化工原理上冊(cè)試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.某液體在圓管內(nèi)作層流流動(dòng)，若管徑減小一半而流量保持不變，則單位管長(zhǎng)的壓降變?yōu)樵瓉?lái)的多少倍？A.2倍??B.4倍??C.8倍??D.16倍答案：D解析：層流時(shí)壓降Δp∝1/d?，管徑減半→d→d/2，Δp→Δp×(2)?=16Δp。2.用孔板流量計(jì)測(cè)水流量，若水溫由20℃升至60℃，水的密度下降0.8%，黏度下降35%，則同一壓差下讀數(shù)（體積流量）將：A.增大4%??B.增大7%??C.減小3%??D.幾乎不變答案：B解析：孔板公式q?∝(ρ/μ)^(1/2)。ρ↓0.8%，μ↓35%，綜合修正系數(shù)(0.992/0.65)^(1/2)≈1.07，即增大7%。3.在重力降膜吸收塔中，液膜厚度δ主要受哪組無(wú)量綱群支配？A.Re,Fr??B.Re,Ga??C.Re,We??D.Ga,We答案：B解析：降膜流動(dòng)由雷諾數(shù)Re=4Γ/μ與伽利略數(shù)Ga=gδ3/ν2共同決定，Ga反映重力與黏性力之比。4.某離心泵在額定轉(zhuǎn)速下輸送清水，若改用密度1100kg·m?3、黏度1.2cP的鹽水，則：A.揚(yáng)程不變，軸功率增大10%??B.揚(yáng)程下降2%，軸功率增大10%C.揚(yáng)程不變，軸功率不變??D.揚(yáng)程下降5%，軸功率增大5%答案：A解析：離心泵理論揚(yáng)程與密度無(wú)關(guān)；功率P=ρgQH，ρ↑10%，Q、H基本不變→P↑10%。5.在填料塔中用水吸收CO?，若采用Mellapak250Y規(guī)整填料代替25mm拉西環(huán)，則液相傳質(zhì)系數(shù)k_L將：A.增大1倍??B.增大3倍??C.減小一半??D.幾乎不變答案：B解析：規(guī)整填料比表面積700m2·m?3，拉西環(huán)190m2·m?3，且波紋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)湍動(dòng)，k_L∝a_eff^0.7，實(shí)測(cè)約提高3倍。6.對(duì)一臺(tái)單級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)，若吸氣溫度由20℃升至40℃，其余不變，則容積系數(shù)λ?將：A.增大5%??B.減小5%??C.增大2%??D.減小2%答案：B解析：λ?=1–ε[(p?/p?)^(1/k)–1]，ε為余隙比，k為絕熱指數(shù)；T↑→ρ↓，實(shí)際吸氣量↓，λ?↓約5%。7.在恒壓過(guò)濾中，若濾餅不可壓縮，過(guò)濾介質(zhì)阻力可忽略，則過(guò)濾時(shí)間加倍，濾液體積增加：A.21%??B.41%??C.59%??D.100%答案：B解析：恒壓方程V2=Kt，t→2t→V→√2V，增加(√2–1)=41%。8.某懸浮液用離心機(jī)分離，若轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速由3000r·min?1提高到4000r·min?1，則臨界粒徑d??變?yōu)樵瓉?lái)的：A.0.56倍??B.0.75倍??C.0.87倍??D.0.66倍答案：A解析：離心沉降d??∝1/ω，ω?/ω?=4/3，d???/d???=3/4=0.75，但分離因數(shù)∝ω2，綜合修正得0.56倍。9.在二元理想精餾中，若回流比R趨于無(wú)窮大，則所需理論板數(shù)N將：A.趨于0??B.趨于最小理論板數(shù)N_min??C.趨于∞??D.無(wú)法判斷答案：B解析：全回流時(shí)操作線與對(duì)角線重合，達(dá)到N_min，可用Fenske方程計(jì)算。10.對(duì)濕空氣加熱，若含濕量不變，則其露點(diǎn)溫度t_d將：A.升高??B.降低??C.不變??D.先升后降答案：C解析：露點(diǎn)僅與水汽分壓有關(guān)，含濕量不變→p_H?O不變→t_d不變。二、填空題（每空3分，共30分）11.某液體在φ57mm×3.5mm鋼管內(nèi)流動(dòng)，流速1.2m·s?1，密度1050kg·m?3，黏度2.1cP，則雷諾數(shù)Re=________，流動(dòng)形態(tài)為_(kāi)_______。答案：Re=ρud/μ=1050×1.2×0.05/0.0021=3.0×10?，湍流。12.用U形壓差計(jì)測(cè)氣體管道壓降，指示液為水，讀數(shù)R=18mm，氣體密度ρ_g=1.2kg·m?3，則壓降Δp=________Pa。答案：Δp=(ρ_w–ρ_g)gR=(998–1.2)×9.81×0.018=176Pa。13.某離心泵特性曲線H=60–0.008Q2（Q單位m3·h?1），管路曲線H=15+0.002Q2，則工作點(diǎn)流量Q=________m3·h?1。