中南大学2006年上期化工原理（下）试题与答案

中南大学考试试卷（A）

2006 -- 2006 学年 1 学期 时间110分钟

化工原理(下) 课程 48 学时 3 学分 考试形式： 闭 卷

专业年级： 化工0301-0306 总分100分，占总评成绩 70 %

注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上 一、选择填空题（40分）

1. (2分) 在常压下，20℃时，氨在空气中的分压为15.2 kPa, 与之平衡的氨水浓度为15 kg

NH3/100 kg H2O，此时m=__________。

2. (4分) 将相对挥发度为2.47的某二元混合物在全回流操作的塔中进行精馏，现测得全

凝器中冷凝液组成为0.98，塔内第二层塔板上升的汽相组成为0.969，则离开塔顶第一层塔板的液相浓度为______________，塔顶第一层板的汽相默弗里效率为______________。

3. (2分) 等速干燥阶段物料表面的温度等于________________________________。 4. (2分) 常压下乙醇-水溶液的y-x图上，有一点是平衡线与对角线的交点M, 此点溶液

称为__________, 其两相的浓度__________。

5. (2分) 将含水量为0.5 kg水/kg绝干料的某物料与一定状态的空气接触，测出物料的

平衡水分为0.05 kg水/kg绝干料，则此物料的自由水分为______________________。 6. (4分)将含SO2为10%（体积）的气体混合物与浓度为0.020 kmol/m的SO2水溶液在一

个大气压下相接触。操作条件下两相的平衡关系为PA*=1.62CA (atm)，则SO2将从__________相向__________相转移，以气相组成表示的传质总推动力为_________________atm。

7. (2分) 临界湿含量与哪些因素有关？（举其中四个因素）

______________________________________________________________________。 8、(2分) 精馏过程的操作线为直线，主要基于__________。 A. 塔顶泡点回流 C. 恒摩尔流假定

B. 理想物系 D. 理论板假定

3

9、(2分) 在某精馏塔操作中，若保持F，xF，q，V’(塔釜上升蒸汽量）不变，减小D，则塔顶易挥发组分回收率__________。 A. 增大

B. 不变

C. 减少

D. 不确定

10、(2分)负荷性能图中有____条线，分别是_______________________________________ ______________________________________________________。 11、 (4分)

（1）分配系数 kA<1表示萃取相中A组分浓度yA（＜，=，＞）萃余相中A组分浓度XA 。

（2）选择性系数β与精馏操作中_____________________________________相当。 （3）在B-S部分互溶系统中，若萃取相中含溶质A=85kg，稀释剂B=15kg，溶剂S=100kg，则萃取相中yA/yB=____________________________________。(yA、yB均表示质量分率)

12、（2分） 三级错流萃取如图示。已知

各级分配系数kA均为 1，各级的溶剂比: S1/F=S2/R1=S3/R2=1 ，

使用纯溶剂。试在图中表示三级错流过程。

13、 （2分） 请将你认为最恰切答案填在( )内: (1) 进行萃取操作时应使: ( ) A) 分配系数大于 1 B) 分配系数小于 1 C) 选择性系数大于 1 D) 选择性系数小于 1 (2) 一般情况下，稀释剂 B组分的分配系数 kB值: ( ) A) 大于 1 B) 小于 1 C) 等于 1 D) 难以判断，都有可能

14、（2分）请将你认为最确切答案填在（ ）内。 连续精馏塔设计时，当采用塔顶全凝器，泡点回流方案时，为完成分离任务所需理 论板数为ＮT1。若采用塔顶分凝器，而回流比和前方案相同时，则完成同样分离任务 所需理论板数为ＮT2。比较：（ ） （Ａ）ＮT2＞ＮT1； （Ｂ）ＮT2＝ＮT1； （Ｃ）ＮT2＜ＮT1； （Ｄ）判断依据不足。 15、（2分) 物料中非结合水的特点之一是其产生的水蒸汽压_____________同温度下纯水的饱和蒸汽压。 A. 小于

B. 等于

C. 大于

D.不确定

16、（4分）

（1）在逆流吸收塔操作时，物系为低浓度气膜控制系统，如其他操作条件不变，而气液流量按比例同步减少，则此时气体出口组成ya将＿＿＿＿，而液体出口组成xb将＿＿＿＿， 回收率将＿＿＿＿。 （2)工程上常用水——空气系统进行氧解吸以测定填料传质性能，这种系统属于＿＿＿＿＿ 系统，传质阻力主要在＿＿＿＿一测。

二、（15分） 某精馏塔用于分离苯－甲苯混合液，泡点进料，进料量30kmol/h，进料中苯的摩尔分率为 0.5，塔顶、底产品中苯的摩尔分率分别为0.95和0.10，采用回流比为最小回流比的1.5倍，操作条件下可取系统的平均相对挥发度α=2.40。 (1) 求塔顶、底的产品量；

