2025年化工原理實(shí)驗(yàn)室考試試題及答案一、選擇題（每題3分，共30分）1.在離心泵特性曲線測定實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)出口閥門全關(guān)時(shí)，泵的軸功率達(dá)到最小值。該現(xiàn)象的主要原因是：A.流量為零，液體獲得的機(jī)械能為零B.此時(shí)泵內(nèi)液體僅做內(nèi)循環(huán)，能量損失最小C.電機(jī)輸出功率與流量平方成正比，流量為零時(shí)功率最低D.泵的效率在流量為零時(shí)最高答案：B解析：出口閥門全關(guān)時(shí)，泵內(nèi)液體無法排出，僅在泵殼內(nèi)做內(nèi)循環(huán)，此時(shí)液體獲得的機(jī)械能主要用于克服內(nèi)摩擦，能量損失較小，因此軸功率并非完全為零，但達(dá)到最小值。選項(xiàng)A錯(cuò)誤，因液體仍獲得機(jī)械能；選項(xiàng)C錯(cuò)誤，軸功率與流量的關(guān)系需結(jié)合揚(yáng)程，并非簡單平方關(guān)系；選項(xiàng)D錯(cuò)誤，效率在設(shè)計(jì)流量附近最高。2.某套管換熱器中，熱流體為120℃的飽和水蒸氣，冷流體為20℃的水，逆流操作時(shí)測得冷流體出口溫度為80℃。若改為并流操作（其他條件不變），則冷流體出口溫度最可能為：A.75℃B.80℃C.85℃D.90℃答案：A解析：逆流時(shí)對數(shù)平均溫差（Δtm）大于并流，因此逆流的傳熱推動(dòng)力更大。在傳熱量Q=K·A·Δtm中，若K和A不變，逆流時(shí)Q更大，冷流體溫升更高。改為并流后，Δtm減小，冷流體出口溫度會(huì)低于逆流時(shí)的80℃，故最可能為75℃。3.恒壓過濾實(shí)驗(yàn)中，若過濾介質(zhì)阻力可忽略，當(dāng)過濾時(shí)間增加1倍時(shí)，濾液體積將：A.增加1倍B.增加√2倍C.增加2倍D.增加4倍答案：B解析：恒壓過濾基本方程為V2=KA2τ（介質(zhì)阻力忽略時(shí)），V與√τ成正比。τ增加1倍（即τ’=2τ），則V’=V·√2，故濾液體積增加√2倍。4.精餾實(shí)驗(yàn)中，若保持進(jìn)料流量、組成及熱狀態(tài)不變，僅提高回流比，則塔頂產(chǎn)品中易揮發(fā)組分的純度將：A.降低B.不變C.提高D.先提高后降低答案：C解析：回流比增大時(shí)，精餾段操作線斜率增大，與平衡線的距離增加，傳質(zhì)推動(dòng)力提高，理論板數(shù)減少（或相同板數(shù)下分離效果更好），因此塔頂易揮發(fā)組分純度提高。5.用畢托管測量管內(nèi)流體流速時(shí)，測得的是：A.管道中心處的點(diǎn)流速B.管道截面上的平均流速C.管道壁面處的流速D.管道某點(diǎn)的滯止壓強(qiáng)與靜壓強(qiáng)之差對應(yīng)的流速答案：D解析：畢托管的原理是利用滯止壓強(qiáng)（動(dòng)壓+靜壓）與靜壓強(qiáng)的差值計(jì)算點(diǎn)流速，公式為u=√[2(ρ測-ρ流)gh/ρ流]，其中h為壓差計(jì)讀數(shù)。因此測得的是某點(diǎn)的流速，而非平均流速或特定位置的流速。6.空氣-水蒸氣對流給熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)中，若增大空氣流量，則空氣側(cè)的對流給熱系數(shù)α將：A.減小B.不變C.增大D.先增大后減小答案：C解析：空氣的對流給熱系數(shù)α與流速u的0.8次方成正比（α∝u^0.8），增大空氣流量會(huì)提高流速，因此α增大。7.在吸收實(shí)驗(yàn)中，若保持氣體流量和組成不變，僅增加吸收劑流量，則出塔氣體中溶質(zhì)的組成將：A.升高B.降低C.不變D.先降低后升高答案：B解析：吸收劑流量增大時(shí)，液氣比（L/G）增大，操作線遠(yuǎn)離平衡線，傳質(zhì)推動(dòng)力（y-y）增大，溶質(zhì)吸收率提高，因此出塔氣體溶質(zhì)組成降低。8.以下關(guān)于離心泵氣蝕現(xiàn)象的描述，錯(cuò)誤的是：A.氣蝕發(fā)生時(shí)，泵的流量和揚(yáng)程會(huì)下降B.氣蝕是由于葉輪入口處液體壓強(qiáng)低于飽和蒸氣壓導(dǎo)致C.提高泵的安裝高度可避免氣蝕D.降低液體溫度可減小氣蝕風(fēng)險(xiǎn)答案：C解析：氣蝕的根本原因是葉輪入口處壓強(qiáng)低于液體在操作溫度下的飽和蒸氣壓。