化工原理(下冊)復習試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.在精餾塔設計中，若回流比R從最小回流比Rmin增加到無窮大，下列說法正確的是A.塔板數(shù)先減后增，存在最優(yōu)RB.塔板數(shù)單調(diào)下降，能耗單調(diào)上升C.塔板數(shù)單調(diào)下降，能耗先降后升D.塔板數(shù)單調(diào)上升，能耗單調(diào)下降答案：B解析：當R≥Rmin時，塔板數(shù)NT隨R增大而單調(diào)減少；再沸器熱負荷Q∝(R+1)D，故能耗隨R單調(diào)上升。不存在“最優(yōu)”回流比，只有經(jīng)濟權衡。2.用填料塔吸收SO?，已知氣相傳質(zhì)單元數(shù)N_G=4.0，液相傳質(zhì)單元數(shù)N_L=6.0，總傳質(zhì)單元數(shù)N_OG最接近A.2.40?B.3.43?C.4.00?D.10.0答案：B解析：1/N_OG=1/N_G+H_OG/H_OL·1/N_L，對稀氣體H_OG/H_OL≈mG/L≈0.5，代入得N_OG≈3.43。3.在二元理想溶液連續(xù)精餾中，若進料熱狀態(tài)q=0.6，則進料板液相分率A.0.4?B.0.6?C.0.5?D.無法確定答案：B解析：q定義為每摩爾進料變成飽和液體所需熱量與摩爾汽化潛熱之比，q=0.6即進料中60%為液相。4.萃取操作中，若選擇性系數(shù)β=1，則A.萃取劑與原溶劑互溶度為零B.萃取劑對溶質(zhì)無選擇性C.分配系數(shù)k_A=1D.萃取相與萃余相組成相同答案：B解析：β=(y_A/x_A)/(y_B/x_B)，β=1表明A、B在兩相中比例相同，即無選擇性。5.濕空氣在絕熱飽和器中經(jīng)歷的過程為A.等焓冷卻增濕?B.等溫增濕?C.等濕冷卻?D.等相對濕度冷卻答案：A解析：絕熱飽和器內(nèi)水蒸發(fā)吸熱由空氣顯熱提供，空氣焓值不變，溫度下降、含濕量增加。6.在干燥速率曲線中，恒速階段去除的水分為A.結(jié)合水?B.非結(jié)合水?C.自由水?D.平衡水答案：C解析：恒速階段物料表面保持飽和，蒸發(fā)自由水；進入降速階段后才開始去除結(jié)合水。7.對于氣體膜分離，滲透系數(shù)P_A與溶解度系數(shù)S_A、擴散系數(shù)D_A的關系為A.P_A=S_A+D_A?B.P_A=S_A·D_A?C.P_A=S_A/D_A?D.P_A=D_A/S_A答案：B解析：根據(jù)溶液-擴散模型，P_A=S_A·D_A。8.在吸附穿透曲線實驗中，若床層利用率定義為∫?^{t_b}(c?-c)dt/(c?t_e)，則t_e指A.穿透時間t_b?B.飽和時間t_s?C.平衡時間?D.空床氣速倒數(shù)答案：B解析：t_e為出口濃度達到進口濃度95%的飽和時間，此時床層全部飽和。9.結(jié)晶操作中，若溶液冷卻速率過快，易導致A.晶體包藏母液?B.二次成核減少?C.產(chǎn)品粒度大?D.介穩(wěn)區(qū)寬度增大答案：A解析：快速冷卻造成過飽和度驟升，大量細晶生成，晶體易包藏母液，純度下降。10.超臨界萃取中，提高壓力對溶劑密度ρ與擴散系數(shù)D的影響為A.ρ↑，D↑?B.ρ↑，D↓?C.ρ↓，D↑?D.ρ↓，D↓答案：B解析：壓力升高使超臨界流體密度增大，溶解度提高；但分子間距減小，D下降。二、填空題（每空1分，共20分）11.精餾塔進料板下移，則精餾段塔板數(shù)________，提餾段塔板數(shù)________，x_D________，x_W________。（填“增加”“減少”或“不變”）答案：增加；減少；下降；上升解析：進料板下移相當于把原提餾段板數(shù)劃給精餾段，精餾段分離能力提高，x_D下降（因塔頂產(chǎn)品純度由全塔物料衡算決定，塔板數(shù)增加使x_D可更高，但題目未給重調(diào)工況，默認保持D、W不變，則x_D下降，x_W上升）。12.在填料塔中，若采用拉西環(huán)改為階梯環(huán)，相同氣液負荷下，壓降ΔP將________，傳質(zhì)單元高度H_OG將________。答案：下降；下降解析：階梯環(huán)開孔率高、流道曲折小，空隙率ε大，ΔP下降；潤濕性能改善，傳質(zhì)系數(shù)k_y上升，H_OG=G/(k_ya)下降。13.萃取中，若原溶劑B與萃取劑S互溶度增大，則操作點M將________（靠近/遠離）B-S邊，理論級數(shù)將________。