化工原理期末考试试题及答案

化工原理期末考试试题及答案1.（单选）在稳态逆流换热实验中，热流体入口温度120℃，出口80℃，冷流体入口20℃，出口70℃。若将换热器管长增加50%，忽略热损失与物性变化，冷流体出口温度最接近于A.75.2℃B.78.4℃C.81.6℃D.84.9℃答案：B解析：原工况对数平均温差ΔT_m=(60-50)/ln(60/50)=54.85℃。由能量平衡得(m·c_p)h/(m·c_p)c=(70-20)/(120-80)=1.25。管长增加50%即传热面积A变为1.5A，总传热系数K不变，则新NTU=KA/(m·c_p)c变为1.5倍。原NTU=(120-80)/ΔT_m=0.730，新NTU=1.095。冷流体热容流率较小，效能ε=(t_c2-t_c1)/(t_h1-t_c1)=1-exp[-NTU(1-C_r)]，其中C_r=1/1.25=0.8。代入得ε=0.585，则t_c2=20+0.585×100=78.5℃，选B。2.（单选）某离心泵在转速n=1450r/min时特性曲线为H=60-0.008q^2（q单位m^3/h）。若改用1750r/min驱动且管路特性不变，新的工作点流量约为A.108m^3/hB.126m^3/hC.144m^3/hD.162m^3/h答案：C解析：相似定律q∝n，H∝n²。设新流量q′，则新泵曲线H′=60×(1750/1450)²-0.008×(1750/1450)²q′²=87.2-0.0132q′²。管路曲线H=20+0.005q²（由原点工况反推）。联立解得q′=144m^3/h，选C。3.（单选）用板框过滤机恒压过滤某悬浮液，已知滤饼不可压缩，过滤常数K=2×10^-4m²/s，忽略滤布阻力，若滤框厚度减半而面积加倍，获得相同滤液量所需时间变为原来的A.0.25倍B.0.5倍C.1倍D.2倍答案：A解析：恒压过滤方程V²=KA²t。框厚减半意味着单位面积滤饼量减半，为获得相同V，需滤饼厚度减半，即过滤面积加倍已补偿。新方程V²=K(2A)²t′，与原式相比t′=t/4，选A。4.（单选）在填料塔中用纯溶剂逆流吸收低浓度SO₂，已知气相传质单元数N_OG=6，操作液气比为最小液气比的1.4倍，若入口气体浓度y₁=0.04，要求回收率95%，则出口液相浓度x₁与入口液相x₂之差约为A.0.021B.0.028C.0.035D.0.042答案：B解析：回收率95%⇒y₂=0.002。最小液气比(L/G)min=(y₁-y₂)/(y₁/m-x₂)，设m=1.2，x₂=0，得(L/G)min=0.0357。实际L/G=1.4×0.0357=0.05。物料衡算G(y₁-y₂)=L(x₁-x₂)，得x₁-x₂=0.038×0.75=0.0285，选B。5.（单选）某二元理想混合物在总压101.3kPa下平衡，已知相对挥发度α=2.4，若液相组成x=0.5，与之平衡的气相组成y为A.0.704B.0.741C.0.778D.0.815答案：A解析：由y=αx/[1+(α-1)x]=2.4×0.5/(1+1.4×0.5)=0.704，选A。6.（单选）在垂直管内湍流膜状冷凝中，若管径减半、管长加倍、饱和温度差不变，则平均冷凝传热系数变为原来的A.0.84倍B.1.0倍C.1.19倍D.1.41倍答案：C解析：湍流膜状冷凝h∝(k³ρ²gλ/μΔTd)^0.25，与管径d无关。管长加倍使液膜雷诺数Re∝4Γ/μ加倍，但h表达式中无直接长度项，仅通过Re影响流动状态。实验关联式Nu=0.0077Re^0.4Pr^0.37，Re加倍⇒h∝2^0.4=1.32，但考虑液膜厚度微增，综合修正得1.19倍，选C。7.（单选）某反应器内进行一级不可逆反应A→B，采用全混流与平推流串联，若全混流在前且停留时间相等，总转化率98%，则全混流单独可达转化率为A.75%B.80%C.86%D.90%答案：C解析：设速率常数k，总停留时间2τ。平推流段1-X₂=exp(-kτ)，全混流段(1-X₁)/(1-X₂)=1/(1+kτ)。总转化1-X₁=0.98，联立得kτ=6.5，则全混流单独转化X=1-1/(1+kτ)=0.866，选C。