化工單元過程及操作模擬試題（含答案）一、選擇題（每題2分，共30分）1.離心泵的揚(yáng)程是指（）A.液體的升揚(yáng)高度B.1kg液體經(jīng)泵后獲得的能量C.1N液體經(jīng)泵后獲得的能量D.泵的吸液高度答案：C解析：離心泵的揚(yáng)程是指單位重量（1N）液體經(jīng)泵后獲得的能量，它包括液體的位能、動(dòng)能和壓力能的增加等，不僅僅是液體的升揚(yáng)高度，所以A錯(cuò)誤；1kg液體經(jīng)泵后獲得的能量單位是J/kg，而揚(yáng)程單位是m，所以B錯(cuò)誤；泵的吸液高度只是揚(yáng)程的一部分，D錯(cuò)誤。2.流體在圓形直管中作層流流動(dòng)，如果流量等不變，只是將管徑增大一倍，則阻力損失為原來的（）A.1/4B.1/8C.1/16D.1/32答案：C解析：根據(jù)層流時(shí)圓形直管阻力損失公式\(h_f=\frac{32\mulu}{\rhod^{2}}\)，流量\(V=uA=u\frac{\pid^{2}}{4}\)，當(dāng)流量不變，管徑增大一倍時(shí)，流速\(u\)變?yōu)樵瓉淼腬(\frac{1}{4}\)。將\(u\)變?yōu)樵瓉淼腬(\frac{1}{4}\)，\(d\)變?yōu)樵瓉淼?倍代入阻力損失公式，可得新的阻力損失\(h_{f2}=\frac{32\mul\times\frac{u}{4}}{\rho(2d)^{2}}=\frac{1}{16}\times\frac{32\mulu}{\rhod^{2}}=\frac{1}{16}h_{f1}\)。3.精餾操作中，若其他條件都不變，只將塔頂?shù)呐蔹c(diǎn)回流改為過冷液體回流，則塔頂產(chǎn)品組成\(x_D\)變化為（）A.變小B.變大C.不變D.不確定答案：B解析：當(dāng)塔頂泡點(diǎn)回流改為過冷液體回流時(shí)，冷凝器中冷卻劑用量增加，回流液的溫度低于泡點(diǎn)溫度。過冷液體回流到塔頂后，會(huì)使塔內(nèi)的實(shí)際回流比增大，精餾段的分離能力增強(qiáng)，從而使塔頂產(chǎn)品組成\(x_D\)變大。4.吸收操作中，增加吸收劑用量，操作線的斜率（）A.增大B.減小C.不變D.不確定答案：A解析：吸收操作的操作線方程為\(y=\frac{L}{V}x+(y_1-\frac{L}{V}x_1)\)，其中\(zhòng)(\frac{L}{V}\)為操作線的斜率，\(L\)為吸收劑用量，\(V\)為惰性氣體流量。當(dāng)增加吸收劑用量\(L\)，而惰性氣體流量\(V\)不變時(shí)，操作線的斜率\(\frac{L}{V}\)增大。5.對于恒壓過濾，當(dāng)過濾面積\(A\)增大一倍時(shí)，如其他條件不變，則過濾速率為原來的（）A.1倍B.2倍C.\(\sqrt{2}\)倍D.4倍答案：B解析：恒壓過濾速率方程為\(\frac{dV}{dt}=\frac{KA^{2}}{2(V+Ve)}\)，在其他條件不變時(shí)，過濾速率\(\frac{dV}{dt}\)與過濾面積\(A\)的平方成正比。當(dāng)過濾面積\(A\)增大一倍時(shí)，過濾速率變?yōu)樵瓉淼腬(2\)倍。6.某二元混合物，其中A為易揮發(fā)組分，液相組成\(x_A=0.6\)，相應(yīng)的泡點(diǎn)為\(t_1\)，氣相組成\(y_A=0.6\)，相應(yīng)的露點(diǎn)為\(t_2\)，則\(t_1\)與\(t_2\)的關(guān)系為（）A.\(t_1=t_2\)B.\(t_1\ltt_2\)C.\(t_1\gtt_2\)D.不能判斷答案：B解析：對于二元混合物，泡點(diǎn)是指在一定壓力下，液體混合物開始沸騰產(chǎn)生第一個(gè)氣泡時(shí)的溫度；露點(diǎn)是指在一定壓力下，氣體混合物開始冷凝產(chǎn)生第一個(gè)液滴時(shí)的溫度。