化工原理2013太原理工大学

太远理工2013年攻读硕士研究生入学试题化工原理A826一、填空（20分，每空1分）1.板式精馏塔气液相的传热、传质场所为（塔板）；而填料吸收塔气液相传质场所是（填料表面）。2.当洗水的物性和滤液物性相近时，框板过滤机的最终过滤速率为洗涤速率的（4倍）。3.在离心泵特性曲线测定实验中，泵启动后出水管不出水，而泵进口处真空表读数很低，则可能发生（气缚）现象。4.已知谋离心泵的特性曲线为H=10-Q²，若将其与另一台完全相同的泵串联组合，则并联泵组的特性曲线为（H=20-2Q²）。5.判断流体流动方向的依据是各截面（机械能）的大小。6.用板框压滤机在恒压下过滤某悬浮液，3h后得滤液60m³。若滤饼不可压缩，且介质阻力不记。当过滤时间缩短为1.5h，可得滤液（42.43m³）。7.并联管路中各管段流量分配的依据是（各支路中阻力损失相同）。8.在输送液体的管路中，fh、fH、fP三者的关系是（fffhgHp）9.由多层等厚平壁构成的导热壁面中，若某层两侧的温差最小，则该层所用材料的导热系数（最大）。10.消除列管换热器温差应力的常用方法有（在壳体上加膨胀节或采用浮头式结构或U型管式结构）。11.无相变的传热过程中，热阻主要集中在（热边界层或滞留层内），减少热阻的最有效的措施是（提高流体的湍流程度）。12.冷热流体间换热方式有（直接接触式换热、蓄热式换热和间壁式换热）。13.精馏段操作线为直线的依据是（恒摩尔流假定）。14.当连续精馏在最小回流比条件下操作时，其所需要的理论板层数（需要无穷多）。15.在（静止或层流）流体中，物质在单相内的传递是分子扩散。16.精馏操作中，当q=0.3时，表示进料中的（气相）含量为70％。17.逆流操作的吸收塔，当吸收因素S大于1且填料为无穷高时，气液两相将在（塔底）达到平衡。18.物料在单相内的通过分子扩散传递，传递速率NA不等于扩散通量JA发生在（一组分通过另一组分的扩散）。19.对（理想）溶液，溶质在该温度下的亨利系数E等于其饱和蒸汽压。20.已知直径为d的小颗粒在20℃常压空气中做层流沉降，沉降速度为0.1m/s。相同密度的颗粒，如果直径减半，则沉降速度为（0.025）m/s。二、简答题（20分）1.（3分）试分析减少流体在管路中流动阻力的措施。答：依据duudlPf6422及层流时①管路尽量走直线，减少不必要的管件、阀门。②尽量缩短管路长度。③使用管径较大的管路。④使用光滑管。⑤对于高粘度液体可加热后运输，对于高粘度气体降温后运输。2.（3分）保温瓶为双层镀银玻璃结构，双层玻璃间抽成真空。已知银的黑度远小于玻璃的黑度，试给出保温瓶能保温的理由。答：①双层玻璃间抽成真空，从而避免热对流；②玻璃本身是热的不良导体；③依据克希霍夫定律E1/A1＝Eb，黑体的辐射能力在数值上等于黑度。银的黑度远小于玻璃，使保温瓶向外辐射的热量反射回去或防止外界热能辐射到瓶内。3.（3分）在常压下双组份连续精馏的板式塔计算中，采用逐板计算法确定理论版层数。当从塔顶计算至nX刚好小于或等于qX时，更换提馏段的操作线继续计算。试分析qX是指什么值？答：qX指精馏段与提馏段操作线的交点。4.（5分）离心泵实际安装高度计算应以当地什么温度和什么流量为设计依据？试述理由。答：依据10,)(0frvgHNPSHgppH应以当地的最好温度和所需的最大流？量为设计依据。同时尽可能减少进水管路的管长、减少管件、采用较大管径等减少进口阻力损失。5.（6分）试分析求取冷热流体间壁式稳定传热的传热速率与求取符合双模理论时气体吸收的稳定传质速率的相似性。答：①两者都可以表示为速率＝推动力/阻力饿等形式；②总推动力为各分推动力之和，总阻力等于各分阻力之和；③阻力越大越可能成为传质速率的控制环节，强化传递的关键是在于减小控制性环节的阻力。