(完整版)化工原理期末試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.某U型管壓差計測量管道內(nèi)兩點(diǎn)的壓差，若指示液為水銀（密度13600kg/m3），被測流體為水（密度1000kg/m3），壓差計讀數(shù)為200mm，則兩點(diǎn)間的壓差為（）。A.2.47×10?PaB.2.67×10?PaC.3.14×10?PaD.3.52×10?Pa2.圓管內(nèi)流體流動時，若雷諾數(shù)Re=1500，則流型為（）。A.層流B.過渡流C.湍流D.無法判斷3.離心泵的“氣縛”現(xiàn)象是由于（）。A.泵內(nèi)存在氣體，導(dǎo)致吸不上液體B.葉輪旋轉(zhuǎn)過快，液體無法形成足夠離心力C.入口管路阻力過大，液體無法進(jìn)入泵體D.液體溫度過高，發(fā)生汽化4.流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時，對流傳熱系數(shù)α與流速u的關(guān)系約為（）。A.α∝u?·3B.α∝u?·?C.α∝u?·?D.α∝u1·?5.某換熱器中，熱流體從120℃冷卻至80℃，冷流體從30℃加熱至60℃，則逆流時的對數(shù)平均溫差為（）。A.50℃B.55℃C.60℃D.65℃6.精餾操作中，若進(jìn)料為飽和液體（q=1），則q線方程的斜率為（）。A.0B.1C.無窮大D.-17.雙組分理想溶液的相對揮發(fā)度α=2.5，若液相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)x=0.4，則與之平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)y為（）。A.0.571B.0.625C.0.714D.0.8338.吸收操作中，當(dāng)氣液平衡關(guān)系為y=mx，液氣比為L/V時，若L/V>m，則吸收推動力（）。A.隨液氣比增大而減小B.隨液氣比增大而增大C.與液氣比無關(guān)D.先增大后減小9.恒壓過濾過程中，過濾速率隨時間的變化趨勢為（）。A.逐漸增大B.逐漸減小C.保持不變D.先增大后減小10.流化床中，當(dāng)氣速超過顆粒的帶出速度時，會發(fā)生（）。A.顆粒流化B.顆粒團(tuán)聚C.顆粒被氣流帶出D.床層膨脹二、填空題（每空1分，共20分）1.流體靜力學(xué)基本方程的表達(dá)式為________，其物理意義是________。2.圓管內(nèi)層流流動時，平均流速為管中心最大流速的________倍；湍流流動時，平均流速約為管中心最大流速的________倍（取常用近似值）。3.離心泵的主要性能參數(shù)包括________、________、________和效率。4.傅里葉定律的表達(dá)式為________，其中比例系數(shù)λ稱為________，單位為________。5.總傳熱系數(shù)K的倒數(shù)表示________，其單位為________。6.精餾塔中，塔頂冷凝器的作用是________，塔底再沸器的作用是________。7.吸收過程的推動力可用氣相分壓差表示為________，或液相濃度差表示為________（用y、y、x、x等符號表示）。8.恒壓過濾時，過濾常數(shù)K與________、________和________有關(guān)。9.萃取操作中，分配系數(shù)kA的定義是________，選擇性系數(shù)β的定義是________（用溶質(zhì)A、稀釋劑B的濃度表示）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述離心泵啟動前需要灌泵的原因，并說明如何判斷泵是否發(fā)生“氣蝕”。2.比較層流與湍流的主要區(qū)別，說明雷諾數(shù)的物理意義。3.分析影響對流傳熱系數(shù)的主要因素，并舉例說明工業(yè)中強(qiáng)化傳熱的常用方法。4.