2016年华东理工大学化工原理考研试题

2016年华东理工大学
攻读硕士学位研究生入学考试
化工原理试卷及答案（满分150分）注意事项
1答案必须写在答题纸上，写在试题上均不给分
2答题时可不抄题，但必须写清题号
3答题必须用蓝、黑墨水笔或者圆珠笔，用红色笔或者铅笔均不给分一选择（每空2分，共计22分）
1用同一离心泵在露天条件下分别输送处于不同温度下的清水，已知T1=20℃，T2=42℃。

二者体积流量相等，Δh为汽蚀余量，则。

A．Δh1<Δh2，轴功率N1<N2 B.Δh1<Δh2，轴功率N1>N2
C.Δh1>Δh2，轴功率N1>N2
D.Δh1>Δh2，轴功率N1<N2
参考答案：C
2在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降时间，气
流速度，生产能力。

参考答案：加倍，减半，不变
3降尘室高度增加1倍，其生产能力。

(A)增加1倍；(B)增加2倍；(C)不变；(D)减小1倍
参考答案：C
4用精馏塔分离含甲、乙、丙、丁四组分的混合液，若规定B为轻关键组分，C
为重关键组分，则按清晰分割计算时，塔顶的含量为0、塔底含量为0。

(A)甲(B)乙(C)丙(D)丁
参考答案：D，A。

5在吸收操作中，以液相组成差表示的吸收塔某一截面上的总推动力为。

(A)X*-X(B)X-X*(C)X i-X(D)X-X i
参考答案：A。

6精馏中引入回流，下降的液相与上升的气相发生传质，使上升中的易挥发组分浓度提高，最恰当的说法是由于。

(A)液相中易挥发组分进入气相，
(B)气相中难挥发组分进入液相，
(C)液相中易挥发组分和难挥发组分同时进入气相，但其中易挥发组分较多，
(D)液相中易挥发组分进入气相和气相中难挥发组分进入液相的现象同时发生。

参考答案：D。

7气体吸收计算中表示设备（填料）分离性能高低的一个量是，而表示分离难易程度的一个量是，最大吸收率与无关。

(A)液气比；(B)吸收剂入塔浓度；
(C)相平衡常数；(D)吸收塔型式。

8萃取剂S加入量应使原料F与萃取剂S的合点M位于。

A溶解度曲线之上方区；B溶解度曲线之上；
C溶解度曲线之下方区D坐标线上。

参考答案：C。

9某低浓度逆流吸收塔在正常操作一段时间后，发现气体出口含量y2增大，原
因可能是。

(A)气体进口含量y 1下降
(B)吸收剂温度降低(C)入塔的吸收剂量减少
(D)前述三个原因都有
参考答案：C 。

10用水吸收混合气中的氨，其他条件不变，当气体的流率增加一倍，则总传质系数是原来的。

(A)1倍
(B)2倍(C)20.8倍(D)不确定
参考答案：D 。

11某单级萃取过程中，用纯溶剂萃取二元混合物中溶质A ，若增加混合物的处理量（混合物组成不变），而萃取剂用量不变，则萃取相组成yA 将，萃余相组成xA 将
A 增大
B 减小
C 不变
D 不确定
参考答案：A 、A 。

二简答题（每小题6分，共计18分）
1简述：某含尘气体依次经过一个降尘室和一个旋风分离器进行除尘。

试分析下述新工况下降尘室除尘效率和总除尘效率将如何变化？（1）气体流量适当增加（其余不变）；（2）气体进口温度升高（其余不变）。

【解】（1）对降尘室
s b t
u V A =层流时：2-18p p t gd u ρρμ
=（
）
min d =
气体流量增加（其余不变），降尘室能除去的颗粒最小直径变大，降尘室效率下降。

对旋风分离器由：知气体流量增加，u i 增加，d c
减小，总除尘效率增加。

c d =
（2）气体进口温度升高（其余不变），气体粘度增加，降尘室及旋风分离器能除去的颗粒最小直径变大，降尘室效率及总除尘效率均下降。

2假设验证题：空气中含有直径15μm 的油滴，油的相对密度为0.9，空气温度为20℃，若允许在降尘室中沉降1min ，降尘室的高度为多少？计算中可忽略开始时油滴加速沉降时的时间，并认为油滴是在静止空气中沉降。