三、综合计算（80分，每题20分）1.如图所示的输送系统，将水池中密度为1000kg/m³的清水输送到密闭的高位槽中，管路内径为0.1m。离心泵的特性方程为H＝40-7.0×410Q²（H的单位为m，Q的单位为m³/s）。当压力表的读数为150kPa时，输水量为12L/s，此时管内流体已进入阻力平方区，管路摩擦系数为0.02。试求：（1）管路的特性方程；（2）若管路及阀门开度不变，当压力表读数为120kPa时，泵的效率为70％，输水体积流量与离心泵的轴功率；（3）直管与局部阻力的当量长度总和（不包括进、出口阻力损失）。解：（1）分别选取水池水面和高位槽液面为上游截面1-1＇和下游截面2-2＇，且水池液面为基准水平面。在截面1-1＇和2-2＇之间应用柏努力方程10,22211122fHgpguZHegpguZ即10,2121212)(22fHguugPPZZHe其中mZZ10122P=150kPa(表压）1P=0（表压）令gPPZZA1221)(10,212222fHguuBQ则He＝25.29＋BQ²（管路特性方程）由泵的特性方程可知Q＝12L/s＝0.012m³/s时，He＝40-7.0×10*4×0.012²＝29.92m则B＝3.22×10*4管路特性方程为He＝25.29+3.22×10*4Q²（2）当P＇＝120kPa时，A＝22.23m管路方程变为He＇＝22.23+3.22×10*4Q²联立He＇＝22.23+3.22×410Q²H＝40-7.0×410Q²解得Q＝13.16L/sHe＝27.88m轴功率102HQNNe=5.13kw（3）Q=12L/s=0.012m³/s时，管内流速24dQu=1.53m/sHeguugPPZZHf2)(22212121=4.629m又gudlHf2)(2ml41.1202.在套管换热器中用120℃的饱和蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流的苯。换热管为d54×2mm的钢管，有效长度为10m。苯的流量为3500㎏/h，比热容为2.0kJ/（kg·℃），温度从30℃升至60℃。蒸汽冷凝潜热为2000kJ/kg，对流传热系数为1×10*4W/（m²·℃）。忽略换热管内、外侧污垢热阻、管壁热阻及热损失，试求：（1）饱和蒸汽流量；（2）管内苯的对流传热系数ai；（3）当苯的流量为7000kg/h，而其他条件维持不变时，若满足换热要求的前提下，苯的出口温度、蒸汽的流量分别变为多少？解：（1）rWttCWQhpcc)(12hkgrttCWWpcch/1052000)3060(0.23500)(12（2）CtTtTtTtTtm99.736012030120ln)60120()30120(ln)()(2121200696.1mldSmhtSKrWQ00)./(86.46499.73969.136001020001052300cmwtSrWKmh又iiddK00011i=526.52cm2（3）由4.08.0)()(023.0piCdud得)(ln)()/(40.78011)/(72.916212'''12''00''00'12''''20''000'28.0'ttCWrWtTtTCWSKtSKttCWrWQCmwKddKCmwpcchpccmpcchiiii联立解得'hW=209.58kg/h2't=59.94C3.某填料吸收塔在101.3kPa、293K下用清水逆流吸收丙酮-空气混合物中的丙酮，当操作液气比为2.1时，丙酮回收率可达95％。已知物系在低含量下的平衡关系为Y＝1.18X。试求：（1）填料吸收塔气相总传质单元数NOG；（2）当气体流量增加20％，而液体流量及气、液进口摩尔分率不变，丙酮的回收率有何变化？