提高安裝高度會(huì)增大吸入管路的壓頭損失，導(dǎo)致入口壓強(qiáng)更低，反而加劇氣蝕。降低安裝高度、減小吸入管路阻力或降低液體溫度（降低飽和蒸氣壓）可避免氣蝕。9.某流化床干燥實(shí)驗(yàn)中，若物料含水量已降至臨界含水量以下，繼續(xù)延長干燥時(shí)間，干燥速率將：A.保持恒定B.逐漸減小C.突然增大D.先減小后增大答案：B解析：干燥過程分為恒速階段（物料表面完全潤濕，速率由外部條件決定）和降速階段（物料內(nèi)部水分遷移速率控制）。當(dāng)含水量低于臨界含水量后，進(jìn)入降速階段，干燥速率隨含水量降低而減小。10.用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測量水的流量時(shí)，若實(shí)際水溫高于設(shè)計(jì)水溫（水的密度和粘度均減小），則儀表顯示的流量值將：A.大于真實(shí)流量B.小于真實(shí)流量C.等于真實(shí)流量D.無法確定答案：B解析：孔板流量計(jì)的流量公式為q_v=C0A0√[2(ρ測-ρ流)gh/ρ流]。水溫升高時(shí)，水的密度ρ流減小，分母√ρ流減小，導(dǎo)致計(jì)算的q_v（儀表顯示值）小于真實(shí)流量（因真實(shí)流量需考慮實(shí)際密度變化）。二、填空題（每空2分，共20分）1.離心泵的揚(yáng)程是指單位質(zhì)量流體通過泵后獲得的________，其單位為________。答案：機(jī)械能；m（或J/kg）2.恒壓過濾時(shí)，過濾速率隨過濾時(shí)間的延長而________，原因是________。答案：減??；濾餅厚度增加，過濾阻力增大3.精餾塔中，理論板是指________的理想化塔板。答案：氣液兩相在塔板上充分接觸，達(dá)到相平衡4.對流傳熱的牛頓冷卻公式為________，其中α的物理意義是________。答案：Q=αAΔt；單位面積、單位溫差下的對流傳熱速率5.吸收實(shí)驗(yàn)中，若溶質(zhì)在液相中的溶解度很大（氣膜控制），則總傳質(zhì)系數(shù)K_y近似等于________。答案：氣相傳質(zhì)系數(shù)k_y6.流化床干燥器中，當(dāng)氣速達(dá)到________時(shí)，固體顆粒開始流化；當(dāng)氣速超過________時(shí)，顆粒被帶出床層。答案：臨界流化速度；帶出速度三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述離心泵啟動(dòng)前必須灌泵的原因及不灌泵可能導(dǎo)致的后果。答案：離心泵的工作原理是依靠葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將液體甩出。若泵內(nèi)未充滿液體（存在空氣），由于空氣密度遠(yuǎn)小于液體，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力不足以在入口處形成足夠的真空度，無法將液體吸入泵內(nèi)（此現(xiàn)象稱為“氣縛”）。不灌泵會(huì)導(dǎo)致泵無法正常輸液，同時(shí)可能因空轉(zhuǎn)導(dǎo)致葉輪與泵殼摩擦發(fā)熱，損壞設(shè)備。2.在套管換熱器傳熱實(shí)驗(yàn)中，如何通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算總傳熱系數(shù)K？需要測量哪些參數(shù)？答案：總傳熱系數(shù)K可通過Q=KAΔtm計(jì)算，其中Q為傳熱量。對于熱水-冷水換熱體系，Q可通過冷水的吸熱量計(jì)算：Q=q_m,c·c_p,c·(t2-t1)（q_m,c為冷水質(zhì)量流量，c_p,c為冷水定壓比熱容，t1、t2為冷水進(jìn)出口溫度）。Δtm為對數(shù)平均溫差，Δtm=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)，其中Δt1=T1-t2（熱流體進(jìn)口溫度-冷流體出口溫度），Δt2=T2-t1（熱流體出口溫度-冷流體進(jìn)口溫度）（逆流時(shí)）。