化工考试题目及答案

第一章 作业
思考题：2、3、5、6、8、11、12、18、20、21、23；（这部分答案我找不到，有的同学记得及时分享！！！）
【1-10】常温的水在如习题1-10附图所示的管路中流动，为测量A 、B 两截面间的压力差，安装了两个串联的U 形管压差计，指示液为汞。

测压用的连接管中充满水。

两U 形管的连接管中，充满空气。

若测压前两U 形压差计的水银液面为同一高度，试推导A 、B 两点的压力差∆p 与液柱压力汁的读数12、R R 之间的关系式。

解 设测压前两U 形压差计的水银液面，距输水管中心线的距离为H 。

在等压面'22-处
11
221汞水气22ρρρ+⎛⎫⎛⎫=++-+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭A R R R p p H g R g g '2
22汞水2ρρ⎛
⎫
=+-+ ⎪⎝
⎭
B R p p H g R g 因'22=p p ，由上两式求得 ()水
气12汞g 2ρρρ+⎛
⎫
-=+- ⎪⎝
⎭
A B p p R R 因气水ρρ<<
故 ()
水12汞-2ρρ⎛
⎫
-=+ ⎪⎝⎭
A B p p R R g
连续性方程与伯努利方程
【1-15】常温的水在如习题1-15附图所示的管路中流动。

在截面1处的流速为
./05m s ，管内径为200mm ，截面2处的管内径为100mm 。

由于水的压力，截面1处
产生1m 高的水柱。

试计算在截面1与2之间所产生的水柱高度差h 为多少（忽略从1到2处的压头损失）?
解 ./105=u m s
.,.d m d m ==1202 01
.()/2
212120522⎛⎫
==⨯= ⎪⎝⎭
d u u m s d
22
1
12222
ρρ+=+p u p u 习题1-10附图
..222212
21205187522
ρ
---===p p u u
..121875187510001875ρ∆=-==⨯=p p p Pa
..187501911911000981
ρ∆=
===⨯p h m mm g
另一计算法
22
1122
22ρρ+=+p u p u g g g g
(22)
22
1221205019122981
ρ---====⨯p p u u h m g g
计算液柱高度时，用后一方法简便。

管内流体流动的摩擦阻力损失
【1-25】如习题1-25附图所示，用U 形管液柱压差计测量等直径管路从截面A 到截面B 的摩擦损失∑f h 。

若流体密度为ρ，指示液密度为0ρ，压差计读数为R 。

试推导出用读数R 计算摩擦损失∑f h 的计算式。

解 从截面A 到截面B 列伯努利方程，截面A 为基准面，则得
() A
B
f A B f
p p Hg h p p p Hpg h ρρ
ρ
=+
+∑∆=-=+∑ 1
液柱压差计1-1为等压面
() A B p R g p H g R g ρρρ+=++0 2
()0ρρρ∆=-=-+A B p p p R g H g
由式()()1与式2得 ()0ρρρ
-∑=
f R g
h
此式即为用U 形管压差计测量流体在两截面之间流动的摩擦损失的计算式。

习题1-15附图
习题
1-16附图
习题1-31附图 习题1-32附图
【1-31】把内径为20mm 、长度为2m 的塑料管（光滑管），弯成倒U 形，作为虹吸管使用。

如习题1-31附图所示，当管内充满液体，一端插入液槽中，另一端就会使槽中的液体自动流出。

液体密度为/31000kg m ，黏度为1⋅mPa s 。

为保持稳态流动，使槽内液面恒定。

要想使输液量为./m h 317，虹吸管出口端距槽内液面的距离h 需要多少米？
解 已知,,/330．02210,=1d m l m kg m mPa s ρμ===⋅，体积流量./317=V q m h 流速 ././.2
2
173600
1504002
4
4
V
q u m s d π
π
=
=
=⨯
从液槽的液面至虹吸管出口截面之间列伯努利方程式，以虹吸管出口截面为基准面
22
22u l u h g d g
λξ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭∑
..Re .4
3
00215041000
30110湍流110
ρ
μ
-⨯⨯=
=
=⨯⨯du
光滑管，查得.00235λ=，管入口突然缩小.ξ=05 U 形管（回弯头）.15ξ=
(2)
21504
100235051506170022981
h m ⎛⎫=+⨯++= ⎪⨯⎝⎭
补充：已知长方形管道一边长为3L ，另一短边长为L ，，试计算其当量直径。

（补充） 解：
2-2 离心泵在启动前，为什么泵壳内要灌满液体？启动后，液体在泵内是怎样提高压力的？泵入口的压力处于什么状体？
答：离心泵在启动前未充满液体，则泵壳内存在空气。

