化工原理实验模拟试题及答案

化工原理实验模拟试题及答案1.流体阻力测定实验【实验背景】某教学装置采用水平光滑圆管，内径28.0mm，总长2.20m，中间接入U形压差计（指示液为CCl₄，ρ=1590kg·m⁻³）。20℃清水以稳态流过，流量由涡轮流量计测得。实验要求测定摩擦系数λ与Re关系，并验证Blasius公式。【操作数据】序号流量Q/L·min⁻¹压差计读数Δh/mm1802821205831609842001485240208【问题】(1)计算序号3对应的流速u、雷诺数Re、摩擦系数λ。(2)用Blasius公式λ=0.3164·Re⁻⁰·²⁵计算理论λ，求相对误差。(3)若将管径改为20mm，其余不变，预测序号3的Δh′。(4)指出本实验最易引入系统误差的两处细节，并给出减小方法。【答案与解析】(1)序号3：Q=160L·min⁻¹=2.667×10⁻³m³·s⁻¹A=πd²/4=6.158×10⁻⁴m²u=Q/A=4.33m·s⁻¹20℃水：ρ=998kg·m⁻³，μ=1.002×10⁻³Pa·sRe=ρud/μ=998×4.33×0.028/1.002×10⁻³=1.21×10⁵ΔP=(ρ₀−ρ)gΔh=(1590−998)×9.81×0.098=569Paλ=ΔP·d/(L·ρu²/2)=569×0.028/(2.20×998×4.33²/2)=0.0195(2)Blasius：λ_th=0.3164×(1.21×10⁵)⁻⁰·²⁵=0.0170相对误差=(0.0195−0.0170)/0.0170×100%=14.7%解析：误差来源主要是管壁粗糙度未被计入，Blasius仅适用于光滑管且Re<10⁵，本实验Re已略高。(3)管径减至20mm，u′=u·(d/d′)²=4.33×(28/20)²=8.50m·s⁻¹Re′=Re·(d′/d)=1.21×10⁵×(20/28)=8.64×10⁴λ′=0.3164·(8.64×10⁴)⁻⁰·²⁵=0.0185ΔP′=λ′·(L/d′)·(ρu′²/2)=0.0185×(2.20/0.020)×998×8.50²/2=7.33kPaΔh′=ΔP′/[(ρ₀−ρ)g]=7330/(592×9.81)=1.26m=1260mm结论：管径缩小后，Δh急剧增大，实验需更换更大量程压差计。(4)系统误差：①涡轮流量计前直管段不足，导致速度分布未充分发展；解决：保证前直管段≥20d。②U形压差计排气不净，形成气泡；解决：采用倾斜慢速充液法彻底排气。2.离心泵性能曲线测定【实验背景】IS50-32-160型离心泵，转速2900r·min⁻¹，吸入口径50mm，出口32mm。以20℃清水为介质，出口阀开度调节流量，用孔板流量计（d₀=24.2mm，C₀=0.612）测流量，压力表距泵出口0.4m，真空表距入口0.2m，两表垂直高差0.3m。【原始记录】序号孔板压差ΔP₀/kPa出口压力P₂/kPa入口真空P_v/kPa15198182151853233016052445125725608288【问题】(1)计算序号4的体积流量Q、扬程H、轴功率P_a（效率η暂缺）。(2)若电机输入电功率P_e=2.6kW，电机效率η_m=0.92，传动效率η_t=0.98，求泵效率η_p。(3)将转速调至2610r·min⁻¹，预测序号4工况的Q′、H′。(4)实验中发现真空表读数剧烈抖动，分析原因并提出改进措施。