2007年硕士生考题

硕士学位研究生入学考试试题考试科目：化工原理所有试题答案写在答题纸上，答案写在试卷上无效 一、填空（40分）1. 混合式冷凝器处于负压下操作，真空表指示数为700 mmHg。当地大气压强为760 mmHg。为使冷凝器内的水能连续排入与大气相通的水池，冷凝器下部的排水管（又称大气腿）高度最少应为 （1） 米。2. 空气在内径一定的圆管中稳定流动，若气体质量一定，当气体温度升高时，雷诺准数Re将 （2） 。3. 在下面两种情况下，假如流体的流量、管长及相对粗糙度不变，而圆形直管的直径减小为原来的二分之一，则因直管阻力而引起的压降损失为原来的多少倍？ A. 直径改变前后流动都为层流： （3） 。 B. 直径改变前后流动都为完全湍流： （4） 。4. 当流体在管内流动时，如要测取管截面上流体的速度分布，应选用 （5） 测量。5. 离心泵中， （6） 是将原动机的能量传递给液体的部件，而 （7） 则是将动能转变为压力能的部件。6. 流体通过颗粒床层时，随流速从小到大可能出现的三种状况是 （8） 、 （9） 、 （10） 。7. 黄铁矿燃烧炉出口的炉气，流量为20000m3/h，用旋风分离器进行分离，除尘效率为95%。由于减产的原因，炉气流量减为15000 m3/h，但炉气含尘情况不变，此时分离器的除尘效率 （11） （提高、降低、不变），其原因是 （12） 。8. 当介质阻力忽略不计时，恒压过滤方程描述的是 （13） 与 （14） 之间关系的方程，它的图形是一条通过原点的 （15） 线。9. 627时钢的黑度为0.87，则此温度下对热辐射的反射率为 （16） ；吸收率为 （17） ；透过率为 （18） ；辐射能力为 （19） 。10. 在列管换热器中，拟用饱和蒸汽加热空气，则总传热系数K接近 （20） 的对流传热系数。11. 在密闭容器内存放某种低浓度水溶液，容器内的压力为P0，溶液温度为t，溶质含量为c (x)，试问：（1）若将N2注入容器中，则体系的相平衡常数m （21） ；（2）若将少量溶质A注入容器中，则体系的相平衡常数m （22） 。（增大，减小，不变，不确定）12. 对气膜控制的吸收过程，气体流量和液体流量哪一个对吸收率的影响较大？ （23） 。A. 气体流量 B. 液体流量 C. 汽、液两相流量影响都很大 D. 汽、液两相流量影响都不大 13. 某操作中的低浓度气体吸收塔，用纯溶剂逆流吸收气体混合物中的A组分，若混合气入塔组成yb下降，纯溶剂量L、惰性气量V、压力P、温度T等条件不变，溶解度曲线可表示为过原点的直线，则回收率有何变化 （24） ；如果希望降低出塔液体的组成xb，保持汽、液相入口组成、回收率和其余操作条件不变，则溶剂量L需要怎样变化？ （25） 。（增大、减小、不变、不确定）13. 在理想溶液的t-x-y相图上有两条曲线（见右图），下面一条为 （26） 线，上面一条为 （27） 线，精馏过程应处于 （28） 区（I、II、III），如果某过程的操作点P位于I区，当操作压力降低后，发生闪蒸过程，则相平衡曲线怎样变化 （29） ，操作点处于 （30） 区，说明此时混合物处于 （31） 相态。15. 一精馏塔在某工况下操作，如果维持其他条件不变而增大回流比R，则提馏段的液汽比 （32） ，塔釜产品组成xW （33） （增加、减少、不变、不确定）16. 下面图示给出了三种精馏塔操作示意图，塔顶第一块板上升的汽相组成y1均相同，试判断下面那个结论是正确的？ （34） A. xD2 xD3 xD1 B. xD3 xD2 xD1 C. xL2 xL3 xL1 D. xL1 xL2 xL317. 某液体混合物含溶质A为40，含稀释剂60，用循环萃取剂进行单级萃取，该萃取剂含纯溶剂S为90、溶质A为5%、稀释剂B为5%（均为质量分率），物系的溶解度曲线及平衡连接线的内插辅助线如附图所示，试求：在可能操作的最大溶剂比下，相应的溶质萃余率是 （35） ，所得到的萃取液（脱溶剂）组成是 （36） ，萃余液组成是 （37） 。 18在板式塔设备中，降液管虽然不具有传质作用，但它的设计非常重要，如果降液管面积设计过大，对塔设备的性能会造成什么影响 （38） ，或者设计过小会造成什么影响 （39） ，为什么设计降液管时，液体在降液管内的停留时间要超过35s （40） 。二、（22分）有一管路系统，将70m3/h的水由敞口低位槽输送到位置较高的压力容器中，容器的压力为1.2kgf/cm2（表压），求得所需的扬程为36.5m。如将此系统改为输送密度为1200kg/m3的液体（其余特性与水相同），流量仍为70m3/h。现有一泵，为某标准泵将叶轮直径车削5%而成。已知车削之前当转速r = 1450 r/min并输送水时，泵的性能曲线（H-Q）有关线段可近似写为 H = 40 7.2 10-4Q2 H m Q m3/h问：（1）如采用此泵，泵的转速至少为多少？ （2）如在上一问转速的情况下泵的效率为80%，其轴功率为多少？三、（13分）实验室中在与生产条件相同的压差下对某种颗粒在水中的悬浮液进行恒压过滤实验，测得qe = 0.01m3/m2，K = 1.579 10-4m2/s。悬浮液中固相质量分率为0.07，固相密度为2000kg/m3，滤饼不可压缩，其含水量为30%（质量）。今选用一台直径1.5m、长10m的转筒真空过滤机处理此种料浆，所用滤布与实验时相同。转筒浸没角为120，转速为0.5r/min，操作真空度为8.0 104Pa，试求：（1）该过滤机的生产能力（以每小时所获滤液体积计，m3/h）；（2）滤饼的厚度。四、（20分）有一传热实验，在套管换热器中用饱和水蒸气加热空气，空气走内管，蒸汽在环隙冷凝。已知i xD3 xD1 B. xD3 xD2 xD1 C. xL2 xL3 xL1 D. xL1 xL2 xL317. 某液体混合物含溶质A为40，含稀释剂60，用循环萃取剂进行单级萃取，该萃取剂含纯溶剂S为90、溶质A为5%、稀释剂B为5%（均为质量分率），物系的溶解度曲线及平衡连接线的内插辅助线如附图所示，试求：在可能操作的最大溶剂比下，相应的溶质萃余率是 （35） ，所得到的萃取液（脱溶剂）组成是 （36） ，萃余液组成是 （37） 。（0，0.4，0.22） 18在板式塔设备中，降液管虽然不具有传质作用，但它的设计非常重要，如果降液管面积设计过大，对塔设备的性能会造成什么影响 （38） ，或者设计过小会造成什么影响 （39） ，为什么设计降液管时，液体在降液管内的停留时间要超过35s （40） 。（降液管面积过大，鼓泡区面积（传质面积）过小，流道短，影响传质效率，而且允许的开孔率小，容易发生雾沫夹带液泛，影响汽相处理量；降液管面积过小，影响液相处理量，容易发生降液管液泛；要求停留时间是为了让液体中夹带的气体更好的分离，以免影响液相处理量。）二、（22分）有一管路系统，将70m3/h的水由敞口低位槽输送到位置较高的压力容器中，容器的压力为1.2kgf/cm2（表压），求得所需的扬程为36.5m。如将此系统改为输送密度为1200kg/m3的液体（其余特性与水相同），流量仍为70m3/h。现有一泵，为某标准泵将叶轮直径车削5%而成。已知车削之前当转速r = 1450 r/min并输送水时，泵的性能曲线（H-Q）有关线段可近似写为 H = 40 7.2 10-4Q2 H m Q m3/h问：（1）如采用此泵，泵的转速至少为多少r/min？ （2）如效率为80%，在上一问转速的情况下泵的轴功率为多少？解：（1） （19分）列两液面间的柏努利方程 （2分） 只有比压能一项与密度有关，所以其余各项之和以C表示，则 （2分） C = 24.5 （1.5分）令：输送 = 1200 kg/m3的液体所需扬程为H（m液柱）（1.5分） H = 40 7.2 10-4Q2 密度改变对泵的特性曲线没有影响 （2分） （2分） （1分） （2分） （2分） （1分） （1分）n/n = 1.026 n = 1.026 1450 = 1488.2 r/min （1分）（2） （3分） （kW） （3分）三、（13分）实验室中在与生产条件相同的压差下对某种颗粒在水中的悬浮液进行恒压过滤实验，测得qe = 0.01m3/m2，K = 1.579 10-4m2/s。悬浮液中固相质量分率为0.07，固相密度为2000kg/m3，滤饼不可压缩，其含水量为30%（质量）。今选用一台直径1.5m、长10m的转筒真空过滤机处理此种料浆，所用滤布与实验时相同。转筒浸没角为120，转速为0.5r/min，操作真空度为8.0 104Pa，试求：（1）该过滤机的生产能力（以每小时所获滤液体积计，m3/h）；（2）滤饼的厚度。解：（1）（7分）q2 +2 q qe = K （2分） （1.5分）q2 + 2 0.01q = 1.579 10-4 40 q = 0.07 m3/m2 （1分）V = qA = qDL = 0.07 3.14 1.5 10 = 3.297 m3 （1分）Q = V / T = Vn = 3.297 0.5 = 1.6485 m3/s = 98.91 m3/h （1.5分）（2）（6分）以1000kg悬浮液为基准得滤饼体积滤渣的质量 = 1000 0.07 = 70 kg 滤渣的体积 = 70/2000 = 0.035m3 （0.5分）设：滤饼中含水的量为x，则 x = 30 kg = 30 / 1000 = 0.03 m3 （1分）滤饼的体积 = 0.035 + 0.03 = 0.065 m3 （0.5分）所得滤液量 = 悬浮液量 滤饼量 = 1000 (70 + 30 ) = 900kg = 0.9 m3 （1分）每得1 m3滤液量所得滤饼体积 = 0.065 / 0.9 = 0.0722 m3 / m3 （1.5分）一个循环操作所得滤饼体积 = 0.0722 3.297 = 0.238 m3 （1分）滤饼厚度 = 0.238 / (DL) = 0.238 / 47.1 = 0.00505 m = 5.05 mm （0.5分）四、（20分）有一传热实验，在套管换热器中用饱和水蒸气加热空气，空气走内管，蒸汽在环隙冷凝。