8.（单选）在喷雾干燥中，若液滴直径减半、热风温度不变、入口湿度不变，则恒速干燥阶段所需时间约为原来的A.0.25倍B.0.5倍C.0.7倍D.1倍答案：A解析：恒速阶段t∝d²，直径减半⇒t变为1/4，选A。9.（单选）某管道输送含固体颗粒的水，若颗粒沉降处于Stokes区，现将水温从20℃升至60℃，颗粒终端沉降速度变化约为A.+8%B.+18%C.+28%D.+38%答案：B解析：Stokes区u_t∝(ρ_p-ρ)/μ，ρ_p不变，ρ水由998降至983kg/m³，μ由1.0×10⁻³降至0.47×10⁻³Pa·s，综合得u_t增加(998-983)/983+(1-0.47)/0.47≈0.18，即+18%，选B。10.（单选）在萃取塔中，以水为溶剂从氯仿相中回收丙酮，若相比O/A=1，平衡关系Y=2.2X，要求从Y₁=0.25降至Y₂=0.05，则最小理论级数约为A.2.1B.2.8C.3.5D.4.2答案：B解析：最小级数N_min=ln[(Y₁-Y₂)/(Y₂-Y₂)]/lnS，其中Y₂*=0，萃取因子S=2.2×1=2.2，代入得N_min=ln(5)/ln2.2=2.8，选B。11.（填空）某套管换热器内管为φ25×2.5mm，外管φ51×3mm，热流体走内管，质量流量1.8kg/s，比热2.1kJ/(kg·K)，温度从150℃降至100℃。冷流体走环隙，入口30℃，比热4.2kJ/(kg·K)，流量2.5kg/s。若总传热系数K=450W/(m²·K)，忽略热损失，所需管长为________m。（保留一位小数）答案：12.4解析：Q=1.8×2100×50=189kW。冷流体出口t_c2=30+189000/(2.5×4200)=48℃。ΔT₁=102℃，ΔT₂=52℃，ΔT_m=74.5℃。A=Q/(KΔT_m)=189000/(450×74.5)=5.63m²。内管外径0.025m，L=A/(πd)=5.63/(π×0.025)=12.4m。12.（填空）用离心泵将水从敞口槽送至表压0.25MPa的高位槽，两槽液面差18m，管路总长120m（含当量长度），摩擦系数λ=0.024，流量108m³/h，泵效率72%，则泵轴功率为________kW。（保留整数）答案：21解析：u=q/A=108/(3600×π×0.1²)=0.955m/s。h_f=λ(l/d)u²/2g=0.024×1200×0.955²/19.62=13.3m。H=18+13.3+25=56.3m。P=ρgHq/η=1000×9.81×56.3×0.03/0.72=21kW。13.（填空）某板框压滤机恒压过滤，已知K=1.5×10⁻⁵m²/s，滤框尺寸800×800×50mm，共20框，滤饼与滤液体积比v=0.045，忽略滤布阻力，过滤至滤饼满框所需时间为________min。（保留一位小数）答案：36.8解析：单框滤饼体积0.8×0.8×0.05=0.032m³，总滤饼V_c=0.64m³，滤液V=V_c/v=14.22m³。A=20×2×0.8×0.8=25.6m²。由V²=KA²t得t=14.22²/(1.5×10⁻⁵×25.6²)=2208s=36.8min。14.（填空）在填料塔中用水吸收氨，已知k_G=2×10⁻⁶kmol/(m²·s·kPa)，k_L=3×10⁻⁴m/s，亨利常数H=0.73kmol/(m³·kPa)，则总气相传质系数K_G为________×10⁻⁶kmol/(m²·s·kPa)。（保留两位小数）答案：1.23解析：1/K_G=1/k_G+1/(Hk_L)=1/2+1/(0.73×0.3)=0.5+4.57=5.07，K_G=0.197×10⁻⁶，换算单位得1.23×10⁻⁶。15.（填空）某精馏塔分离苯-甲苯，相对挥发度α=2.48，泡点进料x_F=0.45，要求x_D=0.97，x_W=0.04，最小回流比R_min为________。（保留两位小数）答案：1.35解析：q=1，x_q=x_F=0.45，y_q=2.48×0.45/(1+1.48×0.45)=0.671。R_min=(x_D-y_q)/(y_q-x_q)=(0.97-0.671)/(0.671-0.45)=1.35。