化工原理實(shí)驗(yàn)?zāi)M試題及答案1.流體阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)背景】某教學(xué)裝置采用水平光滑圓管，內(nèi)徑28.0mm，總長2.20m，中間接入U(xiǎn)形壓差計(jì)（指示液為CCl?，ρ=1590kg·m?3）。20℃清水以穩(wěn)態(tài)流過，流量由渦輪流量計(jì)測(cè)得。實(shí)驗(yàn)要求測(cè)定摩擦系數(shù)λ與Re關(guān)系，并驗(yàn)證Blasius公式?！静僮鲾?shù)據(jù)】序號(hào)流量Q/L·min?1壓差計(jì)讀數(shù)Δh/mm1802821205831609842001485240208【問題】(1)計(jì)算序號(hào)3對(duì)應(yīng)的流速u、雷諾數(shù)Re、摩擦系數(shù)λ。(2)用Blasius公式λ=0.3164·Re??·2?計(jì)算理論λ，求相對(duì)誤差。(3)若將管徑改為20mm，其余不變，預(yù)測(cè)序號(hào)3的Δh′。(4)指出本實(shí)驗(yàn)最易引入系統(tǒng)誤差的兩處細(xì)節(jié)，并給出減小方法?！敬鸢概c解析】(1)序號(hào)3：Q=160L·min?1=2.667×10?3m3·s?1A=πd2/4=6.158×10??m2u=Q/A=4.33m·s?120℃水：ρ=998kg·m?3，μ=1.002×10?3Pa·sRe=ρud/μ=998×4.33×0.028/1.002×10?3=1.21×10?ΔP=(ρ??ρ)gΔh=(1590?998)×9.81×0.098=569Paλ=ΔP·d/(L·ρu2/2)=569×0.028/(2.20×998×4.332/2)=0.0195(2)Blasius：λ_th=0.3164×(1.21×10?)??·2?=0.0170相對(duì)誤差=(0.0195?0.0170)/0.0170×100%=14.7%解析：誤差來源主要是管壁粗糙度未被計(jì)入，Blasius僅適用于光滑管且Re<10?，本實(shí)驗(yàn)Re已略高。(3)管徑減至20mm，u′=u·(d/d′)2=4.33×(28/20)2=8.50m·s?1Re′=Re·(d′/d)=1.21×10?×(20/28)=8.64×10?λ′=0.3164·(8.64×10?)??·2?=0.0185ΔP′=λ′·(L/d′)·(ρu′2/2)=0.0185×(2.20/0.020)×998×8.502/2=7.33kPaΔh′=ΔP′/[(ρ??ρ)g]=7330/(592×9.81)=1.26m=1260mm結(jié)論：管徑縮小后，Δh急劇增大，實(shí)驗(yàn)需更換更大量程壓差計(jì)。(4)系統(tǒng)誤差：①渦輪流量計(jì)前直管段不足，導(dǎo)致速度分布未充分發(fā)展；解決：保證前直管段≥20d。②U形壓差計(jì)排氣不凈，形成氣泡；解決：采用傾斜慢速充液法徹底排氣。2.離心泵性能曲線測(cè)定【實(shí)驗(yàn)背景】IS50-32-160型離心泵，轉(zhuǎn)速2900r·min?1，吸入口徑50mm，出口32mm。以20℃清水為介質(zhì)，出口閥開度調(diào)節(jié)流量，用孔板流量計(jì)（d?=24.2mm，C?=0.612）測(cè)流量，壓力表距泵出口0.4m，真空表距入口0.2m，兩表垂直高差0.3m?！驹加涗洝啃蛱?hào)孔板壓差ΔP?/kPa出口壓力P?/kPa入口真空P_v/kPa15198182151853233016052445125725608288【問題】(1)計(jì)算序號(hào)4的體積流量Q、揚(yáng)程H、軸功率P_a（效率η暫缺）。(2)若電機(jī)輸入電功率P_e=2.6kW，電機(jī)效率η_m=0.92，傳動(dòng)效率η_t=0.98，求泵效率η_p。