全國大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽試題及答案1.流體輸送實(shí)驗(yàn)?zāi)掣咝?shí)驗(yàn)室用內(nèi)徑50mm、長120m的水平光滑鋼管，將20℃清水從地面儲(chǔ)槽輸送至15m高的常壓高位槽。管路中裝有一臺(tái)離心泵，泵特性曲線在額定轉(zhuǎn)速2900r·min?1下可擬合為H=65–0.00432q2（H單位m，q單位m3·h?1）。管路局部阻力當(dāng)量長度取直管長度的15%。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：當(dāng)泵出口閥門全開時(shí)，渦輪流量計(jì)示值28.4m3·h?1，壓力表P?（泵出口）讀數(shù)0.255MPa，P?（高位槽入口）讀數(shù)0.102MPa，兩表垂直高差13.5m。(1)計(jì)算管路實(shí)際流量q與泵在該流量下的揚(yáng)程H_pump；(2)以柏努利方程校核測(cè)量數(shù)據(jù)是否自洽，給出相對(duì)誤差；(3)若將泵轉(zhuǎn)速調(diào)至2500r·min?1，求新工作點(diǎn)流量與泵有效功率；(4)若高位槽改為密閉，表壓升至0.15MPa，定性說明流量變化并給出估算思路。答案與解析(1)渦輪流量計(jì)系數(shù)經(jīng)標(biāo)定為0.998，故實(shí)際流量q=28.4×0.998=28.35m3·h?1泵揚(yáng)程由特性曲線H_pump=65–0.00432×28.352=61.5m(2)取地面儲(chǔ)槽液面為0-0截面，高位槽入口為2-2截面，柏努利方程z?+p?/ρg+u?2/2g+H_pump=z?+p?/ρg+u?2/2g+h_f已知z?=0，z?=15m，p?=0（表壓），p?=0.102MPa，u?≈0，u?=q/(πd2/4)=4.01m·s?120℃水ρ=998kg·m?3，μ=1.002×10?3Pa·sRe=ρud/μ=2.0×10?，光滑管λ=0.3164Re??·2?=0.0156總當(dāng)量長度L_e=120×1.15=138mh_f=λ(L_e/d)(u2/2g)=11.0m左側(cè)=0+0+0+61.5=61.5m右側(cè)=15+0.102×10?/(998×9.81)+4.012/(2×9.81)+11.0=15+10.4+0.82+11.0=37.2m誤差δ=(61.5–37.2)/61.5=39%結(jié)論：P?與P?讀數(shù)不配套，可能P?表未校正零點(diǎn)或管路存在未計(jì)入的局部阻塞。(3)泵相似定律：q?/q?=n?/n?，H?/H?=(n?/n?)2新特性曲線H′=65(n′/n)2–0.00432q′2即H′=65(2500/2900)2–0.00432q′2=48.4–0.00432q′2管路曲線H_pipe=15+0.0827q2（由h_f表達(dá)式擬合）聯(lián)立48.4–0.00432q2=15+0.0827q2解得q=18.7m3·h?1有效功率P_e=ρgHq/3600=998×9.81×(48.4–0.00432×18.72)×18.7/3600=2.42kW(4)高位槽密閉后p?升高，管路曲線向上平移ΔH=(0.15–0.102)×10?/(998×9.81)=4.9m新交點(diǎn)流量減小，估算：設(shè)原管路曲線H_pipe=15+kq2，則新曲線H_pipe′=19.9+kq2與泵曲線聯(lián)立65–0.00432q2=19.9+kq2解得q_new≈23.1m3·h?1，下降約18%。2.傳熱實(shí)驗(yàn)一單程列管換熱器，殼程通120℃飽和蒸汽冷凝，管程走流量1.8kg·s?1的某油品，進(jìn)口溫度35℃，出口要求75℃。管子外徑19mm，壁厚2mm，共60根，長3m，材料導(dǎo)熱系數(shù)16W·m?1·K?1。油品比熱容2.1kJ·kg?1·K?1，密度860kg·m?3，粘度0.006Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)0.14W·m?1·K?1。蒸汽側(cè)傳熱系數(shù)h_o=12000W·m?2·K?1，忽略污垢熱阻。(1)計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù)h_i；(2)求總傳熱系數(shù)K_o（以外表面為基準(zhǔn)）；(3)核算面積裕量，判斷該換熱器是否合用；(4)若管程改為2程，流量不變，定性分析出口溫度變化并給出估算步驟。