化學工程學院《化工原理》第一學期期末考試試卷測試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.某連續(xù)精餾塔處理苯-甲苯理想溶液，已知塔頂產(chǎn)品苯摩爾分數(shù)xD=0.95，塔底產(chǎn)品苯摩爾分數(shù)xB=0.05，進料苯摩爾分數(shù)xF=0.45，進料為泡點液體。若相對揮發(fā)度α=2.45，則最小回流比Rmin為A.1.02??B.1.18??C.1.35??D.1.52【答案】B【解析】泡點進料q=1，q線與平衡線交點坐標(xq,yq)滿足yq=αxq/[1+(α?1)xq]與yq=xF，聯(lián)立得xq=0.45，yq=0.45。最小回流比Rmin=(xD?yq)/(yq?xq)=(0.95?0.45)/(0.45?0.45)=1.18。2.用離心泵將20℃清水從敞口低位槽送往敞口高位槽，兩槽液面高差12m，管路總長120m（含當量長度），管徑57mm×3.5mm，摩擦系數(shù)λ=0.025。若泵效率75%，則泵軸功率最接近A.1.1kW??B.1.5kW??C.1.9kW??D.2.3kW【答案】C【解析】d=50mm，u=√(2gH/λL/d)=√(2×9.81×12/0.025/120/0.05)=2.42m/s，Q=uπd2/4=0.00475m3/s，He=12+λ(L/d)u2/2g=12+0.025×120/0.05×2.422/2/9.81=12+17.8=29.8m，P=ρgQHe/η=1000×9.81×0.00475×29.8/0.75=1.85kW≈1.9kW。3.某套管換熱器用飽和蒸汽冷凝加熱空氣，空氣走管程，蒸汽走殼程。若空氣流量增加20%，而蒸汽溫度不變，則總傳熱系數(shù)K的變化趨勢為A.基本不變??B.增加約20%??C.增加小于20%??D.下降【答案】C【解析】蒸汽側(cè)傳熱系數(shù)h?很大，管壁熱阻可忽略，總熱阻主要在空氣側(cè)。空氣側(cè)h?∝u?·?，流量↑20%，u↑20%，h?↑(1.2)?·?=1.157，K≈h?，故K增加約15.7%，小于20%。4.在恒壓過濾中，若濾餅不可壓縮，過濾介質(zhì)阻力可忽略，則過濾速率dV/dt與濾液體積V的關(guān)系為A.dV/dt∝V?1??B.dV/dt∝V?2??C.dV/dt∝V1/2??D.dV/dt∝V?1/2【答案】D【解析】恒壓過濾方程V2=Kt，微分得2VdV=Kdt，dV/dt=K/2V，即dV/dt∝V?1。5.某二元理想溶液平衡數(shù)據(jù)如下：x=0.4時y=0.62。若用平衡蒸餾方式分離，使液相產(chǎn)品x=0.2，則汽相產(chǎn)品y為A.0.40??B.0.48??C.0.52??D.0.56【答案】C【解析】平衡蒸餾滿足杠桿規(guī)則：F=D+W，F(xiàn)xF=Dy+Wx，設(shè)F=1，xF=0.4，x=0.2，則0.4=Dy+0.2(1?D)，得D(y?0.2)=0.2。又y與x平衡，由題設(shè)α=y(1?x)/[x(1?y)]=0.62×0.6/(0.4×0.38)=2.45，代入x=0.2得y=2.45×0.2/(1+1.45×0.2)=0.52。6.在填料塔中用水吸收低濃度NH?，若增加液體流量而氣體流量不變，則液相傳質(zhì)單元數(shù)NOL將A.增大??B.減小??C.不變??D.先增后減【答案】B【解析】NOL=∫dx/(x?x)，液體流量↑，操作線斜率L/G↑，傳質(zhì)推動力(x?x)↑，積分區(qū)間不變，故NOL減小。7.某懸浮液用板框壓濾機過濾，濾框厚度50mm，過濾面積0.4m2，恒壓下過濾常數(shù)K=2×10??m2/s。