【答案与解析】(1)序号4：孔板：Q=C₀A₀√(2ΔP₀/ρ)=0.612×π(0.0242)²/4×√(2×45000/998)=7.92×10⁻³m³·s⁻¹扬程：H=(P₂+P_v)/ρg+(z₂−z₁)+u₂²/2gu₂=Q/A₂=7.92×10⁻³/(π0.032²/4)=9.83m·s⁻¹u₁=u₂·(d₂/d₁)²=9.83×(32/50)²=4.02m·s⁻¹H=(125+72)×1000/(998×9.81)+0.3+(9.83²−4.02²)/(2×9.81)=20.1+0.3+4.0=24.4m轴功率：P_a=P_e·η_m·η_t=2.6×0.92×0.98=2.34kW(2)泵效率：η_p=ρgQH/P_a=998×9.81×7.92×10⁻³×24.4/2340=0.805→80.5%(3)转速下降10%，根据相似定律：Q′=Q·(n′/n)=7.92×0.9=7.13L·s⁻¹H′=H·(n′/n)²=24.4×0.81=19.8m(4)抖动原因：泵入口出现局部汽蚀，气泡周期性破裂导致压力脉动；改进：降低水温或提高吸入液位，使NPSH_a>NPSH_r+0.5m。3.恒压过滤实验【实验背景】板框过滤机，滤框内尺寸200mm×200mm×30mm，共10框。以CaCO₃悬浮液为料浆，质量分数8%，温度20℃，过滤压力0.25MPa（表压）。实验记录不同时间t对应的滤液体积V。【数据】t/s020406080100V/L02.13.34.25.05.7【问题】(1)用恒压过滤方程t/V=K·V+2C·V_e，求过滤常数K、V_e。(2)计算滤饼比阻r，已知滤饼含水率40wt%，ρ_s=2710kg·m⁻³。(3)若框厚减至20mm，预测相同压力下滤饼充满时间t′。(4)实验中发现终点滤液浑浊，分析原因并给出解决措施。【答案与解析】(1)线性回归：t/V~V数据点：(2.1,9.52)，(3.3,12.12)，(4.2,14.29)，(5.0,16.00)，(5.7,17.54)斜率K=2.12s·L⁻²，截距2C·V_e=5.80s·L⁻¹得K=2.12s·L⁻²=2.12×10³s·m⁻⁶V_e=5.80/(2×2.12)=1.37L(2)滤饼孔隙率ε：设干固质量m_s，水质量m_w=0.4/0.6·m_s总体积V_c=m_s/ρ_s+m_w/ρ_wε=(m_w/ρ_w)/(m_s/ρ_s+m_w/ρ_w)=0.676比阻r=2ΔP·A²/(μ·K·c)c=干固质量/滤液体积=8%·ρ_slurry/(1−8%−40%)=0.08×1100/0.52=169kg·m⁻³μ=1.002×10⁻³Pa·s，A=10×2×0.2×0.2=0.8m²r=2×0.25×10⁶×0.8²/(1.002×10⁻³×2.12×10³×169)=8.9×10¹¹m·kg⁻¹(3)框厚减至20mm，滤饼体积V_c′=10×0.2×0.2×0.02=8×10⁻³m³干固质量m_s=V_c′·(1−ε)·ρ_s=8×10⁻³×0.324×2710=7.02kg对应滤液体积V′=m_s/c=7.02/169=0.0415m³=41.5L由t/V=K·V+2C·V_e，t′=2.12×41.5²+5.80×41.5=3650+241=3891s≈65min(4)滤布破损或过滤压力过高导致穿滤；解决：更换更高精度滤布，终点前降压至0.15MPa。4.传热膜系数测定（蒸汽-空气）【实验背景】套管换热器，内管φ25×2mm，长1.5m，蒸汽走壳程，120℃饱和蒸汽冷凝；空气走管程，入口20℃，流量由转子流量计测得。管外壁温由热电偶测得Tw=99℃。【数据】序号空气流量Q_a/m³·h⁻¹出口温度T₂/℃1104821542320384253553033【问题】(1)计算序号3的空气侧对数平均温差ΔT_m。(2)求空气侧膜系数h_i，已知管壁λ_w=16W·m⁻¹·K⁻¹，忽略污垢。(3)若空气预热至30℃，预测Q=20m³·h⁻¹时的T₂′。(4)实验发现Tw随时间缓慢下降，分析原因并给出稳定措施。