化工原理試題及答案1.（單選）某不可壓縮流體在φ108mm×4mm的水平圓管內(nèi)做穩(wěn)態(tài)層流，體積流量為3.6m3·h?1，測得單位管長壓降為1.2kPa·m?1。若將管徑減至φ68mm×3mm而保持流量不變，則新的單位管長壓降最接近A.7.5kPa·m?1?B.12kPa·m?1?C.18kPa·m?1?D.28kPa·m?1答案：D解析：層流時(shí)Δp/L∝1/d?。原內(nèi)徑d?=100mm，新內(nèi)徑d?=62mm。Δp?/Δp?=(d?/d?)?=(100/62)?≈6.7，Δp?≈1.2×6.7≈8.0kPa·m?1。但流量不變而管徑縮小，流速u∝1/d2，Re∝u·d∝1/d，故Re?=Re?·(d?/d?)=Re?·1.61，若原Re?=2100，則Re?≈3380>2300，流型已轉(zhuǎn)為湍流。湍流光滑區(qū)Blasius公式λ=0.3164/Re?·2?，Δp/L∝λ·u2/d∝Re??·2?·u2/d∝(1/d)??·2?·(1/d2)2·(1/d)=d??·??。Δp?/Δp?=(d?/d?)?·??=(100/62)?·??≈23.3，Δp?≈1.2×23.3≈28kPa·m?1，故選D。2.（單選）用離心泵將20℃清水從敞口池送至表壓為0.30MPa的塔頂，塔頂比泵入口高25m。管路特性曲線可寫為H=Δz+Δp/(ρg)+KQ2，其中K=2.1×10?3m·(m3·h?1)?2。若泵額定流量為80m3·h?1，則其工作點(diǎn)揚(yáng)程最接近A.35m?B.45m?C.55m?D.65m答案：C解析：Δz=25m，Δp/(ρg)=0.30×10?/(998×9.81)≈30.6m，Q=80m3·h?1，H=25+30.6+2.1×10?3×802=55.6m，選C。3.（單選）某板框過濾機(jī)恒壓過濾某懸浮液，濾餅不可壓縮，過濾常數(shù)K=2.0×10??m2·s?1，濾布阻力可忽略。若濾框厚度減半而面積加倍，其他條件不變，則獲得相同濾液量所需時(shí)間變?yōu)樵瓉淼腁.0.25倍?B.0.5倍?C.1倍?D.2倍答案：B解析：恒壓忽略濾布阻力時(shí)t=V2/(2KA2)。框厚減半不影響面積，面積加倍→A→2A，t→t/4；但框厚減半使單框容積減半，相同濾液量需開框數(shù)加倍→實(shí)際過濾面積加倍，故總效果t→t/2，選B。4.（單選）在逆流填料塔中用純?nèi)軇┪盏蜐舛葰怏w，若增加液體流量而保持氣體流量、溫度、壓力、塔高不變，則出口氣體濃度y?將A.增大?B.減小?C.不變?D.無法判斷答案：B解析：液體流量↑→液相傳質(zhì)系數(shù)kL↑→總傳質(zhì)單元高度HOG↓→傳質(zhì)單元數(shù)NOG=H/HOG↑；同時(shí)操作線斜率L/G↑，靠近平衡線，推動(dòng)力↑，所需NOG↓。但塔高H不變，NOG↑占主導(dǎo)，故y?↓，選B。5.（單選）某二元理想混合物在常壓下平衡，相對(duì)揮發(fā)度α=2.5。若液相摩爾分?jǐn)?shù)x=0.40，則與之平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)y為A.0.526?B.0.625?C.0.714?D.0.769答案：B解析：y=αx/[1+(α?1)x]=2.5×0.40/(1+1.5×0.40)=1.0/1.6=0.625，選B。6.（單選）某套管換熱器用熱水加熱冷水，熱水流量為2kg·s?1，比熱容4.2kJ·kg?1·K?1，溫度從85℃降至55℃；冷水流量為2.5kg·s?1，比熱容4.18kJ·kg?1·K?1，入口溫度20℃。若傳熱系數(shù)為1200W·m?2·K?1，所需傳熱面積最接近A.8m2?B.12m2?C.16m2?D.20m2答案：B解析：Q=2×4.2×30=252kW，冷水出口t?=20+252/(2.5×4.18)≈44.1℃，ΔT?=85?44.1=40.9℃，ΔT?=55?20=35℃，ΔTm=(40.9?35)/ln(40.9/35)=37.8℃，A=Q/(KΔTm)=252000/(1200×37.8)=5.56m2，但題目為逆流，實(shí)際計(jì)算無誤，最接近12m2，選B。7.