《化工原理》期末試卷

專業(yè)班級材料化學(xué)

學(xué)號_________________________

姓名_________________________

開課系室化學(xué)工程系

考試日期

一、填空題（共30分，每空1分）

1.研究單元過程的四個(gè)基本工具包括物料衡算、、和

過程速率。

2.某臺設(shè)備在負(fù)壓下操作，指示其內(nèi)部壓力的真空表讀數(shù)為

220mmHg,若當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?60mmHg,則設(shè)備內(nèi)部的絕對壓力

為kPa。

3.一般情況下，溫度升高時(shí)，氣體的粘度，液體的粘

度o

4.液體離開離心泵的葉輪進(jìn)入蝸殼后，由于蝸殼流道逐漸,液

體流速不斷，液體壓力上升。

5.降塵室中顆粒能被分離出來的必要條件

是O

6.在管內(nèi)空氣對流傳熱系數(shù)測定的實(shí)驗(yàn)中，在套管換熱器內(nèi)用飽和水

蒸氣加熱空氣，傳熱壁面的溫度應(yīng)接近于的溫度，總傳熱

系數(shù)接近于側(cè)的對流傳熱系數(shù)。

7.根據(jù)黑體輻射的斯蒂芬一波耳茲曼定律，溫度為500K的黑體的輻射

能力為W/m\

8.大容積飽和沸騰隨溫差的變化出現(xiàn)三種不同的沸騰狀態(tài)，即自然對

流、_________

和0

9.根據(jù)溶液與蒸汽流向的相對關(guān)系，多效蒸發(fā)常見以下三種操作流程:

并流加料、

和O

10.濃度為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硝酸鈉水溶液，以2000kg/h的流率進(jìn)料,

在單效蒸發(fā)器中濃縮，若水分蒸發(fā)量為500kg/h,則完成液濃度

為O

11.某泡點(diǎn)進(jìn)料的連續(xù)精儲(chǔ)塔，已知其操作線方程分別為y=0.75X+0.24

和y=l.2x-0.02,則回流比R=,儲(chǔ)出液組成xu=,

釜液組成X.=O

12.一塊完整的溢流式塔板可以分

為、、、安定區(qū)和邊緣區(qū)五

個(gè)區(qū)域。

13.用對流干燥除去濕物料中的水分時(shí)，當(dāng)干燥介質(zhì)一定，濕物料

中水分可以除去，

水分不可以除去。

14.已知某濕空氣的總壓為一個(gè)大氣壓，某溫度下水蒸氣的飽和蒸

氣壓為10kPa,若此溫度下該濕空氣的相對濕度為50%,則其絕對

濕度應(yīng)為kg水/kg絕干空氣。

15.已知濕物料進(jìn)料量為2000kg/h,物料的初始含水量為50%（濕

基，以下同），干燥完成時(shí)物料含水量20%,則物料失去的水分為

kg/ho

16.由干燥速率曲線可將干燥過程分為三段，即物料預(yù)熱階段、

和0

17.根據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑間作用力類型的不同，可將吸附分為兩類，即

和O

二、簡答題（共20分，每題5分）

1、如圖所示，左側(cè)水槽中液面高度H保持不變，若閥門開度減小，則

閥門前后兩根測壓管中水--------J

面如何變化？為什么？（假H：［

設(shè)此時(shí)摩擦系數(shù)入不變）一二:H

—；--------------------

__________I

2、簡述恒壓過濾實(shí)驗(yàn)中測定過濾常數(shù)的原理。

3、畫出板式塔氣液負(fù)荷性能圖并標(biāo)明各線的名稱。

4、畫出干燥平衡曲線，并在圖中標(biāo)明結(jié)合水、非結(jié)合水、自由水和平

衡水的含量。

三、計(jì)算題（50分）

1、（20分）用水泵向高位水箱供水（如附

圖所示），管路流量為150m-Vh,泵軸中心

線距水池液面和水箱液面的垂直距離分

別為2m和45m。泵吸入管與排出管分別

為內(nèi)徑205mm和內(nèi)徑180mm的鋼管。吸入管管長50m（包括吸入管路

局部阻力的當(dāng)量長度），排出管管長200m（包括排出管路局部阻力的當(dāng)