（已知20℃时，空气的粘度μ=1.8×10-5Pa∙s ，ρ空=1.21kg/m 3；油的密度ρ油=900kg/m 3）。

【解】颗粒的运动处在层流区，则斯托克斯公式：
2-18p p t gd u ρρμ
=（）
210⨯⨯=⨯⨯-6-5
（1510）（900-1.21）18 1.8100.0062m /s =Re p p d u ρ
μ=65
15100.0062 1.211.810--⨯⨯⨯=⨯0.00622
=<则假设成立。

0.0062600.37m
t H u τ==⨯=3简述：按照热能供给湿物料的方式，干燥可分为几类？并分别说明各自的特点。

【答】按加热方式不同，干燥可分为对流干燥、传导干燥和辐射干燥等几类。

对流干燥是将干燥介质（气体）加热后，由干燥介质以对流传热的方式将热量传递给湿物料，传热速率快；传导干燥，是由干燥设备的壁面将热量传递给湿物料，汽化的水分再由气体带走；辐射干燥主要使用红外线热源加热物料，由于物料表面干燥后红外线穿透干固体层深入物料内部较困难，因此，主要用于薄层物料的
干燥。

三计算题（25分）
如图1-70所示，用离心泵将水池中的清水输送至某带压高位容器，离心泵的特性方程为H=20-2.0×105Q2（式中H的单位为m，Q的单位为m3/m）。

吸入管路和排出管路的直径均为Φ56mm×3mm，吸入管路的总长度为5m（包括所有局部阻力的当量长度）。

当高位容器压力表A的读数为97.02kPa时，将阀门C开至某一开度，使清水在管路中的流动进入阻力平方区，此时管路流动摩擦系数为0.03、离心泵入口真空表B的读数为28.0kPa。

若保持阀门C的开度及其他管路情况不变，当压力表A读数降至43.16kPa时，试求：
（1）管路的特性方程；
（2）真空表B的读数（kPa）；
（3）离心泵的有效功率（kW）；
（4）试根据离心泵工作点的概念，图1-70
图示定性分析当压力表A的读数降低时离心泵的轴功率N将如何变化。

（清水密度近似取为1000kg/m3；忽略真空表导管的高度。

）
参考答案：本题的解题思路是：根据吸入管路已知参数计算管内流速及流量，当压力表A读数为97.2kPa时，由泵工作点的对应关系确定管路特性方程和泵的特性方程，计算泵的流量、压头、真空度读数和有效功率。

解题的技巧是合理选取截面。

（1）管路特性方程当p A=97.2kPa时，管路特性方程为
He=ΔZ+2
23291.15100081.9102.976e e e BQ BQ BQ g p +=+⨯⨯+=+∆ρ（1）
关键是确定B 值。

在水池水面（基准面）与离心泵入口真空表处截面列伯努利方程并化简得
g
u g u 205.0503.022100081.910282
1213⨯⨯++=⨯⨯解得
u 1=2.047m/s
Q=0.052×2.047×π/4=4.019×10-3m 3/s
联立泵的特性方程与式（1），便可求得B 值，即
20-2.0×105×(4.019×10-3)2=15.91+B(4.019×10-3)2
得B=5.33×104s 2/m 5
当压力表A 的读数降至43.61kPa 时，由于阀门C 的开度不变，管路特性方程中的B 值不变，而K 值变为m K 45.101000
81.91061.436'3=⨯⨯+=则管路特性方程为
He=10.45+5.33×104Q e 2（式中He 的单位为m ，Q e 为m 3/s ）
（2）真空表B 的读数
联立管路特性方程与泵的特性方程，得
20+2.0×105Q 2=10.45+5.33×104Q 2
解得Q=6.14×10-3m 3/s 及u 1=3.127m/s 在水池水面（基准面）与真空表处截面间列伯努利方程并化简得：
ρλ)22(212
1011u d l u gZ p p ++=-Pa Z 32
2
102.391000)2127.305.0503.02127.381.9(⨯=⨯⨯⨯++⨯=（3）离心泵的有效功率
H=20-2.0×105(6.14×10-3)2=12.46m Ne=HQρg/1000=
kW 751.01000
100081.91014.646.123=⨯⨯⨯⨯-（4）压力表A 的读数降低时离心泵轴功率N 的变化
趋势
在本题条件下，当阀门C 的开度不变时，管路特性
方程可表示为
He=6+p A /ρg+5.33×104Q e 2
当p A 降低时，管路特性曲线将平行下移，泵的工作点将右移，泵的流量增加，轴功率加大，如图所示。