(3)將轉(zhuǎn)速調(diào)至2610r·min?1，預(yù)測(cè)序號(hào)4工況的Q′、H′。(4)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)真空表讀數(shù)劇烈抖動(dòng)，分析原因并提出改進(jìn)措施。【答案與解析】(1)序號(hào)4：孔板：Q=C?A?√(2ΔP?/ρ)=0.612×π(0.0242)2/4×√(2×45000/998)=7.92×10?3m3·s?1揚(yáng)程：H=(P?+P_v)/ρg+(z??z?)+u?2/2gu?=Q/A?=7.92×10?3/(π0.0322/4)=9.83m·s?1u?=u?·(d?/d?)2=9.83×(32/50)2=4.02m·s?1H=(125+72)×1000/(998×9.81)+0.3+(9.832?4.022)/(2×9.81)=20.1+0.3+4.0=24.4m軸功率：P_a=P_e·η_m·η_t=2.6×0.92×0.98=2.34kW(2)泵效率：η_p=ρgQH/P_a=998×9.81×7.92×10?3×24.4/2340=0.805→80.5%(3)轉(zhuǎn)速下降10%，根據(jù)相似定律：Q′=Q·(n′/n)=7.92×0.9=7.13L·s?1H′=H·(n′/n)2=24.4×0.81=19.8m(4)抖動(dòng)原因：泵入口出現(xiàn)局部汽蝕，氣泡周期性破裂導(dǎo)致壓力脈動(dòng)；改進(jìn)：降低水溫或提高吸入液位，使NPSH_a>NPSH_r+0.5m。3.恒壓過濾實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)背景】板框過濾機(jī)，濾框內(nèi)尺寸200mm×200mm×30mm，共10框。以CaCO?懸浮液為料漿，質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，溫度20℃，過濾壓力0.25MPa（表壓）。實(shí)驗(yàn)記錄不同時(shí)間t對(duì)應(yīng)的濾液體積V?！緮?shù)據(jù)】t/s020406080100V/L02.13.34.25.05.7【問題】(1)用恒壓過濾方程t/V=K·V+2C·V_e，求過濾常數(shù)K、V_e。(2)計(jì)算濾餅比阻r，已知濾餅含水率40wt%，ρ_s=2710kg·m?3。(3)若框厚減至20mm，預(yù)測(cè)相同壓力下濾餅充滿時(shí)間t′。(4)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)終點(diǎn)濾液渾濁，分析原因并給出解決措施?！敬鸢概c解析】(1)線性回歸：t/V~V數(shù)據(jù)點(diǎn)：(2.1,9.52)，(3.3,12.12)，(4.2,14.29)，(5.0,16.00)，(5.7,17.54)斜率K=2.12s·L?2，截距2C·V_e=5.80s·L?1得K=2.12s·L?2=2.12×103s·m??V_e=5.80/(2×2.12)=1.37L(2)濾餅孔隙率ε：設(shè)干固質(zhì)量m_s，水質(zhì)量m_w=0.4/0.6·m_s總體積V_c=m_s/ρ_s+m_w/ρ_wε=(m_w/ρ_w)/(m_s/ρ_s+m_w/ρ_w)=0.676比阻r=2ΔP·A2/(μ·K·c)c=干固質(zhì)量/濾液體積=8%·ρ_slurry/(1?8%?40%)=0.08×1100/0.52=169kg·m?3μ=1.002×10?3Pa·s，A=10×2×0.2×0.2=0.8m2r=2×0.25×10?×0.82/(1.002×10?3×2.12×103×169)=8.9×1011m·kg?1(3)框厚減至20mm，濾餅體積V_c′=10×0.2×0.2×0.02=8×10?3m3干固質(zhì)量m_s=V_c′·(1?