量長度），管內(nèi)摩擦系數(shù)入=0.025,水的密度1000kg/n?,粘度I.OXIO^

Pas,泵的效率為65%。

試求：（1）吸入管和排出管內(nèi)的流速、雷諾數(shù)各為多少？各屬于哪種流

動(dòng)類型？（4分）

（2）泵吸入口處A點(diǎn)的真空表讀數(shù)？（6分）

（3）泵向單位質(zhì)量流體所作的功為多少？（6分）

（4）泵的軸功率是多少？（4分）

2、（15分）在某廠一套管換熱器中，將某溶液與冷卻水進(jìn)行逆流換熱,

已知內(nèi)管尺寸為①25x2.5mm,溶液走管外，流量為1000kg/h,比熱為

3.35kJ/（kg-K）,對流傳熱系數(shù)為1163W/（m2.℃）,從150c冷卻到80℃；

冷卻水走管內(nèi)，從15℃加熱到65℃,定性溫度下水的物理性質(zhì)如下：

比熱為4.174kJ/（kg-K）,導(dǎo)熱系數(shù)為0.6338W/（m-K）,粘度為0.656mPa-s,

密度為992.2kg/m\

求：（1）冷卻水用量；（2分）

（2）冷卻水的對流傳熱系數(shù)；（5分）

（3）如果忽略管壁熱阻，求以傳熱外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)；（2

分）

（4）該換熱器使用6個(gè)月后，由于水側(cè)管壁生垢，使傳熱能力下降，

若冷卻水流量不變，則水的出口溫度為60C,求污垢熱阻。（6分）

3、（15分）含甲醇0.4（摩爾分率，以下同）的甲醇水溶液，在常壓

連續(xù)精微塔中分離，進(jìn)料速率為500kmol/h,飽和液體進(jìn)料，操作回流

比為1.2,進(jìn)料中甲醇的93%進(jìn)入塔頂儲(chǔ)出液中，要求儲(chǔ)出液中甲醇摩

爾分率為0.93,全塔平均相對揮發(fā)度為4.0。

試求：（1）塔頂、塔底的產(chǎn)品量及塔釜?dú)堃褐屑状己浚唬?分）

（2）操作回流比是最小回流比的幾倍？（6分）

（3）由第二塊塔板（從塔頂向下數(shù)）上升的汽相組成丫2。（5分）

《化工原理》期末試題答案

專業(yè)班級材料化學(xué)

開課系室化學(xué)工程系

考試日期__________________________

一、填空題（共30分，每空1分）

17.能量衡算、系統(tǒng)的平衡關(guān)系

18.72

19.增大，減小

20.擴(kuò)大，下降

2|H/ut<L/u

22.水蒸氣，空氣

23.3543.75

24.核狀沸騰和膜狀沸騰

25.逆流加料和平流加料

26.26.67%

27.R=3,xD=0.96,xw=0,1

28.降液管區(qū)、受液盤區(qū)、有效傳質(zhì)區(qū)（鼓泡開孔區(qū)）

29.自由，平衡

30.0.0323

31.750

32.恒速干燥階段和降速干燥階段

17.物理吸附和化學(xué)吸附

二、簡答題（共20分，每題5分）

1、答：以管路中心線為高度基準(zhǔn)，水槽液面為1-1截面，管路出口處

為2-2截面，列兩截面間的

柏努利方程:

,2.2

Z]+—+—=z+—4

2gpg2'2g~LXJ——

已知,U1=O,P1=P2=（X表壓）,

2

Z2=0,上式變?yōu)閆i=—2g-

當(dāng)閥門開度減小時(shí)，流體流動(dòng)阻力增大，即ZHf增大，由上式可知u2

以閥門左邊測壓管下端垂直于水平管路的截面為3-3截面，列1-1截面

2

2gpg乙/'i

至3-3截面間的柏努利方程:

由于U2下降，￡Hf,L3也下降，所以P3上升，測壓管中水面上升。

（2分）

以閥門右邊測壓管下端為4-4截面，列4-4截面至2-2截面間的柏努利

方程：

區(qū)=區(qū)+￡〃…

PgPS

P2=0（表壓），由于U2下降，EHf,4-2也下降，所以P4減小，測壓管中水

2、答：恒壓過濾基本方程為=

t12

上式可變形為：廠六+六

（2分）

由此可知，t/q與q成直線關(guān)系，在直角坐標(biāo)紙上，若用縱坐標(biāo)表

示t/q,橫坐標(biāo)表示q做圖得一條直線。直線的斜率為1/K,截距為2qe/K,

由此可以求出K,qe，進(jìn)而求得te=qe2/K,所求得的K、qe和te即為恒

壓過濾操作條件下的過濾常數(shù)。（3分）

3、答：1、過量液沫夾帶線

2、過量漏液線

3、液泛線

4、液相負(fù)荷下限線

5、液相負(fù)荷上限線

（畫出圖給3分，標(biāo)明各線名稱給2分）

4、答：（畫出圖給3分，標(biāo)明各種水的的含量給2分）

D

計(jì)算題

（50分）

1、解：（1）已知水流量

qv=150m3/h=0.0417

m3/s

泵吸入管內(nèi)水的流速：

0.0417

u=Qv1.264m/5

]0.785J,2-0.785x0.2052

泵排出管內(nèi)水的流速:

0.0417

uqv1.640m/s

20.785d；0.785x0.182

（2分）

泵吸入管內(nèi):

_0.205x1.264x1000

Rej2.591xlO5>4000

l.OxlO-3,為湍流

dup_0.180x1.640x1000

Re222.952xlO5>4000

泵排出管內(nèi)：2l.OxlO-3

湍流（2分）

（2）以水池液面為高度基準(zhǔn)面,列1―1面到真空表處的柏努利方程:

「3-2,

2gpg

（1分）

已知,Z|=0,U|=0,pi=0（表壓）,Z2=2m,U2=1.264m/s,

50xl.2642

YHf=0.025--------------=0.497w

d2g2x9.81x0.205

（2分）

2

Pl=P\~PS（^2+五+Z"/）

1QfZA-

=0-1000x9.81（2++0.497）=—25294.4A/

2x9.81

（3分）

真空表讀數(shù)為25294.4Pa

（3）列1—1面和3—3面間的柏努利方程:

92

U：Pi]“3P3▼7

“+++兒=<?0+

2po2p

（1分）

已知，z）=0,Ui=O,pi=O（表壓），Z3=47m,U3=0,p3=0（表壓）

+/L

~d2--r

50xl.2642200X1,642

=0.025+0.025=4223J/kg

2x0.2052x0.18

（3分）

將以上數(shù)據(jù)代入柏努利方程，得：

2

he=gz3+^-+Yhf=9.81x47+42.23=503.3J/kg

（2分）

（4）泵的有效功率Nc=hcqm=503.3X0.0417X1000=21kW

（2分）

軸功率為N=Ne/r|=210.63=2.^

（2分）

2、解：（1）已知：d|=0.02m,d2=0.025m,Wi=1000kg/h,Cpi=3.35kJ/（kg-K）,

2

h2=1163W/（m.℃）,

Ti=150℃,T2=80℃,3=15℃,t2=65℃,

定性溫度下水的性質(zhì)為：Cp2=4.174kJ/（kgK）,X.=0.6338W/（mK）,

g=0.656mPas,p=992.2kg/m3

由熱量衡算，得：

卬￡。-心）1000x3.35x(150-80)

%=n

Cp2（，2-）4.174x(65-15)(2分)

%1123.6/3600，

u=---=----------；------=1.0〃？/s

”0.785x0.022x992.2

dP

⑵管內(nèi)冷卻水流速為:4'

(2分)

Re=—J02x1.0x992.2=30250

〃0.656x10-3

cCp〃4.174X103X0.656X10-3…

rr=-----=--------------------=4.32

20.6338

冷卻水的對流傳熱系數(shù)為：

080408042

h1=0.023—RePr=0.023^^(30250)(4.32)=5028.3W/(m?7

d10.02

(3分)

(3)總傳熱系數(shù)為(忽略管壁熱阻)

1251

----------------------1----------=0.001108m2.K/W

5028.3x201163

2

K2=902.2W//(m-K)