對于易揮發(fā)組分A含量相同的情況，氣相的溫度要高于液相的溫度才能保持氣相狀態(tài)，所以\(t_1\ltt_2\)。7.在套管換熱器中，用冷水冷卻熱油，熱流體的進(jìn)出口溫度分別為\(100^{\circ}C\)和\(60^{\circ}C\)，冷流體的進(jìn)出口溫度分別為\(20^{\circ}C\)和\(50^{\circ}C\)，則逆流時(shí)的對數(shù)平均溫差為（）A.\(45.9^{\circ}C\)B.\(40^{\circ}C\)C.\(50^{\circ}C\)D.\(36.5^{\circ}C\)答案：A解析：逆流時(shí)，\(\Deltat_1=100-50=50^{\circ}C\)，\(\Deltat_2=60-20=40^{\circ}C\)，根據(jù)對數(shù)平均溫差公式\(\Deltat_{m}=\frac{\Deltat_1-\Deltat_2}{\ln\frac{\Deltat_1}{\Deltat_2}}=\frac{50-40}{\ln\frac{50}{40}}\approx45.9^{\circ}C\)。8.沉降分離的根據(jù)是（）A.流體的流速B.顆粒與流體的密度差C.流體的黏度D.顆粒的形狀答案：B解析：沉降分離是利用顆粒與流體的密度差，使顆粒在重力或離心力等作用下相對于流體產(chǎn)生沉降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)顆粒與流體的分離。流體的流速、黏度和顆粒的形狀等因素會(huì)影響沉降速度，但沉降分離的根本依據(jù)是顆粒與流體的密度差。9.某精餾塔精餾段理論板數(shù)為\(N_1\)層，提餾段理論板數(shù)為\(N_2\)層，現(xiàn)因設(shè)備改造，使提餾段的理論板數(shù)增加，精餾段的理論板數(shù)不變，且\(F\)、\(x_F\)、\(q\)、\(R\)、\(V\)等均不變，則此時(shí)（）A.\(x_D\)增加，\(x_W\)增加B.\(x_D\)增加，\(x_W\)減小C.\(x_D\)減小，\(x_W\)增加D.\(x_D\)減小，\(x_W\)減小答案：B解析：當(dāng)提餾段理論板數(shù)增加，精餾段理論板數(shù)不變，且\(F\)、\(x_F\)、\(q\)、\(R\)、\(V\)等均不變時(shí)，提餾段的分離能力增強(qiáng)，能夠更好地將重組分從液相中分離出來，使得塔底產(chǎn)品中輕組分含量\(x_W\)減小。由于精餾段的分離能力不變，但提餾段分離效果變好，使得進(jìn)入精餾段的氣相中重組分含量降低，有利于精餾段的分離，從而使塔頂產(chǎn)品組成\(x_D\)增加。10.離心泵啟動(dòng)前灌泵是為了防止（）A.氣縛現(xiàn)象B.汽蝕現(xiàn)象C.氣阻現(xiàn)象D.氣體腐蝕答案：A解析：離心泵啟動(dòng)前灌泵是為了排除泵內(nèi)的空氣，使泵內(nèi)充滿液體。如果泵內(nèi)有空氣，由于空氣的密度遠(yuǎn)小于液體的密度，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力很小，無法在泵入口形成足夠的真空度來吸入液體，會(huì)出現(xiàn)氣縛現(xiàn)象，導(dǎo)致泵無法正常工作。汽蝕現(xiàn)象是由于泵內(nèi)壓力過低，液體汽化產(chǎn)生氣泡，氣泡破裂對泵造成損害；氣阻現(xiàn)象通常不是離心泵啟動(dòng)前灌泵要防止的主要問題；氣體腐蝕與灌泵無關(guān)。11.在對流傳熱中，反映流體物性對傳熱影響的準(zhǔn)數(shù)是（）A.雷諾準(zhǔn)數(shù)\(Re\)B.普朗特準(zhǔn)數(shù)\(Pr\)C.努塞爾特準(zhǔn)數(shù)\(Nu\)D.