【答案与解析】(1)ΔT₁=120−20=100K，ΔT₂=120−38=82KΔT_m=(100−82)/ln(100/82)=90.7K(2)空气物性按平均温度(20+38)/2=29℃：ρ=1.165kg·m⁻³，c_p=1007J·kg⁻¹·K⁻¹，μ=1.87×10⁻⁵Pa·s，λ=0.026W·m⁻¹·K⁻¹质量流量m=Q_a·ρ/3600=20×1.165/3600=6.47×10⁻³kg·s⁻¹Q_heat=m·c_p·(T₂−T₁)=6.47×10⁻³×1007×18=117W内表面积A_i=πd_iL=π×0.021×1.5=0.099m²h_i=Q_heat/(A_i·ΔT_m)=117/(0.099×90.7)=13.0W·m⁻²·K⁻¹(3)预热至30℃，ΔT_m′=(90+85)/2≈87.5K假设h_i不变，Q_heat′=h_i·A_i·ΔT_m′=13.0×0.099×87.5=113WT₂′=T₁′+Q_heat′/(m·c_p)=30+113/(6.47×10⁻³×1007)=47.4℃(4)Tw下降原因：蒸汽侧不凝气积聚，冷凝传热系数降低；措施：定期开启放空阀排不凝气，维持蒸汽压力稳定。5.精馏塔全塔效率测定【实验背景】筛板塔，实际板数12块，塔径0.1m，常压下分离乙醇-水混合物，进料x_F=0.25（摩尔分数），泡点进料，回流比R=3，塔顶x_D=0.82，塔底x_W=0.04。【数据】稳定后测得：塔顶温度78.2℃，塔底温度98.5℃，馏出液流量D=1.8kmol·h⁻¹，釜液流量W=3.2kmol·h⁻¹。【问题】(1)用McCabe-Thiele法求理论板数N_t。(2)计算全塔效率E_T。(3)若将回流比提高至4，预测x_D′能否达到0.90。(4)实验发现塔顶温度波动±0.5℃，分析原因并给出控制方案。【答案与解析】(1)平衡数据取常压乙醇-水，q线垂直，精馏段操作线y=Rx/(R+1)+x_D/(R+1)=0.75x+0.205提馏段操作线：L′=L+qF=RD+F=3×1.8+5=10.4kmol·h⁻¹V′=V−(1−q)F=4.4kmol·h⁻¹y=L′x/V′−Wx_W/V′=2.36x−0.054阶梯作图得N_t=7.2（含再沸器），进料板第5块。(2)E_T=N_t/N_p=7.2/12=60%(3)R=4，精馏段斜率0.8，截距0.164，作图得x_D′≈0.88<0.90，无法达到，需增加回流比至5或增加板数。(4)温度波动原因：回流液分配不均，部分筛板漏液；控制：安装回流比控制器，保持恒定压降，采用热电偶串级控制蒸汽阀。6.干燥速率曲线测定【实验背景】洞道干燥器，截面积0.12m×0.12m，热风平行流过湿物料表面，温度70℃，湿度H=0.01kg·kg⁻¹，流速u=2m·s⁻¹。湿物料为陶土板，初始湿含量X₁=0.35kg·kg⁻¹干基，面积A=0.04m²，干质量G_c=0.18kg。【数据】时间t/min0510152025303540总质量G/kg0.2430.2300.2180.2080.2000.1940.1900.1880.186【问题】(1)计算恒速阶段干燥速率N_c。(2)求临界湿含量X_c。(3)若风速提高至4m·s⁻¹，预测N_c′。(4)实验发现干燥后期物料表面出现裂纹，分析原因并提出改进措施。【答案与解析】(1)恒速段：t=0~20min，ΔX=0.35−0.20=0.15kg·kg⁻¹N_c=G_c·ΔX/(A·Δt)=0.18×0.15/(0.04×20×60)=5.63×10⁻⁴kg·m⁻²·s⁻¹(2)作图得X_c≈0.20kg·kg⁻¹(3)风速加倍，传质系数k∝u⁰·⁸，N_c′=N_c×2⁰·⁸=5.63×10⁻⁴×1.74=9.79×10⁻⁴kg·m⁻²·s⁻¹(4)裂纹原因：表面硬化，内部水分扩散受阻；改进：降低热风温度至60℃，提高湿度至0.02，采用间歇调湿干燥。7.萃取平衡实验【实验背景】水-丙酮-氯仿体系，25℃，将含丙酮20wt%的水溶液与氯仿按1:1质量比混合，充分震荡后静置分层。【分析结果】上层（水相）：丙酮4.5wt%，氯仿0.8wt%下层（氯仿相）：丙酮18.2wt%，水0.9wt%【问题】(1)计算分配系数K_D（丙酮）。(2)求选择性系数β。(3)若采用三级错流萃取，每级新鲜氯仿用量与原料相等，求总萃余率。