武汉工程大学化工原理试题

武汉工程大学
20XX 年攻读硕士学位研究生试题
化工原理试卷 ( A 卷 )
适合专业：化学工艺，化学工程，生物化工，材料学 考题编号：
注意事项：
1． 答题时可不抄题，但必须写清题号。

2． 答题时必须用蓝、黑墨水钢笔或圆珠笔，用红笔或铅笔均不给分。

3． 答案必须写在答题纸上。

4． 满分150分，考试时间为3小时。

一、填空题 (共26分)
1. (2分) 某设备的表压强为100 kPa ，则它的绝对压强为__________kPa ；另一设备的真空度为400 mmHg ，则它的绝对压强为__________。

(当地大气压为101.33 kPa) 答案：201.33 kPa ，360 mmHg 或48 kPa
2.(2分) 离心泵安装在一定管路上，其工作点是指:______________________ ________________________________________________________。

答案：泵的特性曲线和管路特性曲线的交点。

3.(2分) 对某悬浮液进行恒压过滤。

已知过滤面积为1m 2，恒压过滤常数K=5⨯10-3 m 2/s ，当过滤时间为300 s 时，所得滤液体积为0.75 m 3；若要再得0.75 m 3滤液，则还需过滤时间_______ 。

答案： 525s
解：由 22e q q q K τ+=
得 22e q q K q τ=-
所以 232
325103000.750.625 m /m 220.75
e K q q q τ--⨯⨯-===⨯ 223
2 1.520.625 1.5825 s 510e q q q K τ-++⨯⨯===⨯ 825300525 s τ∆=-=
4. (2分) 蒸汽冷凝有 和 两种方式。

答案：膜状冷凝，滴状冷凝(每空1分，共2分)
5. (2分) 已知旋风分离器的平均旋转半径为0.5 m ，气体的切向进口速度为20 m/s ，则该分离器的分离因数为 。

答案：22/20/0.581.59.81
T u r K g === 6.(2分) 将固体物料从液体中分离出来的离心分离方法中，最常见的有______ 和_______。

答案：离心过滤，离心沉降
7. (2分) 用水吸收氨-空气混合气体中的氨是属于______ 控制的吸收过程，对于该过程来说，要提高吸收速率，则应该设法减小______ 。

答案：气膜,气膜阻力
8. (2分) 当分离沸点较高的热敏性混合液时，精馏操作压力应采用______ ____措施。

答案：减压
9.(2分) 已知汽液混合物进料中，汽相与液相的摩尔数之比为3:2，易挥发组分的摩尔分数为0.3，则q =______。

答案： 0.4
10.(3分) 若维持不饱和空气的湿度Ｈ不变，提高空气的干球温度，则空气的湿球温度____ ，露点_______ ，相对湿度_______ 。

(变大,变小,不变,不确定)
答案：变大，不变，变小
11.(3分) 操作间接蒸汽加热的连续精馏塔时，由于某种原因，再沸器中加热蒸汽压力下降而使提馏段上升蒸汽流量V 下降，而进料热状况q 、浓度x F 及进料量F 不变，同时回流量L 恒定，则馏出液浓度x D 及流量D 、残液浓度x W 的变化趋势为：x D _______、D _______、x W _______。

(变大,变小,不变,不确定)
答案：x D 增大、D 减小、x W 增大 解： D=F-W F V L L qF L W D V L W ⎫=+⇒⎪⇒↑⇒↓⎬=-↓⎪⎭
不变不变 /L V L V ⇒↑不变 减小 //()1/(1/)L D L V L L D D L ⇒=+=+↑不变 减小 假设x D 减小，则x W 减小，此时塔板数将小于实际板数，假设不成立；同理，x D 不变也不成立，所以x D 增大，x W 也增大。

12.(2分) 水由高位槽流入贮水池，若水管总长(包括局部阻力的当量长度在内)缩短25%，而高位槽水面与贮水池水面的位差保持不变，假定流体完全湍流流动(即流动在阻力
平方区)不变，则水的流量变为原来的 倍。

