2025年化工基础实验考试及答案

2025年化工基础实验考试及答案一、流体流动阻力测定实验1.实验中，若采用U型压差计测量水平直管段的压降，当流体为20℃清水（密度998.2kg/m³），压差计内指示液为水银（密度13600kg/m³），测得压差计两侧液面高度差为25mm，求该管段的压降Δp（Pa）。答案：Δp=（ρ指示液-ρ流体）gh=（13600-998.2）×9.81×0.025≈3078.5Pa2.实验中需测定不同流量下的直管阻力和局部阻力，若实验管内径为20mm，当流量为2.5m³/h时，计算流体的雷诺数Re（20℃清水黏度μ=1.005×10⁻³Pa·s）。答案：流速u=Q/(πd²/4)=2.5/(3600×0.785×0.02²)≈2.21m/s；Re=duρ/μ=0.02×2.21×998.2/(1.005×10⁻³)≈43800（湍流）3.某组实验中，改变流量时发现U型压差计液面波动剧烈，可能的原因有哪些？答案：①管路中存在气泡未排尽，导致流体流动不稳定；②流量调节过快，流体未达到稳定流动状态；③压差计连接管路存在泄漏，压力传递波动；④离心泵运行不稳定（如汽蚀），导致流量脉动。4.实验数据处理时，若采用双对数坐标绘制λ-Re曲线，当流体处于湍流区（Re>4000），且管壁绝对粗糙度ε=0.1mm，计算相对粗糙度ε/d，并说明λ随Re的变化趋势。答案：ε/d=0.1/20=0.005；在湍流过渡区（Re=4000~10⁵），λ随Re增大而减小；当Re足够大（阻力平方区），λ仅与ε/d有关，不随Re变化。二、离心泵特性曲线测定实验1.实验中，离心泵的扬程H通过测量进出口截面的总压头差计算，已知进口真空表读数为-30kPa（表压），出口压力表读数为200kPa（表压），两表中心垂直高度差Δz=0.5m，流体密度ρ=1000kg/m³，求扬程H（m）。答案：H=(p出-p进)/(ρg)+Δz=(200000-(-30000))/(1000×9.81)+0.5≈23.45+0.5=23.95m2.当流量Q=40m³/h时，测得电机输入功率为3.2kW，泵的效率η=65%，计算泵的轴功率P轴和有效功率P有效。答案：P轴=电机输入功率×传动效率（假设传动效率为1，因实验中多为直联）=3.2kW；P有效=P轴×η=3.2×0.65=2.08kW3.实验中，若关闭出口阀启动离心泵，会观察到什么现象？为何禁止长时间空转？答案：关闭出口阀启动时，流量Q=0，泵的轴功率最小（约为额定功率的30%~50%），此时压力表读数最大；长时间空转会导致泵内流体因摩擦生热温度升高，可能引起叶轮与泵壳间的密封环磨损，甚至汽化导致汽蚀，损坏泵体。4.某组实验数据中，当流量增大时，扬程H先上升后下降，可能的原因是什么？答案：①实验泵为低比转数离心泵（n_s<80），其特性曲线H-Q呈驼峰形，在小流量区存在不稳定工作点；②管路系统阻力特性与泵特性不匹配，导致流量波动；③测量误差（如压力表或流量计读数偏差）。三、恒压过滤实验1.实验采用板框压滤机，过滤面积A=0.1m²，恒压过滤时测得滤液体积V与时间τ的关系如下：τ=60s时V=0.008m³，τ=120s时V=0.012m³，求过滤常数K和当量滤液体积V_e（假设滤饼不可压缩，q=V/A，θ=τ）。答案：根据恒压过滤方程（q+q_e）²=K(θ+θ_e)，初始阶段θ_e和q_e较小，可近似为q²=Kθ（当θ>θ_e时）。但需用两点法求解：q1=0.008/0.1=0.08m³/m²，θ1=60s；q2=0.012/0.1=0.12m³/m²，θ2=120s联立方程：(0.08+q_e)²=K(60+θ_e)(0.12+q_e)²=K(120+θ_e)两式相减得：(0.12²-0.08²)+2q_e(0.12-0.08)=K(120-60)即(0.0144-0.0064)+0.08q_e=60K→0.008+0.08q_e=60K另，当θ=0时，q=q_e，故q_e²=Kθ_e→θ_e=q_e²/K代入第一式：(0.08+q_e)²=K(60+q_e²/K)→0.0064+0.16q_e+q_e²=60K+q_e²→0.0064+0.16q_e=60K联立得：0.008+0.08q_e=0.0064+0.16q_e→0.0016=0.08q_e→q_e=0.02m³/m²代入得K=(0.0064+0.16×0.02)/60=(0.0064+0.0032)/60=0.0096/60=1.6×10⁻⁴m²/sV_e=q_e×A=0.02×0.1=0.002m³2.