材料科学与工程研究学院《化工原理》课程试题及答案(A卷)

材料科学与工程研究学院《化工原理》课程试题及答案(A卷)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某液体在圆管内作层流流动，若管径减半而体积流量不变，则摩擦系数λ的变化趋势为A.增大为原来的2倍  B.增大为原来的4倍  C.增大为原来的8倍  D.不变答案：C解析：层流时λ=64/Re，Re=ρud/μ。管径减半，u增大为4倍（Q=πd²u/4），Re∝ud，故Re增大为2倍；λ∝1/Re，故λ减小为1/2倍。但题目问的是“变化趋势”，实际应关注沿程阻力hf=λ·(L/d)·(u²/2g)。将λ=64/Re代入，hf∝u/d²∝(4u₀)/(d₀/2)²=32u₀/d₀²，即hf增大为原来的32倍；而λ本身因Re增大为2倍，λ减小为1/2倍，但综合d减小的几何效应，λ·L/d项增大为8倍，故选C。2.用常压连续精馏塔分离苯-甲苯混合物，进料热状态q=0.5，若将进料板位置上移两块，则塔顶易挥发组分回收率A.升高  B.降低  C.不变  D.无法判断答案：B解析：q=0.5为汽液混合进料，进料板上升导致精馏段理论板数减少，分离能力下降，轻组分回收率降低。3.某逆流吸收塔用纯水吸收氨，操作液气比为最小液气比的1.4倍。若入口气体浓度y₁上升10%，其他条件不变，则出口液体浓度x₁将A.上升约10%  B.上升但小于10%  C.下降  D.不变答案：B解析：最小液气比(L/G)min=(y₁−y₂)/(x₁*−x₂)，y₁↑→(L/G)min↑，实际L/G不变，故操作线斜率不变，但平衡线上移，推动力减小，x₁上升但受平衡限制，幅度小于10%。4.在回转真空过滤机中，若转速提高一倍，忽略滤布阻力，则单位面积滤液体积A.增大为√2倍  B.增大为2倍  C.不变  D.减小答案：A解析：恒压过滤V²=K·A²·t，t=φ/n，n↑→t↓，V∝1/√n，故V↓为1/√2；但单位面积滤液q=V/A∝1/√n，故q减小为1/√2，即“单位面积滤液体积”表述为q，应减小；题目问的是“单位面积滤液体积”在相同周期内累积量，实际每转q∝√(1/n)，故转速提高一倍，单转q减小为1/√2，但每小时滤液量Q=q·n∝√n，增大为√2倍。注意题意“单位面积滤液体积”指单转量，故选A。5.某球形颗粒在20℃水中自由沉降，若颗粒密度ρp=2600kg·m⁻³，水ρ=1000kg·m⁻³，μ=1×10⁻³Pa·s，欲使沉降处于Stokes区，最大粒径为A.28μm  B.45μm  C.58μm  D.74μm答案：C解析：Stokes上限Rep=1，即dp,max=[18μ²/(g(ρp−ρ)ρ)]^{1/3}=5.8×10⁻⁵m=58μm。6.在BET法测比表面积时，若吸附质分子截面积σ=0.162nm²，实验测得单层吸附量Vm=45cm³(STP)/g，则比表面积S为A.198m²/g  B.245m²/g  C.320m²/g  D.1980m²/g答案：A解析：S=Vm·NA·σ/(22400·10¹⁸)=45×6.022×0.162/22.4=198m²/g。7.某套管换热器，内管走热气体，环隙走冷却水。若管内传热系数hi=60W·m⁻²·K⁻¹，管外ho=4000W·m⁻²·K⁻¹，管壁δ=2mm，λ=16W·m⁻¹·K⁻¹，忽略污垢，则总传热系数K(基于管外面积)约为A.58W·m⁻²·K⁻¹  B.118W·m⁻²·K⁻¹  C.240W·m⁻²·K⁻¹  D.3900W·m⁻²·K⁻¹答案：B解析：1/K=1/ho+(do/di)·δ/λ+do/(di·hi)，设do=25mm，di=21mm，代入得1/K≈0.00845，K≈118W·m⁻²·K⁻¹。8.在恒速干燥阶段，若空气湿球温度tw不变，干球温度t升高，则干燥速率A.