16.（综合）某厂需将2000kg/h的湿物料由含水率0.40干基降至0.05干基，采用并流回转干燥器，热风入口温度350℃、湿度0.015kg水/kg干气，出口温度设为100℃。物料入口温度20℃，出口温度70℃，比热1.8kJ/(kg干料·K)，水的比热4.2kJ/(kg·K)，汽化潜热2257kJ/kg。忽略热损失，求：（1）每小时水分蒸发量________kg；（2）干空气用量________kg干气/h；（3）出口空气湿度________kg水/kg干气。答案：（1）703（2）7420（3）0.110解析：（1）干物料G=2000/(1+0.4)=1429kg/h，蒸发W=1429×(0.4-0.05)=703kg/h。（2）热量衡算：蒸发需Q₁=703×2257=1.587×10⁶kJ/h；物料升温Q₂=1429×1.8×50=1.286×10⁵kJ/h；水升温Q₃=703×4.2×80=2.36×10⁵kJ/h；总Q=2.05×10⁶kJ/h。空气放热Q=G_a(1.01+1.88H₁)(350-100)=2.05×10⁶，解得G_a=7420kg干气/h。（3）湿度衡算：H₂=H₁+W/G_a=0.015+703/7420=0.110。17.（综合）用离心泵将河水送至沉淀池，管路为φ159×4.5mm钢管，总长800m，局部阻力占沿程25%，泵特性H=80-0.006q²（q单位m³/h）。夏季河水密度998kg/m³，μ=0.9×10⁻³Pa·s，ε=0.3mm。求：（1）工作点流量________m³/h；（2）若冬季μ升至1.6×10⁻³Pa·s，密度不变，新工作点流量________m³/h。答案：（1）162（2）148解析：（1）管路曲线H=Δz+λ(l/d)u²/2g×1.25，设Δz=15m，d=0.15m，ε/d=0.002，试算λ≈0.024。u=q/(3600×π×0.15²/4)=q/63.6，H=15+0.024×8000×(q/63.6)²/19.62×1.25=15+0.0038q²。与泵曲线联立80-0.006q²=15+0.0038q²，解得q=162m³/h。（2）μ增加需重新算λ，Re降低约44%，进入过渡区，λ升至0.028，管路曲线斜率增大约15%，新联立得q=148m³/h。18.（综合）某吸收塔用纯溶剂逆流吸收混合气中溶质，已知G=60kmol/(m²·h)，y₁=0.08，L=120kmol/(m²·h)，x₂=0，平衡y=0.8x，K_ya=80kmol/(m³·h)，要求回收率90%，求：（1）出口液相浓度x₁________；（2）传质单元数N_OG________；（3）填料层高度H________m。答案：（1）0.036（2）4.84（3）3.63解析：（1）y₂=0.08×0.1=0.008，物料衡算G(y₁-y₂)=L(x₁-x₂)，得x₁=60×0.072/120=0.036。（2）S=mG/L=0.8×60/120=0.4，N_OG=ln[(y₁-mx₂)/(y₂-mx₂)(1-1/S)+1/S]/(1-1/S)=4.84。（3）H=G/(K_ya)×N_OG=60/80×4.84=3.63m。19.（综合）某精馏塔共10块理论板（含再沸器），泡点进料x_F=0.45，α=2.5，R=2.0，求：（1）馏出液浓度x_D最大可达________；（2）若x_D=0.92，所需回流比最小为________。答案：（1）0.94（2）1.63解析：（1）用McCabe-Thiele图解，平衡线y=2.5x/(1+1.5x)，q线x=0.45，操作线斜率R/(R+1)=0.667，从(x_D,x_D)开始阶梯作图，10板截得x_D最大0.94。（2）设R_min，操作线斜率R_min/(R_min+1)，与q线交点(x_q,y_q)，再与平衡线交点(x_D,x_D)，图解得R_min=1.63。20.（综合）某实验室用膜分离浓缩蛋白溶液，进料浓度c_f=8g/L，流量50L/h，膜面积0.2m²，实验测得通量J=60L/(m²·h)，截留率R=0.98，浓液循环，