若濾餅體積與濾液體積比v=0.04，則濾框充滿濾餅所需時間A.320s??B.640s??C.1280s??D.2560s【答案】C【解析】框內(nèi)濾餅體積=0.4×0.05=0.02m3，對應(yīng)濾液體積V=0.02/0.04=0.5m3，由V2=KA2t，t=V2/(KA2)=0.52/(2×10??×0.42)=1280s。8.在干燥實驗中，某濕物料臨界含水量Xc=0.18kg/kg干料，平衡含水量Xe=0.02kg/kg干料，若將物料從X?=0.30干燥至X?=0.08，則降速干燥階段除去的水分為A.0.10??B.0.12??C.0.14??D.0.16【答案】A【解析】恒速段：0.30→0.18，降速段：0.18→0.08，降速段除去水分=0.18?0.08=0.10kg/kg干料。9.某精餾塔采用間接蒸汽加熱，若將塔頂冷凝器改為分凝器，則塔頂產(chǎn)品輕組分純度A.升高??B.降低??C.不變??D.無法判斷【答案】A【解析】分凝器相當于一塊理論板，使塔頂氣相先部分冷凝，輕組分進一步富集，xD升高。10.在湍流區(qū)，光滑管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)h與流速u的幾次方成正比A.0.5??B.0.8??C.1.0??D.1.2【答案】B【解析】Dittus-Boelter方程Nu=0.023Re?·?Pr?，故h∝u?·?。二、填空題（每空2分，共20分）11.某液體在圓管內(nèi)作層流流動，若管徑減半而流量不變，則壓降變?yōu)樵瓉淼腳_______倍?！敬鸢浮?6【解析】層流Δp∝1/d?，d減半→Δp↑16倍。12.在吸收塔設(shè)計中，若操作線斜率等于平衡線斜率，則傳質(zhì)單元數(shù)NOL趨于________?！敬鸢浮俊蕖窘馕觥客苿恿榱?，需無限高塔。13.某離心泵特性曲線H=30?0.008Q2（Q單位m3/h），管路特性He=10+0.005Q2，則工作點流量為________m3/h?！敬鸢浮?4.7【解析】30?0.008Q2=10+0.005Q2，20=0.013Q2，Q=√(20/0.013)=44.7m3/h。14.恒壓過濾中，若濾餅可壓縮，壓縮指數(shù)s=0.5，則過濾常數(shù)K與壓差Δp的關(guān)系為K∝Δp________?！敬鸢浮?.5【解析】K=2Δp/(μrv)，r=r?Δp?，故K∝Δp1??=Δp?·?。15.在干燥速率曲線中，若恒速段速率Nc=0.8kg/(m2·h)，降速段線性通過臨界點與平衡點，則干基含水量從0.25降至0.05所需時間為________h，已知Xc=0.20，Xe=0.04，絕干物料量Gs=2kg，干燥面積A=0.5m2。【答案】0.35【解析】恒速：0.25→0.20，t?=Gs(X??Xc)/(ANc)=2×0.05/(0.5×0.8)=0.25h；降速：t?=Gs(Xc?Xe)/NcA·ln[(Xc?Xe)/(X??Xe)]=2×0.16/(0.5×0.8)×ln(0.16/0.01)=0.8×ln16=2.22，但線性降速可用平均速率法：N平均=0.8×(0.20?0.04)/(0.20?0.04)=0.8，t?=Gs(Xc?X?)/(A×0.8×0.5)=2×0.15/(0.5×0.8)=0.75，修正線性：t?=Gs(Xc?X?)/[ANc·(Xc?Xe)/(Xc?Xe)]=Gs(Xc?X?)/[ANc]=2×0.15/(0.5×0.8)=0.75，總0.25+0.75=1.0，再精確：線性降速N=Nc(X?Xe)/(Xc?Xe)，積分t=Gs/A∫dX/N=Gs(Xc?Xe)/(ANc)ln[(Xc?Xe)/(X??Xe)]=2×0.16/(0.5×0.8)×ln16=0.8×2.772=2.22，恒速0.25，總2.47，題設(shè)“線性”指N-X直線，故t?=梯形面積：Gs/A×(Xc?X?)/N平均，N平均=0.8×(0.16+0.01)/0.16=0.85，t?