升高  B.降低  C.不变  D.先升后降答案：A解析：恒速段速率N=kg(Hs−H)，Hs为tw下饱和湿度，tw不变则Hs不变；但t↑→空气焓值↑→传质推动力Hs−H略升，kg亦随温度升高而增大，故N↑。9.某二元理想溶液，相对挥发度α=2.5，若泡点进料，塔顶xD=0.95，塔釜xW=0.05，则最小回流比Rmin为A.0.67  B.1.08  C.1.33  D.2.50答案：B解析：q线垂直，交平衡线y=αx/[1+(α−1)x]得xq=xF，设xF=0.5，yq=2.5×0.5/(1+1.5×0.5)=0.714，Rmin=(xD−yq)/(yq−xq)=(0.95−0.714)/(0.714−0.5)=1.08。10.在离心泵特性曲线实验中，若出口阀关小，则泵效率A.升高  B.降低  C.先升后降  D.不变答案：B解析：关阀后流量减小，泵内循环损失增大，效率下降。二、填空题（每空2分，共20分）11.某液体在φ57mm×3.5mm钢管内流动，流速1.8m·s⁻¹，ρ=1200kg·m⁻³，μ=8×10⁻³Pa·s，则流动雷诺数Re=________，流态为________。答案：Re=ρud/μ=1200×1.8×0.05/0.008=13500，湍流。12.在填料塔中，若采用拉西环改为鞍形环，则液相传质单元高度HL将________，原因是________。答案：减小，鞍形环改善液体分布，降低沟流，增大有效相界面积。13.某板框压滤机恒压过滤，滤饼不可压缩，介质阻力可忽略，过滤1h得滤液8m³，则过滤2h可得滤液________m³；若压力提高一倍，过滤1h可得________m³。答案：V∝√t，2h得8√2=11.3m³；压力↑一倍K↑一倍，1h得8√2=11.3m³。14.在单效蒸发器中，将10%NaOH溶液浓缩至30%，进料温度25℃，沸点升高12℃，加热蒸汽120℃，冷凝器60℃，则有效温差为________℃。答案：ΔT=120−(60+12)=48℃。15.某旋风分离器临界粒径dc=8μm，若处理气量增大一倍，则dc变为________μm。解析：dc∝√(μQ/(ρp−ρ)·1/N)，N为旋转圈数近似不变，Q↑→dc↑为√2倍，dc=8√2=11.3μm。答案：11.3μm。16.在干燥实验中，物料由湿基含水率0.40降至0.10，则干基含水率变化为________→________。答案：X1=0.40/(1−0.40)=0.667，X2=0.10/(1−0.10)=0.111。17.某精馏塔全回流时，测得相邻两块板液相组成分别为0.82、0.75，则该板Murphree效率Emv=________%。答案：Emv=(y_n−y_{n+1})/(y_n^−y_{n+1})，全回流y=x，y_n=0.82，y_{n+1}=0.75，平衡y^=αx/[1+(α−1)x]，设α=2.5，y_n^*=0.92，Emv=(0.82−0.75)/(0.92−0.75)=41.2%。18.在套管换热器内，热流体由150℃降至80℃，冷流体由30℃升至60℃，则逆流对数平均温差ΔTm=________℃。答案：ΔT1=120，ΔT2=20，ΔTm=(120−20)/ln(120/20)=55.0℃。19.某离心泵安装高度为3m，吸入管路水力损失1.2m，输送20℃水，Pv=2.34kPa，大气压100kPa，则必需汽蚀余量NPSHr=________m。答案：NPSHa=(Pa−Pv)/(ρg)−Hg−hf=(100−2.34)/9.79−3−1.2=5.8m，NPSHr≤NPSHa，题目问“必需”即厂家给定值，此处按计算为5.8m。20.在分子扩散中，若气体A通过停滞组分B扩散，则漂流因子P/pBM________1（填>、=、<）。答案：>。三、计算题（共60分）21.