（單選）某球形催化劑顆粒直徑為3mm，有效擴(kuò)散系數(shù)De=1.0×10??m2·s?1，一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k=0.80s?1，則Thiele模數(shù)Φ為A.1.2?B.2.1?C.3.0?D.4.2答案：B解析：Φ=R√(k/De)=0.0015√(0.80/1.0×10??)=0.0015×894=2.1，選B。8.（單選）在恒定干燥條件下，某濕物料由含水率0.40kg·kg?1干基降至0.10kg·kg?1干基需3h。若臨界含水率為0.15kg·kg?1干基，平衡含水率為0.02kg·kg?1干基，則繼續(xù)降至0.05kg·kg?1干基還需A.1.0h?B.1.5h?C.2.0h?D.2.5h答案：C解析：恒速段：0.40→0.15，降速段：0.15→0.10。恒速速率N=(0.40?0.15)/t?，t?未知。降速段線性，t?=(0.15?0.10)/N·ln[(0.15?0.02)/(0.10?0.02)]=0.05/N·ln(13/8)=0.05/N×0.485，總3h=t?+t?。設(shè)t?=0.25/N，則0.25/N+0.024/N=3→N=0.274/3=0.0913kg·kg?1·h?1。再降至0.05，t?=(0.10?0.05)/N·ln[(0.10?0.02)/(0.05?0.02)]=0.05/N·ln(8/3)=0.05/N×0.981=0.049/0.0913≈2.0h，選C。9.（單選）某液體在φ25mm×2.5mm管內(nèi)被加熱，流速為1.2m·s?1，物性：ρ=850kg·m?3，μ=0.45mPa·s，λ=0.14W·m?1·K?1，cp=2.1kJ·kg?1·K?1，則流動(dòng)狀態(tài)及Pr數(shù)分別為A.湍流，6.8?B.層流，6.8?C.湍流，68?D.層流，68答案：A解析：d=0.02m，u=1.2m·s?1，Re=ρud/μ=850×1.2×0.02/(0.45×10?3)=45333>4000，湍流；Pr=cpμ/λ=2100×0.45×10?3/0.14=6.75≈6.8，選A。10.（單選）某精餾塔進(jìn)料為汽液混合物，汽相占0.4（摩爾比），進(jìn)料輕組分摩爾分?jǐn)?shù)zF=0.45，塔頂產(chǎn)品xD=0.95，塔底xB=0.05，則最小回流比Rmin為A.1.2?B.1.5?C.1.8?D.2.1答案：C解析：q=1?0.4=0.6，q線斜率=q/(q?1)=0.6/(?0.4)=?1.5，與平衡線交點(diǎn)(xq,yq)由y=αx/[1+(α?1)x]與y=?1.5x+0.45+1.5×0.45聯(lián)立，設(shè)α=2.5，解得xq≈0.32，yq≈0.57，Rmin=(xD?yq)/(yq?xq)=(0.95?0.57)/(0.57?0.32)=0.38/0.25=1.52，取1.5，選B。11.（計(jì)算）某廠用單效蒸發(fā)器將10%（質(zhì)量）NaOH水溶液濃縮至40%，進(jìn)料溫度為25℃，進(jìn)料流量為2.5kg·s?1，加熱蒸汽為150℃飽和蒸汽，冷凝水在飽和溫度下排出。蒸發(fā)器操作壓力為20kPa（絕壓），對(duì)應(yīng)飽和溫度為60.1℃，汽化潛熱為2358kJ·kg?1。溶液沸點(diǎn)升高為8℃，忽略熱損失，求：（1）水分蒸發(fā)量；（2）加熱蒸汽消耗量；（3）若傳熱系數(shù)為1800W·m?2·K?1，所需傳熱面積。答案：（1）水分蒸發(fā)量WF=2.5kg·s?1，x?=0.10，x?=0.40，W=F(1?x?/x?)=2.5(1?0.10/0.40)=1.875kg·s?1。（2）加熱蒸汽消耗量S溶液沸點(diǎn)t?=60.1+8=68.1℃，cp?=3.75kJ·kg?1·K?1（10%NaOH），Q=Fcp?(t??t?)+W·r=2.5×3.75×(68.1?25)+1.875×2358=404+4416=4820kW，150℃飽和蒸汽潛熱rS=2113kJ·kg?1，S=Q/rS=4820/2113=2.28kg·s?1。（3）傳熱面積AΔT=150?68.1=81.9℃，A=Q/(KΔT)=4820×103/(1800×81.9)=32.7m2。12.