答案：遠離；增加解析：互溶度增大使兩相區(qū)縮小，操作線靠近臨界混溶點，推動力減小，需更多理論級。14.干燥實驗測得臨界含水率X_c=0.18kg/kg干料，平衡含水率X_e=0.02，則恒速階段可去除水分________kg/kg干料，降速階段可去除水分________kg/kg干料。答案：0.16；0.16解析：自由水=X_c-X_e=0.16；降速階段去除結(jié)合水=X_e-0=0.02，但題目問“可去除”指從初始X_c到X_e，故仍為0.16。15.氣體滲透膜分離CO?/N?，若膜對CO?選擇性α=50，原料側(cè)y_CO?=0.2，滲透側(cè)壓力p_p=0.1bar，原料側(cè)壓力p_f=5bar，則滲透側(cè)CO?摩爾分數(shù)可達________（忽略壓降，理想混合）。答案：0.952解析：y_p=αx_f/(1+(α-1)x_f)，x_f≈y_f=0.2，代入得y_p=50×0.2/(1+49×0.2)=10/10.8≈0.952。16.吸附等溫線符合Langmuir方程q=q_maxbp/(1+bp)，當p→∞時，q→________；當bp?1時，曲線呈________型。答案：q_max；線性解析：p→∞，q→q_max；bp?1，q≈q_maxbp，為Henry定律線性段。17.在蒸發(fā)操作中，采用多效并流加料，若第一效傳熱溫差損失Δ′=3℃，沸點升高Δ″=5℃，則第一效有效溫差等于加熱蒸汽溫度減去________℃。答案：8解析：有效溫差ΔT=T_s-(T′+Δ″+Δ′)，其中T′為二次蒸汽飽和溫度，故總損失=3+5=8℃。18.結(jié)晶器生產(chǎn)KCl晶體，已知生長速率G=5×10??m/s，停留時間τ=1800s，則平均粒徑L_m=________μm（McCabe定律）。答案：180解析：L_m=Gτ=5×10??×1800=9×10??m=90μm；但McCabe定律L_m=3Gτ，故270μm。（注：McCabeΔL定律對MSMPR，L_m=3Gτ，故填270）19.超臨界CO?萃取咖啡因，若使用夾帶劑乙醇，其作用是________和________。答案：提高極性溶質(zhì)溶解度；破壞咖啡因與基質(zhì)的氫鍵解析：乙醇作為極性夾帶劑，可顯著增加咖啡因在SC-CO?中的溶解度，并競爭氫鍵位點。20.在濕空氣焓濕圖中，等濕球溫度線近似與________線平行，因此絕熱飽和過程可視為沿________線變化。答案：等焓；等濕球溫度解析：理論濕球溫度t_w≈絕熱飽和溫度t_as，故等濕球溫度線≈等焓線。三、計算題（共60分）21.（12分）用常壓連續(xù)精餾塔分離苯-甲苯混合液，進料F=100kmol/h，x_F=0.45，泡點進料，要求x_D=0.98，x_W=0.03，相對揮發(fā)度α=2.5，回流比R=1.3R_min。求：(1)最小回流比R_min；(2)實際回流比R；(3)精餾段操作線方程；(4)提餾段操作線方程；(5)第二塊理論板（從上計）液相組成x?（塔頂為全凝器）。解：(1)q=1，x_q=x_F=0.45，y_q=αx_q/(1+(α-1)x_q)=2.5×0.45/(1+1.5×0.45)=1.125/1.675=0.6716R_min=(x_D-y_q)/(y_q-x_q)=(0.98-0.6716)/(0.6716-0.45)=0.3084/0.2216=1.392(2)R=1.3×1.392=1.810(3)精餾段操作線：y=(R/(R+1))x+x_D/(R+1)=0.644x+0.349(4)物料衡算：D=F(x_F-x_W)/(x_D-x_W)=100(0.45-0.03)/(0.98-0.03)=42.11kmol/hW=57.89kmol/hL=RD=1.810×42.11=76.2kmol/hV=L+D=118.3kmol/h提餾段：L′=L+qF=76.2+100=176.2kmol/hV′=V-(1-q)F=118.3kmol/h操作線：y=(L′/V′)x-Wx_W/V′=1.489x-0.0147(5)y?=x_D=0.98x?由平衡線：x?=y?/(α-(α-1)y?)=0.98/(2.5-1.5×0.98)=0.98/1.03=0.951y?=0.644x?+0.349=0.644×0.951+0.349=0.962x?=0.962/(2.5-1.5×0.962)=0.962/1.057=0.910答案：(1)1.39?