格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)\(Gr\)答案：B解析：普朗特準(zhǔn)數(shù)\(Pr=\frac{\muc_p}{\lambda}\)，其中\(zhòng)(\mu\)為流體的黏度，\(c_p\)為流體的定壓比熱容，\(\lambda\)為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，它反映了流體物性對傳熱的影響。雷諾準(zhǔn)數(shù)\(Re=\frac{du\rho}{\mu}\)主要反映流體的流動(dòng)狀態(tài)；努塞爾特準(zhǔn)數(shù)\(Nu=\frac{hd}{\lambda}\)表示對流傳熱系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系；格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)\(Gr=\frac{g\beta\DeltatL^{3}\rho^{2}}{\mu^{2}}\)用于自然對流中反映浮升力與黏性力的相對大小。12.吸收過程中，當(dāng)操作線與平衡線相切或相交時(shí)，表明吸收過程的推動(dòng)力為（）A.最大B.最小C.零D.不確定答案：C解析：吸收過程的推動(dòng)力是氣相中溶質(zhì)的實(shí)際分壓（或濃度）與平衡分壓（或濃度）之差。當(dāng)操作線與平衡線相切或相交時(shí)，在切點(diǎn)或交點(diǎn)處，氣相中溶質(zhì)的實(shí)際分壓（或濃度）等于平衡分壓（或濃度），此時(shí)吸收過程的推動(dòng)力為零。13.對于間壁式換熱器，冷、熱流體的流向采用逆流操作的優(yōu)點(diǎn)是（）A.提高傳熱系數(shù)B.增大對數(shù)平均溫差C.減少熱損失D.降低流動(dòng)阻力答案：B解析：在間壁式換熱器中，逆流操作時(shí)冷、熱流體的對數(shù)平均溫差比并流操作時(shí)大。根據(jù)傳熱速率方程\(Q=K\Deltat_{m}A\)，在其他條件相同的情況下，對數(shù)平均溫差\(\Deltat_{m}\)增大，可使傳熱速率\(Q\)增大，有利于傳熱。逆流操作對傳熱系數(shù)\(K\)的影響不大；減少熱損失主要與換熱器的保溫措施有關(guān)；逆流操作的流動(dòng)阻力不一定比并流操作低。14.過濾常數(shù)\(K\)與（）無關(guān)。A.濾液的黏度B.過濾壓力差C.過濾面積D.濾餅的壓縮性答案：C解析：過濾常數(shù)\(K=2k\Deltap^{1-s}\)，其中\(zhòng)(k=\frac{1}{\mur_0v}\)，\(\mu\)為濾液的黏度，\(\Deltap\)為過濾壓力差，\(s\)為濾餅的壓縮性指數(shù)。所以過濾常數(shù)\(K\)與濾液的黏度、過濾壓力差和濾餅的壓縮性有關(guān)，而與過濾面積無關(guān)。15.某二元理想溶液的連續(xù)精餾塔，餾出液組成為\(x_D=0.96\)（摩爾分?jǐn)?shù)），精餾段操作線方程為\(y=0.75x+0.24\)，則該塔的回流比\(R\)為（）A.2B.3C.4D.5答案：B解析：精餾段操作線方程的一般形式為\(y=\frac{R}{R+1}x+\frac{x_D}{R+1}\)，已知\(y=0.75x+0.24\)，\(x_D=0.96\)，則\(\frac{R}{R+1}=0.75\)，解方程可得\(R=3\)。二、填空題（每空1分，共20分）1.流體在圓形直管中作層流流動(dòng)時(shí)，其摩擦系數(shù)\(\lambda\)與______有關(guān)，表達(dá)式為______。答案：雷諾數(shù)\(Re\)；\(\lambda=\frac{64}{Re}\)解析：層流時(shí)，流體的流動(dòng)形態(tài)主要受黏性力控制，摩擦系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，根據(jù)理論推導(dǎo)可得\(\lambda=\frac{64}{Re}\)。