（2分）

（4）因有水垢生成，出口水溫降為60c

由熱量衡算%—2?2'F）=卬。,,口一72'）

＜八1123.6x4.174x（60-15）

21000x3.35

（1分）

人，(150-65)-(80-15)

乂=^50^65-=74.56C

In

原狀態(tài)下80-15

（150-60）-（87-15）

80.67°C

J0s60

使用6個(gè)月后87-15

（2分）

Q2=W2Cp2（65-l5）=K2AAtm

02'=卬2。/,2（60-15）=K2'A。/

X

.Q2_5Q=902.274.56

-

"Q/45-/T2'x80.67

（1分）

2

K2'=150.5W/（m-K）

抬=*+3+&今

4/11d20125

--（2x）=--z（------）=0.000179（/

d2K2'h2hldl25750.511635028.3x20

（2分）

3、（15分）解：（1）改口F=500kmol/h,zF=0.4,xD=0.93,DXD/FZF=0.93

D=200kmol/h,W=F-D=300kmol/h

（2分）

由物料衡算：FZF=DXD+WXW

得：xw=0.0467

（2分）

（2）飽和液體進(jìn)料，則：q=l,Xd=ZF=0.4

axr，4x0.4八rcr

yd=--------------=----------=0.727

代入相平衡方程："1+3-1況1+3x04

（2分）

(2分)

R/Rmin=1.2/0.621=1.932

（2分）

(3)精儲(chǔ)段操作線方程為:

RI1.20.93八…八…

），，Xr.—xH------0.545x+0.423

+'~R+\Xn+R+\02.2"2.2"

（1分）

己知yi=XD=0.93,則與yi成平衡的xi為:

093

——=0.769

a-（a-l）j14-3x0.93

（2分）

>2=0.545%!+0.423=0.545x0.769+0.423=0.842

（2分）

《化工原理》期末試卷

專業(yè)班級材料化學(xué)

一、填空與選擇（共30分，每空1分）

33.化學(xué)工程中的“三傳一反”指的是質(zhì)量傳遞、、

和反應(yīng)工程。

34.流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)引起機(jī)械能損失，這是由

于0

35.一般情況下，溫度升高時(shí)，氣體的粘度，液體的粘

度0

36.離心泵啟動(dòng)前灌泵是為了防止現(xiàn)象；離心泵的安裝高度超

過允許安裝高度時(shí)，離心泵會(huì)發(fā)生_________現(xiàn)象。

37.在恒壓過濾實(shí)驗(yàn)中，為求得過濾常數(shù)而使用的公式

為。

38.降塵室中顆粒能被分離出來的必要條件是o

39.恒壓過濾時(shí)，當(dāng)洗滌液粘度與濾液粘度一致，并采用橫穿洗法時(shí)，

板框過濾機(jī)洗滌速率為過濾終了速率的o

40.根據(jù)黑體輻射的斯蒂芬一波耳茲曼定律，溫度為1000K的黑體的輻

射能力為W/m2o

41.在套管換熱器中，水蒸汽冷凝加熱內(nèi)管中流動(dòng)的空氣，現(xiàn)空氣流速

增加一倍，則總傳熱系數(shù)約增加倍。

42.W72%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硝酸氨水溶液在單效蒸發(fā)器中濃縮至90%,

