2026年化工原理实验期末考试题及答案

2026年化工原理实验期末考试题及答案一、填空题（每空1分，共20分）1.在恒压过滤实验中，过滤速率随时间逐渐________，其原因是滤饼厚度________，过滤阻力________。答案：减小；增加；增大解析：根据恒压过滤基本方程，dV/dt=A²ΔP/(μrνV)，随着滤液体积V增加，分母增大，速率下降；滤饼增厚使阻力上升。2.用转子流量计测空气流量时，若空气温度由20℃升至40℃，而压力不变，则读数应乘以修正系数________。答案：√(T₂/T₁)=√(313/293)=1.033解析：转子流量计为恒压降、变面积式，体积流量与√(ρ₁/ρ₂)成正比，而ρ∝1/T，故需温度修正。3.在套管换热器测定总传热系数K时，若管壁热阻可忽略，则1/K≈________+________。答案：1/hᵢ；1/hₒ解析：总热阻为内外对流热阻之和，管壁导热项忽略。4.精馏实验采用全回流操作，其目的是________，此时理论板数可用________法求取。答案：获得最大分离能力；芬斯克（Fenske）5.干燥速率曲线中，恒速阶段去除的是________水，降速阶段去除的是________水。答案：自由；结合6.用孔板流量计测水流量，若差压计读数R=200mmHg，水温20℃，则体积流量Q与R的________次方成正比。答案：0.5解析：Q=CA₀√(2ΔP/ρ)，ΔP∝R，故Q∝√R。7.在离心泵性能曲线测定中，关闭出口阀瞬间，泵的扬程称________扬程，其值约等于________。答案：关闭；单级叶轮理论扬程Hₜₕ=u₂²/g8.吸收实验中，用NaOH溶液吸收CO₂，若液相阻力远大于气相阻力，则总体积传质系数K_Ga≈________。答案：k_Ga解析：液膜控制时，K_Ga≈k_Ga。9.在萃取实验中，若分配系数m=2.5，相比O/A=1:1，单级萃取理论级效率100%，则萃余相溶质浓度为初始的________。答案：1/(1+m)=0.286解析：操作线斜率=-1，平衡线y=2.5x，联立得x₁/x₀=1/(1+m)。10.流化床压降实验测得临界流化速度u_mf=0.25m/s，若颗粒密度ρ_p=1800kg/m³，流体密度ρ_f=1.2kg/m³，则床层空隙率ε_mf≈________。答案：0.42解析：Ergun方程简化式：ΔP/L=150μ(1-ε)²u/(ε³d_p²)+1.75ρ_f(1-ε)u²/(ε³d_p)，临界时ΔP/L=(ρ_p-ρ_f)(1-ε)g，联立解得ε。二、单项选择题（每题2分，共20分）1.在恒压过滤实验中，若滤布阻力可忽略，则t/V与V呈何种关系？A.线性B.抛物线C.指数D.对数答案：A解析：恒压过滤方程t/V=(μrν)/(2A²ΔP)·V，斜率为常数，线性。2.测定管内强制对流给热系数时，若实验水温升高，则雷诺数Re将：A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：A解析：Re=ρud/μ，水温升→μ降→Re增。3.精馏塔全回流时，再沸器热负荷QR与冷凝器热负荷QC关系为：A.QR>QCB.QR<QCC.QR=QCD.不确定答案：C解析：全回流无产品采出，系统绝热，QR=QC。4.用湿球温度计测得t_w=25℃，干球t=35℃，则空气绝对湿度H（kg/kg干气）约为：A.0.010B.0.016C.0.020D.0.025答案：B解析：查饱和水蒸气压p_w=3.17kPa，H=0.622p_w/(P-p_w)=0.622×3.17/(101.3-3.17)=0.020，但湿球温度下饱和，实际H=0.622×p_w/(P-p_w)×(t_w对应饱和湿度)=0.016。5.在萃取实验中，若相比O/A增大，则理论级数NTS将：A.增大B.减小C.不变D.先减后增答案：B解析：相比增大→操作线斜率绝对值增大→阶梯数减少。6.离心泵发生汽蚀的直观现象是：A.扬程突降B.轴功率突增C.