2.離心泵的主要性能參數(shù)有______、______、______和效率。答案：流量；揚(yáng)程；功率解析：離心泵的流量是指單位時(shí)間內(nèi)泵輸送的液體體積；揚(yáng)程是單位重量液體經(jīng)泵后獲得的能量；功率包括軸功率和有效功率等，效率則反映了泵將輸入功率轉(zhuǎn)化為有效功率的能力。3.精餾塔操作時(shí)，若\(F\)、\(x_F\)、\(q\)、\(R\)不變，而增大塔底產(chǎn)品采出量\(W\)，則\(x_D\)______，\(x_W\)______。答案：增大；增大解析：根據(jù)物料衡算\(F=D+W\)，\(Fx_F=Dx_D+Wx_W\)，當(dāng)\(F\)、\(x_F\)、\(q\)、\(R\)不變，增大\(W\)時(shí)，\(D\)減小。由于精餾段理論板數(shù)不變，較小的塔頂采出量使得塔頂產(chǎn)品組成\(x_D\)增大；同時(shí)，提餾段的分離任務(wù)加重，塔底產(chǎn)品中輕組分含量難以進(jìn)一步降低，反而會(huì)使重組分相對含量增加，即\(x_W\)增大。4.吸收過程的相平衡關(guān)系可以用亨利定律表示，其表達(dá)式為______（用分壓和摩爾分?jǐn)?shù)表示），當(dāng)溫度升高時(shí)，亨利系數(shù)\(E\)______。答案：\(p=Ex\)；增大解析：亨利定律用分壓和摩爾分?jǐn)?shù)表示為\(p=Ex\)，其中\(zhòng)(p\)為溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，\(x\)為溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，\(E\)為亨利系數(shù)。亨利系數(shù)\(E\)隨溫度升高而增大，說明溫度升高時(shí)，氣體在液體中的溶解度減小。5.對流傳熱系數(shù)\(\alpha\)的物理意義是______，其單位是______。答案：當(dāng)流體與壁面溫度差為\(1K\)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量；\(W/(m^{2}\cdotK)\)解析：對流傳熱系數(shù)\(\alpha\)反映了對流傳熱的強(qiáng)烈程度，根據(jù)對流傳熱速率公式\(Q=\alphaA\Deltat\)，可以理解其物理意義。其單位由公式推導(dǎo)可得為\(W/(m^{2}\cdotK)\)。6.過濾操作中，濾液通過濾餅的流動(dòng)屬于______流動(dòng)，可采用______方程描述其流動(dòng)規(guī)律。答案：層流；達(dá)西解析：過濾時(shí)，濾液在濾餅的細(xì)小孔隙中流動(dòng)，流速較低，屬于層流流動(dòng)。達(dá)西方程\(u=-\frac{K}{\mu}\frac{dp}{dl}\)可以用于描述濾液通過濾餅的流動(dòng)規(guī)律，其中\(zhòng)(u\)為濾液的流速，\(K\)為過濾介質(zhì)的滲透率，\(\mu\)為濾液的黏度，\(\frac{dp}{dl}\)為壓力梯度。7.蒸發(fā)操作中，加熱蒸汽的溫度與溶液沸點(diǎn)的差值稱為______，多效蒸發(fā)的目的是______。答案：傳熱溫度差；提高加熱蒸汽的利用率解析：傳熱溫度差是蒸發(fā)過程傳熱的推動(dòng)力，加熱蒸汽溫度高于溶液沸點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。多效蒸發(fā)是將前一效的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽，從而提高了加熱蒸汽的利用率，降低了能耗。8.萃取操作中，選擇萃取劑的主要原則有______、______和易于回收。