四计算题（22分）
用一回转真空过滤机过滤某水悬浮液，操作真空度为80kPa ，生产能力为6m 3（滤液）/h ，过滤面积为5m 2，转鼓沉浸角为120°，转数为0.6转/分，现拟用一板框过滤机代替上述回转真空过滤机，已知滤框长与宽均为1000mm ，过滤压力为196kPa （表压），要求获得的滤液量为10m 3，过滤时间0.5小时，设滤饼不可压缩，过滤介质阻力忽略不计。

试求：
（1）需要滤框和滤板各多少；
（2）板框过滤机过滤终了后在压力仍为196kPa （表压）下用相当于滤液量1/5的水洗涤，洗涤时间为多少小时？若卸渣、重装等辅助时间为0.2小时，则生产能量为多少m 3（滤液）/h
？（回转真空过滤机生产能力3600h V =【解】（1
）已知真空过滤机生产能力为：
h V 3600=
代入数值为：63600=⨯523.3310m /s
K -=⨯若滤饼不可压缩则过滤常数正比于压力差，则：
5196
3.331080
K -=⨯板
528.1610m /s
K -=⨯板此题中，对于板框过滤机：
22V KA τ
=代入数值为：252
108.16100.53600A -=⨯⨯⨯2
26.09m A =则滤框个数为：226.091213.0513÷÷=≈个
则滤板的个数为：
13114+=个
（2）洗涤时间为：W W V τ=
28V KA 50.2108.1610-⨯⨯⨯=⨯⨯2
81026.090.8h =Q=W D
V τττ++
10
=0.50.80.2
++6.67=3m （滤液）/h
讨论：本题主要考查了转筒真空过滤机和板框过滤机的生产能力的求解及板框过滤机的结构。

五计算题（20分）
现有两台单壳程单管程的传热面积均为i A =20m 2的列管式空气加热器，每台加热器均由64根Ф57×3.5mm 钢管组成，壳程为170℃的饱和水蒸气冷凝（冷凝潜热为2054kJ/kg ），空气入口温度t 1=30℃，流量为2.5kg/s ，以湍流方式通过管内。

（该传热过程的控制热阻在空气侧）。

（1）若两台换热器并联使用，通过每台换热器的空气流量均等，此时空气的对流传热系数为38W/(m 2·K)，求空气的出口温度t 2及水蒸气的总冷凝量为多少？
（2）若两台换热器串联使用，问此时空气的出口温度t 2′及水蒸气的总冷凝量为多少？假设空气的物性不随温度及压力而变化，视为常数，c p =1kJ/(kg·K)。

忽略热损失。

【解】（1）由题意，两台换热器并联使用时，可得：
,2i
i A A =并；传热过程的控制热阻在空气侧，则有i i
K α≈；
由12T T
t t →→，列式得：2121,12
()()ln i i t t Q K A mCp t t T t T t -==---并代数计算得到，
293.78t C
=︒由21()Q m mCp t t γ==-水得，
21()0.078/279.46/mCp t t m kg s kg h
γ-===水（2）由题意，两台换热器串联联使用时，可得：
'2u u =0.82'''()66.16/()i i i u K W m K u
αα≈==⋅
由212112(')'2(')ln 'i i
t t Q K A m C p t t T t T t -==---得，
2121.43
t =℃由21'(')Q m mCp t t γ==-水得，
21(')0.111/400.62/mCp t t m kg s kg h
γ-===水本题涉及到换热器选用时的串并联问题。

在解题过程中需要注意的问题是，串并联对传热面积和流速带来的变化，以及对传热结果的影响。

另外，热流体只放出冷凝潜热时，温度恒定为T ，这也是解题的一个突破口。

六计算题（23分）
一连续操作的常压精馏塔，用于分离A （轻组分）-B （重组分）混合物。

已知原料液中含A 组分x f =0.10（摩尔分率，下同），进料温度50℃，要求达到产品A 组分含量x D =0.95，塔釜馏出液A 组分含量x W =0.03。

该物系的相对挥发度为5.2，实际操作回流比为95.1。

试计算：
（1）A 组分的回收率；
（2）最小回流比；
（3）提馏段操作线；
（4）若塔顶第一块板下降的浓度为9.0，求该塔板以气相组成表示的默弗里板效率E mv 。