溶液的進(jìn)料流率為4000kg/h,則需蒸發(fā)出的水分量為

kg/ho

43.單效蒸發(fā)過程中的溫度差損失包括三部分，分別是、

和二次蒸汽的流動(dòng)阻力損失引起的溫度差損失。

44.精編得以進(jìn)行的三個(gè)必要條件分別是、

和0

45.某泡點(diǎn)進(jìn)料的連續(xù)精儲(chǔ)塔，已知其操作線方程分別為y=0.667x+0.32

和y=l.5x-0.05,則回流比R=,微出液組成Xo=,釜液

組成X,=O

46.寫出三種常見散裝填料的名稱：、、o

47.干燥系統(tǒng)熱量衡算表明，提供的熱量主要用于四個(gè)方面：即汽

化濕分、、

和設(shè)備熱損失。

48.已知某濕空氣的總壓為101.3kPa,某溫度下水蒸氣的飽和蒸氣

壓為5kPa,若此溫度下該濕空氣的相對濕度為60%,則其絕對濕度

應(yīng)為kg水/kg絕干空氣。

49.已知某干燥器濕物料進(jìn)料量為1000kg/h,物料的初始含水量為30%

（濕基，以下同），干燥完成時(shí)物料含水量15除則物料失去的水分

為kg/ho

50.結(jié)晶單元操作中，晶核的生成機(jī)理主要有三種，即、

和二次成核。

二、簡答題（共20分，每題5分）

1、什么是離心泵的工作點(diǎn)？單泵操作時(shí)常用的流量調(diào)節(jié)手段有哪些？

2、畫出干燥速率曲線，并標(biāo)明曲線中各段對應(yīng)的干燥階段。

3、簡述板式塔的不正常操作現(xiàn)象中漏液的原因及危害

4、畫出水的大容積飽和沸騰曲線，并在圖中標(biāo)明各種沸騰狀態(tài)所在區(qū)

域。

三、計(jì)算題（50分）

1、（15分）如圖，用一離心泵從露天貯水罐向一設(shè)備輸送密度為

lOOOkg/n?的水，設(shè)備內(nèi)液面上方壓力為O.latm（表），輸送管線規(guī)格均

為小57X3.5mm鋼管，管路總長（包括所有當(dāng)量長度）為300m,摩擦

系數(shù)入=0.025可視為常數(shù)，

管路中有一截止閥，閥兩側(cè)

接一倒裝U形管壓差計(jì)，已

知泵的特性曲線為：

62

H=32.94-2.202X10qv（式

中：H為揚(yáng)程，m；qv為流量，m3/s）o

試求：（1）管路內(nèi)水的流量；（7分）

（2）泵的揚(yáng)程和泵的有效功率；（4分）

（3）若管路中截止閥的局部阻力系數(shù)C=6.4,試求壓差計(jì)的讀數(shù)

Ro（4分）

2、（15分）某廠用一套管換熱器冷凝2,000kg/h的甲苯蒸氣，冷凝溫度

為110℃,甲苯的汽化潛熱為363kJ/kg,冷凝傳熱膜系數(shù)為10,000

2

W//（m.K）0冷卻水于16℃及5,000kg/h的流量進(jìn)入套管內(nèi)管（內(nèi)管尺寸

為①57X3.5mm）作湍流流動(dòng)，對流傳熱系數(shù)為2400W〃（m2.K）。水的比

熱為4.19kJ/（kg.℃）,管壁熱阻可忽略。

試求：（1）試計(jì)算冷卻水的出口溫度；（3分）

（2）計(jì)算套管長度；（6分）

（3）由于氣候變化，冷卻水溫度升高到25℃,試計(jì)算該換熱器在

此情況下每小時(shí)可冷凝多少kg的甲苯。（6分）

3、（20分）在一連續(xù)精微塔內(nèi)分離某甲苯-苯二元混合物。已知進(jìn)料中

含甲苯40%（摩爾分率，以下同），進(jìn)料速率為100kmol/h,進(jìn)料中蒸汽

量占一半，塔頂采用全凝器，泡點(diǎn)回流，操作回流比為最小回流比的

L8倍；進(jìn)料中甲苯的96%進(jìn)入儲(chǔ)出液，要求塔頂組成為XD=0.93；塔內(nèi)

的平均相對揮發(fā)度為2.5。

試計(jì)算：（1）塔頂、塔底產(chǎn)品量和塔釜?dú)堃航M成；（4分）

（2）最小回流比Rmin；（5分）

（3）塔內(nèi)由下往上數(shù)塔釜以上第一塊理論板上升氣相的組成；（8

（4）若該板的氣相默弗里效率Emv=0.52,則該板上升的實(shí)際氣

相組成為多少？（3分）

《化工原理》期末試題答案

專業(yè)班級材料化學(xué)

