武汉工程大学学年第一学期级化学专业《化工原理》期末考试.docx

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武汉工程大学学年第一学期级化学专业《化工原理》期末考试

武汉工程大学2019-2020学年第一学期

2018级化学专业《化工原理

》期末考试试题

姓名：

_________年级：

_______级专业：

_________学号：

___________

　一、名词解释（每题3分，共18分）

　　1、泵的气缚与气蚀

　　答：

气缚是离心泵在启动前未充满液体时，泵壳内存在的空气所产生的离心力很小，造成吸

　　入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内的现象（1.5分）。

汽蚀为离心泵叶轮入口最低压力点处压力降至液体在该温度下的饱和蒸汽压时，液体部分汽化并有部分气体解吸，生成大量小汽泡。

这些小汽泡在泵内流动过程的突然破裂产生很好的局部冲击压力造成叶轮呈现海绵状、鱼鳞状的破坏现象（1.5分）。

　　2、运动相似与动力相似

　　答：

运动相似指原、模型对应点两流动相应流线几何相似或流速大小成比例，方向相同。

（1.5

　　分）原、模型对应点同名力作用下的流动，相同同名力大小成比例的现象称动力相似。

（1.5分）

　　3、节点与控制容积：

　　答：

节点是数值模拟中需要求解未知量的几何位置（1.5分）控制容积：

数值模拟中用于控制方程的最小几何单位（1.5分）。

　　4、油的闪点与着火点

　　答：

闪点：

液体燃料受热时表面出现油蒸汽，当蒸汽浓度增大到遇到很小的点火源即发生瞬

　　间闪火现象时的最低温度（1.5分）。

着火点为液体燃料自燃的最低温度。

（1.5分）

　　5、扩散传质与对流传质

　　答：

在浓度差驱动下通过分子热运动而引起的组分传递现象称扩散传质;（1.5分）流体中由

　　于流体宏观流动引起物质从一处迁移到另一处的现象称对流传质。

（1.5分）

　　6、恒定干燥条件与干燥曲线

　　答：

恒定干燥条件是干燥介质（或热空气）的温度、湿度、流速及与物料的接触方式在整个

　　干燥过程中保持不变的条件（2分）。

干燥曲线：

表征相同干燥条件下，物料含水量X及物料表面温度与干燥时间的关系曲线。

　　二、简答题（每题6分，共36分）

　　1、根据所学流体力学知识，简述减小管内流体流动阻力的途径及措施。

　　答：

途径1：

改进流体外部边界，改善边壁对流动的影响，具体措施有：

（1）减小管壁粗造

　　度;

（2）采用柔性边壁代替刚性边壁;（3）采用平顺管道进口、渐扩管、突扩管;（4）减小支管与合流管间的夹角或将支管与合流管连接处的折角改缓，等。

（4分）途径2：

在流体内部投加少量添加剂，使其影响流体内部结构实现减阻。

具体措施有：

在流体内部加入减小粘度的添加剂;加热流体等。

（2分）

　　2、简述离心泵的轴功率、效率定义及其离心泵功率损失的主要原因。

　　答：

离心泵泵轴所需功率N称为轴功率（1分）;有效功率（单位时间内液体从泵中叶轮所

　　获得的有效能量Ne）与轴功率之比称为离心泵的效率（1分）。

离心泵功率损失的主要原因有：

（1）泵内流体流动的摩擦损失。

（2）泵内高压流体泄漏至低压区造成的流量损失或容积损失。

（3）泵轴与轴承间的机械摩擦损失。

（三点共4分）。

　　3、简述减少工业窑炉燃烧过程中NOx气体产生的途径。

　　答：

（1）降低火焰温度;

（2）降低空气系数;（3）缓慢冷却高温区内气体;（4）燃烧系统中实现烟气循环;（5）火焰根部喷水或水蒸汽;（6）尽量使煤气完全燃烧;（7）采用含氮量低的煤气燃料。

（1）、（5）为1分，其他每点1分。

　　4、简述换热器的强化途径及措施。

　　答：

（1）增大平均传热温度差：

可通过增加热流体温度、降低冷流体温度和尽可能保证或接近逆流操作实现;（2分）

（2）增大换热器单位体积的传热面积：

可改进传热面结构和扩展传热面积，如表面加装翅片等;（2分）（3）增大总传热系数K：

可采取增大流体流速;管内插入旋流元件;改变传热面形状和增加粗糙度。

（2分）

　　5、简述传质中Schmidt（Sc）准数与Sherwood（Sh）准数的表达式及其物理含义。

答：

Sc=/DA，其物理含义是流体中动量扩散能力与质量扩散能力之比，它与对流传热中的

　　Pr相对应（3分）;Sh=kXX/DA，其物理含义是流体边界层的扩散传质阻力与对流传质阻力之比，它与对流传热中的Nu相对应（3分）。

上式中为流体运动粘度，DA为扩散系数，kX为对流传质系数，X为扩散距离。

　　6、简述直角六面体均匀网络剖分情况下，非稳定传热显示差分方程的稳定性条件及满足稳定性条件的最小时间步长。

　　答：

内部节点稳定性条件：

（at/x2+at/y2+at/z2）1/2;或F01/2（3分）

　　满足稳定性条件的最小时间步长：

tmin=ρCp/2λ（1/x2+1/y2+1/z2）（2分）上式中a为热扩散系数，a=ρCp/λ，ρ为材料密度，Cp为材料定压比热，λ为材料导热系数（1分）

　　三、计算题（第一题13分，其它每题11分，共46分）

　　1、下图所示变径管内有密度为1000kg/m3的水自上而下流过，测得U形管内水银（密度为13.6g/cm3）的液面高度差R=44mm，已知变径管，1-2面间阻力损失，试求速度u1。

