材料科學(xué)與工程研究學(xué)院《化工原理》課程試題及答案(A卷)一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.某液體在圓管內(nèi)作層流流動，若管徑減半而體積流量不變，則摩擦系數(shù)λ的變化趨勢為A.增大為原來的2倍??B.增大為原來的4倍??C.增大為原來的8倍??D.不變答案：C解析：層流時λ=64/Re，Re=ρud/μ。管徑減半，u增大為4倍（Q=πd2u/4），Re∝ud，故Re增大為2倍；λ∝1/Re，故λ減小為1/2倍。但題目問的是“變化趨勢”，實際應(yīng)關(guān)注沿程阻力hf=λ·(L/d)·(u2/2g)。將λ=64/Re代入，hf∝u/d2∝(4u?)/(d?/2)2=32u?/d?2，即hf增大為原來的32倍；而λ本身因Re增大為2倍，λ減小為1/2倍，但綜合d減小的幾何效應(yīng)，λ·L/d項增大為8倍，故選C。2.用常壓連續(xù)精餾塔分離苯-甲苯混合物，進料熱狀態(tài)q=0.5，若將進料板位置上移兩塊，則塔頂易揮發(fā)組分回收率A.升高??B.降低??C.不變??D.無法判斷答案：B解析：q=0.5為汽液混合進料，進料板上升導(dǎo)致精餾段理論板數(shù)減少，分離能力下降，輕組分回收率降低。3.某逆流吸收塔用純水吸收氨，操作液氣比為最小液氣比的1.4倍。若入口氣體濃度y?上升10%，其他條件不變，則出口液體濃度x?將A.上升約10%??B.上升但小于10%??C.下降??D.不變答案：B解析：最小液氣比(L/G)min=(y??y?)/(x?*?x?)，y?↑→(L/G)min↑，實際L/G不變，故操作線斜率不變，但平衡線上移，推動力減小，x?上升但受平衡限制，幅度小于10%。4.在回轉(zhuǎn)真空過濾機中，若轉(zhuǎn)速提高一倍，忽略濾布阻力，則單位面積濾液體積A.增大為√2倍??B.增大為2倍??C.不變??D.減小答案：A解析：恒壓過濾V2=K·A2·t，t=φ/n，n↑→t↓，V∝1/√n，故V↓為1/√2；但單位面積濾液q=V/A∝1/√n，故q減小為1/√2，即“單位面積濾液體積”表述為q，應(yīng)減??；題目問的是“單位面積濾液體積”在相同周期內(nèi)累積量，實際每轉(zhuǎn)q∝√(1/n)，故轉(zhuǎn)速提高一倍，單轉(zhuǎn)q減小為1/√2，但每小時濾液量Q=q·n∝√n，增大為√2倍。注意題意“單位面積濾液體積”指單轉(zhuǎn)量，故選A。5.某球形顆粒在20℃水中自由沉降，若顆粒密度ρp=2600kg·m?3，水ρ=1000kg·m?3，μ=1×10?3Pa·s，欲使沉降處于Stokes區(qū)，最大粒徑為A.28μm??B.45μm??C.58μm??D.74μm答案：C解析：Stokes上限Rep=1，即dp,max=[18μ2/(g(ρp?ρ)ρ)]^{1/3}=5.8×10??m=58μm。6.在BET法測比表面積時，若吸附質(zhì)分子截面積σ=0.162nm2，實驗測得單層吸附量Vm=45cm3(STP)/g，則比表面積S為A.198m2/g??B.245m2/g??C.320m2/g??D.1980m2/g答案：A解析：S=Vm·NA·σ/(22400·101?)=45×6.022×0.162/22.4=198m2/g。7.某套管換熱器，內(nèi)管走熱氣體，環(huán)隙走冷卻水。若管內(nèi)傳熱系數(shù)hi=60W·m?2·K?1，管外ho=4000W·m?2·K?1，管壁δ=2mm，λ=16W·m?1·K?1，忽略污垢，則總傳熱系數(shù)K(基于管外面積)約為A.58W·m?2·K?1??B.118W·m?2·K?1??C.240W·m?2·K?1??D.3900W·m?2·K?1答案：B解析：1/K=1/ho+(do/di)·δ/λ+do/(di·hi)，設(shè)do=25mm，di=21mm，代入得1/K≈0.00845，K≈118W·m?2·K?1。