化学工程基础习题答案(武汉大学__第二版)

化学

第二章．P69 1.解：Pvac

Po P绝

即13.3 10 3Pa 98.7 10 3 Po P绝

P3绝 85.4 10 Pa

Pa P Po

85.4 10 3Pa 98.7 10 3Pa 13.3 10 3

Pa

2.解：

d2

de 4 1

d22

d (d1 d2) 70

1 d2

3.解：对于稳定流态的流体通过圆形管道，有

u2

d 21

1

d 2

2

若将直径减小一半，即

d 1

d 2

2

u2

4

1

即液体的流速为原流速的4倍. 4.解：

Lu2

Hfd 2g

L2

H1u1f1 1d

12g

H L2u2

2f2

2d

22g

L2H 2u22

f2H

d22gf1

L2 1u11d 12g

64

du

u2 4u1,L1 L2,d1 2d2

64 L2u2

Hf2H d2u2

2d 22gf1

64 L2

1ud d 11u112g64 L2

2u2Hf2H

du 22 d22gf1

64

L(1u2)2

2d 1d u22g242 2Hf2H

11

16

f1

112 2 164Hf2 16Hf1

即产生的能量损失为原来的16倍。

6.解：1）雷诺数Re

ud

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

1cp 10 3Ps s

故Re

ud

1000 1.0 25 10 3

10 3

25000

故为湍流。

2）要使管中水层流，则Re

2000

1000 25 10 3m u即Re 2000 3

10

解得u

0.08m s 1

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

22

p1u1p2u1

z1 z2 Hf

g2g g2g

其中z1 10m,z2 2m;

p1 p2;u1 0;Hf

h

g

f

2

u216.15u2

则10 2

2 9.89.8

解得

1）A-A′截面处流量u

u2

u 2.17m s 1

2）q

v

Au

其中A

121

d 3.14 (100 10 3)2 44

7.85 10 3m2 u 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

22p1u1p2u1

z1 z2

g2g g2g

3

其中z1

z2,p1 1mH2O gh1

u1 0.5m s 1,p1 gh2

d120.2

u2 2u1 ()2 0.5 2.0m s 1

d20.1

0.5222

h 0.19m

2 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

22

p1u1p2u1

z1 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

19.613332.2

He 12.08 14.08 1.388 15.468

9.8980 g

P

He qV

102

15.468 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

22

p1u1p2u1

z1 He z2 Hf

g2g g2g

其中：z1 0,z1 50m;p1 p2 0

f

H

He 50 P

20

52.05 9.8

He qV 52.05 36 1000

8.05kw

102 102 0.6 3600

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

22

p1u1p2u1

z1 He z2 Hf

g2g g2g

其中，z1 0,z1 15m;

p1 0,

p2 200 10 3 13.6 103 9.8 26656pa Hf 12026656

He 15 24.97

9.89.8 1200

H q 24.97 20 1200P eV 1.632kw

102102 3600

出口管路压力表所在液面为2-2′截面， 由伯努利方程得

22p1u1p2u1

z1 He z2 Hf

g2g g2g

20.解：1）取贮水池液面为1-1′截面，

其中，z1 0,z2 5.0m;

p1 0,p2 2.5kgf.cm 2

2.5 9.85

2.45 10pa 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：

H

f

u

36

3600 (76 10 3)2

2.2

2.45 1052.220.2

He 5.0

1000 9.82 9.89.8

5.0 25 0.25 0.02 30.27

P

2）P

He qV 30.27 36 1000

3.0kw

102102 3600

He 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

22

p1u1p2u1

z1 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：

H

f

2.220.2p2 (4.8 ) 1000 9.8 49600pa

2 9.89.8

得真空表的读数为

P

vac

49600Pa

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

22

p1u1p2u1

z1 He z2 Hf

g2g g2g

其中，z1 0,z2 20m;p1 0,p2 0

Hf 5,He 20 5 25

w e 25 9.8 245J/kg

2）在管路A、B截面间列伯努利方程得：

pAu2pBu2A

zA zB B Hf

g2g g2gpApBLu2 zB zA g gd2gu2 2g

ppd

(A B zB zA)L g g

pA pB ( Hg H2O) gR H2O g 6pA pB( Hg H2O) R H2O 6

H2Og H2O

u 2.03m s 1

25 2.03

3）P

102

0.052 1000

0.976kw

4）根据静力学基本方程式：

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) H2Og6 H2OgR HggR

pA p0 HggR' H2OgH ( Hg H2O)gR [13.6 1.2 1 1 (13.6 1) 0.04] 9.8 1000 1.55 105pa

第三章 传热过程 p105 ex1解：

q

tt1 t41150 30

R1 2 3

1 2 31.070.1445

11201120

1243Wm2

0.187 0.714 0.00010.901

1120

R R0 3.73 C m2 W 1

(R R0)