　　解：

（1）由连续性方程可得：

（2分）

　　22dudu2112

　　又因：

d22d1所以：

u2u1

　　2

　　p12u12p2u2z1z2hl,122g2g

（2）再由伯努利方程：

（4分）

　　测压管水头之差为：

（

　　p1z1）（p2

　　z2）（Hg）R/（Hg）R/

　　（13.61031000）44103/10000.5544Pa（3分）

　　代入伯努利方程得：

　　u12）u122.5u120.554429.8129.8129.81（

　　求解得：

u1=2.49m/s。

（4分）

　　2、某输送蒸汽管道，已知其外径为100mm，外包两层厚度均为15mm的保温材料层，

　　最外面一层保温材料的导热系数为0.15W/m·℃,里面一层的`导热系数为0.5W/m·℃,蒸汽管外表面温度1为150℃，最外保温层外表面温度3为50℃，试求

（1）蒸汽管tt

　　t

（2）如蒸汽管外面的空气温道该每米管长的热损失及两保温层交界处的温度2。

　　度t4为20℃，空气与保温层外表面的对流换热系数为多大?

　　50mm，里层与外层保温层交界处半径解：

（1）蒸汽管外半径r1Q

　　r2r11565mm;外层保温层外半径r3r21580mmQt1t3t2t3At（5分）

　　Ql1505015050t250329W/m（2分）

　　0.08360.22040.220423.140.523.140.15

　　t23290.220450122.5℃,（1分）

（2）对流换热系数求解：

　　QAt（2r31）（t3t4）（2分）l

　　Q（2r31）（t3t4）32921.8W/m·℃,（1分）23.140.08（5020）

　　3、某物料在恒定干燥条件下从初始含水量0.4kg水/kg干料降至0.08kg水/kg干料，供需8小时。

假定该物料的临界含水量为0.15kg水/kg干料，平衡含水量为0.04kg水/kg干料，降速阶段的干燥速率曲线可作为直线处理。

计算

（1）恒速干燥阶段和降速干燥阶段所需的时间各为多少?

（2）若同样条件下，继续将该物料干燥至0.05kg水/kg干料，还需多少干燥时间。

　　解：

（1）设X由0.4kg水/kg干料降至0.08kg水/kg干料,经历的恒速干燥阶段和降速干燥阶段时间分别为1和2，则：

　　1=GC（X1-X0）/Au02=GC（X0-X*）ln（X0-X*）/（X2-X*）/Au0

　　1/2=（X1-X0）/（X0-X*）ln（X0-X*）/（X2-X*）=2.247

　　因1+2=8h，所以，1=5.536h;2=2.464h（6分）

（2）设从X0=0.15kg水/kg干料降至X3=0.05kg水/kg干料所需时间为3,则继续将该物料干燥至0.05kg水/kg干料所需的时间为3-2：

　　3/2=ln（X0-X*）/（X3-X*）/ln（X0-X*）/（X2-X*）=2.37

　　继续干燥所需时间为3-2=1.372=3.376h（5分）

　　4、试根据Gililand经验公式计算35C，2.5atm（表压）时苯蒸气在空气中的扩散系数，并与实验值进行比较其相对误差。

（已知空气和苯蒸气的分子体积分别为29.9和96cm3/mol,摩尔分子量分别为29和78，苯蒸气在0C、1.0atm下空气中的扩散系数D为0.077cm2/s）。

解：

（1）按Gililand公式计算，令苯蒸气为A,空气为B。

　　P=3.5101.32=354.62kPa（1分）

　　D=4.3610-5T1.5（1/MA+1/MB）0.5/[P（VA1/3+VB1/3）2]（4分）

　　将已知数据换算为标准单位并代入上式可得D=2.45310-6m2/s（2分）

（2）D=D0（T/T0）1.5（P0/P）=0.07710-4（308/273）1.5（1/3.5）=2.63610-6m2/s（2分）

　　（3）计算值与实验值的相对误差为：

（2.453-2.636）/2.636=-6.94%（2分）

　　化工原理试题及答案

（二）

　　一、（20分）每小时将2×104kg、45℃氯苯用泵从反应器A输送到高位槽B（如图所示），管出口处距反应器液面的垂直高度为15m，反应器液面上方维持26.7kPa的绝压，高位槽液面上方为大气压，管子为Ø76mm×4mm、长26.6m的不锈钢管，管壁绝对粗糙度为0.3mm。