需要測量的參數(shù)包括：冷熱水的進(jìn)出口溫度（T1、T2、t1、t2）、冷水的體積流量（通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀取，轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量）、換熱器的傳熱面積A（根據(jù)套管的內(nèi)管尺寸計(jì)算，A=πdL，d為內(nèi)管外徑，L為管長）。3.恒壓過濾實(shí)驗(yàn)中，如何通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定過濾常數(shù)K和介質(zhì)常數(shù)q_e？答案：恒壓過濾基本方程為(q+q_e)2=K(τ+τ_e)，其中q=V/A（濾液體積/過濾面積），τ為過濾時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中可測量不同過濾時(shí)間τ對應(yīng)的濾液體積V，計(jì)算q和τ，然后以q2為縱坐標(biāo)，τ為橫坐標(biāo)作圖，得到一條直線。當(dāng)介質(zhì)阻力不可忽略時(shí)，直線的截距為2q_eK，斜率為K；當(dāng)介質(zhì)阻力可忽略（q_e≈0），則直線過原點(diǎn)，斜率為K。實(shí)際操作中，通常取多組(q,τ)數(shù)據(jù)，通過線性回歸擬合方程q2=Kτ+2q_eKq，從而解出K和q_e。4.精餾實(shí)驗(yàn)中，若塔頂產(chǎn)品純度低于預(yù)期，可能的原因有哪些？如何調(diào)節(jié)？答案：可能原因及調(diào)節(jié)方法：（1）回流比不足：回流比過小會(huì)導(dǎo)致精餾段傳質(zhì)推動(dòng)力不足，分離效果變差。應(yīng)增大回流比（如增加回流量或減少塔頂采出量）。（2）進(jìn)料位置不當(dāng)：若進(jìn)料板位置過高（進(jìn)料在精餾段），會(huì)導(dǎo)致提餾段板數(shù)不足，重組分上移；若過低（進(jìn)料在提餾段），則精餾段板數(shù)不足。應(yīng)調(diào)整進(jìn)料板至適宜位置（接近進(jìn)料熱狀態(tài)對應(yīng)的理論板）。（3）加熱量不足：塔釜加熱量過小會(huì)導(dǎo)致上升蒸氣量不足，氣液接觸不充分。應(yīng)增大加熱功率，提高塔內(nèi)氣速。（4）原料組成變化：若原料中易揮發(fā)組分含量降低，會(huì)導(dǎo)致塔頂純度下降。需確認(rèn)原料組成，必要時(shí)調(diào)整操作參數(shù)。5.比較強(qiáng)制對流和自然對流的區(qū)別，并舉例說明化工原理實(shí)驗(yàn)中涉及的強(qiáng)制對流現(xiàn)象。答案：強(qiáng)制對流是流體在泵、風(fēng)機(jī)等外力作用下產(chǎn)生的流動(dòng)，流動(dòng)速度較高，傳熱系數(shù)較大；自然對流是流體因溫度差引起密度差而產(chǎn)生的流動(dòng)，速度較低，傳熱系數(shù)較小?；ぴ韺?shí)驗(yàn)中涉及的強(qiáng)制對流現(xiàn)象包括：離心泵輸送液體時(shí)管道內(nèi)的流動(dòng)、空氣-水蒸氣換熱實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣流動(dòng)、精餾塔內(nèi)上升蒸氣的流動(dòng)（由塔釜加熱產(chǎn)生的強(qiáng)制流動(dòng)）等。四、實(shí)驗(yàn)操作題（20分）請?jiān)敿?xì)描述“離心泵特性曲線測定”實(shí)驗(yàn)的操作步驟，并說明實(shí)驗(yàn)中需要注意的關(guān)鍵事項(xiàng)。答案：操作步驟：1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：檢查離心泵、電機(jī)、壓力表、真空表、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、水箱等設(shè)備是否完好；向泵內(nèi)灌泵，打開泵的進(jìn)口閥，關(guān)閉出口閥，開啟排氣閥，待排氣閥流出連續(xù)液體無氣泡后關(guān)閉排氣閥。2.啟動(dòng)與調(diào)試：啟動(dòng)電機(jī)，緩慢開啟出口閥，調(diào)節(jié)流量至最?。ǔ隹陂y微開），待系統(tǒng)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)：電機(jī)功率（由功率表讀?。?