由于空气的密度很小，所产生的离心力也很小。

此时，在吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内。

虽启动离心泵，但不能输送液体（气缚）；
启动后泵轴带动叶轮旋转，叶片之间的液体随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，液体
沿着叶片间的通道从叶轮中心进口位置处被甩到叶轮外围，以很高的速度流入泵壳，液体流到蜗形通道后，由于截面逐渐扩大，大部分动能转变为静压能。

泵入口处于一定的真空状态（或负压）
2-4 离心泵的特性曲线有几条？其曲线的形状是什么样子？离心泵启动时，为什么要关闭出口阀门？
答：1、离心泵的H、P、与qv 之间的关系曲线称为特性曲线。

共三条；
2-10 何谓离心泵的气蚀现象？如何防止发生气蚀？
答：1、当叶片入口附近的最低压力等于或小于输送温度下液体的饱和蒸汽压时，液体将
在此处汽化或者是溶解在液体中的气体析出并形成气泡。

含气泡的液体进入叶轮高压区后，气泡在高压作用下急剧地缩小而破灭，气泡的消失产生局部真空，周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，造成冲击和振动。

金属表面受到压力大，频率高的冲击而剥蚀以及气泡内夹带的少量氧气等活泼气体对金属表面的电化学腐蚀等，使叶轮表面呈现海绵状、鱼鳞状破坏。

这种现象称为汽蚀。

2、为了避免气蚀的发生，泵的安装高度不能太高，可用泵规格表中给出的气蚀余量对泵
的安装高度加以限制。

5、液体的流量、泵的转速、液体的黏度对扬程有何影响？（补充）
解：
第三章沉降与分离
3-1 固体颗粒与流体相对运动时的阻力系数在层流层区（斯托克斯区）与湍流区（牛顿区）有何不同？
答：10-4< Re <2 的区域称为层流区或斯托克斯定律区。

；
湍流区或牛顿（Newton）定律区（500< Re<2x105）
3-2 球形颗粒在流体中从静止开始沉降，经历哪两个阶段？何谓固体颗粒在流体中的沉降速度？沉降速度受哪些因素影响？
答：1、加速阶段和等速阶段
2、匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut 称为沉降速度
3、影响因素由沉降公式可以确定。

dp、、及阻力系数有关。

重点掌握层流区
3-3 固体颗粒在流体中沉降，其雷诺数越大，流体粘度对沉降速度的影响如何？
答：粘度越大沉降速度越小。

3-4 固体颗粒在流体中沉降，其沉降速度在层流层区（斯托克斯区）和湍流区（牛顿区）与
颗粒直径的关系有何不同？
答：沉降速度在层流层区（斯托克斯区），与颗粒粒径的平方成正比； 在湍流区（牛顿区），与颗粒粒径的平方根成正比。

3-5 某微小颗粒在水中按斯托克斯定律沉降，试问在50℃水中的沉降速度与在20℃水中的沉
降速度比较，有何不同？
答：按照沉降速度在层流层区（斯托克斯区），液体温度升高，粘度降低，密度降低，所以沉
降速度增加。

3-7 利用重力降尘室分离含尘气体中的颗粒，其分离条件是什么？ 答：
3-8 何谓临界粒径？何谓临界沉降速度？
答：临界粒径：能100%除去的最小粒径；临界沉降速度。

3-9 用重力降尘室分离含尘气体中的尘粒，当临界粒径与临界沉降速度为一定值时，含尘气 体的体积流量与降尘室的底面积及高度有什么关系？ 答：成正比
3-10 当含尘气体的体积流量一定时，临界粒径及临界沉降速度与降尘室的底面积WL 有什么 关系。

答：成反比
3-7 利用重力降尘室分离含尘气体中的颗粒，其分离条件是什么？ 答：
3-8 何谓临界粒径？何谓临界沉降速度？
答：临界粒径：能100%除去的最小粒径；临界沉降速度。

3-9 用重力降尘室分离含尘气体中的尘粒，当临界粒径与临界沉降速度为一定值时，含尘气 体的体积流量与降尘室的底面积及高度有什么关系？ 答：成正比
3-10 当含尘气体的体积流量一定时，临界粒径及临界沉降速度与降尘室的底面积WL 有什么 关系。