(2) 求出精馏段操作线方程； (3)若塔顶设全凝器，各塔板可视为理论板，求离开第二块板（由塔顶往下数）的蒸汽和液体组成。

三（15分）某厂有一填料吸收塔，直径为880 mm，填料层高6 m，所用填料为56 mm的拉西环。在25℃及101.325 kPa（绝压）时，每小时处理2000 m含5%（体积）丙酮的空气-丙酮混合气，处理时用水作溶剂，塔顶送出的尾气中含丙酮0.263%（体积）。塔底送出的溶液中每kg含丙酮61.2 g。在上述操作条件下，平衡关系为y*=2x。根据上述所测出的数据，试求：

（1）气相总传质系数Kya； （2）每小时回收的丙酮量。

已知丙酮分子量为58,水分子量为18. 四、（20分）在一干燥器中干燥某湿物料，每小时处理湿物料1000ｋｇ，经干燥后物料的含水量由40％减至５％（均为湿基），干燥介质为373Ｋ的热空气，其中所含水汽的分压为1.0kN/ｍ2，空气在313Ｋ及相对湿度70％下离开干燥器，试求所需要的空气量。水在313

Ｋ时的饱和蒸汽压可取为7.4ｋＮ／ｍ2，湿空气的总压为101.3ｋＮ／ｍ2。

五、（10分）

用纯溶剂S进行单级萃取，Xf=0.15(质量分率， 下同)。萃取相中A的浓度与萃余相中A 的浓度相同。

采用溶剂比为 1。试求:

⑴选择性系数β; ⑵当溶剂用量为最少时, 求萃取液浓度yA°。 (设所涉及范围内分配系数KA均相同)

3

中南大学考试试卷（A）答案

2006 -- 2006 学年 1 学期 时间110分钟

化工原理(下) 课程 48 学时 3 学分 考试形式： 闭 卷

专业年级： 化工0301-0306 总分100分，占总评成绩 70 %

注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上

一、选择填空题（40分）

1、(2分) 在常压下，20℃时，氨在空气中的分压为15.2 kPa, 与之平衡的氨水浓度为15 kg NH3/100 kg H2O，此时m=__________。

答案： 1.095

2、(4分) 将相对挥发度为2.47的某二元混合物在全回流操作的塔中进行精馏，现测得全凝器中冷凝液组成为0.98，塔内第二层塔板上升的汽相组成为0.969，则离开塔顶第一层塔板的液相浓度为______________，塔顶第一层板的汽相默弗里效率为______________。

答案： 0.969 ; 0.604

3、(2分) 等速干燥阶段物料表面的温度等于________________________________。 答案：干燥介质-热空气的湿球温度

4、(2分) 常压下乙醇-水溶液的y-x图上，有一点是平衡线与对角线的交点M, 此点溶液称为__________, 其两相的浓度__________。 答案：恒沸液 相等

5、(2分) 将含水量为0.5 kg水/kg绝干料的某物料与一定状态的空气接触，测出物料的平衡水分为0.05 kg水/kg绝干料，则此物料的自由水分为______________________。 答案： 0.45kg水/kg绝干料

6、(4分)将含SO2为10%（体积）的气体混合物与浓度为0.020 kmol/m的SO2水溶液在一个大气压下相接触。操作条件下两相的平衡关系为PA*=1.62CA (atm)，则SO2将从__________相向__________相转移，以气相组成表示的传质总推动力为_________________atm。 答案： 气 ; 液 ; 0.0676 atm

7、 (2分) 临界湿含量与哪些因素有关？（举其中四个因素）

_____________________________________________________________。

答案：物料的含水性质、大小、形态、堆积厚度,干燥介质的温度、湿度、流速以及同物料的接触状态（由干燥器类型决定）

3

8、(2分) 精馏过程的操作线为直线，主要基于__________。 A. 塔顶泡点回流 C. 恒摩尔流假定 答案： B

9、(2分) 在某精馏塔操作中，若保持F，xF，q，V’(塔釜上升蒸汽量）不变，减小D，则塔顶易挥发组分回收率__________。 A. 增大

B. 不变

C. 减少

D. 不确定

B. 理想物系 D. 理论板假定

答案： C

10、(2分) 负荷性能图中有____条线，分别是______________________________________________________________________________。 答文：① 5 ②液泛线、雾沫夹带线、漏液线、液相上限线、液相下限线

11、(4分)