、壓力表讀數(shù)（泵出口壓強(qiáng)p2）、真空表讀數(shù)（泵進(jìn)口壓強(qiáng)p1）、轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)（流量q_v）、流體溫度（計(jì)算密度用）。3.數(shù)據(jù)采集：逐漸開大出口閥，分5-8個(gè)流量點(diǎn)（覆蓋0.8q_e至1.2q_e，q_e為泵的額定流量），每個(gè)流量點(diǎn)穩(wěn)定2-3分鐘后記錄對應(yīng)p1、p2、q_v、電機(jī)功率及溫度。4.停機(jī)：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉出口閥，再關(guān)閉電機(jī)，最后關(guān)閉進(jìn)口閥，清理實(shí)驗(yàn)臺。關(guān)鍵注意事項(xiàng)：（1）灌泵必須徹底，否則會(huì)發(fā)生氣縛，無法正常輸液；（2）啟動(dòng)時(shí)出口閥應(yīng)關(guān)閉，避免電機(jī)啟動(dòng)電流過大；（3）每個(gè)流量點(diǎn)需待壓強(qiáng)、流量穩(wěn)定后再讀數(shù)，避免波動(dòng)誤差；（4）實(shí)驗(yàn)中需監(jiān)測電機(jī)溫度，若異常升高應(yīng)立即停機(jī)；（5）測量溫度用于修正水的密度（ρ=1000/(1+0.0002t)，t為℃），確保揚(yáng)程計(jì)算準(zhǔn)確；（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需排凈泵內(nèi)液體，防止冬季凍裂設(shè)備。五、綜合分析題（30分）某實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行乙醇-水精餾實(shí)驗(yàn)，已知：進(jìn)料為泡點(diǎn)液體（q=1），進(jìn)料組成x_F=0.3（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），塔頂采出量D=20kmol/h，塔釜采出量W=30kmol/h，塔頂產(chǎn)品組成x_D=0.85，塔釜產(chǎn)品組成x_W=0.05，操作回流比R=2.5，物系的氣液平衡關(guān)系為y=2.45x/(1+1.45x)。（1）計(jì)算原料液流量F及塔頂、塔釜的采出率（D/F、W/F）；（2）寫出精餾段和提餾段的操作線方程；（3）用逐板計(jì)算法計(jì)算理論板數(shù)（包括再沸器），并確定進(jìn)料板位置。答案：（1）根據(jù)物料衡算：F=D+W=20+30=50kmol/hD/F=20/50=0.4，W/F=30/50=0.6（2）精餾段操作線方程：y=(R/(R+1))x+x_D/(R+1)=(2.5/3.5)x+0.85/3.5≈0.714x+0.243提餾段操作線方程需先計(jì)算L’和V’：泡點(diǎn)進(jìn)料q=1，L’=L+qF=RD+F=2.5×20+50=100kmol/hV’=V-(1-q)F=V=R+1)D=(2.5+1)×20=70kmol/h（因q=1，V’=V）提餾段操作線方程：y=(L’/V’)x-(Wx_W)/V’=(100/70)x-(30×0.05)/70≈1.429x-0.0214（3）逐板計(jì)算理論板數(shù)（從塔頂開始，假設(shè)塔頂為全凝器，第一板下降液體組成x1=x_D=0.85）：第1板上升蒸氣y1=x_D=0.85（全凝器）由平衡方程y=2.45x/(1+1.45x)，代入y1=0.85，解得x1’=y1/(2.45-1.45y1)=0.85/(2.45-1.45×0.85)=0.85/(2.45-1.2325)=0.85/1.2175≈0.698（第1板液相組成x1=x1’=0.698）第2板上升蒸氣y2=0.714x1+0.243=0.714×0.698+0.243≈0.499+0.243=0.742由平衡方程得x2=0.742/(2.45-1.45×0.742)=0.742/(2.45-1.076)=0.742/1.374≈0.540第3板y3=0.714×0.540+0.243≈0.386+0.243=0.629x3=0.629/(2.45-1.45×0.629)=0.629/(2.45-0.912)=0.629/1.538≈0.409第4板y4=0.714×0.409+0.243≈0.292+0.243=0.535x4=0.535/(2.45-1.45×0.535)=0.535/(2.