2006硕士化工原理考试题及答案

2006年硕士化工原理考试题

一、选择填空题（45分） 1、 （2分）

（１）萃取剂加入量应使原料和萃取剂的和点Ｍ位于 （Ａ）溶解度曲线之上方区； （Ｂ）溶解度曲线上； （Ｃ）溶解度曲线之下方区； （Ｄ）座标线上。 （２）萃取是利用各组分间的＿＿＿＿差异来分离液体混合液的。 （Ａ）挥发度 （Ｂ）离散度 （Ｃ）溶解度 （Ｄ）密度。 2、（3分）

（１）过滤介质阻力忽略不计，滤饼不可压缩，则恒速过滤过程中,滤液体积由Ｖ1增多 至Ｖ2＝２Ｖ1时，操作压差由ΔＰ1增大至ΔＰ2＝＿＿＿＿＿＿＿ （２）已知ｑ为单位过滤面积所得滤液体积Ｖ／A，ｑe为Ｖe／A，Ｖe为过滤介质的当量滤液体积（滤液体积为Ｖe时所形成的滤饼层的阻力等于过滤介质的阻力），在恒压过滤时，测得 ：

Δτ／Δｑ=３７４０ｑ＋２００

则过滤常数Ｋ＝＿＿＿＿＿＿＿，ｑe＝＿＿＿＿＿＿＿。 3、（4分）

两流体进行传热,冷流体从20℃升到60℃,热流体从90℃降到70℃，当它们逆流流动时, 平均传热温差△tm=____________, 当并流时, △tm=____________。 4、（4分）

（1）在三效并流加料蒸发流程中，从第一效至第三效，溶液浓度将愈来愈＿＿，蒸发室的真空度将愈来愈＿＿，溶液的沸点将愈来愈＿＿，各效产生的二次蒸汽压力将愈来愈＿＿。 （2）蒸发器的生产强度是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 5、（6分）

（1）一杯开水（１００℃）置于２０℃的静止空气中，问杯子两侧流体的传热各属何 种类型？哪一侧热阻大？ （2）若将杯子浸在２０℃的冷水中（两流体不直接接触），能否增强传热？理由？ （３）仍置于空气中，但使杯外的空气流动，问能否增强传热？理由？ （４）对（１）的情况，若对杯中流体加以搅动，问是否比（２）、（３）两种办法有效些？

6、（8分）

（1） 如图A所示，若液面恒定，忽略流动阻力损失，则放水管的出口速度u与＿＿有关 。 （ａ） Ｈ ； （ｂ） Ｈ、ｄ；（ｃ） ｄ

（ｄ） Ｐａ （ｅ） Ｈ、ｄ、Ｐａ （2）图中高位槽液面保持恒定，液体以一定流量流经管路，ａｂ与ｃｄ两段长度相等，

管径与管壁粗糙度相同，则______。 ① Ｕ形压差计读数

（ａ）Ｒ1＞Ｒ2 （ｂ）Ｒ1＝Ｒ2 （ｃ）Ｒ1＜Ｒ2 （ｄ）不定

②液体通过ａｂ与ｃｄ段能量损失______。 （ａ）ｈfab＞ｈfcd （ｂ）ｈfab＝ｈfcd

（ｃ）ｈfab＜ｈfcd （ｄ）不定 ③ ａｂ与ｃｄ两段压差______。

（ａ）ΔＰab＞ΔＰcd （ｂ）ΔＰab＝ΔＰcd

（ｃ）ΔＰab＜ΔＰcd （ｄ）不定 ④ Ｒ1值表示_______。

（ａ） ａｂ段的压差值 （ｂ） ａｂ段位能变化 （ｃ） ａｂ段流动能量损失 （ｄ） ａｂ段压差值及流动能量损失 7、（4分）

（1）由于吸收过程气相中的溶质分压总＿＿＿＿（大于/小于）液相中溶质的平衡分压，所以吸收操作线总是在平衡线的＿＿＿＿（上方/下方）。 （2）增加吸收剂用量，操作线的斜率＿＿＿＿（增大/变小），则操作线向＿＿＿＿（远离/靠近）平衡线的方向偏移，吸收过程推动力（ｙ－ｙe）＿＿＿＿＿（增大/减小）。 8、（6分）

3

黄铁矿燃烧炉出口的炉气,流量为20000m/h,用旋风分离器进行分离, 除尘效率为95%,

3

压强降为1000Pa,因生产减产,炉气减为15000m/h,但炉气含尘情况不变,此时旋风分离器的除尘效率________（降低/提高），因为________________________ ，压强降为_________ Pa。