精餾操作中，回流比R對理論塔板數(shù)N和能耗有何影響？畫出全回流、最小回流比及適宜回流比下的操作線位置關(guān)系。5.吸收塔中，液氣比L/V的選擇需考慮哪些因素？若實(shí)際液氣比小于最小液氣比（L/V）min，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？四、計算題（共30分）1.（8分）某水平輸水管路，內(nèi)徑為50mm，水的流量為5m3/h，水溫20℃（水的密度ρ=998kg/m3，黏度μ=1.005×10?3Pa·s）。管路中裝有一個90°彎頭（局部阻力系數(shù)ζ=0.75）和一個截止閥（局部阻力系數(shù)ζ=6.0），直管段總長度為50m，管壁絕對粗糙度ε=0.2mm。試計算管路的總阻力損失（包括沿程阻力和局部阻力）。2.（8分）某列管換熱器用120℃的飽和水蒸氣加熱某有機(jī)液體（定性溫度下比熱容c?=2.5kJ/(kg·℃)，密度ρ=850kg/m3），有機(jī)液體流量為5000kg/h，從20℃加熱至80℃。換熱器的總傳熱系數(shù)K=400W/(m2·℃)，設(shè)水蒸氣側(cè)的冷凝熱為r=2200kJ/kg，忽略熱損失。試求：（1）有機(jī)液體吸收的熱量；（2）所需的傳熱面積。3.（7分）在常壓連續(xù)精餾塔中分離苯-甲苯混合液，原料液中苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.4（苯的汽化潛熱r=390kJ/kg，甲苯r=360kJ/kg），進(jìn)料為飽和液體（q=1），塔頂餾出液中苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.95，塔底釜液中苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.05。物系的相對揮發(fā)度α=2.5，操作回流比R=2Rmin。試計算：（1）最小回流比Rmin；（2）精餾段操作線方程。4.（7分）用清水吸收空氣中的SO?，已知入塔氣體中SO?的摩爾分?jǐn)?shù)為0.05（惰性氣體流量V=100kmol/h），要求吸收率η=90%。氣液平衡關(guān)系為y=2x（y、x為摩爾分?jǐn)?shù)），操作液氣比L/V=1.5（L/V）min。試計算：（1）出塔液體中SO?的摩爾分?jǐn)?shù)x?；（2）氣相總傳質(zhì)單元數(shù)N?G（用對數(shù)平均推動力法）。答案一、選擇題1.A（Δp=(ρ汞-ρ水)gh=(13600-1000)×9.81×0.2≈2.47×10?Pa）2.A（Re<2000為層流）3.A（氣縛因泵內(nèi)氣體密度小，離心力不足）4.C（湍流時α∝u?·?）5.B（逆流ΔT1=120-60=60℃，ΔT2=80-30=50℃，ΔTm=(60-50)/ln(60/50)=55℃）6.C（q=1時q線為垂直線，斜率無窮大）7.A（y=αx/(1+(α-1)x)=2.5×0.4/(1+1.5×0.4)=0.571）8.B（L/V>m時，操作線在平衡線上方，推動力(y-y)增大）9.B（恒壓下濾餅增厚，阻力增大，速率減小）10.C（氣速超過帶出速度時顆粒被氣流帶走）二、填空題1.p=p?+ρgh；靜止流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)等于液面壓強(qiáng)加上該點(diǎn)深度的流體靜壓強(qiáng)2.0.5；0.8（或0.82）3.流量（揚(yáng)程）、揚(yáng)程（流量）、軸功率4.q=-λ(dT/dy)；導(dǎo)熱系數(shù)；W/(m·℃)5.總熱阻；m2·℃/W6.將塔頂上升蒸氣冷凝為液體（提供回流）；將塔底液體部分汽化（提供上升蒸氣）7.y-y；x-x8.過濾壓強(qiáng)差Δp、濾液黏度μ、濾餅比阻r9.萃取相中A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/萃余相中A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；kA/kB（或(yA/xA)/(yB/xB)）三、簡答題1.