ε)·ρ_s=8×10?3×0.324×2710=7.02kg對(duì)應(yīng)濾液體積V′=m_s/c=7.02/169=0.0415m3=41.5L由t/V=K·V+2C·V_e，t′=2.12×41.52+5.80×41.5=3650+241=3891s≈65min(4)濾布破損或過濾壓力過高導(dǎo)致穿濾；解決：更換更高精度濾布，終點(diǎn)前降壓至0.15MPa。4.傳熱膜系數(shù)測(cè)定（蒸汽-空氣）【實(shí)驗(yàn)背景】套管換熱器，內(nèi)管φ25×2mm，長1.5m，蒸汽走殼程，120℃飽和蒸汽冷凝；空氣走管程，入口20℃，流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)得。管外壁溫由熱電偶測(cè)得Tw=99℃?！緮?shù)據(jù)】序號(hào)空氣流量Q_a/m3·h?1出口溫度T?/℃1104821542320384253553033【問題】(1)計(jì)算序號(hào)3的空氣側(cè)對(duì)數(shù)平均溫差ΔT_m。(2)求空氣側(cè)膜系數(shù)h_i，已知管壁λ_w=16W·m?1·K?1，忽略污垢。(3)若空氣預(yù)熱至30℃，預(yù)測(cè)Q=20m3·h?1時(shí)的T?′。(4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Tw隨時(shí)間緩慢下降，分析原因并給出穩(wěn)定措施。【答案與解析】(1)ΔT?=120?20=100K，ΔT?=120?38=82KΔT_m=(100?82)/ln(100/82)=90.7K(2)空氣物性按平均溫度(20+38)/2=29℃：ρ=1.165kg·m?3，c_p=1007J·kg?1·K?1，μ=1.87×10??Pa·s，λ=0.026W·m?1·K?1質(zhì)量流量m=Q_a·ρ/3600=20×1.165/3600=6.47×10?3kg·s?1Q_heat=m·c_p·(T??T?)=6.47×10?3×1007×18=117W內(nèi)表面積A_i=πd_iL=π×0.021×1.5=0.099m2h_i=Q_heat/(A_i·ΔT_m)=117/(0.099×90.7)=13.0W·m?2·K?1(3)預(yù)熱至30℃，ΔT_m′=(90+85)/2≈87.5K假設(shè)h_i不變，Q_heat′=h_i·A_i·ΔT_m′=13.0×0.099×87.5=113WT?′=T?′+Q_heat′/(m·c_p)=30+113/(6.47×10?3×1007)=47.4℃(4)Tw下降原因：蒸汽側(cè)不凝氣積聚，冷凝傳熱系數(shù)降低；措施：定期開啟放空閥排不凝氣，維持蒸汽壓力穩(wěn)定。5.精餾塔全塔效率測(cè)定【實(shí)驗(yàn)背景】篩板塔，實(shí)際板數(shù)12塊，塔徑0.1m，常壓下分離乙醇-水混合物，進(jìn)料x_F=0.25（摩爾分?jǐn)?shù)），泡點(diǎn)進(jìn)料，回流比R=3，塔頂x_D=0.82，塔底x_W=0.04?！緮?shù)據(jù)】穩(wěn)定后測(cè)得：塔頂溫度78.2℃，塔底溫度98.5℃，餾出液流量D=1.8kmol·h?1，釜液流量W=3.2kmol·h?1?！締栴}】(1)用McCabe-Thiele法求理論板數(shù)N_t。(2)計(jì)算全塔效率E_T。(3)若將回流比提高至4，預(yù)測(cè)x_D′能否達(dá)到0.90。(4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)塔頂溫度波動(dòng)±0.5℃，分析原因并給出控制方案?！敬鸢概c解析】(1)平衡數(shù)據(jù)取常壓乙醇-水，q線垂直，精餾段操作線y=Rx/(R+1)+x_D/(R+1)=0.75x+0.205提餾段操作線：L′=L+qF=RD+F=3×1.8+5=10.4kmol·h?1V′=V?