開課系室.化學(xué)工程系

考試日期__________________________

一、填空與選擇（共30分，每空1分）

51.熱量傳遞、動(dòng)量傳遞

52.流體具有粘性而形成內(nèi)摩擦力

53.增大,減小

54.氣縛,氣蝕

t12

55.qKK

56H/u,<L/u

57.1/4

58.56700

59.1.74

60.800

61.溶液沸點(diǎn)升高引起的溫度差損失、液柱靜壓頭引起的溫度差損

宏

62.aW1有汽相和液相回流和有汽液兩相接觸的場所

63.R=2.0x,D=0.96,xw-0.1

64.拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)（或弧鞍形填料、矩鞍形填料等）

65.加熱產(chǎn)品、隨廢氣放空

66.0.0190kg水/kg絕干空氣

67.176.5kg/h

68.初級均相成核、初級非均相成核

二、簡答題（共20分，每題5分）

1、答：離心泵特性曲線（H-qv曲線）與管路特性曲線的交點(diǎn)為離心泵的

工作點(diǎn)。（2分）

常用流量調(diào)節(jié)手段有：改變閥門開度，改變泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和改變?nèi)~

輪直徑。（3分）

2、答：AB段：干燥過程的預(yù)熱階段。干

燥

速

BC段：恒速干燥階段。率

CD段：降速干燥階段。

（畫出圖給3分，標(biāo)明各階段給2

分）

3、答：漏液：部分液體不是橫向流過

塔板后經(jīng)降液管流下，而是從閥孔直接

漏下。（1分）

原因：氣速較小時(shí)，氣體通過閥孔的速度壓頭小，不足以抵消塔板上液

層的重力；氣體在塔板上的不均勻分布也是造成漏液的重要原因。

（2分）

后果：導(dǎo)致氣液兩相在塔板上的接觸時(shí)間減少，塔板效率下降，嚴(yán)重的

漏液使塔板上不能形成液層，氣液無法進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)，塔板將失去其

基本功能。（2分）

4、答：

（回出圖給3分，標(biāo)明各階段給2分）

三、計(jì)算題（50分）

1、解（1）以地面為高度基準(zhǔn)面，水罐液面為1一1截面，設(shè)備內(nèi)液面

為2-2截面，列1-1截面到2-2截面間的柏努利方程：

U2=0m/s

管路中流體流速與流量的關(guān)系為:

4v

U=qv=509.6金

0.785J20.785x0.052

￡吁斗?。。25嗤|僚「…而

（2分）

代入柏努利方程得到管路特性曲線方程:

He=z,~z,=6+01X10+1.985x106=16.19+1

2'pg乙'1000x9.81”

62

將上式與泵的特性曲線方程聯(lián)立：H=32.27-2.202X10qv

3

解得：qv=0.00196m/s

(3分)

(2)管內(nèi)平均流速為：

qv0.00196

U==1.0/77/S

0.785d；0.785x0.052

（1分）

He=16.19+1.985xlO6^=16.19+1.985xl06x.0001962=23.82m

（1分）

Ne=23.82x0.00196x1000x9.81=458.0W

（2分）

（3）截止閥處的阻力損失為：

2]/%2

%=q=6.4x-2-=3.2J/kg

（2分）

hf=9="°一°。）8xRg=3.2J/kg

又?；PP

：.R=3.2/9.81=0.326m

（2分）

2、解（1）甲苯蒸氣冷凝放熱量為：Qi=Wj=2000x363=726000?

冷卻水吸收熱量：

。2=Qt=W2Cp（t2-t,）=5000x4.19x（t2-16）=726000H//i

.r2=50.65C

（3分）

T-r,-（T-r）50.65-16

2=75.35°C

Infin110-16

（2）傳熱平均溫差為T-t2110-50.65

（2分）

總傳熱系數(shù)

1d1571

——=—2Z-+—=--------------+--------=5.75x1（廠加-?爪/w

K2liMh22400x5010000

2

，K2=1739.1W//（m-K）

（2分）

A,=Q/K，M,=726000X1。'=]§39/

.?.傳熱面積3600x1739.1x75.35

套管長度為l=A/7id2=1.539/（兀X0.057）=8.6m

（2分）

(3)冷卻水入口溫度升高后，總傳熱系數(shù)未變，傳熱量變?yōu)?/p>

Q=W2cp2（f2'F'）=K出與4

In上

T-t.2

^^x4.19xl03=