答案：1.155
解：在高位槽液面与贮水池液面间列伯努利方程
220
0330322f p u p u gz gz h ρρ++=+++∑ 若记水管总长改变前、改变后的管路的阻力损失分别为1f h ∑，2f h ∑，则有
21f f h h ∑=∑
所以 ()()2
22222211
1u d l l u d l l e e ⋅+⋅=⋅+⋅λλ 因流体在管内完全湍流流动
得 ⎪⎭
⎫ ⎝⎛=d f ελ 所以 ()()222211u l l u l l e e ⋅+=⋅+
而 24V q uA u d π
==⋅
所以
2211
1.155V V q u q u ==== 二、选择题 (共24分)
1．(2分) 流体在圆形直管内作定态流动，雷诺准数Re ＝1 500，则其摩擦系数应为( )。

A . 0.032
B . 0.026 7
C . 0.042 7
D . 无法确定 答案：C
解：64640.0427Re 1500
λ=== 2. (2分) 管路由直径为Φ57 mm ×3.5 mm 的细管，逐渐扩大到Φ108 mm ×4 mm 的粗管，若流体在细管内的流速为4 m/s ，则在粗管内的流速为( )。

A . 2 m/s
B . 1 m/s
C . 0.5 m/s
D . 0.25 m/s
答案：B
解：22
22d 504 1 /d 100
u u m s ==⨯=细细粗粗 3. (2分) 离心泵的效率η随流量q V 的变化情况是( )。

A.q V增大，η增大
B.q V增大，η先增大后减小
C.q V增大，η增大
D.q V增大，η先减小后增大
答案：B
4. (2分) 对流传热系数关联式中普兰特准数是表示( )的准数。

A.对流传热
B.流动状态
C.物性影响
D. 自然对流影响
答案：C
5. (2分) 推导恒压过滤方程式的一个基本依据是( )。

A. 滤液通过滤饼时呈湍流流动
B. 滤液通过滤饼时呈层流流动
C. 假定滤渣大小均一
D. 假设过滤介质阻力忽略不计
答案：B
6. (2分) 含尘气体通过长4 m，宽3 m，高1 m的降尘室，已知颗粒的沉降速度为0.25 m/s，则降尘室的生产能力为( )。

A. 3 m3/s
B. 1 m3/s
C. 0.75 m3/s
D. 6 m3/s
答案：A
7. (2分) 在蒸汽—空气间壁换热过程中，为强化传热，下列方案中的( )在工程上可行。

A.提高蒸气流速
B.提高空气流速
C.提高蒸汽压强
答案：B
8. (2分) 精馏塔分离某二元物系，当操作压强降低时，系统的相对挥发度 ( )，溶液的泡点( )，塔顶蒸汽冷凝温度( )。

A.增大，减小，减小
B.增大，减小，增大
C.减小，增大，不变
D.增大，增大，减小
答案：A
9. (2分) 空气的饱和湿度Ｈas是湿空气的( )的函数。

Ａ．总压及干球温度Ｂ．总压及湿球温度
Ｃ．总压及露点Ｄ．湿球温度及焓
答案：Ａ
10．(2分) 操作中的吸收塔，若其他操作条件不变，仅降低吸收剂入塔浓度，则吸收率将( )；而当用清水作吸收剂时，若其他操作条件不变，仅降低入塔气体浓度，则吸收率将( )。

A.增大
B.降低
C.不变
D.不确定
答案：A ，C
分析： 第一问因为吸收剂入塔浓度下降,使塔内传质推动力增大，传质效果提高,从而使气体出塔浓度下降,吸收率增大。

第二问因为Z 、H OG 不变,可知N OG 也不变
由 1222111ln[(1)]ln()111OG y mx S N S S S S y mx S η--=
-+=+---- 及 mG S L
=不变 可知 η不变。

11. (2分) 单向扩散中漂流因子( )。

A . 大于1
B . 小于1
C . 等于1
D . 不确定
答案：A
12. (2分) 在列管式换热器中，用饱和水蒸汽加热原料油，水蒸汽适宜安排走( )。

A . 管程
B . 壳程
C . 管、壳程均可
答案：B
三、计算题
1．(20分) 用泵将20 ℃的水从敞口贮槽送至表压为1.5×105 Pa 的密闭容器，两槽液面均恒定不变，各部分相对位置如附图1所示。

输送管路尺寸为φ108 mm ×4 mm 的无缝钢管，吸入管长度为20 m ，排出管长度为100 m(各段管长均包括所有局部阻力的当量长度)。

当阀门为3/4开度时，真空表读数为42 700 Pa ，两测压口的垂直距离为0.5 m ，忽略两测压口之间的阻力，摩擦系数可取为0.02。

试求：
(1) 阀门3/4开度时管路的流量(m 3/h)；
(2) 压力表读数(Pa)；
(3) 泵的压头(m)；
(4) 若泵的轴功率为10 kW ，求泵的效率；
(5) 若离心泵运行一年后发现有气缚现象，试分析其原因。