(1?q)F=4.4kmol·h?1y=L′x/V′?Wx_W/V′=2.36x?0.054階梯作圖得N_t=7.2（含再沸器），進(jìn)料板第5塊。(2)E_T=N_t/N_p=7.2/12=60%(3)R=4，精餾段斜率0.8，截距0.164，作圖得x_D′≈0.88<0.90，無法達(dá)到，需增加回流比至5或增加板數(shù)。(4)溫度波動(dòng)原因：回流液分配不均，部分篩板漏液；控制：安裝回流比控制器，保持恒定壓降，采用熱電偶串級(jí)控制蒸汽閥。6.干燥速率曲線測(cè)定【實(shí)驗(yàn)背景】洞道干燥器，截面積0.12m×0.12m，熱風(fēng)平行流過濕物料表面，溫度70℃，濕度H=0.01kg·kg?1，流速u=2m·s?1。濕物料為陶土板，初始濕含量X?=0.35kg·kg?1干基，面積A=0.04m2，干質(zhì)量G_c=0.18kg。【數(shù)據(jù)】時(shí)間t/min0510152025303540總質(zhì)量G/kg0.2430.2300.2180.2080.2000.1940.1900.1880.186【問題】(1)計(jì)算恒速階段干燥速率N_c。(2)求臨界濕含量X_c。(3)若風(fēng)速提高至4m·s?1，預(yù)測(cè)N_c′。(4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)干燥后期物料表面出現(xiàn)裂紋，分析原因并提出改進(jìn)措施?！敬鸢概c解析】(1)恒速段：t=0~20min，ΔX=0.35?0.20=0.15kg·kg?1N_c=G_c·ΔX/(A·Δt)=0.18×0.15/(0.04×20×60)=5.63×10??kg·m?2·s?1(2)作圖得X_c≈0.20kg·kg?1(3)風(fēng)速加倍，傳質(zhì)系數(shù)k∝u?·?，N_c′=N_c×2?·?=5.63×10??×1.74=9.79×10??kg·m?2·s?1(4)裂紋原因：表面硬化，內(nèi)部水分?jǐn)U散受阻；改進(jìn)：降低熱風(fēng)溫度至60℃，提高濕度至0.02，采用間歇調(diào)濕干燥。7.萃取平衡實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)背景】水-丙酮-氯仿體系，25℃，將含丙酮20wt%的水溶液與氯仿按1:1質(zhì)量比混合，充分震蕩后靜置分層?！痉治鼋Y(jié)果】上層（水相）：丙酮4.5wt%，氯仿0.8wt%下層（氯仿相）：丙酮18.2wt%，水0.9wt%【問題】(1)計(jì)算分配系數(shù)K_D（丙酮）。(2)求選擇性系數(shù)β。(3)若采用三級(jí)錯(cuò)流萃取，每級(jí)新鮮氯仿用量與原料相等，求總萃余率。(4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)乳化層厚達(dá)5mm，分析原因并給出破乳方法?！敬鸢概c解析】(1)K_D=w_R/w_E=18.2/4.5=4.04(2)β=(w_R丙/w_R水)/(w_E丙/w_E水)=(18.2/0.9)/(4.5/94.7)=427(3)單級(jí)萃余率φ?=1/(1+K_D)=0.198三級(jí)錯(cuò)流：φ=(φ?)3=0.1983=0.0078→萃余率0.78%(4)乳化原因：界面張力低，存在固體雜質(zhì)；破乳：加入0.1wt%NaCl，升溫至35℃，離心分離。8.萃取塔傳質(zhì)單元數(shù)測(cè)定【實(shí)驗(yàn)背景】脈沖篩板塔，塔徑0.05m，有效高度1.2m，水相（連續(xù)）流量Q_c=6L·min?1，有機(jī)相（分散）Q_d=4L·min?1，入口丙酮濃度水相0.20kg·kg?1，出口0.04kg·kg?1，有機(jī)相入口0，出口0.32kg·kg?1?！締栴}】(1)計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)N_OE。