答：成反比
3-15 要提高过滤速率，可以采取哪些措施？ 答：过滤速率方程
【3-2】密度为2500kg/m 3的玻璃球在20℃的水中和空气中以相同的速度沉降。

试求在这两种介质中沉降的颗粒直径的比值，假设沉降处于斯托克斯定律区。

解 在斯托克斯区，沉降速度计算式为
()/2
18t p p u d g ρρμ=-
由此式得（下标w 表示水，a 表示空气）
()()22
18= p w pw p a pa
t w a
d d u g ρρρρμμ--=
pw pa
d d =
查得20℃时水与空气的密度及黏度分别为
./,.339982 100410w w kg m Pa s ρμ-==⨯⋅ ./,.35120518110a a kg m Pa s ρμ-==⨯⋅
已知玻璃球的密度为/32500p kg m ρ=，代入上式得
.961pw pa
d d =
【3-4】有一重力沉降室，长4m ，宽2m ，高2.5m ，内部用隔板分成25层。

炉气
进入除尘室时的密度为./kg m 305，黏度为.0035m P a s ⋅。

炉气所含尘粒的密度为
/34500kg m 。

现要用此降尘室分离100m μ以上的颗粒，试求可处理的炉气流量。

解 已知炉气的密度./305kg m ρ=，黏度.5
=3510Pa s μ-⨯⋅
尘粒的密度/34500kg m ，临界尘粒直径610010pc d m -=⨯ 假设为层流区，求得沉降速度为
()
.()(.)
./.2625
98110010450005070118183510pc p t gd u m s ρρμ
---⨯⨯⨯-=
==⨯⨯
验算 .
Re .65
100100．70105
13510p t d u ρ
μ
--⨯⨯⨯===⨯ 为层流区
炉气流量为
./307012425140V t q u WLN m s ==⨯⨯⨯=
4-3 固体、液体、气体三者的热导率比较，哪个大，哪个小？ 答：一般固体>液体>气体
4-5 非金属的保温材料的热导率为什么与密度有关？
答：密度小，则所含的空气越多，气体的导热系数低于固体。

4-6 在厚度相同的两层平壁中的热传导，有一层的温度差较大，另一层较小。

哪一层热阻大。

答：温差大的热阻大，热导率低。

4-8 输送水蒸气的圆管外包覆两层厚度相同、热导率不同的保温材料。

若改变两层保温材料 的先后次序，其保温效果是否改变？若被保温的不是圆管而是平壁，保温材料的先后顺序对 保温效果是否有影响？ 答：圆筒壁： 有影响 平壁 没有影响
4-11 水的对流传热系数一般比空气大，为什么？
答：按照强制对流公式
4-12 为什么滴状冷凝的对流传热系数比膜状冷凝的大？由于壁面不容易形成滴状冷凝，蒸汽
冷凝多为膜状冷凝。

影响膜状冷凝的因素有哪些？
答：在滴状冷凝过程中，壁面的大部分面积直接暴露在蒸汽中，在这些部位没有液膜阻碍着 热流，故滴状冷凝的传热系数可比膜状冷凝高十倍左右。

影响膜状冷凝的因素有：
（1）冷凝液膜两侧的温度差当液膜呈滞流流动时，若温度差加大，则蒸汽冷凝速率增加， 因而液膜层厚度增加，使冷凝传热系数降低。

（2）流体物性由膜状冷凝传热系数计算式可知，液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的 冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。

（3）蒸汽的流速和流向蒸汽以一定的速度运动时，和液膜间产生一定的摩擦力，若蒸汽 和液膜同向流动，则摩擦力将是液膜加速，厚度减薄，使传热系数增大；若逆向流动，则相 反。

但这种力若超过液膜重力，液膜会被蒸汽吹离壁面，此时随蒸汽流速的增加，对流传热 系数急剧增大。

（4）蒸汽中不凝气体含量的影响若蒸汽中含有空气或其它不凝性气体，则壁面可能为气 体（导热系数很小）层所遮盖，增加了一层附加热阻，使对流传热系数急剧下降。

因此在冷 凝器的设计和操作中，都必须考虑排除不凝气。

含有大量不凝气的蒸汽冷凝设备称为冷却冷 凝器，其计算方法需参考有关资料。

（5）冷凝壁面的影响若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，则液膜增厚，使传热系数下 降，故在设计和安装冷凝器时，应正确安放冷凝壁面。

例如，对于管束，冷凝液面从上面各 排流到下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的传热系数比上排的要低。

为了减薄下面 管排上液膜的厚度，一般需减少垂直列上的管子数目，或把管子的排列旋转一定的角度，使 冷凝液沿下一根管子的切向流过，
4-15 同一液体，为什么沸腾时的对流传热系数比无相变化时的对流传热系数大？ 答：因为相变热比液体的热容大很多，所以沸腾时的对流传热系数比无相变化时的对流传热 系数大。