答案與解析(1)單管內(nèi)徑d_i=19–2×2=15mm總流通面積A_c=60×π×0.0152/4=0.0106m2流速u=m?/(ρA_c)=1.8/(860×0.0106)=0.197m·s?1Re=ρud_i/μ=860×0.197×0.015/0.006=424Pr=c_pμ/λ=2100×0.006/0.14=90層流，Gr=gβΔTd_i3ρ2/μ2，β≈0.0007K?1，ΔT≈40K，Gr=1.1×10?GrPr=9.9×10?>10?，自然對(duì)流不可忽略，采用Sieder-Tate修正Nu=1.86(RePrd_i/L)^0.33(μ/μ_w)^0.14先假設(shè)壁溫100℃，μ_w=0.009Pa·s，則μ/μ_w=0.67Nu=1.86[(424×90×0.015/3)^0.33]×0.67^0.14=6.2h_i=Nuλ/d_i=6.2×0.14/0.015=57.9W·m?2·K?1(2)總熱阻1/K_o=1/h_o+(d_o/d_i)(1/h_i)+(d_o/2λ)ln(d_o/d_i)=1/12000+(19/15)(1/57.9)+(0.019/32)ln(19/15)=8.33×10??+0.0219+0.00013=0.0221m2·K·W?1K_o=45.2W·m?2·K?1(3)傳熱量Q=m?c_pΔT=1.8×2100×(75–35)=151.2kWΔT_lm=[(120–35)–(120–75)]/ln[(120–35)/(120–75)]=62.5K所需面積A_req=Q/(K_oΔT_lm)=151200/(45.2×62.5)=53.5m2實(shí)際面積A_o=60×π×0.019×3=10.8m2面積裕量=(10.8–53.5)/53.5=–80%，遠(yuǎn)不足，需增加管長或并聯(lián)換熱器。(4)改2程后流速加倍，Re≈848，仍層流但Nu增大，h_i提高約1.7倍；同時(shí)L變?yōu)?.5m/程，d_i/L增大，Nu再增；綜合h_i提高約2倍，K_o提高至約80W·m?2·K?1。傳熱量增加，出口溫度上升，估算用ε-NTU法：C_min=m?c_p=3780W·K?1，C_max≈∞，NTU=K_oA_o/C_min=80×10.8/3780=0.229ε=1–exp(–NTU)=0.204T_out=T_in+ε(T_steam–T_in)=35+0.204×85=52.3℃，仍低于75℃，需繼續(xù)優(yōu)化。3.精餾實(shí)驗(yàn)用內(nèi)徑50mm、高1.2m的玻璃填料塔分離乙醇-水混合物，常壓全回流操作。塔頂汽相冷凝后回流，塔釜電加熱，進(jìn)料為40wt%乙醇，泡點(diǎn)進(jìn)料，進(jìn)料量0.6kg·h?1。穩(wěn)定后測(cè)得塔頂產(chǎn)品85wt%乙醇，塔釜5wt%乙醇，回流溫度25℃。填料為4mm×4mm不銹鋼θ環(huán)，比表面積900m2·m?3，空隙率0.85。(1)將質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算為摩爾分?jǐn)?shù)，求相對(duì)揮發(fā)度α在塔頂、塔釜的平均值；(2)用芬斯克方程求最小理論板數(shù)N_min；(3)測(cè)得塔壓降12mmH?O，換算為每米填料壓降，并判斷是否液泛；(4)若改為部分回流，回流比R=3，進(jìn)料不變，用Underwood法估算最小回流比R_min，并求理論板數(shù)（簡化為二元物系）。答案與解析(1)摩爾質(zhì)量M_EtOH=46g·mol?1，M_H?O=18g·mol?1塔頂x_D=(85/46)/(85/46+15/18)=0.689塔釜x_W=(5/46)/(5/46+95/18)=0.020查常壓汽液平衡數(shù)據(jù)，插值得塔頂y*=0.689時(shí)x=0.689，α_top=2.45塔釜y*=0.020時(shí)x=0.020，α_bottom=8.1幾何平均α_avg=√(2.45×8.1)=4.46(2)芬斯克方程N(yùn)_min=ln[(x_D/(1–x_D))((1–x_W)/x_W)]/lnα_avg–1=ln[(0.689/0.311)(0.98/0.02)]/ln4.46–1=5.2塊理論板(3)壓降12mmH?O=117.7Pa，填料高1.2mΔp/L=98Pa·m?1查θ環(huán)4mm通用壓降關(guān)聯(lián)圖，液泛線約300Pa·m?1，當(dāng)前98Pa·m?1，操作在60%液泛以下，安全。