实验中，若滤浆浓度增大，过滤常数K如何变化？为什么？答案：K减小；滤浆浓度增大，单位体积滤液形成的滤饼体积增加，滤饼比阻r增大（r=2αΔp（1-ε）ρ_s/ε³，α为滤饼比阻系数，与浓度正相关），而K=2Δp/(μr)，故K随r增大而减小。3.洗涤时，若采用与过滤相同的压差，且洗涤液黏度与滤液相同，洗涤速率与过滤终了时的过滤速率之比是多少？答案：恒压过滤终了时的过滤速率(dV/dτ)_终=KA²/(2(V+V_e))；洗涤速率(dV_w/dτ)=KA²/(4(V+V_e))（板框压滤机横穿洗涤时，洗涤面积为A/2，流程长度为2L，故速率为过滤终了速率的1/4），因此洗涤速率与过滤终了速率之比为1:4。四、空气-蒸汽对流给热系数测定实验1.实验中，空气在套管换热器内管流动（内管内径d_i=25mm，长度L=1.5m），蒸汽在环隙冷凝放热。测得空气进口温度t1=20℃，出口温度t2=80℃，蒸汽温度T=100℃，空气流量Q=20m³/h（20℃，1atm，空气密度ρ=1.205kg/m³，定压比热容c_p=1005J/(kg·℃)），求空气侧的对流给热系数α_i（忽略热损失）。答案：空气的质量流量m=ρQ=1.205×20/3600≈0.00669kg/s传热量Q=mc_p(t2-t1)=0.00669×1005×(80-20)≈403.5W对数平均温差Δt_m=((T-t1)-(T-t2))/ln((T-t1)/(T-t2))=(80-20)/ln(80/20)=60/ln4≈43.28℃传热面积A=πd_iL=3.14×0.025×1.5≈0.1178m²由Q=α_iAΔt_m得α_i=Q/(AΔt_m)=403.5/(0.1178×43.28)≈79.8W/(m²·℃)2.实验中，若蒸汽压力降低（即T减小），而空气流量不变，空气出口温度t2如何变化？为什么？答案：t2降低；蒸汽压力降低，T减小，Δt_m减小，传热量Q=α_iAΔt_m减少，而Q=mc_p(t2-t1)，m和c_p不变，故t2-t1减小，t2降低。3.实验数据处理时，需将空气的物性参数（如黏度μ、导热系数λ、普朗特数Pr）按什么温度取值？为什么？答案：按空气的定性温度取值，通常取进出口温度的算术平均值t_m=(t1+t2)/2；因为流体的物性参数随温度变化显著，而定性温度是用于计算物性的特征温度，算术平均温度能反映流体在管内的平均状态，减小误差。4.某组实验中，测得空气出口温度接近蒸汽温度（如t2=98℃），可能的原因有哪些？答案：①空气流量过小，传热时间足够长，接近热平衡；②蒸汽流量过大，冷凝量充足，管壁温度接近T；③换热器内管结垢或堵塞，导致空气流速降低，停留时间延长；④温度计测量误差（如出口温度计插入深度不足，未接触主流体）。五、精馏塔操作与分离效率测定实验1.实验采用全回流操作，测得塔顶馏出液组成x_D=0.95（摩尔分数，苯-甲苯体系），塔釜液组成x_W=0.05，理论板数N_T=8块（含塔釜），求全回流时的全塔效率E_T。答案：全塔效率E_T=（实际板数N_P/理论板数N_T）×100%；但实验中若实际板数N_P=10块（假设），则E_T=(8/10)×100%=80%（注：需明确实际板数，此处假设N_P=10）2.实验中，若从全回流切换为部分回流（回流比R=2），塔顶产品采出量D增大，塔釜加热量不变，会观察到哪些现象？答案：①塔顶馏出液组成x_D下降（因回流比减小，分离能力降低）；②塔釜液组成x_W上升（重组分积累）；③塔内温度分布变化，各板温度升高（轻组分减少）；④可能出现液泛（若上升蒸汽量过大，超过塔板液泛气速）。3.采用阿贝折光仪测定液体组成时，若样品中含有气泡，对测量结果有何影响？答案：气泡会导致折光仪视场出现明暗分界模糊，折射角测量偏差，测得的折光率偏低（气泡的折射率接近空气，约1.0