：解得速度为：u=2.0 m/s

在截面1-1’与2-2’之间列柏努利方程可得：

即：-7-

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解得外加功 We为：We=285.65 J/kg所以输送设备对流体所作得有效功率 Pe可按式(1-43)计算：

答：泵的有效功率2.257kw。 1-17解：查表得，20℃时干空气的密度，

烟气密度，同理，以平均值在烟囱内任一截面，,两者相差很小，可近似认为是常数，代入，,故 u亦按常数处理。

由此以烟囱下端为1-1’截面，上端为2-2’截面，列伯努利方程并整理得：以表压计，

由于是矩形截面，当量直径为

m/s

答：烟道气的流量为46335 kg/h。讨论：注意烟囱上下大气压强不一样。习题1-21中，吸收塔出入口的大气压强也不一样。

1-20解： (1) 20℃,0.1MPa的空气密度为

50℃,0.15MPa的氯气密度为

而铝的密度ρf1=2670 kg/m3-8-

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根据转子流量计的流量计算公式(1-47)

可得：

所以， qV2=0.548×qv,1=0.548×10 m3/h=5.48 m3/h

(2)转子材料为黄铜时，ρf2=8600 kg/m3

所以，对空气：qV3=1.7956×qv,1=1.795×10 m3/h=17.95 m3/h

对氯气： qV4=1.7956×qv,2=1.7956×5.48 m3/h=9.84 m3/h答：测量 T=50℃,P=0.15MPa下的氯气，在同一高度下流量为5.48 m3/h。转子材料换为黄铜，在同一高度下氯气的流量是9.84 m3/h;空气的流量为17.95 m3/h。 1-21解：由已知条件查附录:干空气的物理性质(101.33kPa)可得气体物性 kg/m3, Pa.S,

以进口为1-1’截面，放空口内侧为2-2’截面，列柏努利方程，

(1)以表压计算， Pa,,

m/s,

,查《化学工程基础》图1.28管内流体流动沿程阻力系数曲线图得，进出塔管口阻力，

(出口),-9-

(入口)

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塔内阻力降，

Pa,

管内阻力降，

将上述数据代入方程式(1)可得

Pa kw答：鼓风机的有效功率为2.9 kw。

1-22解：以水面为1-1’截面，泵的入口为2-2’截面，列柏努利方程，

m2/s

kPa(表压)答：泵入口处的真空度为59.1kPa。 1-23解：(1)当闸阀关闭时，水处于静止状态，故1点与2点压强相等， Pa(表)储槽内水位高 H为

取储槽水面为1-1截面，压差计处为2-2截面，列柏努利方程得

u1=0,P1=0 (表压),整理(1)式得

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m3/h (2)取储槽液面为1-1截

面，出水口为3-3截面列柏努利方程可得：

解得：

m/s,

取储槽液面为1-1截面，压差计处为2-2截面列柏努利方程可得：

Pa答： (1)每小时从管中流出88.45 m3水。 (2)U型管压力计测点处静压强为 Pa。

1-28解：取泵的进出口测压点为两个截面列柏努利方程可得：

u1= u2, z1=0, z2= 0.4m,Σhf=0,将上列数据代入柏努利方程可得：

泵的扬程为：

泵对流体所做的有效功率为：

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泵的效率为：答：泵的扬程为8 .4m,流量26m3/h,有效功率1.3kW,效率53%。 1-29解：(1)由题意知 kPa, kg/m3, kPa, Pa m,

m由于求出的允许安装高度是负值，故要求泵的进口安装在水槽液面的下方2.72 m,所以，实际安装高度可取， m, (2)由于容器敞口， Pa, m,为安全起见，实际安装高度可取，答： (1)泵的进口安装在液面下3.73 m。 (2)泵的进口安装在液面上方1.705m。 m。

讨论：安装高度与当地大气压、操作条件有关。

第二章流体流动与输送1.解： Pvac Po P绝

即13.3 10 3 Pa 98.7 10 3 Po P绝 P绝 85.4 10 3 Pa Pa P Po 85.4 10 3 Pa 98.7 10 3 Pa 13.3 10 3 Pa2.解：- 12 -

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de 4 44 (d1 d2) 70 d1 d2d12 2d2

3.解：对于稳定流态的流体通过圆形管道，有

u2u1 2d 1d 2

若将直径减小一半，即d 1d 2 2 u2u1 4

即液体的流速为原流速的4倍.