•
【4-6】某工厂用1705mm mm φ⨯的无缝钢管输送水蒸气。

为了减少沿
途的热损失，在管外包两层绝热材料，第一层为厚30mm 的矿渣棉，其热导率为./()W m K ⋅0065；第二层为厚30mm 的石棉灰，其热导率为./()W m K ⋅021。

管内壁温度为300℃，保温层外表面温度为40℃。

管路长50m 。

试求该管路的散热量。

老师在此题中添加一个条件“无缝钢管的热导率为45w/（m ·k ） ，答案自己找吧！！！) 解
()
ln ln ln 14234
112233
2111l t t q r r r r r r πλλλ-=
++
()
ln ln ln ..230040185111511454580006585021115
π-=
++
/W m =284
.42845014210l Q q l W ==⨯=⨯
.kW =142
【4-7】水蒸气管路外径为108mm ，其表面包一层超细玻璃棉毡保温，其热导率随温度/℃t 的变化关系为../()0033000023t W m K λ=+⋅。

水蒸气管路外表面温度为150℃，希望保温层外表面温度不超过50℃，且每米管路的热量损失不超过/160W m 。

试确定所需保温层厚度。

解 保温层厚度以b 表示
(..)220033000023l dt dt q r
t r dr dr
λππ=-=-+ (..)2
21120033000023r t l r t dr
q t dt r π=-+⎰
⎰ .ln .()()2221212100023200332l r q t t t t r π⎡
⎤=-+-⎢⎥⎣⎦
已知/12150℃,50 160t t q W m ===℃,
,.1210．0540054r m r r b b ==+=+
..()..()
ln .220066314150500000233141505016010054b ⨯⨯-+⨯⨯-=⎛
⎫+ ⎪⎝⎭
..ln .2073144510054160b +⎛
⎫+=
⎪⎝⎭
解得保温层厚度为
..00133133b m mm ==
保温层厚度应不小于13.3mm
【4-17】在一换热器中，用水使苯从80℃冷却到50℃，水从15℃升到35℃。

试分别计 算并流操作及逆流操作时的平均温度差。

解 (1)并流操作 苯 1280℃50℃T T =→= 水 1215℃35℃t t =→=
1265℃
15℃t t ∆=∆=
(2) 逆流操作
苯 1280℃50℃T T =→=
//1245352t t ∆∆=< 2135℃15℃t t =←= 水 1245℃
35℃t t ∆=∆=
【4-19】用绝对压力为300kPa 的饱和水蒸气将体积流量为380m h ／的苯胺从80℃加热到100℃。

苯胺在平均温度下的密度为/3955kg m ，比热容为./()231 ℃kJ kg ⋅。

试计
.ln ln
12并12
6515
34165
15Δt Δt Δt Δt Δt --=
==℃ 12逆453540℃22
Δt Δt Δt ++=
==
算：(1)水蒸气用量(/)kg h ；(2)当总传热系数为()2800℃W m ⋅／时所需传热面积。

解 (1)水的比汽化热/2168r kJ kg =，苯胺体积流量/3280v q m h =， 苯胺吸收的热量为
()().3221809552311010080v p Q q c t t ρ=-=⨯⨯⨯⨯-
././.9653531035310 9810J h kJ h W
=⨯=⨯=⨯
水蒸气用量 ./m Q q kg h r ⨯===6
1
3531016282168
(2) 计算传热面积A 已知/()K W m =⋅2800℃，水蒸气的,.300 1333℃p kPa t ==。

水蒸气 133.3℃ 133.3℃ 苯胺 ..1280℃100℃
533℃333℃
t t →∆=∆=
.. .12533333
433℃22
m Δt Δt Δt ++=
== ...m Q A m K Δt ⨯===⨯5
2
9810283 800433
5-4 气液相平衡关系中，（1）若温度升高，亨利常数将如何变化？（2）在一定温度下， 气相总压升高，相平衡常数m 如何变化？若气相组成y 为一定值，总压升高，液相x 将如何 变化？ 答：（1）温度升高，亨利常数增加 （2）总压增加，m 减小；x 增加
5-5 若溶质分压为p 的气体混合物与溶质浓度为c 的溶液接触，如何判断溶质是从气相 向液向传递还是从液向向气相传递？
答：根据公式与的关系来判断，如果>，从气相向液相传递
5-9 在稳态传质过程中，若气液相平衡关系符合亨利定律，如何应用双膜理论推导出总 传质速率方程式？气相总传质系数KY （或液相总传质系数KX ）与气膜传质系数ky 及液膜传
质系数kx 有何关系？ 答：气相传质速率方程，
5-10 在气液两相传质过程，什么情况下属于气膜阻力控制，什么情况下属于液膜阻力控 制？
答：当时属于气膜阻力控制；当时属于液膜阻力控制
• 补充（思考题）：
– 1、空塔气速对填料塔设备费用和操作费用有何影响？ – 2、试用图解法说明减少吸收剂流量对出塔吸收液组成和填料层高度的影响。