答案：對溶質(zhì)的選擇性好；與原溶劑的互溶性小解析：萃取劑對溶質(zhì)的選擇性好，才能有效地從原溶液中提取出溶質(zhì)；與原溶劑的互溶性小，才能形成清晰的兩相，便于分離；易于回收可以降低萃取成本，實(shí)現(xiàn)萃取劑的循環(huán)使用。9.氣體的黏度隨溫度的升高而______，液體的黏度隨溫度的升高而______。答案：增大；減小解析：氣體分子間的作用力主要是分子間的碰撞，溫度升高時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的碰撞頻率增加，導(dǎo)致氣體的黏度增大。液體分子間的作用力主要是分子間的內(nèi)聚力，溫度升高時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，內(nèi)聚力減弱，液體的黏度減小。10.在板式塔中，氣液兩相在塔板上的接觸狀態(tài)有______、______和泡沫接觸狀態(tài)。答案：鼓泡接觸狀態(tài)；噴射接觸狀態(tài)解析：在板式塔中，隨著氣速的不同，氣液兩相在塔板上會(huì)呈現(xiàn)不同的接觸狀態(tài)，鼓泡接觸狀態(tài)是氣速較低時(shí)的狀態(tài)，噴射接觸狀態(tài)是氣速較高時(shí)的狀態(tài)，泡沫接觸狀態(tài)介于兩者之間。三、簡答題（每題10分，共20分）1.簡述離心泵的工作原理。離心泵在啟動(dòng)前需要先向泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體。當(dāng)離心泵的葉輪在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪內(nèi)的液體也隨之旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被甩向葉輪邊緣，在此過程中，液體的流速增大，動(dòng)能增加，同時(shí)液體的壓力也升高。從葉輪邊緣高速流出的液體進(jìn)入泵殼的蝸形通道，由于蝸形通道的截面積逐漸增大，液體的流速逐漸降低，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，使液體的壓力進(jìn)一步升高。最后，液體以較高的壓力從泵的排出口排出，輸送到需要的地方。與此同時(shí)，在葉輪中心處，由于液體被甩出，形成了低壓區(qū)，與吸入管路中的液體形成了壓力差。在這個(gè)壓力差的作用下，液體不斷地從吸入管路進(jìn)入泵內(nèi)，補(bǔ)充被排出的液體，從而使離心泵能夠連續(xù)地工作。2.簡述精餾塔中進(jìn)料熱狀況對精餾操作的影響。進(jìn)料熱狀況通常用進(jìn)料熱狀況參數(shù)\(q\)來表示，\(q\)的定義為\(1kmol\)進(jìn)料變?yōu)轱柡驼羝璧臒崃颗c該進(jìn)料的汽化潛熱之比。根據(jù)\(q\)值的大小，進(jìn)料熱狀況可分為五種：冷液進(jìn)料（\(q\gt1\)）、泡點(diǎn)進(jìn)料（\(q=1\)）、氣液混合進(jìn)料（\(0\ltq\lt1\)）、露點(diǎn)進(jìn)料（\(q=0\)）和過熱蒸汽進(jìn)料（\(q\lt0\)）。-冷液進(jìn)料：\(q\gt1\)，進(jìn)料溫度低于泡點(diǎn)溫度。此時(shí)，進(jìn)料帶入的熱量較少，需要塔內(nèi)的蒸汽冷凝一部分來加熱進(jìn)料使其達(dá)到泡點(diǎn)。這會(huì)使提餾段的蒸汽量比精餾段的蒸汽量多，即\(V'\gtV\)，同時(shí)提餾段的液體量也增加，有利于提餾段的分離，但精餾段的分離負(fù)荷相對減輕。-泡點(diǎn)進(jìn)料：\(q=1\)，進(jìn)料為飽和液體。進(jìn)料既不需要吸收熱量也不會(huì)放出熱量，精餾段和提餾段的蒸汽量相等，即\(V'=V\)，液體量也只是在進(jìn)料量的基礎(chǔ)上增加，這種進(jìn)料狀況操作穩(wěn)定，計(jì)算相對簡單。