化工原理考研试题(中国石油大学) 2002年研究生入学考试试题及答案

化工原理考研试题（中国石油大学） 2002年研究生入学考试试题及答案

石油大学（华东）

2002年研究生入学考试试题答案

考试科目：化工原理

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注意：请将所有答案填写在答题纸上，否则无效。 一、填空题（共20分） 1． 如图1-1所示，高位槽的液面恒定，液体经B、C两管路排出，两管口均通大气，高度位置相同。各管段所用管子的直径及粗糙度相同，当两个阀门全开时，C管路的总长度是B管路总长度（均包括局部阻力当量长度）的两倍，液体在各管段的流动状态均为完全湍流。流量VB是VC的2倍，摩擦阻力损失hfB = hfC；当C管路阀门全关时，B管路的流量VB 增大 ，A管路的摩擦阻力损失hfA 减小 ，B管路的摩擦阻力损失hfB 增大 ，整个管路的摩擦阻力损失∑hf 不变 ，A管路上的压力表读数PA 增大 。 2． 某牛顿型粘性流体在圆直管中作稳态层流流动，则流体在径向的速度分布呈抛物线 形，径向各点速度ur与中心点处的速度umax之间的关系为ur=1r2umax，平均速ro度u= 0.5umax。摩擦阻力损失的计算式为P32luRe。 d2，摩擦阻力系数的计算式为3． 如图1-2所示，某管路中的离心泵在额定点处运转，两水池的液位恒定。现关小泵的出口阀门开度，则离心泵的流量Q减小，轴功率N减小，扬程H增大，真空压力表的读数PA减小，压力表的读数PB增大，PC减小，整个管路的总摩擦阻力损失∑hf1-2 增大。 图水中的沉降速度增大，在空气中的沉降速度减小。 5． 在某些情况下，流体与固体壁面间的对流传热过程 的传热系数与壁温有关，试写出其中的三个例子：流体在管内强制层流、自然对流、蒸汽冷凝过程等。 6. 某固定管板式换热器的管程隔板布置如图1-3所 示，试写出管程流体的走向：BDAEC或CEADB。 1-1 4． 一球形石英颗粒，分别在空气和水中按斯托克斯定律沉降。若系统温度升高，则其在 图1-3 3

管箱 封头

7. 在大容积液体饱和沸腾中，有核状沸腾和膜状沸腾两种方式，其中核状 方式传热系数较大。 8．漂流因子可表示为PP或CC，它反映总体流动对扩散的影响。 BmBm9. 有一多元溶液，组成为xFi(摩尔分率)，在一定温度和压力下，使其发生部分汽化，达x到汽液两相平衡，该条件下，各组分的相平衡常数为Ki，则有KixFi〉1，Fi〉1。 Ki 10. 在萃取过程中，分配系数是指kAyAxA，选择性系数是指kAkB。为了实现萃取分离过程，对以上两个系数的要求是1。 二、分析简答题（共12分） 1． 在液固流态化实验中，测得床层压降与空床气速的关系曲线如图2-1所示。请对该实验结果进行分析。 答：该图反映了床层所经历的三个阶段： （1） 固定床阶段（AB段）：床层压降随流速增大而增大； （2） 流化床阶段（BC段）：床层压降基本保持恒定；BC段略向上倾斜是流体与器壁及分布板间的摩擦阻力增大造成的；AB、BC段之间的小凸起是由于颗粒间黏附作用引起的。 （3） 颗粒输送阶段（CD段）：流体实际流速接近颗粒的沉降速度，部分颗粒被带走，床层压降随流速增大而减小。 2． 图2-2为一塔板的负荷性能图，请说明图中各条线的名称。如果设计的操作点位于图中的P点，试说明产生这种情况的原因及改进此设计的方法。 答：图中各线为：1-液相负荷下限线；2-泄漏线；3-液相负荷上限线；4-液泛（淹塔）线；5-过量雾沫夹带线；6-操作线。 操作点P不在适宜操作区内，主要原因是存在过量雾沫夹带及降液管中清液层高度过高。可通过适当增大板间距、增大塔径、增大塔板开孔率等方法加以改进。

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图 2-1 三、计算题（共68分） 1． （15分）如图3-1a所示，用离心泵将水自贮水池A（水的液面恒定）输送到自来水塔的贮水罐B［其内径为5m，罐底至上水位线（即进水管的管口）的垂直距离为5m］，A与B均通大气。管路所用管子的内径为40mm，总长度为100ｍ（包括所有局部阻力的当量长度）。在管路1、2两点间装有一水银U形管压差计，1、2两点间管长10ｍ，在工作时压差计的读数为R＝76mm。该离心泵的性能曲线方程为H＝60－0.3268Q1.75（式中H为离心泵的扬程，ｍ；Q为离心泵的流量，m３/h），其余条件见图。 (1) 试求贮水罐Ｂ中水面自罐底升高至5ｍ处时，离心泵所提供的有效功为多少kJ？ (2) 如改为3-1b所示的管路安装方式，管路的管子规格及长度、所用的离心泵均与图3-1a所示的相同。试求贮水罐Ｂ中水面自罐底升高至5ｍ处时，离心泵所提供的有效功为多少kJ？ 已知：水的密度为1000kg/m３，粘度为１cP；水银的密度为13600 kg/m３；当地大气压为760mmHg；管子可视为光滑管。 图3-1a 图3-1b