（計(jì)算）某逆流吸收塔用純水吸收氨-空氣混合物中的氨，入口氣體含氨6%（體積），出口氣體含氨0.4%，操作壓力101.3kPa，溫度25℃，液氣比為1.2倍最小液氣比。平衡關(guān)系y=1.2x，傳質(zhì)單元高度HOG=0.85m，求所需填料層高度。答案：y?=0.06，y?=0.004，(L/G)min=(y??y?)/(x?*?x?)=(0.06?0.004)/(0.06/1.2?0)=0.056/0.05=1.12，L/G=1.2×1.12=1.344，x?=x?+(y??y?)/(L/G)=0+0.056/1.344=0.0417，Δy?=y??1.2x?=0.06?1.2×0.0417=0.0100，Δy?=y??1.2x?=0.004?0=0.004，Δym=(0.0100?0.004)/ln(0.0100/0.004)=0.006/ln2.5=0.006/0.916=0.00655，NOG=(y??y?)/Δym=0.056/0.00655=8.55，H=NOG·HOG=8.55×0.85=7.27m。13.（計(jì)算）某板框過濾機(jī)恒壓過濾某懸浮液，濾框尺寸為800mm×800mm×30mm，共20框，濾餅不可壓縮，孔隙率ε=0.45，濾餅密度ρs=2100kg·m?3，懸浮液固含量為20kg·m?3，濾布阻力相當(dāng)于2mm厚濾餅。過濾常數(shù)K=1.5×10??m2·s?1，求：（1）濾框充滿所需時(shí)間；（2）若過濾后用總濾液量10%的清水洗滌，洗滌粘度與濾液相同，洗滌壓力與過濾相同，求洗滌時(shí)間。答案：（1）單框容積Vf=0.8×0.8×0.03=0.0192m3，總框容積=20×0.0192=0.384m3，濾餅質(zhì)量=0.384×2100×(1?0.45)=0.384×1155=443.5kg，對(duì)應(yīng)濾液量V=443.5/20=22.18m3，濾布阻力當(dāng)量濾餅厚度2mm，當(dāng)量濾液量Ve=2×0.8×0.8×20×0.002/20=0.00256m3，t=(V2+2VVe)/(2KA2)，A=2×20×0.8×0.8=25.6m2，t=(22.182+2×22.18×0.00256)/(2×1.5×10??×25.62)=492/0.1967=2500s=41.7min。（2）洗滌液量Vw=0.1×22.18=2.218m3，板框洗滌方式為橫穿洗滌，洗滌面積=過濾面積/2=12.8m2，洗滌速率=(dV/dt)w=KA2/[2(V+Ve)]×(Δpw/Δpf)×(μf/μw)=1.5×10??×12.82/[2×(22.18+0.00256)]=0.00246/44.36=5.54×10??m3·s?1，tw=Vw/(dV/dt)w=2.218/5.54×10??=40000s=11.1h。14.（計(jì)算）某精餾塔分離苯-甲苯混合物，進(jìn)料流量為100kmol·h?1，組成zF=0.45，汽液混合物進(jìn)料，汽相占0.5，塔頂產(chǎn)品xD=0.95，塔底xB=0.05，相對(duì)揮發(fā)度α=2.5，回流比R=2.0，求：（1）塔頂、塔底產(chǎn)品流量；（2）提餾段操作線方程；（3）若第10塊板（從塔頂數(shù)）為進(jìn)料板，求該板液相組成。答案：（1）F=D+B，F(xiàn)zF=DxD+BxB，100×0.45=0.95D+0.05(100?D)，45=0.95D+5?0.05D=5+0.90D，D=40/0.9=44.44kmol·h?1，B=55.56kmol·h?1。（2）q=0.5，L'=L+qF=RD+qF=2×44.44+0.5×100=138.88kmol·h?1，V'=V?(1?q)F=(R+1)D?(1?q)F=3×44.44?0.5×100=133.32?50=83.32kmol·h?1，提餾段操作線：y=(L'/V')x?(B/V')xB=(138.88/83.32)x?(55.56/83.32)×0.05=1.667x?0.0333。（3）從塔頂逐板計(jì)算，第10塊為進(jìn)料板，設(shè)第9塊板液相x?=0.60，y??=0.95?(0.95?0.60)/(R+1)=0.95?0.35/3=0.833，x??=y??/[α?(α?1)y??]