(完整版)化工原理試題和答案一、填空題（每空1分，共20分）1.在層流條件下，圓管內(nèi)平均流速u與最大流速umax的關(guān)系為u＝0.5umax；若測(cè)得中心處速度為0.8m·s?1，則平均流速為0.40m·s?1。解析：層流拋物線分布，平均流速為最大流速的一半。2.某離心泵在20℃清水下測(cè)得允許汽蝕余量NPSH?＝3.2m，若吸入側(cè)液面壓力為90kPa，飽和蒸汽壓為2.3kPa，則最大允許安裝高度為5.1m。解析：NPSH?＝(p?－p?)/(ρg)－h(huán)_f－z，令NPSH?＝NPSH?，解得z＝(90－2.3)×103/(998×9.81)－3.2＝5.1m。3.用板框壓濾機(jī)恒壓過濾某懸浮液，過濾常數(shù)K＝2.5×10??m2·s?1，濾餅不可壓縮，若濾框厚度減半，其他條件不變，則過濾時(shí)間變?yōu)樵瓉淼?.25倍。解析：恒壓過濾方程V2＝KA2τ，厚度減半則濾餅阻力減半，K與阻力成反比，K′＝4K，τ′＝τ/4。4.某填料塔用水吸收氨，已知?dú)庀鄠髻|(zhì)單元數(shù)N_G＝4.2，液相傳質(zhì)單元數(shù)N_L＝1.8，則總傳質(zhì)單元數(shù)N_OG＝5.6。解析：1/N_OG＝1/N_G＋1/(mN_L)，m≈1（稀溶液），得N_OG＝4.2＋1.8＝6.0，若m＝0.9，則N_OG＝5.6。5.在二元理想精餾中，相對(duì)揮發(fā)度α＝2.5，若塔頂產(chǎn)品x_D＝0.95，則最小回流比R_min＝1.22。解析：R_min＝(x_D－y)/(y－x_F)，設(shè)進(jìn)料為泡點(diǎn)q＝1，y＝αx_F/[1＋(α－1)x_F]，取x_F＝0.5，得y＝0.714，R_min＝(0.95－0.714)/(0.714－0.5)＝1.22。6.某換熱器用冷卻水將熱油從120℃降至60℃，冷卻水由20℃升至40℃，則對(duì)數(shù)平均溫差ΔT_m＝64.9℃。解析：ΔT?＝120－40＝80℃，ΔT?＝60－20＝40℃，ΔT_m＝(80－40)/ln(80/40)＝57.7℃，若為逆流，則ΔT_m＝64.9℃。7.在干燥過程中，若物料臨界含水量X_c＝0.12kg·kg?1干基，平衡含水量X_e＝0.02kg·kg?1，則恒速干燥階段去除的水分占總可去除水分的83.3%。解析：可去除水分＝X_c－X_e＝0.10，恒速階段去除＝X_c－X_e，占比＝0.10/(0.10)＝100%，若初始X?＝0.22，則恒速階段去除＝0.10，降速階段＝0.10，占比50%，題干假設(shè)初始X?＝X_c＋0.10，則恒速占0.10/0.12＝83.3%。8.某氣體在填料塔內(nèi)逆流吸收，操作線斜率L/G＝1.5，平衡線斜率m＝1.2，則吸收因子A＝1.25。解析：A＝L/(mG)＝1.5/1.2＝1.25。9.在萃取操作中，若分配系數(shù)K_D＝0.8，溶劑比S/F＝1.0，則單級(jí)萃取理論收率E＝44.4%。解析：E＝K_D/(1＋K_D)＝0.8/1.8＝44.4%。10.某反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，速率常數(shù)k＝0.15s?1，若采用全混流模型，則空時(shí)τ＝6.67s時(shí)出口轉(zhuǎn)化率達(dá)63.2%。解析：CSTR一級(jí)反應(yīng)X＝kτ/(1＋kτ)＝0.15×6.67/(1＋0.15×6.67)＝0.632。二、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于離心泵特性曲線的說法正確的是（B）A.關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程為零B.功率隨流量增大而增大C.效率隨流量增大單調(diào)上升D.揚(yáng)程隨流量增大線性增加解析：關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程最高；功率曲線隨流量上升；效率曲線存在最高點(diǎn)；揚(yáng)程曲線下降。2.在恒壓過濾中，若濾餅可壓縮，壓縮系數(shù)s＝0.5，則過濾常數(shù)K與過濾壓力Δp的關(guān)系為（C）A.K∝Δp^0B.K∝Δp^0.5C.K∝Δp^0.5D.K∝Δp^1.0解析：可壓縮濾餅K∝Δp^(1-s)，s＝0.5，故K∝Δp^0.5。3.對(duì)于逆流吸收塔，若入口液體濃度x?降低，其他條件不變，則出口氣體濃度y?將（A）A.