已知i 0，两侧均无垢，内管为302mm、长2m的紫铜管。今测得：空气：进口温度：20 出口温度：70 流量：30 m3/h （进口状态之值） 粘度：1.9410-5 Pas （45以下）蒸汽：温度：110 （冷凝潜热：2250 kJ/kg） 冷凝量：0.85 kg/h（1）试求该套管换热器向大气散失的热量占蒸汽放出热量的百分数；（2）估计管内空气的对流传热系数（W/m2）；（3）如空气进口温度不变，流量增到36m3/h（进口状态），为了维持其出口温度仍为70，需要调节蒸汽压力，问此时蒸汽温度应为多少，方可满足要求？注： 在实验温度范围内，空气的比热变化很小，可取Cp = 1.005 kJ/(kg)； 空气可视为理想气体，操作压力可取为101.3 kPa，分子量为29。解：（1）（4分）Q放 = m1r1 = 0.85 2250 = 1912.5 (kJ/h) （1分）以进口状态计的空气密度kg/ m3 （1分）Q吸 = m2Cp2 (t2 t1) = 30 1.205 1.005 (70 - 20) = 1816.54 (kJ/h) （1分）Q损/Q放 = (1912.5 1816.54) / 1912.5 = 5% （1分）（2）（6分） i 0 ，无污垢，紫铜管的壁可忽略 i Ki （1分） （1分）Ai = di l = 3.140.0262 = 0.16328 m2 （1分）Q吸 = Ki Ai tm = i Ai tm （2分） W/( m2 ) （1分）（3） （10分） （m/s） （1分） （湍流） （1分） （1分） （2分） W/( m2 ) （1分） （2分） T = 112.2 （2分）五、（27分）某填料吸收塔用清水逆流吸收混合气体中的可溶组分A，如图5中（a）所示。已知吸收塔的填料层高度为5m，混合气的摩尔流率为0.022kmol/（m2s），入塔气中含溶质A的浓度为5（体积分率），在操作条件下的相平衡关系为，吸收过程为液膜控制， L的单位为，要求溶质的吸收率达到99，试求：（1）当清水量为时，该塔能否完成分离任务？请说明原因。（10分）（2）如果将该塔与另一个相同的塔连接（见图5（b），吸收用的清水分为两股，流量相同，一股从塔1顶部注入，另一股从塔2顶部注入，塔1的出塔气体进入塔2底部继续进行逆流吸收，则完成分离任务所需的清水量为多少？（8分）（3）第（2）问中塔1的等板高度HETP为多少？并且简单分析影响HETP的各种影响因素（至少三条）。（9分） （a） （b）解：（1）（10分）Yb =0.05/(1-0.05)=0.053 Xa=0 Ya = Yb(1-)=0.053 (1-0.99) = 0.00053 （1分） 或 （7分） （2分）当清水量为时小于最小溶剂用量，此时操作线和相平衡线相交，在塔中部某点传质推动力为零，不能进行吸收，所以不可能达到分离要求。（2）（8分） 两塔的G、L视为相同，且两塔的h一样 每个塔的HOG、NOG、S均相同，即，S1=S2即： 试差得到：L=0.903 kmol/m2s 2L=1.806 kmol/m2s（3）（9分） 当时， （2分） （2分） h=HETPN5m HETP=5/5.3=0.943m （2分）HETP的影响因素包括：（3分）1、设备条件：液体分布器的型号、喷淋密度、安装水平度、再分布器的个数；填料的型号、尺寸和数量、填料的装填效果、填料的汽液分布效果等2、工艺条件：气相流量、液相流量、压力降等六、（28分）一连续精馏塔分离某二元理想混合液，已知精馏段第n块板（理论板）的汽、液相组成分别为0.83和0.70，相邻上层塔板的液相组成为0.77，而相邻下层塔板的汽相组成为0.78（以上均为轻组分的摩尔分率，下同）。塔顶为泡点回流，进料为饱和液体，其组成为0.46。相对挥发度为2.5，塔顶与塔釜产量比为2/3，试求：（1）精馏段操作线方程；（7分）（2）提馏段操作线方程；（7分）（3）完成分离任务所需的最小回流比；（7分）（4）若该塔因操作中的问题，进料并未在设计的最佳位置，而偏下了几块板，此时如果保持F、xF、q、R、V均同设计值，则L、V、L、D、W、xD、xW会发生什么样的变化，请说明变化趋势并分析原因（同原设计时相比）。（7分）解：（1）（7分）题中已知yn=0.83、xn-1=0.77、yn+1=0.78、xn=0.