（1） 分配系数 kA<1表示萃取相中A组分浓度yA（＜，=，＞）萃余相中A组分浓度XA 。

（2）选择性系数β与精馏操作中____________________________________________相当。 （3）在B-S部分互溶系统中，若萃取相中含溶质A=85kg，稀释剂B=15kg，溶剂S=100kg，则萃取相中yA/yB=____________________________________。(yA、yB均表示质量分率) 答文：①萃取相中A组分浓度yA<萃余相中A组分浓度XA

②相对挥发度α

③5.67 ∵yA=85/(15+85+100)=0.425 yB=15/(15+85+100)=0.075

∴yA/yB=0.425/0.075=5.67 12、（2分） 三级错流萃取如图示。已知各级

分配系数kA均为 1，各级的溶剂比: S1/F=S2/R1=S3/R2=1 ，

使用纯溶剂。试在图中表示三级错流过程。

参见附图: w10b023.t

答文:评图标准: M1、M2、M3各点应在中点，ER平行与BS。 参见附图: w10b023.d

13、 （2分） 请将你认为最恰切答案填在( )内: (1) 进行萃取操作时应使: ( ) A) 分配系数大于 1 B) 分配系数小于 1 C) 选择性系数大于 1 D) 选择性系数小于 1 (2) 一般情况下，稀释剂 B组分的分配系数 kB值: ( ) A) 大于 1 B) 小于 1 C) 等于 1 D) 难以判断，都有可能 答文：(1) C (2) B

14、 （2分） 请将你认为最确切答案填在（ ）内。 连续精馏塔设计时，当采用塔顶全凝器，泡点回流方案时，为完成分离任务所需理 论板数为ＮT1。若采用塔顶分凝器，而回流比和前方案相同时，则完成同样分离任务 所需理论板数为ＮT2。比较：（ ） （Ａ）ＮT2＞ＮT1； （Ｂ）ＮT2＝ＮT1； （Ｃ）ＮT2＜ＮT1； （Ｄ）判断依据不足。

答：（Ｃ）

15、（2分) 物料中非结合水的特点之一是其产生的水蒸汽压_____________同温度下纯水的饱和蒸汽压。 A. 小于 答： B

B. 等于

C. 大于

D.不确定

16、（4分）

（1）在逆流吸收塔操作时，物系为低浓度气膜控制系统，如其他操作条件不变，而气液流量按比例同步减少，则此时气体出口组成ya将＿＿＿＿，而液体出口组成xb将＿＿＿＿， 回收率将＿＿＿＿。 （2）工程上常用水——空气系统进行氧解吸以测定填料传质性能，这种系统属于＿＿＿＿＿系统，传质阻力主要在＿＿＿＿一测。 答文：（1）∵L/G不变，而 L↓，G↓，且H一定，故HOG↓ ， NOG↑ 故应有 ya减少，xb上升，回收率将上升； （2）液膜控制， 液相

二、j07b15013（15分）

某精馏塔用于分离苯－甲苯混合液，泡点进料，进料量30kmol/h，进料中苯的摩尔分 率为 0.5，塔顶、底产品中苯的摩尔分率分别为0.95和0.10，采用回流比为最小回流比的 1.5倍，操作条件下可取系统的平均相对挥发度α=2.40。 （1）求塔顶、底的产品量；

（2）求出精馏段操作线方程； (3)若塔顶设全凝器，各塔板可视为理论板，求离开第二块板（由塔顶往下数）的蒸汽和液体组成。

解：（1）F=D+W FｘF＝ＤｘD＋Ｗｘw 30=D+W 30×0.5=D×0.95+W×0.10 D=14.1kmol/h W=15.9kmol/h xe=xF=0.5, ｙe=αｘe／[1+(α-1)ｘe]=2.40×0.5/[1+(2.40-1)×0.5]=0.706

（2）Rmin=（ｘD－ｙe）／（ｙe－ｘe）＝(0.95-0.706)/(0.706-0.5)=1.18 R=1.5×1.18=1.77 y=[R/(R+1)]x+ｘD／（R+1）=[1.77/(1.77+1)]x+0.95/(1.77+1)=0.639x+0.343 （3）ｙ1＝ｘD＝0.95 ｘ1＝ｙ1／[α－y1(α－1）]=0.95/[(2.40-0.95(2.40-1)]=0.888 ｙ2＝0.639x1+0.343=0.639×0.888+0.343=0.910 ｘ2＝0.910/[2.40-0.910(2.40-1)]=0.808 三（15分）

某厂有一填料吸收塔，直径为880 mm，填料层高6 m，所用填料为56 mm的拉西环。在

3

25℃及101.325 kPa（绝压）时，每小时处理2000 m含5%（体积）丙酮的空气-丙酮混合气，处理时用水作溶剂，塔顶送出的尾气中含丙酮0.263%（体积）。塔底送出的溶液中每kg含丙酮61.2 g。在上述操作条件下，平衡关系为y*=2x。根据上述所测出的数据，试求： （1）气相总传质系数Kya； （2）每小时回收的丙酮量。