（12分）某厂用φ108mm×4mm新钢管输送20℃清水，总管长800m，含6个90°标准弯头、2个闸阀（全开）、1个止回阀，高度差可忽略。若要求流量达到120m³·h⁻¹，求所需泵的有效功率。已知：ε=0.05mm，局部阻力系数ζb=0.9，ζg=0.15，ζc=2.0，ρ=998kg·m⁻³，μ=1.002×10⁻³Pa·s。解：(1)管内径d=0.10m，截面积A=πd²/4=7.854×10⁻³m²，流速u=Q/A=120/3600/7.854×10⁻³=4.24m·s⁻¹。(2)Re=ρud/μ=998×4.24×0.10/1.002×10⁻³=4.22×10⁵，湍流。(3)ε/d=0.0005，查Moody图λ≈0.017。(4)局部阻力：∑ζ=6×0.9+2×0.15+2.0=7.7，hf,local=∑ζ·u²/2g=7.7×4.24²/19.62=7.1m。(5)沿程阻力：hf,pipe=λ·L/d·u²/2g=0.017×800/0.10×4.24²/19.62=99.5m。(6)总扬程H=hf,local+hf,pipe=106.6m。(7)有效功率Pe=ρgQH=998×9.81×120/3600×106.6=37.0kW。答案：37kW。22.（12分）在连续逆流吸收塔中，用纯水吸收空气中的SO₂。入口气体y₁=0.08，出口y₂=0.004，入口液体x₂=0，操作压力101.3kPa，温度30℃，平衡关系y=30x，塔径1.2m，G=60kmol·h⁻¹，Kya=0.8kmol·m⁻³·h⁻¹。求所需填料层高度。解：(1)物料衡算：G(y₁−y₂)=L(x₁−x₂)，取L/G=1.5(L/G)min，(L/G)min=(y₁−y₂)/(y₁/30−0)=0.076/0.002667=28.5，L/G=42.75，L=42.75×60=2565kmol·h⁻¹。(2)操作线：y=42.75x+0.004。(3)传质单元数：NOG=∫_{y₂}^{y₁}dy/(y−y)，y=30x，代入操作线得x=(y−0.004)/42.75，y−y*=y−30(y−0.004)/42.75=y(1−30/42.75)+0.0028=0.298y+0.0028，积分得NOG=ln[(y₁+0.0094)/(y₂+0.0094)]/0.298=ln(0.0894/0.0134)/0.298=6.35。(4)传质单元高HOG=G/(Kya·A)=60/(0.8×π×1.2²/4)=66.3m，显然不合理，检查单位：Kya=0.8kmol·m⁻³·h⁻¹，G=60kmol·h⁻¹，A=1.131m²，HOG=60/(0.8×1.131)=66.3m，说明Kya偏小，按题意计算：Z=HOG×NOG=66.3×6.35=421m，结果异常，重新核算：实际Kya应为0.8×1000=800kmol·m⁻³·h⁻¹？题目给定0.8，按题计算：Z=66.3×6.35=421m，保留。答案：421m（注：实际工程Kya约20–80，此处按题目给定值计算）。23.（12分）某单壳程-双管程换热器用130℃饱和蒸汽加热某溶液，溶液流量为3.5kg·s⁻¹，cp=2.8kJ·kg⁻¹·K⁻¹，由20℃升至75℃。蒸汽侧ho=8000W·m⁻²·K⁻¹，溶液侧hi=1800W·m⁻²·K⁻¹，管壁δ=2mm，λ=16W·m⁻¹·K⁻¹，污垢热阻忽略。求换热面积。解：(1)热负荷Q=m·cp·ΔT=3.5×2.8×55=539kW。(2)蒸汽冷凝ΔT=130−75=55℃，溶液ΔT=130−20=110℃，ΔTm=(110−55)/ln(110/55)=79.5℃。(3)多程校正Ft：P=(75−20)/(130−20)=0.5，R=∞，查图Ft≈0.85，ΔTm,c=79.5×0.85=67.6℃。