4.解：

Lu2

Hf d2gL1u12Hf1 1 d12gHf2L2u22 2 d22g

得到：Hf2 16Hf1

6.解：1）雷诺数Re ，即产生的能量损失为原来的16倍。 ud

3 1 3 3其中 1000kg m，u 1.0m s,d 25mm 25 10m, 1cp 10Ps s

ud1000 1.0 25 10 3

故Re 25000，故为湍流。 3 10

1000 25 10 3m u 12）要使管中水层流，则Re 2000，即Re ，解得 2000u 0.08m s10 3

7.解：取高位水槽液面为1-1′，A-A′截面为2-2′截面，由伯努利方程得到：

22p1u1p2u1z1 z2 Hf g2g g2g

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其中z1 10m,z2 2m;，p1 p2;u1 0;Hf

解得

1）A-A′截面处流量u u2，u 2.17m s

2）qv Au ，其中A 1 h gf2u216.15u2，则10 2 2 9.89.8121 d 3.14 (100 10 3)2 7.85 10 3m2

3u 2.17m s 1，qv 7.85 10 3 2.17 3600 61.32m

8.解：对1-1′截面和2-2′截面，由伯努利方程得22p1u1p2u1z1 z2 g2g g2g

其中z1 z2,p1 1mH2O gh1，u1 0.5m s 1,p1 gh2

d120.220.5222

1u2 2u1 () 0.5 2.0m s， h 0.19md20.12 9.82 9.8

15.解：选取贮槽液面为1-1′截面，高位槽液面为2-2′截面，由伯努利方程得到：

22p1u1p2u1z1 He z2 Hf g2g g2g

其中：z1 2m,z2 10m;u1 u2 0

p1 pvac 100mmHg

13.6 103 9.8 0.1 13332.2pa

p2 0

2 13332.219.61000 He 10 ( 4 ) g9.8980

19.613332.2He 12.08 14.08 1.388 15.4689.8980 g

P He qV 10215.468 2 (53 10 3)2 980102 0.655kw

17.解：取水池液面为1-1′截面，高位截面为2-2′截面，由伯努利方程得：

22p1u1p2u1z1 He z2 Hf g2g g2g

其中：z1 0,z1 50m;p1 p2 0，Hf ，He 50 20 52.059.8

P He qV 52.05 36 1000 8.05kw 102 102 0.6 3600

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19.解：取贮槽液面为1-1′截面，蒸发器内管路出口为2-2′截面，由伯努利方程得：

22p1u1p2u1z1 He z2 Hf g2g g2g

p1 0,

其中，z1 0,z1 15m;，p2 200 10 13.6 10 9.8 26656pa 33

12026656He 15 24.979.89.8 1200

H q 24.97 20 1200P eV 1.632kw 102102 3600

20.解：1）取贮水池液面为1-1′截面，出口管路压力表所在液面为2-2′截面，由伯努利方程得：

22p1u1p2u1z1 He z2 Hf g2g g2gHf 其中，z1 0,z2 5.0m;

p1 0,p2 2.5kgf.cm 2

2.5 9.8 2.45 105pa 40.01

忽略出水管路水泵至压力表之间的阻力损失，则：衡算系统的阻力损失主要为吸入管路的阻力损失：Hfu 36

3600 (76 10 3)2 2.2

2.45 1052.220.2He 5.0 1000 9.82 9.89.8

5.0 25 0.25 0.02 30.27

2）P He qV 30.27 36 1000 3.0kw 102102 3600He qV 3.0 4.3kw 102 0.7

3）取贮槽液面为1-1′截面，水泵吸入管路上真空表处液面为2-2′截面，由伯努利方程得：

22p1u1p2u1z1 z2 Hf g2g g2g

其中：z1 0,z2 4.8m;p1 0,p2 ?忽略进水管路水泵中真空表至水泵之间的阻力损失，则：衡算系统的阻力损失为吸入管路的阻力损失：

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H f 0.2p2 (4.8

9.8

2.22 0.2 ) 1000 9.8 49600pa 2 9.8 9.8

得真空表的读数为

vac

49600 Pa

23.解：1)取低位槽液面为 1-1′截面，高位槽液面为 2-2′截面，由伯努利方程得：

2 p 1 u1 p u2 H e z2 2 1 H f g 2g g 2g

其中， z1 0, z 2 20m; p1 0, p2 0, H

5, H e 20 5 25

w e 25 9.8 245J/kg2)在管路 A、B截面间列伯努利方程得：2 2 2 p p u u A pA pB u2 uB A A B B z z B zA z H H ff A B g 2 g g 2 g g 2g g 2g

p p L pA pB A B z z L B A z z B A d g g g g d

2 u u2 2 2g g

p d 2 pA pB d (p A B z u zA ) u2 2 2g g L ( g g zB B zA ) L g g p pB ( Hg H 2O ) gR H 2O g 6 pA A pB ( Hg H 2 O ) gR H 2 O g 6

Hg H 2O ) R H 2O 6 p pB ( ( pA Hg H 2 O ) R H 2 O 6 A pB 2O g 2O H H H 2O g H 2O Hg H 2O ) R H 2O 6 d ( d (( H 2 O ) R H 2 O 6 6) u u 2 2g g L ( Hg 6) 2O L H H 2O0.05 1 0.05 0.504 2.03m s 2 2g g 6 0.02 0.504 2.03m s 1 6 0.023) P

25 2.03

4 102

0.052 1000

0.976kw

4)根据静力学基本方程式：

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化学工程基础课后习题答案(武汉大学第二版),含习题和答案!

pB H2Og(6 H) HggR' p0

pB HggR' p0 H2Og(6 H)

pA H2Ogh pB H2Og6 H2Og(h R) HggR

pA pB H2Og6 H2OgR HggR

pA HggR' p0 H2Og(6 H)