(4)進(jìn)料x_F=(40/46)/(40/46+60/18)=0.207q=1（泡點(diǎn)），Underwood方程Σ(α_ix_{i,F})/(α_i–θ)=1–q=0二元簡化：α=4.46(4.46×0.207)/(4.46–θ)+(1×0.793)/(1–θ)=0解得θ=1.78R_min=(x_D–y_F)/(y_F–x_F)y_F*=αx_F/[1+(α–1)x_F]=0.207×4.46/(1+3.46×0.207)=0.537R_min=(0.689–0.537)/(0.537–0.207)=0.46實(shí)際R=3，Gilliland關(guān)聯(lián)X=(R–R_min)/(R+1)=0.68Y=0.75(1–X^0.5668)=0.18N=N_min+Y/(1–Y)=5.2+0.22=5.42塊理論板考慮進(jìn)料板，取6塊。4.反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)在1L恒溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行醋酸丁酯酯化反應(yīng)：CH?COOH+C?H?OH?CH?COOC?H?+H?O反應(yīng)溫度80℃，催化劑為Amberlyst-15，實(shí)驗(yàn)測(cè)得正反應(yīng)速率r_f=k_fc_Ac_B，k_f=1.2×10?3L·mol?1·min?1，平衡常數(shù)K=4.2。初始加入2.0mol醋酸、3.0mol丁醇、0mol酯、0mol水。(1)推導(dǎo)以醋酸轉(zhuǎn)化率x表示的速率方程，并給出積分式；(2)計(jì)算達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間；(3)若改為連續(xù)攪拌釜（CSTR），體積仍為1L，進(jìn)料流量0.5L·min?1，組成同初始，求出口轉(zhuǎn)化率；(4)若采用管式流動(dòng)反應(yīng)器（PFR），體積1L，流量0.5L·min?1，求出口轉(zhuǎn)化率，并與CSTR比較。答案與解析(1)設(shè)醋酸為A，丁醇為B，酯為E，水為Wc_A=c_{A0}(1–x)，c_B=c_{B0}–c_{A0}x，c_E=c_{W}=c_{A0}xr=k_fc_Ac_B–k_rc_Ec_W=k_f[c_{A0}(1–x)(c_{B0}–c_{A0}x)–(c_{A0}x)2/K]令M=c_{B0}/c_{A0}=1.5r=k_fc_{A0}2[(1–x)(M–x)–x2/K]積分式t=∫?^xdx/{k_fc_{A0}[(1–x)(M–x)–x2/K]}(2)平衡時(shí)r=0(1–x_e)(1.5–x_e)=x_e2/4.2解得x_e=0.743代入積分式，數(shù)值積分（Simpson法，步長0.01）得t=158min(3)CSTR設(shè)計(jì)方程V=F_{A0}x/(–r_A)F_{A0}=c_{A0}v_0=2.0×0.5=1.0mol·min?11=1.0x/{1.2×10?3×2.02[(1–x)(1.5–x)–x2/4.2]}化簡得0.0048[(1–x)(1.5–x)–x2/4.2]–x=0解得x=0.564(4)PFR設(shè)計(jì)方程與間歇積分式相同，僅變量替換為空間時(shí)間τ=V/v_0=2min數(shù)值積分上限x(τ=2min)=0.412比較：PFR轉(zhuǎn)化率41.2%<CSTR56.4%，因可逆反應(yīng)速率隨轉(zhuǎn)化率升高而下降，CSTR在低濃度下操作，凈正速率更大，故轉(zhuǎn)化率反而高于PFR。5.分離附加題某廠用變壓吸附（PSA）從合成氨弛放氣回收氫，吸附劑為5A分子篩，實(shí)驗(yàn)柱內(nèi)徑2cm，長50cm，床層空隙率0.42，顆粒直徑1.6mm，入口H?70%、N?23%、CH?7%（體積），溫度25℃，壓力0.8MPa，循環(huán)時(shí)間120s，其中吸附60s。測(cè)得穿透曲線H?在45s時(shí)出口濃度達(dá)到入口5%，N?在30s達(dá)到5%。(1)計(jì)算H?的穿透時(shí)間t_b與平衡吸附量q_H?；(2)用線性驅(qū)動(dòng)力模型估算H?的傳質(zhì)系數(shù)k_fa_v；(3)若柱高改為1m，保持其他條件不變，預(yù)測(cè)新的H?穿透時(shí)間；(4)簡述如何利用該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)放大至工業(yè)直徑1m柱。答案