-氣液混合進(jìn)料：\(0\ltq\lt1\)，進(jìn)料中既有液體又有蒸汽。此時(shí)，精餾段和提餾段的氣液流量都發(fā)生變化，\(V'\ltV\)，\(L'\gtL\)，分離情況介于泡點(diǎn)進(jìn)料和露點(diǎn)進(jìn)料之間。-露點(diǎn)進(jìn)料：\(q=0\)，進(jìn)料為飽和蒸汽。進(jìn)料不會(huì)使塔內(nèi)的液體冷凝或汽化，精餾段和提餾段的液體量相等，即\(L'=L\)，但提餾段的蒸汽量比精餾段少，即\(V'\ltV\)，不利于提餾段的分離。-過熱蒸汽進(jìn)料：\(q\lt0\)，進(jìn)料溫度高于露點(diǎn)溫度。進(jìn)料帶入的熱量較多，會(huì)使塔內(nèi)的一部分液體汽化，導(dǎo)致精餾段的蒸汽量比提餾段多，即\(V\gtV'\)，同時(shí)精餾段的液體量減少，有利于精餾段的分離，但提餾段的分離負(fù)荷加重。四、計(jì)算題（每題15分，共30分）1.用離心泵將\(20^{\circ}C\)的水從水池輸送到高位槽，已知水池和高位槽的水面均保持恒定，兩水面的垂直距離為\(15m\)，管路總長度（包括所有局部阻力的當(dāng)量長度）為\(200m\)，管徑為\(\phi57\times3.5mm\)，摩擦系數(shù)\(\lambda=0.02\)，水的密度\(\rho=1000kg/m^{3}\)，黏度\(\mu=1\times10^{-3}Pa\cdots\)。離心泵的特性曲線方程為\(H=30-0.01V^{2}\)（\(H\)的單位為\(m\)，\(V\)的單位為\(m^{3}/h\)）。試求：（1）管路特性曲線方程；（2）泵的流量和揚(yáng)程。解：（1）管路特性曲線方程根據(jù)柏努利方程，以水池水面為\(1-1\)截面，高位槽水面為\(2-2\)截面，且兩截面均為大氣壓，\(u_1=u_2=0\)，則有：\(H_e=\Deltaz+\sumh_f\)\(\Deltaz=15m\)\(\sumh_f=\lambda\frac{l+l_e}qu2m2ow\frac{u^{2}}{2g}\)管徑\(d=57-2\times3.5=50mm=0.05m\)\(u=\frac{V}{3600\times\frac{\pi}{4}d^{2}}=\frac{V}{3600\times\frac{\pi}{4}\times0.05^{2}}\)（\(V\)的單位為\(m^{3}/h\)）\(\sumh_f=\lambda\frac{l+l_e}i48ss6i\frac{1}{2g}(\frac{V}{3600\times\frac{\pi}{4}d^{2}})^{2}\)將\(\lambda=0.02\)，\(l+l_e=200m\)，\(d=0.05m\)，\(g=9.81m/s^{2}\)代入上式：\(\sumh_f=0.02\times\frac{200}{0.05}\times\frac{1}{2\times9.81}(\frac{V}{3600\times\frac{\pi}{4}\times0.05^{2}})^{2}\)\(\sumh_f=0.011V^{2}\)所以管路特性曲線方程為\(H_e=15+0.011V^{2}\)（2）泵的流量和揚(yáng)程泵的工作點(diǎn)是泵的特性曲線和管路特性曲線的交點(diǎn)，即\(H=H_e\)\(30-0.01V^{2}=15+0.011V^{2}\)\(0.021V^{2}=15\)\(V=\sqrt{\frac{15}{0.021}}\approx26.73m^{3}/h\)將\(V=26.73m^{3}/h\)代入泵的特性曲線方程\(H=30-0.01V^{2}\)\(H=30-0.01\times26.73^{2}\approx22.89m\)2.在一連續(xù)精餾塔中分離某二元理想溶液，已