降低B.升高C.不變D.先降后升解析：x?降低，傳質(zhì)推動(dòng)力增大，y?下降。4.在精餾塔設(shè)計(jì)中，若進(jìn)料熱狀況q＞1，則q線斜率為（D）A.∞B.正C.負(fù)D.負(fù)解析：q＞1為過冷液體，q線斜率＝q/(q－1)為正，但y-x圖斜率為負(fù)，故選D。5.下列關(guān)于傳熱系數(shù)K的說法錯(cuò)誤的是（C）A.包含導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射B.污垢熱阻會(huì)使K下降C.K與溫差成正比D.湍流時(shí)K大于層流解析：K為總傳熱系數(shù)，與溫差無關(guān)。6.在干燥速率曲線中，恒速階段去除的水分是（B）A.結(jié)合水B.非結(jié)合水C.平衡水D.自由水解析：恒速階段去除非結(jié)合水。7.某萃取過程，選擇性系數(shù)β＝10，則分離因子α_AB為（A）A.10B.0.1C.1D.無法確定解析：選擇性系數(shù)即分離因子。8.對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，在相同轉(zhuǎn)化率下，PFR所需體積與CSTR所需體積之比為（C）A.1B.XC.－ln(1－X)/XD.X/(1－X)解析：PFRτ＝－ln(1－X)/k，CSTRτ＝X/[k(1－X)]，體積比＝－ln(1－X)/X。9.在填料塔設(shè)計(jì)中，若采用階梯環(huán)代替拉西環(huán)，則液泛氣速將（B）A.降低B.升高C.不變D.先升后降解析：階梯環(huán)空隙率大，液泛氣速升高。10.下列關(guān)于非牛頓流體的說法正確的是（D）A.表觀粘度恒定B.必為湍流C.不服從牛頓內(nèi)摩擦定律D.剪切應(yīng)力與剪切速率呈非線性解析：非牛頓流體τ-γ非線性。三、判斷題（每題1分，共10分）1.離心泵的必需汽蝕余量NPSH?與吸入管路長(zhǎng)度無關(guān)。（√）2.恒壓過濾中，濾液體積與過濾時(shí)間的平方根成正比。（×）應(yīng)為V∝√τ。3.吸收操作中，增加液氣比可無限提高吸收率。（×）受平衡限制。4.精餾塔采用飽和蒸汽進(jìn)料時(shí)q＝0。（√）5.導(dǎo)熱系數(shù)λ金屬＞非金屬＞液體＞氣體。（√）6.干燥速率在恒速階段與空氣濕度無關(guān)。（×）與空氣濕度有關(guān)。7.萃取中，分配系數(shù)K_D越大，理論級(jí)數(shù)越少。（√）8.反應(yīng)器停留時(shí)間分布越窄，越接近理想PFR。（√）9.液液萃取中，回流比越大，產(chǎn)品純度越低。（×）純度升高。10.在層流區(qū)，球形顆粒沉降速度服從Stokes定律。（√）四、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述離心泵發(fā)生汽蝕的機(jī)理及防止措施。答：汽蝕機(jī)理：局部壓力降至飽和蒸汽壓，液體汽化形成氣泡，高壓區(qū)氣泡潰滅產(chǎn)生沖擊波，剝蝕葉輪。防止：降低泵安裝高度、減少吸入管路阻力、采用誘導(dǎo)輪、選低NPSH?泵、維持較高吸入液面。2.比較恒壓過濾與恒速過濾的優(yōu)缺點(diǎn)。答：恒壓：操作簡(jiǎn)單，初期速率大，后期慢，適合間歇；恒速：速率恒定，需逐漸升壓，設(shè)備復(fù)雜，適合連續(xù)、濾餅可壓縮物料。3.說明吸收操作中最小液氣比的物理意義。答：最小液氣比對(duì)應(yīng)操作線與平衡線相交，理論塔板數(shù)無窮大，為操作下限，實(shí)際液氣比需大于此值。4.精餾塔進(jìn)料熱狀況q值對(duì)理論板數(shù)的影響。答：q增大，q線斜率增大，操作線靠近對(duì)角線，推動(dòng)力增大，理論板數(shù)減少；反之增加。5.干燥過程中臨界含水量的測(cè)定方法。答：取一定量濕物料，恒定空氣溫濕度稱重，記錄質(zhì)量-時(shí)間曲線，曲線斜率突變點(diǎn)即為臨界含水量。五、計(jì)算題（共70分）1.（12分）用板框壓濾機(jī)過濾某懸浮液，恒壓Δp＝200kPa，過濾常數(shù)K＝5×10??m2·s?1，濾框尺寸800mm×800mm×30mm，共20框，濾餅體積比v＝0.02m3·m?3濾液，忽略濾布阻力，求：（1）充滿框所需時(shí)間；（2）若洗滌水量為濾液體積的10%，洗滌壓力相同，洗滌時(shí)間。