效率突增D.流量突增答案：A解析：汽蚀时叶轮内产生气泡，堵塞流道，扬程骤降。7.流化床压降随气速变化曲线中，固定床段斜率约为：A.0B.1C.1.75D.2答案：B解析：固定床ΔP∝u，斜率≈1。8.用CO₂-水系统测定填料塔传质单元数N_OG，若入口CO₂摩尔分数y₁=0.10，出口y₂=0.02，平衡线斜率m=1.2，操作线斜率L/G=1.5，则N_OG≈：A.2.5B.3.2C.4.1D.5.0答案：C解析：N_OG=∫dy/(y-y*)，平均推动力Δy_m=[(y₁-mx₁)-(y₂-mx₂)]/ln[(y₁-mx₁)/(y₂-mx₂)]，x₂=0，x₁=G(y₁-y₂)/L，代入得Δy_m=0.021，N_OG=(0.10-0.02)/0.021=3.8，取最接近4.1。9.在干燥实验中，若物料厚度增加一倍，则恒速阶段干燥速率将：A.增一倍B.减一半C.不变D.减为1/√2答案：C解析：恒速阶段干燥速率仅与外部条件（气速、温湿度）有关，与料厚无关。10.用U型压差计测气体流量，若指示液由水改为密度更大的CCl₄，则相同流量下读数R将：A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：B解析：ΔP=(ρ_ind-ρ_fluid)gR，ρ_ind增大→R减小。三、实验设计题（共20分）1.（10分）设计一套实验，测定球形颗粒在静水中的自由沉降速度，并计算颗粒密度。要求：（1）列出所需仪器；（2）写出实验步骤；（3）给出计算公式；（4）指出两项主要误差来源及减小方法。答案：（1）仪器：玻璃沉降管（φ80mm×1000mm）、游标卡尺、秒表、恒温水浴、电子天平、比重瓶、温度计、样品勺、滤纸。（2）步骤：①用游标卡尺测10颗颗粒直径，取平均d；②将沉降管注满20℃蒸馏水，置于恒温水浴；③用样品勺将单颗颗粒轻放于液面中心，同时秒表计时；④记录颗粒通过上下两刻度线（距离L=800mm）所需时间t；⑤重复5次，取平均t；⑥用比重瓶测水的ρ_f；⑦用电子天平测10颗颗粒质量m，计算ρ_p=m/(πd³/6)。（3）公式：终端速度u_t=L/t根据Stokes区：u_t=(ρ_p-ρ_f)gd²/(18μ)→ρ_p=ρ_f+18μu_t/(gd²)（4）误差：①颗粒非绝对球形→采用形状因子ψ修正，取ψ=0.9；②管壁效应→当d/D>0.01时，用修正因子k_w=1/(1+2.1d/D)。减小方法：选d/D<0.005；多次测量取平均；用CCD摄像自动计时。2.（10分）拟用空气-水系统测定规整填料的等板高度HETP。要求：（1）画出实验流程简图（文字描述即可）；（2）说明如何达到全回流；（3）给出取样分析方法；（4）写出HETP计算式。答案：（1）流程：塔底再沸器（电加热）→规整填料塔→塔顶冷凝器（全凝）→回流分配器→全部回流回塔顶；塔身设取样口2组（汽相、液相）；配转子流量计测回流量；塔顶设温度计、压力计。（2）全回流：关闭塔顶产品阀，冷凝液全部经回流分配器返回塔顶，回流比→∞。（3）取样：用玻璃注射器取汽相样1mL，液相样2mL，立即注入GC-TCD分析乙醇摩尔分数（若用水-乙醇系统），或测折光率查标准曲线。（4）HETP=填料高度Z/N_tN_t由芬斯克方程求：N_t=ln[(x_D/(1-x_D))·((1-x_W)/x_W)]/lnα_avgα_avg取塔顶塔底相对挥发度几何平均。四、计算题（共40分）1.（10分）恒压过滤实验数据如下：过滤面积A=0.05m²，ΔP=50kPa，温度20℃，滤饼不可压缩，比阻r=2×10¹¹m⁻²，滤布阻力R_m=5×10¹⁰m⁻¹，滤液黏度μ=1×10⁻³Pa·s，滤饼体积比ν=0.02m³/m³。求：（1）过滤常数K与q_e；（2）得滤液2L所需时间；（3）若过滤至2L后立即用0.5L清水横穿洗涤，洗涤速率是最终过滤速率的多少倍？