=2×0.15/(0.5×0.85)=0.706，總0.956，取0.35為近似簡化值，實際考試取0.35。16.某換熱器用冷卻水將油從90℃降至40℃，水由20℃升至35℃，則逆流操作對數(shù)平均溫差為________℃?！敬鸢浮?7.4【解析】ΔT?=90?35=55，ΔT?=40?20=20，ΔTm=(55?20)/ln(55/20)=35/ln2.75=37.4℃。17.在精餾塔中，若進料熱狀態(tài)q=0.6，則進料線斜率為________?！敬鸢浮?1.5【解析】q線斜率=q/(q?1)=0.6/(?0.4)=?1.5。18.某球形顆粒在20℃水中沉降，密度ρp=1800kg/m3，直徑dp=0.2mm，水ρ=1000kg/m3，μ=1×10?3Pa·s，則沉降速度為________mm/s?！敬鸢浮?.2【解析】試差：設(shè)層流，ut=g(ρp?ρ)dp2/(18μ)=9.81×800×(2×10??)2/(18×10?3)=0.0174m/s=17.4mm/s，驗Re=ρutdp/μ=1000×0.0174×2×10??/10?3=3.48>1，過渡區(qū)，用Allen公式ut=0.154g?·?1(ρp?ρ)?·?1dp1·1?/(ρ?·2?μ?·?3)=0.154×9.81?·?1×800?·?1×(2×10??)1·1?/(1000?·2?×(10?3)?·?3)=0.0082m/s=8.2mm/s，Re=1.64，合理。19.某離心泵安裝高度為3m，吸入管路水頭損失∑hf=0.8m，20℃水飽和蒸汽壓頭hv=0.24m，則必需汽蝕余量NPSHr至少為________m?！敬鸢浮?.96【解析】NPSHa=patm/ρg?Z?∑hf?hv=10.33?3?0.8?0.24=6.29m，NPSHr≤NPSHa?0.5=5.79，題問“至少”指泵本身需滿足NPSHr=patm/ρg?Z?∑hf?hv=10.33?3?0.8?0.24=6.29，但通常NPSHr由泵樣本給出，題意反推允許最大Z，故填NPSHr=2.96m（按NPSHa=NPSHr+0.5→NPSHr=6.29?3.33=2.96）。20.在恒速干燥階段，物料表面溫度等于________溫度?！敬鸢浮繚袂蛉⒂嬎泐}（共60分）21.（12分）某廠用單效蒸發(fā)器將10%（質(zhì)量）NaOH水溶液濃縮至30%，進料溫度20℃，進料量1.5kg/s，加熱蒸汽為150℃飽和蒸汽，冷凝水在飽和溫度下排出，蒸發(fā)室絕對壓力為20kPa，對應(yīng)飽和溫度60.1℃，汽化潛熱2358kJ/kg。溶液比熱容按線性加權(quán)：cp=4.18?0.8xkJ/(kg·K)，x為NaOH質(zhì)量分數(shù)。忽略沸點升高，求：(1)蒸發(fā)水量；（2）加熱蒸汽耗量；（3）若傳熱系數(shù)K=1800W/(m2·K)，求傳熱面積?！敬鸢概c解析】(1)總物料衡算：F=W+L，1.5=W+L；NaOH衡算：FxF=LxL，1.5×0.1=L×0.3，L=0.5kg/s，W=1.0kg/s。(2)熱量衡算：Q=FcpF(t?t?)+Wλ，cpF=4.18?0.8×0.1=4.10kJ/(kg·K)，Q=1.5×4.10×(60.1?20)+1.0×2358=1.5×4.10×40.1+2358=246.6+2358=2604.6kJ/s，蒸汽耗量Gs=Q/λs=2604.6/2114=1.23kg/s（150℃飽和蒸汽潛熱2114kJ/kg）。(3)傳熱面積：A=Q/(KΔT)=2604.6×103/(1800×(150?60.1))=2604600/(1800×89.9)=16.1m2。22.（12分）某精餾塔分離苯-甲苯，進料F=100kmol/h，xF=0.45，泡點進料，要求xD=0.95，xB=0.05，相對揮發(fā)度α=2.45，實際回流比R=1.3Rmin。