q` 300

R0 3.73 0.901 2.83 C m2 W 1

ex2解：

(T1 T4)

i iA

(T1 T4)

i

2 rmL i

2 L(T1 T4)2 L(T1 T4)

(ri 1 ri)11r

lni 1

ii 1i iri

rlni 1

ri

L

2 (260 35)

ln ln ln

16200.2250.0755

2 3.14 2251413

0.0139 3.94 6.214

160.20.0071413

138.96W m 1

10.168

Ex4解：空气的定性温度T

220 180

200 C2

200℃时空气的物性参数为： 0.746Kg/m3

3.91 10 2W m 1 K 1

1

KJ K g C 2.6 10 5Pa s Cp 1.034

u 15m s 1，

Re

du

Cp

0.025 41 50.7464

1.09 10 5

2.6 10

1.034 103 2.6 10 5

Pr 0.68 2

3.931 10

0.02R(e

0.8

d

2

3.93 110.8

0.02 3 (1. 094100 )

0.0254 53.8Wm2 K

)Pr(

0.3

)

0.3

0. 68

ex5解：水的定性温度T

40 20

30 C 2

995.7Kg/m3

30℃时水的物性参数为：

0.6176W m 1 K 1 80.07 10 5Pa s Cp 4.174KJ Kg 1 C

0.023(Re)0.8(Pr)0.4

d

当u

1m s 1时，

Re

du

Cp

0.02 1 995.7

2486.86 5

80.07 10

Pr

4.174 103 80.07 10 5 5.41

0.61760.6176

(24868.6)0.8 (5.41)0.4

0.002

0.023

4583.5Wm2 K

当u 0.3时

Re

du

7460.58 ，此时，2000<Re<10000

6 105

0.023 38.85 1.965 7460.58 (1 )

7460.581.8

0.8

1638Wm2 C

ex7解：甲烷的定性温度：T

0℃条件下：

120 30

75 C 2

0.717Kg/m3 0.03W m 1 K 1

1.03 10 5Pa s Cp 1.7KJ Kg 1 K 1

由于甲烷是在非圆形管内流动，定性尺寸取de

de 4

流体截面积润湿周边

0.192 37

4 0.0192

0.19 37 0.019

0.0255

R

0.717

e

du

0.0255 10 1.03 10

5

17728.7 PCp

1. 103 1.03 10 5r

0.03

0.584

由于甲烷被冷却，n 0.3

0.023

d(R0.8e)(P0.3

r)e

0.023

0.03

(17728.7)0.8 (0.584)0.3

0.0255

0.023 1.176 2505.77 0.851 57.1W m 2 K 1

若甲烷在管内流动：

R

.015 10 0.717

e

du

01.03 10 5

10441.75

64.2W m 2 K 1

Ex8

T1 40 15 25 C ，

T2 130 33 97 C

Tm

T2 T197 25

53.1 C（逆流）

T2lnln T1

在按照折流校正

33 15

0.16

130 15

130 40R 5

33 15P

φ＝0.97

Tm 0.97 53.1 51.5 C

ex9

(1)

qmcp T1 T2

1.25 1.9 10 80 30

3

118750J s 1

(2)

T1 30 20 10 C ，

T2 80 40 40 C Tm

T2 T140 10

21.64 C

T2ln4ln

T1

(3)

R

11d d 0 0 Rsi Rs0K 0 油di dm

10.0250.0025 0.025

0.21 10 3 0.176 10 3 33

1.7 100.85 10 0.0245 ln

0.02

0.00251m2 K W 1

K

(4)