已知丙酮分子量为58,水分子量为18. 解：（1）求体积总传质系数

方法1： 吸收因子法

mG/L?m(x1?x2)/(y1?y2)?2(0.01983?0)/(0.05?2.63?10?3)?0.83721mGy1?mx2mG10.05ln[(1?)?]?ln[(1?0.8372)?0.8372]?3mGLy?mxL1?0.83722.63?10221?L ?8.4HOG?h/NOG?6/8.4?0.714 mNOG?2000273??83.2 kmol/h22.4293G83.2?Ky????191.6 kmol/(m3?h)?0.053 kmol/(m3?s)HOG?0.714???0.8824G?

方法2：对数平均推动力法

y1?0.05,y2?2.63?10?3x1?61.2/58?0.019831000?61.261.2?1858*y*?mx?2?0.01983?0.03966,Δ y?y?y?0.0103411112**y2?mx2?0,Δ y2?y2?y2?2.63?10?3? y1?? y20.01034?2.63?10?3Δym???0.00563? y10.01034lnln2.63?10?3? y2NOGHOGG?y1?y20.05?2.63?10?3???8.4? ym0.00563?h/NOG?6/8.4?0.714 m2000273??83.2 kmol/h22.4293 G83.233?Ky????191.6 kmol/(m?h)?0.053 kmol/(m?s)?HOG?0.714??0.8824（2）每小时回收的丙酮量

GA=G(y1-y2)=83.2×(0.05-2.63×10-3)=3.94 kmol/h=228.5 kg/h

四、j09a10084（20分）

在一干燥器中干燥某湿物料，每小时处理湿物料1000ｋｇ，经干燥后物料的含水量由

2

40％减至５％（均为湿基），干燥介质为373Ｋ的热空气，其中所含水汽的分压为1.0kN/ｍ，空气在313Ｋ及相对湿度70％下离开干燥器，试求所需要的空气量。水在313Ｋ时的饱和蒸

22

汽压可取为7.4ｋＮ／ｍ，湿空气的总压为101.3ｋＮ／ｍ。 解：１．求Ｗ Ｗ＝Ｇc（ｘ1－ｘ2） Ｇ1＝１０００ ｋｇ/h=0.278Kg/s

∴Ｇc＝０．２７８（１－０．４）＝０．１６７ ｋｇ／ｓ ｘ1＝ｗ1／（１－ｗ1）＝０．４０／（１－０．４０）

＝０．６６７ ｋｇ／ｋｇ绝干料 ｘ2＝ｗ2／（１－ｗ2）＝０．０５／（１－０．０５）

＝０．０５３ ｋｇ／ｋｇ绝干料 ∴Ｗ＝Ｇc（ｘ1－ｘ2）＝０．１６７（０．６６７－０．０５３） ＝０．１０２５ ｋｇ／ｓ ２．求Ｈ1 Ｈ1＝０．６２２ｐ／（Ｐ－ｐ） ＝０．６２２×１．０／（１０１．３－１．０） ＝０．００６２ ｋｇ／ｋｇ干空气 ３．求Ｈ2 Ｈ2＝０．６２２ψｐs／（Ｐ－ψｐs） ＝０．６２２×０．７×７．４／（１０１．３－０．７×７．４）

＝０．０３３５ ｋｇ／ｋｇ干空气 ４．求Ｌ Ｌ＝Ｗ／（Ｈ2－Ｈ1）＝０．１０２５／（０．０３３５－０．００６２） ＝３．７６ ｋｇ干空气／ｓ 进口的湿空气量＝Ｌ（１＋Ｈ1）＝３．７６（１＋０．００６２） ＝３．７８３ ｋｇ／ｓ

五、j10a10042（10分）

用纯溶剂S进行单级萃取，Xf=0.15(质量分率，下同)。萃取相中A的浓度与萃余相中 A 的浓度相同。采用溶剂比为 1。试求: ⑴选择性系数β; ⑵当溶剂用量为最少时, 求萃取液浓度yA°。(设所涉及范围内分配系数KA均相同)

参见附图: j10a042.t

答文

(1) ∵ yA=xA ∴ kA= yA/xA= 1 又 S/F = 1

连FS取中点即M点，过M点作ER平行于BS，脱溶剂S后得 xA°=0.1 yA°=0.5 ∴选择性系数 β=[yA°/(1-yA°)]/[xA°/(1-xA°)]=[0.5/(1-0.5)]/[0.1/(1-0.1)]=9

(2)联点S、F,与平衡线交于M'点,过M'点作平行于BS(虚线所示)的线,与平衡线交于点E'连

S、E'两点延伸到AB上得yA°=0.7

参见附图: j10a042.d

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0hqp.html