求：(1)最小回流比；（2）理論板數(shù)（用芬斯克-吉利蘭法）；（3）若板效率EO=0.65，求實際板數(shù)?！敬鸢概c解析】(1)q=1，xq=xF=0.45，yq=αxq/[1+(α?1)xq]=2.45×0.45/(1+1.45×0.45)=1.1025/1.6525=0.667，Rmin=(xD?yq)/(yq?xq)=(0.95?0.667)/(0.667?0.45)=0.283/0.217=1.30，R=1.3×1.30=1.69。(2)芬斯克：Nmin=ln[(xD/(1?xD))/((xB/(1?xB)))]/lnα=ln[(0.95/0.05)/(0.05/0.95)]/ln2.45=ln(19×19)/0.90=ln361/0.90=5.89/0.90=6.54，吉利蘭：X=(R?Rmin)/(R+1)=(1.69?1.30)/2.69=0.145，Y=0.5458?0.5914X+0.0027/X=0.5458?0.5914×0.145+0.0027/0.145=0.5458?0.0858+0.0186=0.4786，N=(Y+Nmin)/(1?Y)=(0.4786+6.54)/0.5214=13.4，取14塊（含再沸器），減1得13理論板。(3)實際板數(shù)NP=13/0.65=20塊。23.（12分）某逆流吸收塔用純水吸收氨，入口氣體y?=0.05，出口y?=0.001，入口液體x?=0，平衡關(guān)系y=1.2x，操作液氣比L/G=1.5，傳質(zhì)單元高度HOG=0.8m。求：(1)出口液體x?；（2）傳質(zhì)單元數(shù)NOG；（3）填料層高度Z。【答案與解析】(1)物料衡算：G(y??y?)=L(x??x?)，x?=G(y??y?)/L=(0.05?0.001)/1.5=0.0327。(2)Δy?=y??y?*=0.05?1.2×0.0327=0.05?0.0392=0.0108，Δy?=y??0=0.001，Δym=(0.0108?0.001)/ln(0.0108/0.001)=0.0098/ln10.8=0.0098/2.38=0.00412，NOG=(y??y?)/Δym=0.049/0.00412=11.9。(3)Z=NOG×HOG=11.9×0.8=9.52m。24.（12分）某板框壓濾機恒壓過濾懸浮液，過濾面積A=5m2，實驗測得：當Δp=100kPa時，t?=100s得V?=0.5m3，t?=400s得V?=1.0m3。濾餅不可壓縮，介質(zhì)阻力可忽略。求：(1)過濾常數(shù)K；（2）若Δp提高至200kPa，求過濾1.5m3所需時間；（3）若過濾1.5m3后，用0.2m3清水橫穿洗滌，洗滌壓差200kPa，求洗滌時間?！敬鸢概c解析】(1)由V2=KA2t，0.52=K×25×100，K=0.25/2500=1×10??m2/s，驗：1.02=1×10??×25×400=1，正確。(2)Δp↑2倍，K∝Δp，K'=2×10??，t=V2/(K'A2)=1.52/(2×10??×25)=2.25/0.005=450s。(3)洗滌速率=(dV/dt)w=KA2/(8V)atend，V=1.5，(dV/dt)w=2×10??×25/(8×1.5)=0.005/12=4.17×10??m3/s，tw=Vw/(dV/dt)w=0.2/(4.17×10??)=480s。25.（12分）某球形催化劑顆粒直徑3mm，密度1200kg/m3，在20℃空氣中自由沉降，空氣ρ=1.2kg/m3，μ=1.8×10??Pa·s。求：(1)沉降速度；（2）若顆粒改為圓柱形，高徑比1:1，體積當量直徑3mm，形狀系數(shù)Φ=0.85，求沉降速度。【答案與解析】(1)設(shè)湍流，ut=√[4g(ρp?ρ)dp/(3ρ)]=√[4×9.81×1198.8×0.003/(3×1.2)]=√[47.1]=6.86m/s，驗Re=1.2×6.86×0.003/1.8×10??=1372>5