8.在恒速干燥階段，若空氣濕球溫度tw不變，干球溫度t升高，則干燥速率A.升高??B.降低??C.不變??D.先升后降答案：A解析：恒速段速率N=kg(Hs?H)，Hs為tw下飽和濕度，tw不變則Hs不變；但t↑→空氣焓值↑→傳質(zhì)推動力Hs?H略升，kg亦隨溫度升高而增大，故N↑。9.某二元理想溶液，相對揮發(fā)度α=2.5，若泡點進料，塔頂xD=0.95，塔釜xW=0.05，則最小回流比Rmin為A.0.67??B.1.08??C.1.33??D.2.50答案：B解析：q線垂直，交平衡線y=αx/[1+(α?1)x]得xq=xF，設(shè)xF=0.5，yq=2.5×0.5/(1+1.5×0.5)=0.714，Rmin=(xD?yq)/(yq?xq)=(0.95?0.714)/(0.714?0.5)=1.08。10.在離心泵特性曲線實驗中，若出口閥關(guān)小，則泵效率A.升高??B.降低??C.先升后降??D.不變答案：B解析：關(guān)閥后流量減小，泵內(nèi)循環(huán)損失增大，效率下降。二、填空題（每空2分，共20分）11.某液體在φ57mm×3.5mm鋼管內(nèi)流動，流速1.8m·s?1，ρ=1200kg·m?3，μ=8×10?3Pa·s，則流動雷諾數(shù)Re=________，流態(tài)為________。答案：Re=ρud/μ=1200×1.8×0.05/0.008=13500，湍流。12.在填料塔中，若采用拉西環(huán)改為鞍形環(huán)，則液相傳質(zhì)單元高度HL將________，原因是________。答案：減小，鞍形環(huán)改善液體分布，降低溝流，增大有效相界面積。13.某板框壓濾機恒壓過濾，濾餅不可壓縮，介質(zhì)阻力可忽略，過濾1h得濾液8m3，則過濾2h可得濾液________m3；若壓力提高一倍，過濾1h可得________m3。答案：V∝√t，2h得8√2=11.3m3；壓力↑一倍K↑一倍，1h得8√2=11.3m3。14.在單效蒸發(fā)器中，將10%NaOH溶液濃縮至30%，進料溫度25℃，沸點升高12℃，加熱蒸汽120℃，冷凝器60℃，則有效溫差為________℃。答案：ΔT=120?(60+12)=48℃。15.某旋風(fēng)分離器臨界粒徑dc=8μm，若處理氣量增大一倍，則dc變?yōu)開_______μm。解析：dc∝√(μQ/(ρp?ρ)·1/N)，N為旋轉(zhuǎn)圈數(shù)近似不變，Q↑→dc↑為√2倍，dc=8√2=11.3μm。答案：11.3μm。16.在干燥實驗中，物料由濕基含水率0.40降至0.10，則干基含水率變化為________→________。答案：X1=0.40/(1?0.40)=0.667，X2=0.10/(1?0.10)=0.111。17.某精餾塔全回流時，測得相鄰兩塊板液相組成分別為0.82、0.75，則該板Murphree效率Emv=________%。答案：Emv=(y_n?y_{n+1})/(y_n^?y_{n+1})，全回流y=x，y_n=0.82，y_{n+1}=0.75，平衡y^=αx/[1+(α?1)x]，設(shè)α=2.5，y_n^*=0.92，Emv=(0.82?0.75)/(0.92?0.75)=41.2%。18.在套管換熱器內(nèi)，熱流體由150℃降至80℃，冷流體由30℃升至60℃，則逆流對數(shù)平均溫差ΔTm=________℃。答案：ΔT1=120，ΔT2=20，ΔTm=(120?20)/ln(120/20)=55.0℃。19.某離心泵安裝高度為3m，吸入管路水力損失1.2m，輸送20℃水，Pv=2.34kPa，大氣壓100kPa，則必需汽蝕余量NPSHr=________m。答案：NPSHa=(Pa?Pv)/(ρg)?Hg?hf=(100?2.34)/9.79?3?1.2=5.8m，NPSHr≤NPSHa，題目問“必需”即廠家給定值，此處按計算為5.8m。20.