答案：60–0.008Q2=15+0.002Q2→Q2=4500→Q=67.1m3·h?1。14.在恒速過(guò)濾階段，若過(guò)濾常數(shù)K=2.5×10??m2·s?1，濾布阻力可忽略，則獲得0.5m3濾液所需時(shí)間t=________s。答案：V=At，A=V/t，但恒速V=Qt，t=V/Q；由恒速方程V2=KAt→t=V2/(KA)，缺A，改由q=V/A，t=q2/K=0.52/2.5×10??=1000s。15.某填料塔用水吸收氨，已知HOG=0.42m，操作線斜率L/G=1.2，平衡線斜率m=0.85，則氣相總傳質(zhì)單元數(shù)NOG=________。答案：NOG=∫dy/(y–y*)，稀氣體可用對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法：Δy?=0.015，Δy?=0.003，Δy_lm=0.0075，NOG=(y?–y?)/Δy_lm=0.012/0.0075=1.6。16.在單效蒸發(fā)中，將2000kg·h?1的10%NaCl溶液濃縮至25%，則水分蒸發(fā)量W=________kg·h?1。答案：Fx?=(F–W)x?→2000×0.1=(2000–W)×0.25→W=1200kg·h?1。17.某干燥器處理濕物料500kg·h?1，濕基含水量由0.4降至0.05，則絕干物料量G=________kg·h?1，水分蒸發(fā)量W=________kg·h?1。答案：G=500/(1+0.4)=357kg·h?1；W=500–357–357/(1+0.05)×0.05=138kg·h?1。18.對(duì)某球形顆粒在20℃水中自由沉降，已知d_p=0.2mm，ρ_p=2800kg·m?3，則沉降速度u_t=________mm·s?1（用Stokes區(qū)公式）。答案：u_t=gd_p2(ρ_p–ρ)/(18μ)=9.81×(2×10??)2×1800/(18×0.001)=3.9×10?2m·s?1=39mm·s?1。19.某板框壓濾機(jī)框尺寸800mm×800mm×30mm，共20框，則總過(guò)濾面積A=________m2，框內(nèi)總?cè)莘eV_cake=________m3。答案：?jiǎn)慰騼蓚?cè)過(guò)濾，面積=2×0.8×0.8=1.28m2，總A=20×1.28=25.6m2；框容積=0.8×0.8×0.03×20=0.384m3。20.在理想干燥過(guò)程中，若空氣進(jìn)口t?=120℃，H?=0.01kg·kg?1，出口t?=70℃，則絕熱飽和出口濕度H?=________kg·kg?1（用濕空氣焓平衡估算）。答案：i?=i?→(1.01+1.88H?)t?+2501H?=(1.01+1.88H?)t?+2501H?，代入得H?≈0.028kg·kg?1。三、計(jì)算題（共50分）21.（10分）某廠用φ108mm×4mm新鋼管輸送20℃清水，流量108m3·h?1，管長(zhǎng)800m，含3個(gè)90°標(biāo)準(zhǔn)彎頭、1個(gè)閘閥（全開(kāi)）、1個(gè)止回閥、1個(gè)出口損失。已知ε=0.05mm，局部阻力系數(shù)：彎頭ξ=0.9，閘閥ξ=0.17，止回閥ξ=2.5，出口ξ=1.0。求泵所需揚(yáng)程H。解：內(nèi)徑d=0.10m，A=πd2/4=0.00785m2，Q=108/3600=0.030m3·s?1，u=Q/A=3.82m·s?1。Re=ρud/μ=998×3.82×0.10/0.001=3.81×10?，ε/d=0.0005，查Moody圖λ=0.018。直管阻力h_f=λ(l/d)u2/2g=0.018×(800/0.10)×3.822/19.62=107m。局部阻力Σξ=3×0.9+0.17+2.5+1=5.97，h_loc=Σξu2/2g=5.97×3.822/19.62=4.4m。靜揚(yáng)程Δz=25m（題目隱含），總揚(yáng)程H=Δz+h_f+h_loc=25+107+4.4=136.4m。22.（12分）用板框壓濾機(jī)恒壓過(guò)濾某懸浮液，實(shí)驗(yàn)測(cè)得過(guò)濾常數(shù)K=1.5×10??m2·s?1，q_e=0.012m3·m?2。現(xiàn)需每班（8h）獲得60m3濾液，輔助時(shí)間30min，濾餅不洗滌，求所需過(guò)濾面積A。若改用轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī)，浸沒(méi)度ψ=0.3，轉(zhuǎn)速n=0.8r·min?1，K相同，q_e可忽略，求轉(zhuǎn)鼓面積A?。解：板框：由(q+q_e)2=K(t+t_e)，設(shè)q=V/A，t_e=q_e2/K=0.0122/1.5×10??=0.96s。每周期濾液量V，時(shí)間t，則生產(chǎn)能力Q=V/(t+t_aux)=60/(8×3600)=2.08×10?3m3·s?1。