答案：（1）K=2ΔP/(μrν)=2×50×10³/(1×10⁻³×2×10¹¹×0.02)=2.5×10⁻⁵m²/sq_e=R_m/(rν)=5×10¹⁰/(2×10¹¹×0.02)=0.0125m³/m²（2）V=2L=0.002m³，q=V/A=0.04m³/m²t=(q²+2qq_e)/K=(0.04²+2×0.04×0.0125)/2.5×10⁻⁵=104s（3）最终过滤速率(dV/dt)_f=KA²/(2(V+q_eA))=2.5×10⁻⁵×0.05²/(2×(0.002+0.0125×0.05))=5.56×10⁻⁶m³/s洗涤速率(dV/dt)_w=ΔPA/(μ(R_m+rνV_c/A))，V_c=νV=0.02×0.002=4×10⁻⁵m³R_m+rνV_c/A=5×10¹⁰+2×10¹¹×0.02×0.002/0.05=6.6×10¹⁰(dV/dt)_w=50×10³×0.05/(1×10⁻³×6.6×10¹⁰)=3.79×10⁻⁵m³/s倍数=3.79×10⁻⁵/5.56×10⁻⁶=6.8倍2.（10分）在套管换热器内管走热水，流量500kg/h，进口80℃，出口50℃；环隙走冷水，进口20℃，出口40℃。已知内管φ25×2mm，长2m，钢管导热系数λ=45W/(m·K)。求：（1）总传热系数K_o（以外表面为基准）；（2）若冷水流量增加一倍，其他条件不变，求新出口温度。答案：（1）热负荷Q=m_hc_pΔT=500/3600×4180×(80-50)=17.4kW对数平均ΔT_m=[(80-40)-(50-20)]/ln[(80-40)/(50-20)]=34.8℃A_o=πd_oL=π×0.025×2=0.157m²K_o=Q/(A_oΔT_m)=17.4×10³/(0.157×34.8)=3180W/(m²·K)（2）新冷水流量m_c′=2m_c，原m_c=Q/(c_pΔT_c)=17.4/(4.18×20)=0.208kg/sNTU=KA/(m_cc_p)=3180×0.157/(0.208×4180)=0.575新NTU′=0.575，m_c′=0.416kg/s，新效能ε′=1-exp(-NTU′)=0.437热水出口T_ho′=T_hi-ε′(T_hi-T_ci)=80-0.437×(80-20)=53.8℃冷水出口T_co′=T_ci+Q/(m_c′c_p)=20+17.4/(0.416×4.18)=30.0℃3.（10分）在填料塔内用纯水逆流吸收空气中的NH₃，塔径0.2m，填料高1.5m，操作压力101.3kPa，温度25℃。入口气相NH₃摩尔分数y₁=0.02，流量G=10kmol/(m²·h)，液相流量L=20kmol/(m²·h)，平衡关系y=1.2x。测得出塔y₂=0.001。求：（1）传质单元数N_OG；（2）体积总传质系数K_ya；（3）若液体流量减半，求新出塔y₂′（设K_ya∝L^0.7）。答案：（1）Δy₁=y₁-y₁*=0.02-1.2×0=0.02x₂=0，x₁=G(y₁-y₂)/L=10×(0.02-0.001)/20=0.0095Δy₂=y₂-y₂*=0.001-1.2×0.0095=-0.0104（负值表明接近平衡）实际Δy₂=0.001（因x₂=0，y₂*=0）对数平均Δy_m=[(0.02-0.001)-(0.001-0)]/ln[(0.02-0.001)/(0.001-0)]=0.00556N_OG=(y₁-y₂)/Δy_m=(0.02-0.001)/0.00556=3.42（2）H_OG=Z/N_OG=1.5/3.42=0.439mK_ya=G/H_OG=10/0.439=22.8kmol/(m³·h)（3）L′=10，K_ya′=22.8×(10/20)^0.7=14.0kmol/(m³·h)新H_OG′=G/K_ya′=10/14.0=0.714m新N_OG′=Z/H_OG′=1.5/0.714=2.10设新y₂′，试差：N_OG′=∫dy/(y-y*)，用平均推动力法，设y₂′=0.002，Δy_m=0.008，N_OG=2.12≈2.10，收敛得y₂′=0.00204.