在分子擴散中，若氣體A通過停滯組分B擴散，則漂流因子P/pBM________1（填>、=、<）。答案：>。三、計算題（共60分）21.（12分）某廠用φ108mm×4mm新鋼管輸送20℃清水，總管長800m，含6個90°標(biāo)準彎頭、2個閘閥（全開）、1個止回閥，高度差可忽略。若要求流量達到120m3·h?1，求所需泵的有效功率。已知：ε=0.05mm，局部阻力系數(shù)ζb=0.9，ζg=0.15，ζc=2.0，ρ=998kg·m?3，μ=1.002×10?3Pa·s。解：(1)管內(nèi)徑d=0.10m，截面積A=πd2/4=7.854×10?3m2，流速u=Q/A=120/3600/7.854×10?3=4.24m·s?1。(2)Re=ρud/μ=998×4.24×0.10/1.002×10?3=4.22×10?，湍流。(3)ε/d=0.0005，查Moody圖λ≈0.017。(4)局部阻力：∑ζ=6×0.9+2×0.15+2.0=7.7，hf,local=∑ζ·u2/2g=7.7×4.242/19.62=7.1m。(5)沿程阻力：hf,pipe=λ·L/d·u2/2g=0.017×800/0.10×4.242/19.62=99.5m。(6)總揚程H=hf,local+hf,pipe=106.6m。(7)有效功率Pe=ρgQH=998×9.81×120/3600×106.6=37.0kW。答案：37kW。22.（12分）在連續(xù)逆流吸收塔中，用純水吸收空氣中的SO?。入口氣體y?=0.08，出口y?=0.004，入口液體x?=0，操作壓力101.3kPa，溫度30℃，平衡關(guān)系y=30x，塔徑1.2m，G=60kmol·h?1，Kya=0.8kmol·m?3·h?1。求所需填料層高度。解：(1)物料衡算：G(y??y?)=L(x??x?)，取L/G=1.5(L/G)min，(L/G)min=(y??y?)/(y?/30?0)=0.076/0.002667=28.5，L/G=42.75，L=42.75×60=2565kmol·h?1。(2)操作線：y=42.75x+0.004。(3)傳質(zhì)單元數(shù)：NOG=∫_{y?}^{y?}dy/(y?y)，y=30x，代入操作線得x=(y?0.004)/42.75，y?y*=y?30(y?0.004)/42.75=y(1?30/42.75)+0.0028=0.298y+0.0028，積分得NOG=ln[(y?+0.0094)/(y?+0.0094)]/0.298=ln(0.0894/0.0134)/0.298=6.35。(4)傳質(zhì)單元高HOG=G/(Kya·A)=60/(0.8×π×1.22/4)=66.3m，顯然不合理，檢查單位：Kya=0.8kmol·m?3·h?1，G=60kmol·h?1，A=1.131m2，HOG=60/(0.8×1.131)=66.3m，說明Kya偏小，按題意計算：Z=HOG×NOG=66.3×6.35=421m，結(jié)果異常，重新核算：實際Kya應(yīng)為0.8×1000=800kmol·m?3·h?1？題目給定0.8，按題計算：Z=66.3×6.35=421m，保留。答案：421m（注：實際工程Kya約20–80，此處按題目給定值計算）。23.（12分）某單殼程-雙管程換熱器用130℃飽和蒸汽加熱某溶液，溶液流量為3.5kg·s?1，cp=2.8kJ·kg?1·K?1，由20℃升至75℃。蒸汽側(cè)ho=8000W·m?2·K?1，溶液側(cè)hi=1800W·m?2·K?1，管壁δ=2mm，λ=16W·m?1·K?1，污垢熱阻忽略。求換熱面積。解：(1)熱負荷Q=m·cp·ΔT=3.5×2.8×55=539kW。(2)蒸汽冷凝ΔT=130?75=55℃，溶液ΔT=130?20=110℃，ΔTm=(110?55)/ln(110/55)=79.5℃。(3)多程校正Ft：P=(75?20)/(130?20)=0.5，R=∞，查圖Ft≈0.85，ΔTm,c=79.5×0.85=67.6℃。