原因：離心泵依賴葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力輸送液體，若泵內(nèi)有氣體，氣體密度遠(yuǎn)小于液體，離心力不足以形成足夠的真空度，導(dǎo)致無法吸液（氣縛）。判斷氣蝕：泵內(nèi)局部壓力低于液體飽和蒸氣壓時，液體汽化產(chǎn)生氣泡，氣泡在高壓區(qū)破裂沖擊葉輪，伴隨振動、噪聲和揚(yáng)程下降。2.主要區(qū)別：層流時流體分層流動，無徑向混合；湍流時流體質(zhì)點(diǎn)劇烈混合，存在渦流。雷諾數(shù)Re=duρ/μ，物理意義是慣性力與黏性力的比值，Re越大，慣性力主導(dǎo)，流型越易轉(zhuǎn)為湍流。3.影響因素：流體種類（如液體α>氣體）、流動狀態(tài)（湍流α>層流）、流體物性（ρ、μ、c?、λ）、傳熱面形狀（管內(nèi)/外、翅片）。強(qiáng)化方法：提高流速（增大Re）、采用翅片管（增大傳熱面積）、改變流動方向（如折流板增強(qiáng)擾動）。4.回流比R增大，操作線遠(yuǎn)離平衡線，傳質(zhì)推動力增大，理論塔板數(shù)N減少；但R增大需增加塔頂冷凝量和塔底加熱量，能耗升高。全回流時操作線為y=x（斜率1），最小回流比時操作線與q線交點(diǎn)在平衡線上，適宜回流比R=(1.1~2)Rmin，操作線位于全回流與最小回流比之間。5.液氣比選擇需考慮：吸收效率（L/V大，推動力大，吸收率高）、能耗（L/V大，液體循環(huán)量增大，泵功率增加）、經(jīng)濟(jì)成本（需平衡設(shè)備投資與操作費(fèi)用）。若L/V<(L/V)min，操作線與平衡線相交或相切，推動力為零，無法達(dá)到分離要求。四、計算題1.解：（1）流速u=V/(πd2/4)=5/(3600×0.785×0.052)=0.707m/s（2）雷諾數(shù)Re=duρ/μ=0.05×0.707×998/(1.005×10?3)=3.5×10?（湍流）（3）相對粗糙度ε/d=0.2/50=0.004，查莫狄圖得λ=0.028（4）沿程阻力h_f1=λ(l/d)(u2/2)=0.028×(50/0.05)×(0.7072/2)=5.56J/kg（5）局部阻力h_f2=ζ(u2/2)=(0.75+6.0)×(0.7072/2)=2.13J/kg（6）總阻力損失h_f=h_f1+h_f2=7.69J/kg2.解：（1）有機(jī)液體吸熱量Q=q_mc?ΔT=5000×2.5×(80-20)=7.5×10?kJ/h=208333W（2）對數(shù)平均溫差（水蒸氣恒溫120℃，有機(jī)液體20→80℃，逆流ΔT1=120-80=40℃，ΔT2=120-20=100℃）ΔTm=(100-40)/ln(100/40)=65.5℃（3）傳熱面積A=Q/(KΔTm)=208333/(400×65.5)=7.96m2（約8m2）3.解：（1）q=1時，進(jìn)料x_F=0.4，平衡線y=αx/(1+(α-1)x)=2.5x/(1+1.5x)最小回流比時，操作線與q線（x=x_F=0.4）交點(diǎn)在平衡線上，y_q=2.5×0.4/(1+1.5×0.4)=0.571Rmin=(x_D-y_q)/(y_q-x_F)=(0.95-0.571)/(0.571-0.4)=2.22（2）操作回流比R=2×2.22=4.44精餾段操作線方程y=(R/(R+1))x+x_D/(R+1)=4.44/5.44x+0.95/5.44=0.816x+0.1754.解：（1）入塔y?=0.05，出塔y?=y?(1-η)=0.05×0.1=0.005最小液氣比(L/V)min=(y?-y?)/(x?-x?)，x?=0（清水），x?=y?/m=0.05/2=0.025(L/V)min=(0.05-0.005)/(0.025-0)=1.8實(shí)際L/V=1.5×1.8=2.7由物料衡算V(y?-y?)=L(x