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解：（1） olu21gRd2 2lulo1hfABgRd2l 1001013.61•9.81•0.076=93.94 (J/kg) u2hf=9.813593.94437.29 (J/kg) wgz2P 有效功 Pe437.29（2） 452510004.291107J4.291104kJ 微分式 dPegHdmgH4D2dhg600.3268Q1.75D42dh lu2Pu2此时管路特性方程：Hez g2gd2g其中：P0,u20,z30h,0.31Qdu ,u,Re0.25Red24代入数据整理得：He30h0.2033Q1.75 此时泵的特性方程为：H600.3268Q1.75 两方程联解得：Q1.7530h 0.5301有效功为： dPeg41.5050.6165h Peg41.5050.6165h054D2dh 4D2dh4.07107(J)4.07104(kJ)

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2． （15分）在一管壳式换热器中，冷、热流体逆流操作。热流体走壳程，对流传热系数为10000 W/(m2·K)；冷流体走管程，对流传热系数为400 W/(m2·K)。现有另一台完全相同的换热器，按图3-2所示方式组合操作（m1、m2分别为热、冷流体的质量流量）。已知冷、热流体的热容量相等，物性参数可视为常数，流体的流动均处于强制湍流状态，换热器管壁及污垢热阻可以忽略。 (1) 试求该组合方式下换热器a、b的总传热系数； (2) 在T- t坐标系中绘出换热器a、b中的温度变化曲线； (3) 试分析该组合方式的优缺点，并提出两条（或以上）改进意见。 解：（1） 图3-2 iu0.8，并联后流速减半，故 i'0.50.8400229.7w11' Koi1m2•K 11110000229.7224.6wm2•K （2） （3）此流程安排管程流体并联，流动阻力较小，但不利于传热；换热器b中两

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流体为并流操作，不利于传热。可将换热器b中两流体改为逆流操作，或可将两换热器均改为逆流操作（管程流体流动阻力会增大）。 3． （12分）用一过滤面积为25m2的板框压滤机在2kgf/cm2的表压下对某悬浮液进行恒压过滤。在该操作压力下，过滤常数为K=1.5×10-5 m2/s，滤饼与滤液的体积比为0.12m3/m3，整理、装卸等辅助时间为30min。滤饼不可压缩，过滤介质阻力可以忽略不计。请计算： (1) 过滤30min时所得滤液体积； (2) 若用滤液体积20%的洗液在相同的压力下对滤饼进行横穿洗涤，洗液与滤液粘度相同，求在一个最佳操作周期中所获得的滤饼体积； (3) 将过滤和洗涤的操作表压力降到1kgf/cm2，其它条件不变，最大生产能力为原来的多少倍？ 解： （1）V2KA2 V1.51052523060V2,Vw0.2V （2）2KA0.54.11m3 1dVKA2dV  dw4dE8V wVw1.6 dVdw 最佳操作周期：wD  D2.6692.3(sec) VKA22.55m3 V饼cV0.306m3 （3）P减半，K减半，操作周期不便，故有 V'0.50.5V0.707V

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4． （15分）用一连续精馏塔分离苯—甲苯混合液。进料为含苯0.4(质量分率，下同)的饱和液体，质量流率为1000kg/h。要求苯在塔顶产品中的回收率为98%，塔底产品中含苯不超过0.014。若塔顶采用全凝器，饱和液体回流，回流比取为最小回流比的1.25倍，塔底采用再沸器。全塔操作条件下，苯对甲苯的平均相对挥发度为2.46，塔板的液相莫弗里(Murphree)板效率为70%,并假设塔内恒摩尔溢流和恒摩尔汽化成立。试求： (1) 从塔顶数起第二块板上汽、液相的摩尔流率各为多少？ (2) 从塔顶数起第二块实际板上升气相的组成为多少？ 解：(1)、 题中的浓度均以苯的摩尔分率表示，流量以F0.410000.6100011.65kmol/h720.478xF0.440.40.6720.0278xW0.01650.020.9872mol/h表示 DxD0.98FxFFxFDxDWxwW0.0211.650.44/0.01656.213kmol/hD11.656.2135.437kmol/hxD0.9811.650.44/5.4370.924yq x2.460.440.661(1)x1(2.461)0.44xDyqyqxF0.9240.661.200.660.44RminR=1.25×1.2=1.5 因为恒摩尔流假设成立，所以：LRD1.55.4378.155kmol/hV(R1)D2.55.43713.59kmol/h 10

y1xD0.924（2） *x1EMLy10.9240.8317(1)y12.46(2.461)0.924xDx1x0x10.924x10.70**0.9240.8317x0x1xDx1 x10.859 精馏段的操作线方程为：xR1.50.924yxDx0.6x0.37R1R11.511.51 y20.6x10.370.60.8590.370.885 5． （11分）在直径为0.8m的逆流操作填料吸收塔内，在常压、常温下用清水吸收氨—空气混合物中的氨，已知入塔混合气体中氨的体积分率为0.01，要求混合气中99%的氨被水吸收。已知入塔的混合气的流量为48kmol/h，水的用量为最小用量的1.5倍，在操作条件下，以摩尔比组成表示的相平衡关系为Ye=0.755X，气相总体积传质系数为198kmol/(m3·h)，试求所需填料层高度。 解： 以摩尔比浓度表示各股物流中溶质的含量，1表示浓端，2表示稀端 y10.010.01011y110.01y1y2因为：0.99y1Y1y21.01104惰性气体量为：V480.9947.52kmol/hV47.520.476m2KYa1980.7850.8LY1Y2Y1Y20.1010.000101()min0.747*VY1/m0.0101/0.755X1X2L/V1.50.7471.12H0G 11

SmV/L0.755/1.120.67341Y1mX21Y1ln(1S)Sln(10.6734)0.67341SY2mX2Y210.6734 10.71N0GhN0GH0G10.710.47650.96m

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