1

398.91W m 2 K 1 R

A

K tm

118750

395.91 21.64

13.74m2

若近似按平面壁计算，则

R

111 0 Rsi Rs0K 0 油i m

110.0025

0.21 10 3 0.176 10 333

1.7 100.85 1045

K 453.26

A 12.11m2

ex10

(1)

d0 16 10 3m ，di 13 10 3m ，

1.5 10 3m

d0 d01

K d d 0 m ii

161.5 10 3 161

13 1000 40 14.5 90

1.231 10 3 0.0414 10 3 0.011 81.5W m 2 K 1

(2)

d0 d01

K0 d d 0 m ii

161.5 10 3 161

13 1000 40 14.5180 146.6W m 2 K 1

(3)

d0 d01

Ki d d m0 ii

161.5 10 3 161

13 2000 40 14.5 90

0.616 10 3 0.0414 10 3 0.011 85.78W m 2 K 1

ex11解：

(1)

''

1 qmcp T1 T2 qmCp T1' T2'

''

50qmCp 25qmCp ''qmCp 2qmCp

Tm

.

135 60

92.5

135ln

60

50qmCpk1 Tm

A1

(2)

1

k1 Tm

''

2 qmcp t1 t2 qmCp t1' t2'

''

t1' t2' 70qmCp qmCp

''

t1' t2 35 ，t2 50

tm

70qmCp 1135 30

69.81 ，A2

135k2 tmk2 tmln

30

又流量及物性不变，k1 k2

2 tm70 92.56475A2

1.855 A150qmCp50 69.83490.7

1 Tm

L2A2

1.855 ，L2 1.855m L1A1

70qmCp

ex12解：(1)

1 qmdcpd T1 T2 KA tm

2.88 103 (90 50) 230 6 tm

61.76 103 230 6 tm tm 44.75 C

90 t 32

44.75

ln

32

t 29.5 C Tm

.