9、（8分）

(1)一吸湿性物料和一非吸湿性物料，具有相同的干燥面积，在相同的干燥条件下进行干 燥,前者的干燥速率为uA,后者的干燥速率为uB,则在恒速干燥段uA＿＿＿uB.(>,=,<)

(2) 干燥器内部无补充加热的情况下，进干燥器的气体状态一定，干燥任务一定，则气体 离开干燥器的湿度Ｈ2 越大，干燥器的热效率越＿＿＿。 (3)对于为水蒸汽所饱和的空气，则其干球温度ｔ，湿球温度ｔw，绝热饱和温度ｔas 露点温度ｔd的关系是ｔ＿＿ｔw＿＿ｔas＿＿ｔd。

(4)一定湿度Ｈ的气体，总压Ｐ加大时，露点温度ｔd＿＿＿＿＿＿。而当气体温度ｔ升 高时，则ｔd＿＿＿＿＿。

二、实验题（10分）

用蒸汽加热铜管内的空气，空气走内管、蒸汽走外管环隙，通过实验测定对流传热膜系数α和总传热系数K，要求： 1、画出实验流程图；

2、标明主要仪器和设备并说明其用途。 三、（20分）

如图的输水系统。已知管内径为d=50mm,在阀门全开时输送系统的Σ(l+le )=50m, 摩擦系

3

数可取λ=0.03, 泵的性能曲线 在流量为6m/h

3

至15m/h范围内可用下式描述:

0.8

H=18.92-0.82Q，此处H为泵的扬程m, Q为泵

3

的流量m/h, 问:

3

⑴如要求流量为10m/h，单位质量的水所需外加

功为多少?此泵能否完成任务? 3

⑵如要求输送量减至8m/h(通过关小阀门来达 到)，泵的轴功率减少百分之多少?(设泵的

效率变化忽略不计)

四、（20分）

已知一外径为75mm，内径为55mm的金属管，输送某一热的物流，此时金属管内表面温 度为 120℃，外表面温度为 115℃，每米管长的散热速率为4545[W/m] ，求该管材的导热 系数。为减少该管的热损失，外加一层石棉层（导热系数为0.15W/m℃） 此时石棉层外表 面温度为10℃,而每米管长的散热速率减少为原来的3.87%，求石棉层厚度及钢管和石棉层 接触面处的温度。

五、（20分）

用填料塔从一混合气体中吸收所含的苯。混合气体中含苯５％（体积％），其余为空气, 要求苯的回收率为90％（以摩尔比表示），吸收塔为常压操作，温度为25℃，入塔混合气体

3

为每小时940[标准ｍ]，入塔吸收剂为纯煤油，煤油的耗用量为最小耗用量的1.5倍，已知该系统的平衡关系Y=0.14X（其中Y、X为摩尔比），纯煤油的平均分子量Ｍs ＝170。试求：

(1)吸收剂的耗用量为多少[Kg/h]？ (2)溶液出塔浓度X1 为多少？ 六（20分）

有一二元理想溶液，在连续精馏塔中精馏。原料液组成50%（摩尔％），饱和蒸汽进料。原料处理量为每小时100kmol，塔顶、塔底产品量各为50kmol/h，已知精馏段操作线方程为y=0.833x+0.15，塔釜用间接蒸汽加热，塔顶采用全凝器，泡点回流。试求: ⑴塔顶、塔底产品组成（用摩尔分率表示）； ⑵全凝器中每小时冷凝蒸汽量； ⑶蒸馏釜中每小时产生的蒸汽量； ⑷若全塔平均相对挥发度α＝3.0，塔顶第一块板的液相默弗里板效率ＥＭＬ＝0.6，求离 开塔顶第二块的汽相组成。 七、（15分）

在常压绝热干燥器内干燥某湿物料。将５００Kg的湿物料从最初含水量２０％降 至２％（均为湿基）。ｔo=２０℃，Ｈo＝０．０１Kg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；

2006年硕士化工原理考试题（答案）

一、选择填空题（45分） 1、 （2分）

（１）萃取剂加入量应使原料和萃取剂的和点Ｍ位于 （Ａ）溶解度曲线之上方区； （Ｂ）溶解度曲线上； （Ｃ）溶解度曲线之下方区； （Ｄ）座标线上。 （２）萃取是利用各组分间的＿＿＿＿差异来分离液体混合液的。 （Ａ）挥发度 （Ｂ）离散度 （Ｃ）溶解度 （Ｄ）密度。 答文