（假设操作范围内总传质系数Kya近似与气体流量的0.8次方成正比）。（3）增加气体流量后，单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？解：（1）562.01.218.1LmVSSmXYmXYSSNOG2221)1(ln11]562.0)562.01ln[(562.01121YY=5.097（2）75.1)(2.11VL2.1''VLVV）时，（674.0)(''VLmSaKaKyy8.0'2.1157.12.18.0'aKaKyy037.1'''aKaKVVHHyyOGOG又填料层高度不变915.4''OGOGOGOGHHNN%4.92]674.01()674.01ln[(674.011915.42'1)2'1YY即（3）121)(YVYYVNA%7.1695.095.0924.02.1'''VVVNNNAAA4.用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量200kmol/h，易挥发组分XF＝0.4。原料液为饱和液体进料，塔顶馏出液XD=0.9.塔底釜液XW＝0.05（以上皆为摩尔分率），操作回流比R＝3，物系平均挥发度a＝2.0，塔顶为全凝器，塔釜为再沸器间接加热，求：（1）塔顶和塔底的产品量（kmol/h）；（2）塔顶第一块理论塔板下降的液体组成为多少？（3）写出提馏段操作线方程；（4）最小回流比；（5）若塔釜第一块塔板上升的实际气体组成为0.13则该板的气相单板效率是多少？解：（1）WDfWXDXFXW+D=Fl/hw117.65kmokmol/h35.82D塔底产品量塔顶产品量（2）9.01Dxy由111)1(1xxy得1x=0.818（3）qFRDqFLL'=447.05kmol/h提馏段操作线方程wmxWLWxWLLy'''1=1.357wx-0.0178（4）饱和液体进料q=14.0fqxx571.0)1(1qqqxxy924.1minqqqdxyyxR（5）13.0ny05.01wnxx0592.0)1(1*wwnxxy77.1y-yy-y1nn*1nnMVE则四、（30分）实验1.（5分）板式精馏塔测定全板效率实验中，当进料为冷液进料、塔顶为冷液体回流时，试分析精馏段和提馏段回流液液体流量分别由哪几部分液体组成？并且简要说明冷液体温度与液体回流量的关系。答：精馏段①塔顶冷凝器的回流液流量；②为将回流液体加热到塔顶塔板温度，有一部分自精馏段上升的蒸汽被冷凝下来，冷凝液量也成为精馏段回流液的一部分。提馏段①精馏段的回流液流量L；②原料液流量F；③为将原料液加热到板上温度，必然有一部分自提馏段上升的蒸汽被冷凝下来，冷凝液也成为L＇的一部分。冷液体温度越低，回流量越大。2.（5分）在离心泵性能曲线测定实验中，启动泵为什么要关闭流量调节阀？流量调节阀安装在泵的出口还是出口管路上？为什么？答：由N-Q曲线可知，当Q＝0时，N＝Nmin，所以启动离心泵时要关闭泵的出口调节阀。以保护电机。离心泵的流量调节阀安装在离心泵的出口管路上，如安装在进口管路易造成泵的气蚀。3.（5分）用一套换热器测量热水和冷水换热时的总传热系数，试简要分析哪一种流体走环隙更合理。答：热水走管隙更合理。4.（15分）在某一填料塔中，用水逆流吸收空气中的低浓度氨气，试给出填料塔的体积吸收系数测量过程（包括测量原理、测量的参数与参数的测量手段、简要的流程图）。答：测量原理：混合气中氨气的浓度很低，吸收所得溶液浓度也不高，气液两相的平衡可认为服从亨利定律。吸收速率方程式GA＝KYa·VP△YM测量参数：气体流量，水的流量，塔内压力和填料层压力降，温度测量手段：转子流量计（气体流量计、液体流量计），压力表，水银温度计流程图：