A1

1

k1 Tm

50qmCpk1 Tm

1 qmdcpd T1 T2 qmhcph t1 t2

61.76 103 qmh 4.2 29.5 18 qmh 1.279 103 4.6kg/h

吸收

p187

ex2解：

（1）

PA 2026Pa

7.821 10 3100 10 3

CA () 2.300mol.m 3

341000CC2.300

PA A H A 1.135 10 3mol.m 3Pa 1

HPA2026

（2）

E

P1000

4.895 107Pa

3 2

HM1.135 10 1.8 10

PA 4.895 107xA

E4.895 107

483.22 （3）m 5P总1.013 10

（4）总压提高一倍，E、H值均不变

E4.895 107

m 242 5

P2.026 101

ex9．解：

0.02329 2964y0.02329Y 1

1 y11 0.02329 0.02329

第一解法：

y

5

Y1 Y2

qn,BX1 X2

qn,C又设Y2

qn,BX2 0

Y1 X1

qn,CY1 Y2Y Y又 1.6512

Y1qn,BX1

Y1

1.65X1

26.7

0.02385X1 0.00054

26.7 1.65(

)min 又

512

8mol64qn,C.X1 8

qn,C

Y1 Y2min Y1

qn,C 14814.8kmol/h 266.66m

第二解法： 设吸收率为 则，Y2进气量设为

3

1 Y1

a.kg/h

512a.5%

a. 95%kmolqn,B

29 10 3qn,Cqn,Bqn,Cqn,B

)min

Y1 Y2Y1 (1 )Y1 26.7

Y1X1

qn,Cqn,B

)min 1.65 26.7

512a.5%

(

() 1.65(

qn,C 29 10 3

a.95%

3

qn,C 14814.8kmol/h 266.0m

ex10．（1）Y1

0.02

Y2 Y1(1 99%) 0.0002 X2 0

当液气比为2.2时，

qn,Cqn,B

Y1 Y20.02 0.0002

2.2

X1 X2X1

X1 0.009

Y1 Y1 Y1 0.02 0.009 0.011 Y2 Y2 Y2* 0.0002

Ym

Y1 Y20.011 0.0002

0.002695 Y10.011

lnln

0.0002 Y2Y1 Y20.02 0.0002

7.35 Ym0.002695

NOG

（2）当液气比为1.25时，

0.02 99%X1 0.01584

1.25

NOG 15.17

(3) 当X2=0.00011时

X1

1

(Y1 Y2) X2

1.25

0.01584 0.00011 0.01595

NOG

0.02 0.0002

19.03

0.001040

(4) 当液气比为0.8，溶质的最大回收率时溶液出口达到气液平衡，

Y1 Y20.02 Y2

0.8

Y1qn,BX1

Y2 0.004

qn,C

Y1 Y20.02 0.0016

80%Y10.02

ex11.Y1

0.03

0.03093

1 0.03

Y2 Y1(1 98%) 0.03093 0.02 0.0006

X2 0qn,B qn,C q n,B

1.67273 1

(1 3%) 65.16mol.s

22.4 10 3303

Y1 Y2min 1.28 1.28 98% 1.2544 Y1 X2

1.28

qn,Cmin 1.2544 65.16 81.74mol.s 1qn,C 81.74 1.5 122.6mol.s 1X1

qn,Cqn,B

(Y1 Y2) X2

65.16

(0.03093 0.0006) 0.016122.6

Y

1 Y1 Y1 0.03093 1.28 0.016 0.01045 Y 2 Y2 Y2 0.0006 Y Y1 Y2

m

ln1

Y2

0.01045 0.0006

0.003465

ln

0.0006

N Y1 Y2

OG Ym

0.03093 0.0006

0.003465

8.8

Hqn,B

OG

K

65.16

0.6503

Y S60 1.0

H HOG NOG 8.8 0.6503 5.72m 12.(1)

Y1 y11 y 0.05

0.052611 0.05

Yy22

1 y 0.00263

0.00263721 0.00263 X61.21

0.02033X2 0

Y 2.0X Y

1 Y1 Y1 0.0526 2.0 0.02023 0.01214 Y2 Y2 Y 2 0.002637 Y Y1 Y2m

0.01214 0.002637

ln

1 Yln2

0.002637

0.0095

1.527

0.0062NY1 Y2OG Ym

0.0526 0.002637

0.0062

8.06

q0.556n,B 22.4 10 3 0.95

273

298 21.602mol.s 1HqV

OG 21.602

KS

2

0.744Y K 0.8Y

4

KY

57.79mol.m 3.s 1

（2）

qn,CY2q

Y1 n,BX1 X2

0.0526 0.0026369

0.02023

2.4698

qn,C=2.4698 21.602=53.35mol.s-1XA1

n

53.35 3600

n=0.02023×53.35×3600=3885.37mol m=58×3885.37=225.4kg （1）另解：

qn,C Y2q

Y1n,BX1 X2

0.0526 0.0026369

0.02023

2.4698

气相传质单元数：

NOG

mqn,BY1 mX2mqn,B 1

ln(1 ) n,B qY mYq n,C22n,C 1

qn,C

11 2.4698 8.028

20.0526 02

ln (1 )

2.46980.0026372.4698

HOG

H6

0.7474m NOG8.028

又HOG

qn,BKY2 S

KY2

qn,BHOG s

21.6020.7474

d

4

2

57.5mol.m3.s1

（3）若填料层增加3m，则：

'NOG

H'9

12.042m HOG0.7474

NOG

11

22.4698

Y2' 0.0011

20.05262 ln (1 )

2.4698Y2'2.4698

又 液气比一定，则：

Y1 Y2'

2.4698,X1' 4004.45mol

则：

X1' 0.02085

n' X1'qn,B 0.02085 53.35 3600

m 58n' 232.26kg m 232.26 225.4 6.9kg

13解：（1）

100

22.4Y1 0.07531000 22.4

32

Y2 0.0753 (1 0.98) 0.0015X1 0.0196X2 0

q0.278 1000

n,B

12.41mol.s 1

22.4

qn,B(Y1 Y2) qn,C(X1 X2)12.41 (0.0753 0.0015)

qn,C(0.0196 0)

q 1n,C 46.72mol.s 0.84kg.s 1

（2）

H HOG NOG

Y1=0.073 Y2=0.0015 X1=0.0196 X2=0

Y1*=1.15X1=0.0225 Y2*=1.5X2=0

YY1 Y1*)m

(Y*ln

1 Y1Y2 Y2*

0.073 0.0025 0.0015

ln

0.073 0.0025 0.018

0.0015

N

Y1 Y2OG Ym

0.0753 0.0015

0.018

4.1

0.5 1000

HOG 26.41

0.845m

H 4.1 0.845 3.46m

14解： （1）HOG

HN

OG

Y1=0.025 Y2=0.0045 X1=0.008 X2=0

Y1*=1.5X1=0.012 Y2*=1.5X2=0

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