(4)实验发现乳化层厚达5mm，分析原因并给出破乳方法。【答案与解析】(1)K_D=w_R/w_E=18.2/4.5=4.04(2)β=(w_R丙/w_R水)/(w_E丙/w_E水)=(18.2/0.9)/(4.5/94.7)=427(3)单级萃余率φ₁=1/(1+K_D)=0.198三级错流：φ=(φ₁)³=0.198³=0.0078→萃余率0.78%(4)乳化原因：界面张力低，存在固体杂质；破乳：加入0.1wt%NaCl，升温至35℃，离心分离。8.萃取塔传质单元数测定【实验背景】脉冲筛板塔，塔径0.05m，有效高度1.2m，水相（连续）流量Q_c=6L·min⁻¹，有机相（分散）Q_d=4L·min⁻¹，入口丙酮浓度水相0.20kg·kg⁻¹，出口0.04kg·kg⁻¹，有机相入口0，出口0.32kg·kg⁻¹。【问题】(1)计算传质单元数N_OE。(2)求总传质单元高度H_OE。(3)若塔径扩大至0.08m，保持流比，预测N_OE′。(4)实验发现脉冲强度过大，液泛提前，给出优化脉冲参数思路。【答案与解析】(1)ΔC₁=0.20−0.32/4.04=0.121，ΔC₂=0.04−0=0.04ΔC_lm=(0.121−0.04)/ln(0.121/0.04)=0.074N_OE=(C_in−C_out)/ΔC_lm=0.16/0.074=2.16(2)H_OE=H/N_OE=1.2/2.16=0.556m(3)塔径扩大，相速度下降，传质系数略降，但停留时间增加，N_OE′≈2.3，基本不变。(4)优化：脉冲频率f=1.2Hz，振幅A=6mm，降低f至0.8Hz，A保持，可提高泛点15%。9.吸附穿透曲线测定【实验背景】固定床吸附柱，内径0.02m，床高0.25m，活性炭填充，入口苯浓度C₀=300mg·m⁻³，空气流量Q=3L·min⁻¹，温度25℃，出口浓度C随时间变化。【数据】t/min04080100110115120125130C/mg·m⁻³0053090180250285300【问题】(1)确定穿透时间t_b（C=0.05C₀=15mg·m⁻³）。(2)计算饱和吸附量q₀。(3)若床层加倍，预测新t_b′。(4)实验发现压降快速升高，分析原因并给出解决措施。【答案与解析】(1)插值得t_b=102min(2)吸附质量=m_C₀·Q·t_b=300×10⁻⁶×3×10⁻³×102=0.0918mg床体积V_b=π×0.01²×0.25=7.85×10⁻⁵m³ρ_b=450kg·m⁻³，质量m=35.3gq₀=0.0918mg/35.3g=2.60mg·g⁻¹(3)床层加倍，t_b′≈2×102=204min(4)压降升高：活性炭粉化，床层板结；解决：入口加预过滤器，降低空速至0.2m·s⁻¹，采用硬度更高炭型。10.膜分离实验【实验背景】中空纤维超滤膜，组件内径0.04m，长0.3m，有效膜面积0.8m²，操作压力0.2MPa，循环流量Q=200L·h⁻¹，料液为0.1g·L⁻¹牛血清蛋白，温度25℃。【数据】运行时间t/min01020304050渗透通量J/L·m⁻²·h⁻¹12010085756863截留率R0.980.970.960.950.940.93【问题】(1)计算初始渗透系数L_p。(2)求50min时比阻R_m。(3)若压力提高至0.3MPa，预测J′。(4)实验发现纤维断裂，分析原因并给出预防措施。【答案与解析】(1)J=L_p·ΔP→L_p=120/0.2=600L·m⁻²·h⁻¹·MPa⁻¹(2)通量下降由浓差极化+污染，R_m=ΔP/(μ·R_total)=0.2×10⁶/(0.89×10⁻³×2.1×10¹³)=1.07×10¹¹m⁻¹(3)压力提高50%，J′=63×1.5×0.92=87L·m⁻²·h⁻¹（考虑压缩性）(4)断裂原因：压力波动大，纤维疲劳；预防：安装稳压阀，启动时缓慢升压，0.05MPa·min⁻¹。11.反应器停留时间分布【