(4)總傳熱系數(shù)：1/U=1/ho+δ/λ+1/hi=1/8000+0.002/16+1/1800=0.000125+0.000125+0.000556=0.000806，U=1240W·m?2·K?1。(5)A=Q/(U·ΔTm,c)=539000/(1240×67.6)=6.43m2。答案：6.4m2。24.（12分）某板框壓濾機恒壓過濾某懸浮液，已知K=2×10??m2·s?1，濾餅不可壓縮，濾布阻力可忽略，濾框尺寸800mm×800mm×30mm，共20框。求：(1)充滿濾框所需時間；(2)若所得濾餅含水率40%（濕基），濾餅密度1500kg·m?3，求每周期所得干固體重量。解：(1)單框容積Vcake=0.8×0.8×0.03=0.0192m3，總?cè)莘eVtotal=20×0.0192=0.384m3。(2)濾餅孔隙率ε：濕基含水0.4，則單位體積濾餅中水質(zhì)量=0.4×1500=600kg，固體900kg，水體積0.6m3，固體體積900/2600=0.346m3，總餅體積1m3，孔隙率ε=0.6/1=0.6，濾液體積V=ε·Vcake/(1?ε)=0.6×0.384/0.4=0.576m3。(3)恒壓過濾V2=K·A2·t，需先求面積A：單框兩側(cè)過濾面積=2×0.8×0.8=1.28m2，總A=20×1.28=25.6m2。(4)t=V2/(K·A2)=0.5762/(2×10??×25.62)=0.3318/(1.31×10?2)=25.3s。(5)干固體質(zhì)量=900×0.384=345.6kg。答案：(1)25s；(2)346kg。25.（12分）某理想二元精餾塔，xF=0.45，xD=0.92，xW=0.05，α=2.4，泡點進料，R=1.3Rmin。求：(1)最小回流比；(2)理論板數(shù)（用簡捷法）；(3)若改為飽和蒸汽進料，Rmin如何變化（定性說明）。解：(1)q=1，xq=xF=0.45，yq=2.4×0.45/(1+1.4×0.45)=0.663，Rmin=(xD?yq)/(yq?xq)=(0.92?0.663)/(0.663?0.45)=1.21。(2)R=1.3×1.21=1.57，(R?Rmin)/(R+1)=0.36，查Gill圖得(N?Nmin)/(N+1)=0.45，Nmin=ln[(0.92/0.08)×(0.95/0.05)]/ln2.4=7.1，解得N=13.8→14塊。(3)飽和蒸汽進料q=0，q線水平，交平衡線于y=xF=0.45，對應(yīng)x=0.45/2.4/(1?1.4×0.45/2.4)=0.255，yq=0.45，Rmin=(0.92?0.45)/(0.45?0.255)=2.41，明顯增大。答案：(1)1.21；(2)14塊；(3)Rmin增大。四、綜合分析題（共20分）26.（20分）某廠擬用多效蒸發(fā)替代現(xiàn)有單效蒸發(fā)，將10%NaNO?溶液濃縮至40%，進料量3×10?kg·h?1，溫度40℃，比熱3.6kJ·kg?1·K?1?？晒┱羝麎毫?.5MPa（絕），飽和溫度152℃，末效真空度80kPa（即冷凝溫度60℃）。假設(shè)各效傳熱面積相等，傳熱系數(shù)K?=2000，K?=1500，K?=1000W·m?2·K?1，沸點升高依次為3、5、7℃，忽略熱損。求：(1)三效并流加料所需蒸汽量及面積；(2)與單效相比節(jié)能百分比；(3)若改為逆流加料，有何優(yōu)缺點。解：(1)總蒸發(fā)水量W=F(1?x?/x?)=30000(1?0.1/0.4)=22500kg·h?1。設(shè)三效蒸發(fā)量分別為W?、W?、W?，則W?+W?+W?=22500。熱量衡算：效1：D·λ?=F·cp(t??t?)+W?·λ?′，λ?=2115kJ·kg?1，λ?′=2250（沸點升高3℃，取平均）。效2：W?·λ?=(F?W?)cp(t??t?)+W?·λ?′，λ?=2250，λ?′=2350。效3：W?·λ?=(F?W??W