１．Ｃ； ２．Ｃ； 2、（3分）

（１）过滤介质阻力忽略不计，滤饼不可压缩，则恒速过滤过程中,滤液体积由Ｖ1增多 至Ｖ2＝２Ｖ1时，操作压差由ΔＰ1增大至ΔＰ2＝＿＿＿＿＿＿＿ （２）已知ｑ为单位过滤面积所得滤液体积Ｖ／A，ｑe为Ｖe／A，Ｖe为过滤介质的当量滤液体积（滤液体积为Ｖe时所形成的滤饼层的阻力等于过滤介质的阻力），在恒压过滤时，测得 ：

Δτ／Δｑ=３７４０ｑ＋２００

则过滤常数Ｋ＝＿＿＿＿＿＿＿，ｑe＝＿＿＿＿＿＿＿。 答文

（１） ２Δｐ

（２） Δτ／Δｑ＝2q/K+2ｑe /K=３７４０ｑ＋２００,0.000535 ,0.0535 3、（4分）

两流体进行传热,冷流体从20℃升到60℃,热流体从90℃降到70℃，当它们逆流流动时, 平均传热温差△tm=____________, 当并流时, △tm=____________。 答文: 39.2℃ 30.8℃ 4、（4分）

（1）在三效并流加料蒸发流程中，从第一效至第三效，溶液浓度将愈来愈＿＿，蒸发室的真空度将愈来愈＿＿，溶液的沸点将愈来愈＿＿，各效产生的二次蒸汽压力将愈来愈＿＿。 （2）蒸发器的生产强度是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 答文

（1）.大, 大, 小, 小。(3分) 2.单位时间内单位面积上水份的蒸发量。(1分) 5、（6分）

（1）一杯开水（１００℃）置于２０℃的静止空气中，问杯子两侧流体的传热各属何 种类型？哪一侧热阻大？ （2）若将杯子浸在２０℃的冷水中（两流体不直接接触），能否增强传热？理由？ （３）仍置于空气中，但使杯外的空气流动，问能否增强传热？理由？ （４）对（１）的情况，若对杯中流体加以搅动，问是否比（２）、（３）两种办法有效些？ 答文：１．均为自然对流，气侧还有辐射，空气侧热阻大； ２．能增强传热，因为水的对流传热系数比空气大； ３．能增强传热，因为强制对流的对流传热系数比自然对流大 ４．主要热阻在空气侧，故２，３效果较好，４不及２，３

6、（6分）

（1） 如图A所示，若液面恒定，忽略流动阻力损失，则放水管的出口速度u与＿＿有关 。 （ａ） Ｈ （ｂ） Ｈ、ｄ （ｃ） ｄ （ｄ） Ｐａ （ｅ） Ｈ、ｄ、Ｐａ （2）图B中高位槽液面保持恒定，液体以一定流量流经管路，ａｂ与ｃｄ两段长度相等， 管径与管壁粗糙度相同，则______。 ①Ｕ形压差计读数 （ａ）Ｒ1＞Ｒ2 （ｂ）Ｒ1＝Ｒ2 （ｃ）Ｒ1＜Ｒ2 （ｄ）不定 ②液体通过ａｂ与ｃｄ段能量损失______。 （ａ）ｈfab＞ｈfcd （ｂ）ｈfab＝ｈfcd

（ｃ）ｈfab＜ｈfcd （ｄ）不定 ③ ａｂ与ｃｄ两段压差______。 （ａ）ΔＰab＞ΔＰcd （ｂ）ΔＰab＝ΔＰcd （ｃ）ΔＰab＜ΔＰcd （ｄ）不定 ④ Ｒ1值表示_______。

（ａ） ａｂ段的压差值 （ｂ） ａｂ段位能变化 （ｃ） ａｂ段流动能量损失 （ｄ） ａｂ段压差值及流动能量损失 参见附图: x01b160.t

（1）A图 （2）B图

答文 答：（1） （ａ） ｕ＝√（２ｇＨ）仅与Ｈ有关

（2） ①（ｂ）Ｒ1＝Ｒ2 ， ② （ｂ）ｈfab＝ｈfcd ③ （ｃ）ΔＰab＜ΔＰcd ， ④ （ｃ）Ｒ1值表示ａｂ段流动能量损失。 ＊本题 ｈfab＝Ｒ1（ρi－ρ）／ρ ｈfcd＝ｈfab＝Ｒ2（ρi－ρ）／ρ