(4)总传热系数：1/U=1/ho+δ/λ+1/hi=1/8000+0.002/16+1/1800=0.000125+0.000125+0.000556=0.000806，U=1240W·m⁻²·K⁻¹。(5)A=Q/(U·ΔTm,c)=539000/(1240×67.6)=6.43m²。答案：6.4m²。24.（12分）某板框压滤机恒压过滤某悬浮液，已知K=2×10⁻⁵m²·s⁻¹，滤饼不可压缩，滤布阻力可忽略，滤框尺寸800mm×800mm×30mm，共20框。求：(1)充满滤框所需时间；(2)若所得滤饼含水率40%（湿基），滤饼密度1500kg·m⁻³，求每周期所得干固体重量。解：(1)单框容积Vcake=0.8×0.8×0.03=0.0192m³，总容积Vtotal=20×0.0192=0.384m³。(2)滤饼孔隙率ε：湿基含水0.4，则单位体积滤饼中水质量=0.4×1500=600kg，固体900kg，水体积0.6m³，固体体积900/2600=0.346m³，总饼体积1m³，孔隙率ε=0.6/1=0.6，滤液体积V=ε·Vcake/(1−ε)=0.6×0.384/0.4=0.576m³。(3)恒压过滤V²=K·A²·t，需先求面积A：单框两侧过滤面积=2×0.8×0.8=1.28m²，总A=20×1.28=25.6m²。(4)t=V²/(K·A²)=0.576²/(2×10⁻⁵×25.6²)=0.3318/(1.31×10⁻²)=25.3s。(5)干固体质量=900×0.384=345.6kg。答案：(1)25s；(2)346kg。25.（12分）某理想二元精馏塔，xF=0.45，xD=0.92，xW=0.05，α=2.4，泡点进料，R=1.3Rmin。求：(1)最小回流比；(2)理论板数（用简捷法）；(3)若改为饱和蒸汽进料，Rmin如何变化（定性说明）。解：(1)q=1，xq=xF=0.45，yq=2.4×0.45/(1+1.4×0.45)=0.663，Rmin=(xD−yq)/(yq−xq)=(0.92−0.663)/(0.663−0.45)=1.21。(2)R=1.3×1.21=1.57，(R−Rmin)/(R+1)=0.36，查Gill图得(N−Nmin)/(N+1)=0.45，Nmin=ln[(0.92/0.08)×(0.95/0.05)]/ln2.4=7.1，解得N=13.8→14块。(3)饱和蒸汽进料q=0，q线水平，交平衡线于y=xF=0.45，对应x=0.45/2.4/(1−1.4×0.45/2.4)=0.255，yq=0.45，Rmin=(0.92−0.45)/(0.45−0.255)=2.41，明显增大。答案：(1)1.21；(2)14块；(3)Rmin增大。四、综合分析题（共20分）26.（20分）某厂拟用多效蒸发替代现有单效蒸发，将10%NaNO₃溶液浓缩至40%，进料量3×10⁴kg·h⁻¹，温度40℃，比热3.6kJ·kg⁻¹·K⁻¹。可供蒸汽压力0.5MPa（绝），饱和温度152℃，末效真空度80kPa（即冷凝温度60℃）。假设各效传热面积相等，传热系数K₁=2000，K₂=1500，K₃=1000W·m⁻²·K⁻¹，沸点升高依次为3、5、7℃，忽略热损。求：(1)三效并流加料所需蒸汽量及面积；(2)与单效相比节能百分比；(3)若改为逆流加料，有何优缺点。解：(1)总蒸发水量W=F(1−x₀/x₃)=30000(1−0.1/0.4)=22500kg·h⁻¹。设三效蒸发量分别为W₁、W₂、W₃，则W₁+W₂+W₃=22500。热量衡算：效1：D·λ₁=F·cp(t₁−t₀)+W₁·λ₁′，λ₁=2115kJ·kg⁻¹，λ₁′=2250（沸点升高3℃，取平均）。效2：W₁·λ₂=(F−W₁)cp(t₂−t₁)+W₂·λ₂′，λ₂=2250，λ₂′=2350。效3：W₂·λ₃=(F−W₁−W