计算题第1题附图
解：(1) 阀门3/4开度时管路的流量(m 3/h)
在贮槽液面0-0´与真空表所在截面1-1´间列柏努利方程。

以0-0´截面为基准水平面，有 22001101,0122f u p u p z z H g g g g
ρρ-++=+++∑ 其中，2211211,0111()200.020.20420.129.81
f l l u u H u d
g λ-+=⋅⋅=⨯⨯=⨯∑∑, z 0＝0， u 0＝0, p 0＝0(表压), z 1＝3 m, p 1＝－42 700 Pa (表压)
代入上式，得 u 1＝2.3 m/s ， 2230.1 2.3360065 m /h 44V q d u π
π
==⨯⨯⨯=
(2) 压力表读数(Pa)
在压力表所在截面2-2´与容器液面3-3´间列柏努利方程。

仍以0-0´截面为基准水平面，有 22332223,2322f u p u p z z H g g g g
ρρ-++=+++∑ 81
.923.21.010002.01000105.1016100023.25.32
522⨯⨯⨯+⨯⨯++=++g g p g 解得， p 2＝3.23×105
Pa(表压)
(3) 泵的压头(m)
在真空表与压力表所在截面间列柏努利方程，可得 m
H g p p z z H f 8.37081
.9100010427.01023.35.0)(5
51212=+⨯⨯+⨯+=+-+-=ρ (4) 泵的有效功率
36510009.8137.8 6.69510 W=6.695 kW 3600
V e Pe gq H ρ==⨯⨯⨯=⨯ / 6.695/1066.95%a Pe P η===
(5) 若离心泵运行一年后发现有气缚现象，原因是进口管有泄露。

2. (20分) 某列管式冷凝器的列管规格为Φ25 mm×2.5 mm 。

有机蒸汽在管外冷凝，管内通冷却水，冷却水的流量为2.5 kg/s 。

在新使用时，冷却水的进、出口温度分别为20℃和30℃。

使用一段时间后，由于生成垢层，在冷却水进口温度和流量不变的情况下，冷却水的出口温度降为26℃。

已知基于外表面的传热面积为16.5 m 2，有机蒸汽的冷凝温度为80℃，求水垢层的热阻。

解：(1) 换热器新使用时
传热速率 21() 2.5 4.187(3020)104.7 kW mc pc Q q c t t =⋅-=⨯⨯-=
对数平均推动力 2112
302054.8 8020ln ln 8030m t t t T t T t --∆===----℃ 总传热系数 3
200104.710116 /()16.554.8
m Q K W m A t ⨯===⋅∆⨯℃ 总热阻 320118.6210m /W 116
R K -⨯⋅===（℃） (2) 换热器使用一段时间后
传热速率 2
1() 2.5 4.187(2620)62.8 kW mc pc Q q c t t ''=⋅-=⨯⨯-= 对数平均推动力 2112
262056.9 8020ln ln 8026m t t t T t T t '--∆===--'--℃ 总传热系数 3
20062.81066.9 W/(m )16.556.9m
Q K A t '⨯'==='∆⨯℃ 总热阻 220
11 1.4910m /W 66.9R K -'⨯⋅'===（℃） (3) 水垢层热阻si R
3
3201028.61062.81049.1---⨯=⨯-⨯=-'=⨯R R d d R i
si 故320.026.28100.00502 m C/W 0.025
si R -=⨯⨯= 3．(20分) 某填料吸收塔用含溶质摩尔分数0002.02=x 的溶剂逆流吸收混合气中的可溶组分，采用液气比为3，入塔气体中溶质的摩尔分数01.01=y ，回收率η可达90%。

已知物系的平衡关系为y=2x 。

今因解吸不良使吸收剂入口摩尔分数升至00035.02
='x ，试求：
(1) 可溶组分的回收率η'下降至多少？
(2) 出塔液相摩尔分数1
x '升高至多少？ 解： (1) 21(1)0.01(10.9)0.001y y η=-=⨯-=
120.667/3
m A L G ===
]1)11ln[(1
11
2221A mx y mx y A A
N OG +----= =38.5]667.02
0002.0001.020002.001.0)667.01ln[(667.011=+⨯-⨯--- 当2x 上升时，由于填料层高度H 不变，OG H 不变，所以
/OG OG N H H =也不变，即 ]667.0200035.0200035.001.0)667.01ln[(667.01138.52
+⨯-'⨯---=y 解得 0013.02
='y 所以 87.001
.00013.001.0121
=-='-='y y y η (2) 物料衡算
1212()()G y y L x x '''-=- 1
122()G x y y x L
'''=-+ =00325.000035.0)0013.001.0(31=+-⨯
4.(20分) 在连续精馏塔中分离两组分理想溶液。