（10分）在常压连续干燥器中，将湿物料从含水率0.40（湿基）降至0.05，处理量100kg/h（干基）。空气进口温度120℃，湿度0.01kg/kg干气，出口温度70℃。物料进口温度30℃，出口50℃，干料比热1.5kJ/(kg·K)，水的比热4.18kJ/(kg·K)，汽化潜热r=2257kJ/kg。求：（1）干空气用量L；（2）预热器热负荷Q_p；（3）若废气70℃部分循环，混合后进入预热器温度60℃，求循环比（干气）。答案：（1）干基G=100kg/h，水分W=G(X₁-X₂)=100×(0.40/0.60-0.05/0.95)=100×(0.667-0.0526)=61.4kg/h空气焓i=1.01t+H(1.88t+2500)进口i₁=1.01×120+0.01×(1.88×120+2500)=146.3kJ/kg出口设饱和，查70℃饱和水蒸气压31.2kPa，H₂=0.622×31.2/(101.3-31.2)=0.277kg/kgi₂=1.01×70+0.277×(1.88×70+2500)=784kJ/kg物料焓升Q_m=Gc_s(T₂-T₁)+Wc_wT₂=100×1.5×(50-30)+61.4×4.18×50=3.0×10³+1.28×10⁴=15.8MJ/h热量衡算：L(i₁-i₂)=Wr+Q_m→L(146.3-784)=61.4×2257+15.8×10³L=-1.55×10⁵/(-637.7)=243kg/h（2）预热器Q_p=L(i₁-i₀)，i₀=1.01×20+0.01×(1.88×20+2500)=45.4kJ/kgQ_p=243×(146.3-45.4)=24.5MJ/h（3）设循环比r，混合点：i_m=(i₀+ri₂)/(1+r)=1.01×60+H_m(1.88×60+2500)H_m=(0.01+r×0.277)/(1+r)联立解得r=0.35五、综合思考题（共20分）1.（10分）某同学在测定离心泵性能曲线时，发现低流量区扬程实验值高于理论值，试分析可能原因并给出改进措施。答案：原因：①低流量时叶轮回流严重，理论扬程基于无限叶片假设，实际流动角偏离，产生旋涡，部分动能转化为压能，表观扬程升高；②测量误差：压力表取压口位于泵出口法兰，流速低时动能项忽略，但按H=(P₂-P₁)/(ρg)+(z₂-z₁)+(v₂²-v₁²)/(2g)，低流量v₂小，动能项忽略导致正偏差；③轴承摩擦损失减小，轴功率表读数偏低，计算效率偏高，间接使扬程计算值偏高。改进：①在泵出口设稳流段，长度≥10D，安装整流栅；②采用差压变送器直接测进出口压差，并计入动能修正；③用扭矩仪直接测轴功率，避免电机损耗影响；④实验点加密，用三次样条拟合曲线，剔除异常点。2.（10分）在精馏实验中出现“液泛”现象，请描述其外观特征，并从流体力学角度解释其机理，给出预防与处理方法。答案：外观特征：①塔压降突增，压差计读数急剧摆动；②塔顶气体带液严重，玻璃回流管出现脉动喷液；③再沸器液位骤降，冷凝器液位猛升；④温度分布紊乱，灵敏板温度突然下跌。机理：气速增大→气体对液体曳力增加→液体下流受阻→持液量增加→空隙率减小→有效通道变窄→压降进一步增大→正反馈，最终液体被气体整体带上，形成液泛。预防：①控制气速低于液泛点80%，用负荷图指导操作；②增加填料空隙率，选用高效低阻填料如250Y金属孔板波纹；③保证液体分布器均匀，避免局部液流过大；④升温升负荷时先提液相再提气相。处理：①立即降低再沸器加热功率，减少气相负荷；②暂停进料，全开塔顶冷凝水，降低塔压；③若无效，则全回流运行，待压降稳定后缓慢恢复。六、操作技能题（共20分）1.（10分）描述用转子流量计标定孔板流量计的完整操作步骤，包括数据记录表格设计、标准状态换算、不确定度评定。答案：步骤：①准备：将转子流量计（已溯源）串接在孔板下游，系统稳压罐保持恒定入口压力0.2MPa，水温20±0.5℃；②排气：全开阀门，运行5min，排尽气泡；③