（由平衡数据已知x f =0.4时，A 、B 混合液的泡点为95.2℃，定性温度下，原料液的平均比热C p =39kcal/(kmol·℃)，千摩尔气化潜热r=8800kcal/kmol ）。

【解】（1）由全塔物料衡算和轻组分物料衡算得：
W
D F +=W
D F Wx Dx Fx +=即
W
D F +=W
D F 03.095.040.0+=解得：
F D 9237=，F W 92
55=
%5.95%10040
.095.09237%100=⨯⨯⨯=⨯=F F Fx Dx
F D η（2）=f t 50℃，=b t 2.95℃，故b f t t <，进料为过冷液体。

r t t c h h h h q F b pL L V F V )
(1-+=--==2.18800
)502.95(391=-⨯+q 线方程为：11---=q x x q q y F 12.140
.012.12.1---=x 2
6-=x ①由5.2=α得相平衡方程为：
x
x
x x
y 5.115.2)1(1+=-+=αα②联立方程①②并解得：94
=e x ，3
2
=e y 则275
.19
4323295.0min =--=--=e e e D x y y x R （3）2
.1=q 回流比95
.1=R F F qF RD qF L L 2.19237
95.1'+⨯=+=+=F
984.1=F F F q V V 2.09237
)195.1(1'+⨯+=-+=）（F
386.1=所以，提馏段操作线方程为W x
V W x V L y '''-=03
.0386.19255386.1984.1⨯-=F F
x F F 013.043.1-=x （4）精馏段操作线方程为
322
.0661.095.295
.095.295
.111+=+=+++=x x R x
x R R y D
9169
.0322.09.0661.02=+⨯=y 由相平衡方程x x
x x y 5.115.2)1(1+=-+=αα得：
95745.09
.05.119.05.2*1=⨯+⨯=y 95
.01==D x y 816.09169
.095745.09169.095.02*121=--=--=y y y y E MV 讨论：本题考查的是二元连续精馏操作的一些基本运算，包括物料衡算、操作线方程、相平衡方程、回收率和板效率等，需要注意的是进料状态参数的物理意义和计算式。

七计算题（20分）
氨体积含量8%的空气-氨混合物通过填料塔用清水吸收其中的氨，操作温度为20℃，压力为101.3kPa ，平衡关系可用y=0.9x 表示。

当混合气的流速为22.4kmol/(m 2∙h)，水的流速为45.6kmol/(m 2∙h)时，氨的吸收率可达99.5%。

问在如下新工况下，氨的吸收率为多少？推动力有何变化？（1）液体流量减半（其余不变）；（2）气体处理量加倍（其余不变）。

假设气相传质分系数kya ∝G B 0.7，且吸收过程为气膜控制。

【解】原工况时：
G=22.4kmol/(m 2∙h)L=45.6kmol/(m 2∙h)
y b =0.08x a =0η=99.5%
y a =(1-η)y b =(1-0.995)×0.08=0.0004()()0391.00004.008.06
.454.220=-+=-+=a b a b y y L G x x ()()()()[]()()[]
00941.00004.0/0391.09.008.0ln 0004.00391.09.008.0/ln =⨯--⨯-=-----=∆a a b b a a b b m mx y mx y mx y mx y y ()46.800941.0004.008.0=-=∆-=
m a b OG y y y N （1）由于吸收过程为气膜控制，K y a ≈k y a ∝G 0.7
故L 减半，但G 不变，则K y a 不变，H OG 不变，从而N OG 不变。

N OG ’=8.46884.06.455.04.229.05.0''=⨯⨯===L mG L
mG S ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+---=-=
''''')1(ln 11S mx y mx y S S N a a a b OG ()⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+--=884.008.0884.01ln 884.01146.8'a y y a ’=0.0052
%
5.9308.0/0052.01/1'=-=-=b a y y ‘η00884.04
6.80052.008.0'''=-=-=∆OG a b m
N y y y 939.000941
.000884.0/'==∆∆m m y y （2）()3.0/B
B OG G Kya G H ∝=()3.0/-∝=B
OG OG G H h N 3.0""-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=B B OG OG G G N N 87
.646.823.0=⨯=-OG N 884.06.454.229.022""
=⨯⨯===L mG L mG S ()]884.008.0884.01ln[884.01187.6"+--=a
y ya”=0.00695η”=1-0.00695/0.08=91.3%
0106.087.600695.008.0=-=-=∆“”“OG a b m
N y y y 13.100941.00106.0"==∆∆m m y y。