Ｒ1＝Ｒ2 ΔＰcd／ρｇ＝ｈfcd＝Ｒ2（ρi－ρ）／ρ

ΔＰab／ρｇ＝Ｒ1（ρi－ρ）／ρ－ｌ 7、（4分）

（1）由于吸收过程气相中的溶质分压总＿＿＿＿（大于/小于）液相中溶质的平衡分压，所以吸收操作线总是在平衡线的＿＿＿＿（上方/下方）。 （2）增加吸收剂用量，操作线的斜率＿＿＿＿（增大/变小），则操作线向＿＿＿＿（远离/靠近）平衡线的方向偏移，吸收过程推动力（ｙ－ｙe）＿＿＿＿＿（增大/减小）。 答：大于 上方 增大 远离 增大

8、（6分）

3

黄铁矿燃烧炉出口的炉气,流量为20000m/h,用旋风分离器进行分离, 除尘效率为95%,

3

压强降为1000Pa,因生产减产,炉气减为15000m/h,但炉气含尘情况不变,此时旋风分离器的除尘效率________（降低/提高），因为________________________ ，压强降为_________ Pa。 答文

①降低 ②入口速度减小,能被除去的颗粒粒度增大 ③ 563Pa （2分 ）

9、（8分）

(1)一吸湿性物料和一非吸湿性物料，具有相同的干燥面积，在相同的干燥条件下进行干 燥,前者的干燥速率为uA,后者的干燥速率为uB,则在恒速干燥段uA＿＿＿uB.(>,=,<)

(2) 干燥器内部无补充加热的情况下，进干燥器的气体状态一定，干燥任务一定，则气体 离开干燥器的湿度Ｈ2 越大，干燥器的热效率越＿＿＿。 (3)对于为水蒸汽所饱和的空气，则其干球温度ｔ，湿球温度ｔw，绝热饱和温度ｔas 露点温度ｔd的关系是ｔ＿＿ｔw＿＿ｔas＿＿ｔd。

(4)一定湿度Ｈ的气体，总压Ｐ加大时，露点温度ｔd＿＿＿＿＿＿。而当气体温度ｔ升 高时，则ｔd＿＿＿＿＿。 答文：＝ ; 高; ＝，＝，＝，＝。 升高， 不变。 二、实验题（10分）

用蒸汽加热铜管内的空气，空气走内管、蒸汽走外管环隙，通过实验测定对流传热膜系数α和总传热系数K，要求： 1、画出实验流程图；

2、标明主要仪器和设备并说明其用途。 1 6 7 6 2

4

3 8 5

9 10

1—套管换热器； 2—蒸汽发生器；3—旋涡气泵；4—调节阀； 5—孔板流量计； 6,7—热电偶及温度测量；8、疏水阀—冷凝水排放；9、蒸汽压力表 10、压力计 蒸汽发生器：提供加热蒸汽；旋涡气泵：提供流动空气；

热电偶及温度测量系统：测量空气进出口温度及蒸汽温度； 压力计：测量空气压力；蒸汽压力表：测量蒸汽压力。

三、（20分）

如图的输水系统。已知管内径为d=50mm,在阀门全开时输送系统的Σ(l+le )=50m, 摩 擦系数可取λ=0.03, 泵的性能曲线 在流量

33

为6m/h至15m/h范围内可用下式描述:

0.8

H=18.92-0.82Q，此处H为泵的扬程m, Q为

3

泵的流量m/h, 问:

3

⑴如要求流量为10m/h，单位质量的水所需外

加功为多少?此泵能否完成任务? 3

⑵如要求输送量减至8m/h(通过关小阀门来 达到)，泵的轴功率减少百分之多少?(设泵的

效率变化忽略不计) 答文

2

⑴u=10/(3600×0.785×0.05)=1.415[m/s]

22

Σhf =λ[Σ(l+le )/d](u/2) =0.03×(50/0.05)(1.415/2)=30.03 Pa/ρ+W=Pa/ρ+Z2g+Σhf 1 - 2

W=Z2g+Σhf 1 - 2 =10×9.81+30.03=128.13 H需要=W/g=128.13/9.81=13.06[m]

0.8

而H泵=18.92-0.82(10)=13.746[m] H泵>H需 故泵可用

⑵N=H泵Q泵ρg/η ρg/η=常数 ∴N∝H泵Q泵 N前∝13.746×10

0 . 8

H泵后=18.92-0.82(8)=14.59 N后∝14.59×8 N后/N前=14.59×8/ (13.746×10)=0.849 (N前-N后)/N前=1-0.849≈15.1% 四、（20分）

已知一外径为75mm，内径为55mm的金属管，输送某一热的物流，此时金属管内表面温 度为 120℃，外表面温度为 115℃，每米管长的散热速率为4545[W/m] ，求该管材的导热 系数。为减少该管的热损失，外加一层石棉层（导热系数为0.15W/m℃） 此时石棉层外表 面温度为10℃,而每米管长的散热速率减少为原来的3.87%，求石棉层厚度及钢管和石棉层 接触面处的温度。