解：?jiǎn)慰蛉莘e＝0.8×0.8×0.03＝0.0192m3，總濾餅體積V_c＝20×0.0192＝0.384m3濾液體積V＝V_c/v＝0.384/0.02＝19.2m3過濾面積A＝2×20×0.8×0.8＝25.6m2恒壓方程V2＝KA2τ→τ＝V2/(KA2)＝19.22/(5×10??×25.62)＝1.125×10?s＝31.25h洗滌速率＝最終過濾速率/4，最終速率dV/dτ＝KA2/(2V)＝5×10??×25.62/(2×19.2)＝8.53×10??m3·s?1洗滌速率＝8.53×10??/4＝2.13×10??m3·s?1洗滌水量＝0.1×19.2＝1.92m3洗滌時(shí)間τ_w＝1.92/(2.13×10??)＝9009s＝2.50h答：充滿需31.25h，洗滌需2.50h。2.（12分）某填料塔用水逆流吸收氨，入口氣相濃度y?＝0.03，出口y?＝0.001，液相入口x?＝0，平衡關(guān)系y＝1.2x，操作液氣比L/G＝1.5，求：（1）出口液相濃度x?；（2）傳質(zhì)單元數(shù)N_OG；（3）若填料高度H＝6m，求H_OG。解：（1）物料衡算G(y?－y?)＝L(x?－x?)→x?＝x?＋(G/L)(y?－y?)＝0＋(1/1.5)(0.03－0.001)＝0.0193（2）Δy?＝y(tǒng)?－y*?＝0.03－1.2×0.0193＝0.0068Δy?＝y(tǒng)?－y*?＝0.001－0＝0.001Δy_m＝(0.0068－0.001)/ln(0.0068/0.001)＝0.0032N_OG＝(y?－y?)/Δy_m＝0.029/0.0032＝9.06（3）H_OG＝H/N_OG＝6/9.06＝0.662m答：x?＝0.0193，N_OG＝9.06，H_OG＝0.662m。3.（12分）某精餾塔分離苯-甲苯，進(jìn)料x_F＝0.45，泡點(diǎn)進(jìn)料，α＝2.5，塔頂x_D＝0.95，塔底x_W＝0.05，回流比R＝2.0，求：（1）q線方程；（2）精餾段操作線方程；（3）提餾段操作線方程。解：（1）q＝1，q線：x＝0.45（2）精餾段：y＝[R/(R＋1)]x＋[x_D/(R＋1)]＝(2/3)x＋0.95/3＝0.667x＋0.317（3）提餾段：先求L′＝L＋qF＝RD＋F，V′＝V－(1－q)F＝(R＋1)D－0設(shè)F＝100kmol·h?1，D＝(x_F－x_W)/(x_D－x_W)×100＝(0.45－0.05)/(0.95－0.05)×100＝44.4kmol·h?1L′＝2×44.4＋100＝188.8kmol·h?1，V′＝3×44.4＝133.2kmol·h?1提餾段：y＝(L′/V′)x－(W/V′)x_W，W＝55.6kmol·h?1y＝(188.8/133.2)x－(55.6×0.05)/133.2＝1.417x－0.0209答：q線x＝0.45，精餾段y＝0.667x＋0.317，提餾段y＝1.417x－0.0209。4.（12分）某單程列管換熱器，管外熱油T?＝150℃→T?＝80℃，管內(nèi)水t?＝20℃→t?＝60℃，油側(cè)α_o＝800W·m?2·K?1，水側(cè)α_i＝4000W·m?2·K?1，管壁δ＝2mm，λ＝16W·m?1·K?1，污垢熱阻R_f＝0.0005m2·K·W?1，求：（1）總傳熱系數(shù)K；（2）若油流量m_o＝2kg·s?1，c_p＝2.1kJ·kg?1·K?1，求所需面積A。解：（1）1/K＝1/α_o＋R_f＋δ/λ＋1/α_i＝1/800＋0.0005＋0.002/16＋1/4000＝0.00125＋0.0005＋0.000125＋0.00025＝0.002125K＝470W·m?2·K?1（2）Q＝m_oc_pΔT＝2×2100×70＝294kWΔT_m＝[(150－60)－(80－20)]/ln(90/60)＝74.6℃A＝Q/(KΔT_m)＝294000/(470×74.6)＝8.39m2答：K＝470W·m?2·K?1，A＝8.39m2。5.（10分）某球形催化劑顆粒，直徑d_p＝3mm，顆粒密度ρ_p＝1200kg·m?3，氣體流速u＝0.3m·s?1，氣體密度ρ＝1.2kg·m?3，粘度μ＝1.8×10??Pa·s，求：（1）判斷流化床起始流化速度u_mf；（2）若實(shí)際氣速為0.3m·s?1，判斷是否流化。解：（1）Ergun方程簡(jiǎn)化：u_mf＝[(ψ2ε_(tái)mf3)/(150(1-ε_(tái)mf))]×[(ρ_p－ρ)gd_p2/μ]取ε_(tái)mf＝0.4，ψ＝1，得u_mf＝0.011m·s?1（2）0.3m·s?1?0.011m·s?1，已流化。答：u_mf≈0.011m·s?1，已流化。6