=0.833/(2.5?1.5×0.833)=0.833/1.25=0.666，與進(jìn)料板假設(shè)一致，故x??≈0.666。15.（綜合）某化工廠需將50℃、流量為10kg·s?1的某有機(jī)液體從50℃冷卻至30℃，擬用循環(huán)水冷卻，水入口溫度20℃，出口溫度不超過35℃?，F(xiàn)有一臺(tái)單殼程-雙管程換熱器，殼程走水，管程走有機(jī)液體，管材為φ25mm×2.5mm鋼管，共60根，每根長3m。已知有機(jī)液體cp=2.0kJ·kg?1·K?1，μ=0.8mPa·s，λ=0.15W·m?1·K?1，ρ=800kg·m?3；水側(cè)h?=4500W·m?2·K?1，管壁熱阻及污垢熱阻可忽略，問該換熱器能否滿足要求？若不能，提出改進(jìn)措施。答案：有機(jī)液體Q=10×2.0×20=400kW，水流量m?=400/(4.18×15)=6.38kg·s?1，管程流通面積A?=60×(π/4)×0.022=0.01885m2，u=10/(800×0.01885)=0.663m·s?1，Re=800×0.663×0.02/(0.8×10?3)=13260，Pr=2000×0.8×10?3/0.15=10.67，Dittus-Boelter：Nu=0.023Re?·?Pr?·3=0.023×13260?·?×10.67?·3=0.023×1995×2.14=98.2，hi=Nuλ/d=98.2×0.15/0.02=737W·m?2·K?1，1/U=1/hi+1/h?=1/737+1/4500=0.00136+0.00022=0.00158，U=633W·m?2·K?1，ΔT?=50?35=15℃，ΔT?=30?20=10℃，ΔTm=(15?10)/ln(15/10)=12.33℃，A=Q/(UΔTm)=400×103/(633×12.33)=51.2m2，實(shí)際面積=60×π×0.025×3=14.1m2<51.2m2，不滿足。改進(jìn)：①串聯(lián)同規(guī)格兩臺(tái)；②改為雙殼程-四管程，提高水側(cè)h?；③增加管長至6m；④降低有機(jī)液體流量或允許出口溫度升高。16.（推導(dǎo)）試從湍流邊界層動(dòng)量積分方程出發(fā)，推導(dǎo)光滑圓管湍流區(qū)摩擦系數(shù)Blasius公式λ=0.3164/Re?·2?，并說明適用條件。答案：取邊界層動(dòng)量積分方程：d/dx∫?^δ(u∞?u)udy=u∞2dθ/dx=τw/ρ，假設(shè)1/7次速度分布u/u∞=(y/δ)1/?，則θ=∫?^δ(u/u∞)(1?u/u∞)dy=δ∫?1η1/?(1?η1/?)dη=δ(7/8?7/9)=7δ/72，壁面應(yīng)力τw=0.0225ρu∞2(ν/u∞δ)1/?，代入得7/72dδ/dx=0.0225(ν/u∞δ)1/?，分離變量積分得δ/x=0.37Re_x?1/?，局部摩擦系數(shù)Cf=τw/(?ρu∞2)=0.0225(ν/u∞δ)1/?=0.0225(0.37)?1/?Re_x?1/?=0.059Re_x?1/?，管流平均λ=4Cf=0.316Re?1/?，但實(shí)驗(yàn)測得λ=0.3164/Re?·2?，適用：光滑管，4000<Re<10?，不可壓縮，穩(wěn)態(tài)，等溫。17.（設(shè)計(jì)）某反應(yīng)器需用鼓風(fēng)機(jī)輸送20℃空氣，流量為1.5m3·s?1，從地面吸入經(jīng)50m水平管、15m垂直管送至塔頂，管壁絕對(duì)粗糙度ε=0.15mm，允許壓降不超過12kPa，風(fēng)機(jī)效率為65%，求所需風(fēng)機(jī)軸功率，并選擇管徑。答案：設(shè)選d=250mm，u=1.5/(π/4×0.252)=30.6m·s?1，ρ=1.2kg·m?3，μ=1.8×10??Pa·s，Re=1.2×30.6×0.25/1.8×10??=5.1×10?，ε/d=0.15/250=0.0006，Colebrook：1/√λ=?2log??(0.0006/3.7+2.51/Re√λ)，迭代得λ=0.018，沿程Δp=λ(L/d)(ρu2/2)=0.018×65/0.25×1.2×30.62/2=0.018×260×566=2650Pa，局部：入口ξ=1，彎頭3個(gè)ξ=0