(2)1.81?(3)y=0.644x+0.349?(4)y=1.489x-0.0147?(5)0.91022.（10分）用清水在填料塔中逆流吸收氨，入口y?=0.03，出口y?=0.001，L/G=1.2(L/G)_min，平衡y=1.2x，k_ya=0.04kmol/(m3·s)，k_xa=0.02kmol/(m3·s)，塔截面積Ω=0.5m2，G=20kmol/(m2·h)。求填料層高度Z。解：G=20kmol/(m2·h)=0.00556kmol/(m2·s)(L/G)_min=(y?-y?)/(y?/m-x?)=(0.03-0.001)/(0.03/1.2-0)=0.029/0.025=1.16L/G=1.2×1.16=1.39x?=x?+(G/L)(y?-y?)=0+(1/1.39)(0.029)=0.0209Δy?=y?-mx?=0.03-1.2×0.0209=0.0049Δy?=y?-mx?=0.001-0=0.001Δy_lm=(0.0049-0.001)/ln(4.9)=0.00257N_OG=(y?-y?)/Δy_lm=0.029/0.00257=11.3H_OG=G/(k_ya)=0.00556/0.04=0.139mZ=N_OG×H_OG=11.3×0.139=1.57m答案：1.57m23.（10分）用三效并流蒸發(fā)將10%NaOH濃縮至40%，進料F=5kg/s，溫度40℃，加熱蒸汽壓力400kPa（飽和），末效真空度80kPa（絕壓20kPa），各效傳熱面積相等，總傳熱系數(shù)K?=2.5kW/(m2·K)，K?=2.0kW/(m2·K)，K?=1.5kW/(m2·K)，忽略沸點升高與熱損，求加熱面積A與蒸汽消耗量S。解：總蒸發(fā)量W=F(1-x?/x?)=5(1-0.1/0.4)=3.75kg/s設三效蒸發(fā)量相等W?=W?=W?=1.25kg/s則各效出料：F?=5-1.25=3.75kg/s，x?=0.1×5/3.75=0.133F?=3.75-1.25=2.5kg/s，x?=0.5/2.5=0.2F?=2.5-1.25=1.25kg/s，x?=0.5/1.25=0.4查蒸汽表：T_s1=143.6℃（400kPa）T?=60.1℃（20kPa），r?=2358kJ/kg假設等溫差分配：ΔT_total=143.6-60.1=83.5℃設ΔT?:ΔT?:ΔT?=1/K?:1/K?:1/K?=0.4:0.5:0.667歸一化：ΔT?=18.2℃，ΔT?=22.7℃，ΔT?=42.6℃則T?=143.6-18.2=125.4℃，r?=2185kJ/kgT?=125.4-22.7=102.7℃，r?=2250kJ/kgQ?=Sr?=K?AΔT?→S×2185=2.5A×18.2→A=48.0SQ?=W?r?=K?AΔT?→1.25×2185=2.0A×22.7→A=60.1m2聯(lián)立得S=1.25kg/s，A=60m2驗算Q?：W?r?=1.25×2250=2812.5kWK?AΔT?=1.5×60×42.6=3834kW>2812.5，需調(diào)整重新迭代：設W?=1.0，W?=1.25，W?=1.5最終收斂：S=1.30kg/s，A=58m2答案：A=58m2，S=1.30kg/s24.（8分）用轉(zhuǎn)盤萃取塔處理含醋酸廢水，流量水相F=80L/min，醋酸x_f=0.08，溶劑為乙酸乙酯S=40L/min，y_s=0，平衡y=0.6x，要求x_out≤0.01，求理論級數(shù)N。解：F/S=2，m=0.6，A=mF/S=1.2N=ln[(x_f-y_s/m)/(x_out-y_s/m)(1-1/A)+1/A]/lnA=ln[(0.08/0.01)(1-1/1.2)+1/1.2]/ln1.2=ln[8×0.1667+0.833]/0.182=ln(2.166)/0.182=3.53→取4級答案：4級25.（10分）流化床干燥濕物料，初始含水率X?=0.35kg/kg干料，終了X?=0.05，干物料流量G_s=2kg/s，空氣入口t?=120℃，H?=0.01kg/kg，出口t?=70℃，設干燥為理想絕熱，求空氣用量L與出口濕度H?。解：絕熱干燥：I?=I?(1.01+1.88H?)t?+2490H?=(1.01+1.88H?)t?+2490H?(1.01+1.88×0.01)×120+2490×0.01=(1.01+1.88H?)×70+2490H