已知原料液组成为0.6(摩尔分数，下同)，馏出液组成为0.9，釜残液组成为0.02，泡点进料，物系的平均相对挥发度为3。

试求：
(1) 每获得1 kmol/h 馏出液时的原料液用量F ；
(2) 若回流比为1.5，它相当于最小回流比的多少倍？
(3) 假设原料液加到加料板上后，该板的液相组成仍为0.6，求上升到加料板上的气相组成。

解：(1) 求当D ＝1kmol/h 时的F
已知x F =0.6，x D ＝0.9，x W ＝0.02，D ＝1 kmol/h ，由全塔物料衡算可得
W W D F +=+=1 (a)
W D F x W x D x F ⋅+⋅=⋅
即 ()W W 02.09.0116.0+⨯=+ (b)
联立式(a)、(b)得：W ＝0.52 kmol/h ，F ＝1.52 kmol/h 。

(2) 求R/R min
因系泡点进料q ＝1，则x q ＝x F ＝0.6。

由相平衡方程
()30.60.81811120.6
q q q x y x αα⋅⨯===+-+⨯ 376.06.0818.0818.09.0min =--=--=
q q q
D x y y x R
99.3376
.05.1/min ==R R (倍) (3) 求上升到加料板上的气相组成
因加料板是提馏段第一层板，故所求量为y 2’
5.115.1=⨯=⨯=D R L kmol/h
泡点进料q ＝1，已知F ＝1.52 kmol/h ，W ＝0.52 kmol/h ，x W ＝0.02，x 1’＝0.6
提馏段操作线方程为 1m m W L qF W y x x L qF W L qF W ++=
⋅-⋅+-+- 代入已知量
1 1.5 1.520.520.021.5 1.520.5
2 1.5 1.520.52m m y x ++⨯=⋅-+-+-， 即 1 1.2080.00416m m y x +=-
所以 721.000416.06.0208.100416.0'208.1'12=-⨯=-=x y
5．(20分) 在常压绝热干燥器内干燥某湿物料。

将500 kg 的湿物料从最初含水量20%降至2% (均为湿基)。

t 0=20℃，H 0＝0.01 kg 水/(kg 绝干气)的空气经预热器升温至100 ℃后进入干燥器，废气温度为60 ℃。

试计算：
(1) 完成上述干燥任务所需的湿空气量；
(2) 空气经预热器获得的热量；
(3) 在恒定干燥条件下对该物料测得干燥速率曲线如图所示。

已知恒速干燥段所用时间 为１ｈ，求降速段所用时间。

X N A
解：(1) 10.2/0.80.25X == 20.02/0.980.0204X ==
500(10.2)400 kg C G =⨯-=
400(0.20.0204)91.84 kg W =⨯-=
I 1＝(1.01＋1.88H O )t 1＋2 500H O ＝(1.01＋1.88×0.01) ×100＋2 500×0.01＝127.8 kJ/kg I 2＝(1.01＋1.88H 2)t 2＋2 500H 2
因系理想干燥过程
所以 I 1=I 2
H 2＝(127.8-1.01t 2)/(1.88t 2+2 500)
＝(127.8-1.01×60)/(1.88×60+2 500)＝0.025 7 kg 水汽/kg 干空气
L ＝W/(H 2-H O )＝91.84/(0.0257-0.01)＝5 850 kg 绝干气/h
(2) Q p ＝L(1.01＋1.88H O )(t 1-t O )
＝5 850×(1.01+1.88×0.01) ×(100-20)=4.815 ×105 =481.5 kJ/h
(3) 恒速段所用干燥时间 11()400(0.250.1)1()()c C A C A C G X X A N A N τ-⨯-=
== 所以 ()60A C A N =
降速段所用干燥时间
**
2*2()ln ()c C C A C G X X X X A N X X
τ--=- 400(0.10.01)0.10.01ln 1.295 h 600.02040.01⨯--=
=-。