(2)求總傳質(zhì)單元高度H_OE。(3)若塔徑擴(kuò)大至0.08m，保持流比，預(yù)測(cè)N_OE′。(4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脈沖強(qiáng)度過大，液泛提前，給出優(yōu)化脈沖參數(shù)思路?！敬鸢概c解析】(1)ΔC?=0.20?0.32/4.04=0.121，ΔC?=0.04?0=0.04ΔC_lm=(0.121?0.04)/ln(0.121/0.04)=0.074N_OE=(C_in?C_out)/ΔC_lm=0.16/0.074=2.16(2)H_OE=H/N_OE=1.2/2.16=0.556m(3)塔徑擴(kuò)大，相速度下降，傳質(zhì)系數(shù)略降，但停留時(shí)間增加，N_OE′≈2.3，基本不變。(4)優(yōu)化：脈沖頻率f=1.2Hz，振幅A=6mm，降低f至0.8Hz，A保持，可提高泛點(diǎn)15%。9.吸附穿透曲線測(cè)定【實(shí)驗(yàn)背景】固定床吸附柱，內(nèi)徑0.02m，床高0.25m，活性炭填充，入口苯濃度C?=300mg·m?3，空氣流量Q=3L·min?1，溫度25℃，出口濃度C隨時(shí)間變化?！緮?shù)據(jù)】t/min04080100110115120125130C/mg·m?30053090180250285300【問題】(1)確定穿透時(shí)間t_b（C=0.05C?=15mg·m?3）。(2)計(jì)算飽和吸附量q?。(3)若床層加倍，預(yù)測(cè)新t_b′。(4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓降快速升高，分析原因并給出解決措施。【答案與解析】(1)插值得t_b=102min(2)吸附質(zhì)量=m_C?·Q·t_b=300×10??×3×10?3×102=0.0918mg床體積V_b=π×0.012×0.25=7.85×10??m3ρ_b=450kg·m?3，質(zhì)量m=35.3gq?=0.0918mg/35.3g=2.60mg·g?1(3)床層加倍，t_b′≈2×102=204min(4)壓降升高：活性炭粉化，床層板結(jié)；解決：入口加預(yù)過濾器，降低空速至0.2m·s?1，采用硬度更高炭型。10.膜分離實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)背景】中空纖維超濾膜，組件內(nèi)徑0.04m，長0.3m，有效膜面積0.8m2，操作壓力0.2MPa，循環(huán)流量Q=200L·h?1，料液為0.1g·L?1牛血清蛋白，溫度25℃。【數(shù)據(jù)】運(yùn)行時(shí)間t/min01020304050滲透通量J/L·m?2·h?112010085756863截留率R0.980.970.960.950.940.93【問題】(1)計(jì)算初始滲透系數(shù)L_p。(2)求50min時(shí)比阻R_m。(3)若壓力提高至0.3MPa，預(yù)測(cè)J′。(4)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纖維斷裂，分析原因并給出預(yù)防措施。【答案與解析】(1)J=L_p·ΔP→L_p=120/0.2=600L·m?2·h?1·MPa?1(2)通量下降由濃差極化+污染，R_m=ΔP/(μ·R_total)=0.2×10?/(0.89×10?3×2.1×1013)=1.07×1011m?1(3)壓力提高50%，J′=63×1.5×0.92=87L·m?2·h?1（考慮壓縮性）(4)斷裂原因：壓力波動(dòng)大，纖維疲勞；預(yù)防：安裝穩(wěn)壓閥，啟動(dòng)時(shí)緩慢升壓，0.05MPa·min?1。11.反應(yīng)器停留時(shí)間分布【