解：⑴ Q/L=2π(120-115)/[1/λ(ln(75/55))]=4545 (1/λ)ln(75/55)=2×3.14(125-115)/4545=0.00691 ∴ λ=44.9W/mK ⑵ 设外加石棉层厚度为δ 则: Q'/L=2×3.14(120-10)/{(1/44.9)[ln(75/55)]+(1/0.15)ln(75+2δ)/75} =4545×0.0387=175.9W/m 690.8=175.9{0.00691+(1/0.15)ln[(75+2δ)/75]} 解得: δ=30mm (石棉层厚度) ⑶ 设钢管和石棉层接触面间的温度为t2' 则: 2×3.14(120-t2')/[(1/45)ln(75/55)]=175.9

解得: t2'=119.8℃

五、（20分）

用填料塔从一混合气体中吸收所含的苯。混合气体中含苯５％（体积％），其余为空气, 要求苯的回收率为90％（以摩尔比表示），吸收塔为常压操作，温度为25℃，入塔混合气体为每小时940[标准ｍ3]，入塔吸收剂为纯煤油，煤油的耗用量为最小耗用量的1.5倍，已知该系统的平衡关系Y=0.14X（其中Y、X为摩尔比），纯煤油的平均分子量Ｍs ＝170。试求： (1)吸收剂的耗用量为多少[Kg/h]？

(2)溶液出塔浓度X1 为多少？

解：（1） η=90%, yb=0.05,

进口： Yb=yb/(1-yb)=0.05/(1-0.05)=0.05263 （mol苯/mol气体） 出口 Ya=Yb(1-η)=0.005266 （气体＋苯流量）

V=940/22.4=41.96 kmol/h

（气体流量） VB =V(1-yb)=41.96(1-0.05)=39.87 kmol/h (Ls /VB )min =(Yb-Ya)/(Yb/m)

=(0.05263-0.00526)/(0.05263/0.14)=0.126 Ls =1.5Ls min =1.5×0.126×39.87=7.536 kmol/h =7.536×170 Kg/h=1281Kg/h （2）Xb =(Yb-Ya)/（1.5(Ls /VB )min ）

=(0.05263-0.00526)/(1.5×0.126)=0.251 xb=Xb/(1+Xb)=0.2006 六（20分）

有一二元理想溶液，在连续精馏塔中精馏。原料液组成50%（摩尔％），饱和蒸汽进料。原料处理量为每小时100kmol，塔顶、塔底产品量各为50kmol/h，已知精馏段操作线方程为y=0.833x+0.15，塔釜用间接蒸汽加热，塔顶采用全凝器，泡点回流。试求: ⑴塔顶、塔底产品组成（用摩尔分率表示）； ⑵全凝器中每小时冷凝蒸汽量； ⑶蒸馏釜中每小时产生的蒸汽量； ⑷若全塔平均相对挥发度α＝3.0，塔顶第一块板的液相默弗里板效率ＥＭＬ＝0.6，求离 开塔顶第二块的汽相组成。 解: ⑴ R/(R+1)=0.833 ∴R=5 xD/(R+1)=0.15 xD=0.90 FxF=DxD+Wxw xw=(100×0.5-50×0.90)/50=0.1(mol分率) ⑵V=(R+1)D=300mol/h

⑶ q=0 V′=V-F=300-100=200kmol/h

⑷ EML =(xD-x1)/(xD-x1*)=0.60 xD=y1=αx1*/[1+(α-1)x1*]=0.9 ∴x1*=y1/[α-(α-1)y1]=0.9/(3-2×0.9)=0.75 故有(0.9-x1)/(0.9-0.75)=0.60 x1=0.81 y2=0.833×0.81+0.15=0.825 七、（15分）

在常压绝热干燥器内干燥某湿物料。将５００Kg的湿物料从最初含水量２０％降 至２％（均为湿基）。ｔo=２０℃，Ｈo＝０．０１Kg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； 解：１．ｘ1 =0.2/0.8=0.25 , ｘ2 =0.02/0.98=0.0204 Gc =500(1-0.2)=400Kg W=400(0.25-0.0204)=91.84Kg/h I1 =(1.01+1.88H0 )t1 +2490H0 =127.8=I2

I2 =(1.01+1.88H2 )t2 +2490H2

H2 =(127.8-60.6)/2603=0.02582

L=W(H2 -H0 )= 91.84/(0.01-0.02582)=91.84/0.01582=5807Kg 绝干气/h ２．ＱP =L(1.01+1.88H0 )(t1 -t0 )=478000KJ/h

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