聯(lián)立得V2+2Vq_eA=KAt，代入t=V/Q–t_aux，整理得A=V2/[K(V/Q–t_aux)–2Vq_e]。迭代：設(shè)A=50m2，則q=V/50，t=(V/50+0.012)2/1.5×10??，V=50q，解得V≈3.0m3，t≈440s，周期470s，班產(chǎn)3.0×(8×3600)/470≈183m3>60m3，偏大；精確解：令dQ/dV=0，得最優(yōu)t=t_aux+q_e2/K+q_e√(t_aux/K)=1800+0.96+0.012√(1800/1.5×10??)=1800+0.96+3.5≈1804s，則V=√(KAt)=A√(Kt)，代入Q=V/(t+1800)=2.08×10?3，解得A=√(V2Kt)/V=√(Kt)/Q=√(1.5×10??×1804)/2.08×10?3=25.2m2，取26m2。轉(zhuǎn)鼓：連續(xù)過(guò)濾，dV/dt=A?ψ√(K/2t_c)，t_c=1/n=75s，班產(chǎn)60m3→平均過(guò)濾速率60/(8×3600)=2.08×10?3m3·s?1，則A?=Q/[ψ√(Kn/2)]=2.08×10?3/[0.3√(1.5×10??×0.8/2)]=2.08×10?3/(0.3×7.75×10?3)=8.9m2，取9m2。23.（13分）某填料吸收塔用純水逆流吸收混合氣中SO?，入口氣相摩爾分?jǐn)?shù)y?=0.08，出口y?=0.004，入口液相x?=0，操作壓力101.3kPa，溫度20℃，平衡關(guān)系y=35x，氣相流率G=60kmol·m?2·h?1，液相流率L=1800kmol·m?2·h?1。已知K_ya=0.06kmol·m?3·s?1，求所需填料高度Z。解：(G/L)=60/1800=1/30，操作線y=(L/G)(x–x?)+y?=30x+0.004。塔頂：x?=0，y?=0.004；塔底：y?=0.08→x?=(0.08–0.004)/30=0.00253。平衡線y=35x，塔底推動(dòng)力Δy?=y?–35x?=0.08–0.0887=–0.0087（出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明液相流率過(guò)大，操作線斜率30<35，最小液氣比(L/G)_min=(y?–y?)/(x?–x?)=0.076/0.002286=33.2，實(shí)際30<33.2，無(wú)法達(dá)到y(tǒng)?=0.004）。修正：取L=2000kmol·m?2·h?1，則(L/G)=33.3>33.2，可行。重新計(jì)算：x?=0.076/33.3=0.00228，Δy?=0.08–35×0.00228=0.0002，Δy?=0.004–0=0.004，Δy_lm=(0.004–0.0002)/ln(0.004/0.0002)=0.00123，N_OG=(y?–y?)/Δy_lm=0.076/0.00123=61.8，H_OG=G/(K_ya)=60/3600/0.06=0.278m，Z=N_OG×H_OG=61.8×0.278=17.2m，取17.5m。24.（15分）某單效蒸發(fā)器將5%NaOH溶液濃縮至20%，進(jìn)料溫度25℃，蒸發(fā)室操作壓力19.6kPa（絕），對(duì)應(yīng)飽和蒸汽溫度t?=60℃，汽化潛熱r=2359kJ·kg?1。加熱蒸汽為120℃飽和蒸汽，r_s=2203kJ·kg?1。已知溶液沸點(diǎn)升高Δ′=8℃，傳熱系數(shù)K=1800W·m?2·K?1，處理量F=3kg·s?1，求加熱蒸汽消耗量D及傳熱面積A。解：物料衡算：Fx?=(F–W)x?→3×0.05=(3–W)×0.20→W=2.25kg·s?1。熱量衡算：取料液比熱c_p=3.8kJ·kg?1·K?1，Q=Fc_p(t_b–t_f)+Wr=3×3.8×(68–25)+2.25×2359=490+5308=5798kW。D=Q/r_s=5798/2203=2.63kg·s?1。傳熱溫差ΔT=120–68=52℃，A=Q/(KΔT)=5798×103/(1800×52)=62m2。四、推導(dǎo)與證明題（共20分）25.（10分）從Navier-Stokes方程出發(fā)，推導(dǎo)圓管內(nèi)不可壓縮牛頓流體層流速度分布表達(dá)式，并給出平均流速與最大流速關(guān)系。解：取z軸沿管軸向，穩(wěn)態(tài)、充分發(fā)展、軸對(duì)稱，?/?θ=0，?/?z=0，v_r=v_θ=0，僅v_z=v_z(r)。柱坐標(biāo)N-S：0=–?p/?z+μ[1/rd/dr(rdv_z/dr)]，積分：rdv_z/dr=(1/μ)(?p/?z)r2/2+C?，由r=0對(duì)稱→C?=0，再積分：v_z=(1/4μ)(–?p/?z)(R2–r2)，最大速度v_max=(1/4μ)(–?p/?z)R2，平均流速u=2/R2∫??v_zrdr=(1/8μ)(–?p/?z)R