6-7 如何应用平均相对挥发度表示平衡条件下的液相组成x 与气相组成y 之间的关系？ 答：，
6-15 精馏塔一般有精馏段与提馏段，他们的作用有什么不同？
答：精馏段得到含轻组分较多的产品，提馏段得到含重组分较多的产品。

6-16 上下相邻两层塔板的温度、液相组成与气相组成有何不同？
答：上板的温度低于下面板；液相和气相组成高于下面板。

6-19 当进料流量F 及组成一定时，若馏出液流量D 增多而釜液流量W 减少时，馏出液的组成及釜液的组成将如何变化？
答：由可知，增加，减少。

6-20 当一定时，若增大，将如何变化？及将如何变化？
答：由可知，增加，增加。

6-21 何谓恒摩尔流量的假设？其成立的条件是什么？在精馏塔计算中有何意义？
答：（1）恒摩尔汽流恒摩尔汽流是指在精馏塔内，从精馏段或提馏段每层塔板上升的汽相摩尔流量各自相等，但两段上升的汽相摩尔流量不一定相等。

即精馏段提馏段
（2）恒摩尔液流恒摩尔液流是指在精馏塔内，从精馏段或提馏段每层塔板下降的液相摩尔流
量分别相等，但两段下降的液相摩尔流量不一定相等。

即精馏段提馏段
6-22 精馏塔的进料状态有几种？他们对精馏段及提馏段的下降液体流量及上升蒸汽流
量有什么影响？
答：有五种：冷液进料；饱和液体（泡点）进料；汽液混合物进料；饱和蒸汽（露点）
进料；过热蒸汽进料。

6-27 精馏段操作线与提馏段操作线的斜率分别是用什么表示的，是大于1 还是小于1，
为什么？
6-28 对正在操作的精馏塔，增大精馏段的液气比对馏出液的组成有何影响？增大提馏段
的气液比对釜液的组成有何影响？如何增大精馏段的液气比及提馏段的气液比？
答：增大精馏段的液气比对馏出液的组成增加；增大提馏段的气液比对釜液的组成降低；增大冷凝器和加热器的热负荷。

6-37 在、、一定的条件下，进料热状态参数q 值一定时，若塔顶液相回流比R 增大，对
一定分离要求所需理论板数将如何变化？对一定理论板数的精馏塔，若R 增大，对馏出液的
组成和釜液的组成有何影响？
答：，馏出液组成增加，釜液组成减少。

6-40 何谓全回流？在什么情况下应用全回流操作？
答：若上升至塔顶的蒸汽经全凝器冷凝后，冷凝液全部回流到塔内，该回流方式称为全
回流；开工、实验研究、设备异常或调试时，便于控制。

【6-1】苯(A)和甲苯(B)的饱和蒸气压数据如下。

根据上表数据绘制总压为101.33kPa 时苯一甲苯溶液的-t y x -图及y x -图。

此溶液服从拉乌尔定律。

解 计算式为
,0
00
B A A B
p p p x y x p p p -==- 计算结果见下表
苯-甲苯溶液的t x y --计算数据
苯-甲苯溶液的t y x --图及y x -图，如习题6-1附图1与习题6-1附图2所示。

习题6-1附图1 苯-甲苯t-y-x 图
习题6-1附图2 苯-甲苯y-x 图
【6-11】在一连续操作的精馏塔中分离苯-甲苯溶液。

进料量为/100kmol h ，进料中苯的组成为0.4（摩尔分数），饱和液体进料。

馏出液中苯的组成为095．（摩尔分数），釜液中苯的组成为004．（摩尔分数），回流比3R =。

试求从冷凝器回流入塔顶的回流液摩尔流量以及从塔釜上升的蒸气摩尔流量。

解 已知/...100，04，095，004F D W F kmol h x x x ====，馏出液流量
.../..04004
100396095004
F W D W x x D F
kmol h x x --==⨯=--
回流液流量 ./3396119L RD kmol h ==⨯= 塔釜上升蒸气流量 因饱和液体进料，则 ()() './131396158V V R D kmol h ==+=+⨯=。