管线上有两个全开的闸阀、5个90°标准弯头。

45℃氯苯的密度为1075kg⋅m-3，粘度为6.5×10-4

　　Pa·s。

泵的效率为70%，求泵的轴功率。

　　附：

各局部阻力系数

　　全开闸阀ζ1=0.17

　　90℃标准弯头ζ2=0.75

　　68ε摩擦系数计算式λ=0.1（+）0.23Red

　　解：

如图，取1-1、2-2界面，以1-1截面为基准面

　　2p1u12p2u2+z1++He=+z2++ρg2gρg2g∑hf,1−2（3分）

　　p1=26.7kPa（绝压），z1=0,u1≈0（1分）p2=101.3kPa（绝压）z2=15m（1分）

　　2×104

　　qV==5.168×10−3m3⋅s−1（1分）1075×3600

　　5.168×10−3

　　（1分）u2==1.42m⋅s−1π2×0.0684

　　Re=0.068×1.42×1075=1.6×105（1分）−46.5×10

　　2p2−p1u2∴He=+z2++ρg2g∑hf,1−2（1分）

　　∑hf,1−2=hf,直+hf,直=hf,进+2hf,闸+5hf,弯（2分）0.3680.23+=0.0293（1分）681.6×105λ=0.1×（

　　hf,直

　　hf,局lu226.61.422=λ⋅=0.0293××=1.178m（1分）d2g0.0682×9.811.422=（0.5+2×0.17+5×0.75）×=0.4717m（2分）

　　2×9.81

　　（101.3−26.7）×1031.422

　　He=+15++1.178+0.4717=23.83m（1分）1075×9.812×9.81

　　Ne=HeqVρg=23.83×5.168×10-3×1075×9.81=1.30×103W（2分）

　　Ne1.30×103

　　==1.86×103W=1.86kW（2分）Na=η0.7

　　二、（20分）用一离心泵将冷却水由贮水池送至高位槽。

已知高位槽液面比贮水池液面高出10m，管路总长（包括局部阻力的当量长度在内）为400m，管内径为75mm，摩擦系数为0.03。

该泵的特性曲线为H=18−0.6×106Q2，试求：

（1）管路特性曲线

（2）泵工作时的流量和扬程

　　解：

分析知：

h=10ml+le=400md=0.075m

　　λ=0.03H=18−0.6×106Q2

　　即求：

（1）He=f（Qe）

（2）Q、H（5分）

　　2p2−p1u2−u128l+le2

（1）由He=z2−z1+++λ⋅24⋅Qe（4分）ρg2gdπgd

　　8400252得He=10+0.03×⋅Q=10+4.1795×10Q（3分）⋅2ee40.075πg×0.075

（2）而由H=18−0.6×106Q2

　　所以10+4.1795×105Q2=18−0.6×106Q2（2分）解之：

Q=8−33=2.8034×10m/s（3分）510.1795×10

　　所以H=10+4.1795×105×2.8034×10−3

　　（）2=13.2846m（3分）

　　三、（20分）质量流量为7000kg·h-1的常压空气，要求将其由20℃加热到85℃，选用108℃的饱和蒸汽作加热介质。

若水蒸气的对流传热系数为1×104W·（m2·K）-1，空气在平均温度下的物性数据如下：

　　比热容为1kJ·（kg·K）-1，导热系数为2.85×10-2W（m·K）-1

　　粘度为1.98×10-5Pa·s，普兰特准数为0.7。

　　现有一单程列管式换热器，装有Ø25mm×2.5mm钢管200根，长2m，此换

　　热器能否完成上述传热任务?

　　7000解：

Q=×1000×（85−20）=126389W（2分）3600

　　∆Tm=（108−20）−（108−85）=48.44ºC（2分）ln108−85

　　7000

　　3600×

　　Re=π×0.022×2004（1分）=30.95kg⋅m2⋅s−1uρ=duρ0.02×30.95=31263（1分）=µ1.98×10−5

　　λ0.80.4Repr（2分）dα空=0.023

　　2.85×10−2

　　×312630.8×0.70.4（1分）=0.023×0.02

　　=112.1W⋅m−2⋅K−1（1分）dδdd111（2分）=2+2+≈2+Kα1d1λdmα2α1d1α2

　　=251+=0.0113（1分）112.1×201×104

　　K=88.5W⋅m-2⋅K-1（1分）A需=Q126398==29.48m2（2分）K∆Tm88.5×48.44

　　A实=nπd外l=200×π×0.025×2=31.42m2（2分）

　　A实

　　A需

　　（2分）=1.066≈1.1∴能完成上述传热任务。

　　三、（20分）已知某精馏塔操作以饱和蒸汽进料，操作线方程分别如下：

精馏线

　　提馏线

　　解：

由精馏线得：

R=0.7143，R=2.500（2分）R+1

　　x由提馏线得：

D=0.2714，xD=0.9499≈0.950（2分）R+1

　　提馏线斜率L′L+qF==125.，得F=1.5D（3分）V′R+1D−1−qF

　　WF−DxW=0.01，xW=0.01，（3分）V′R+1D−F提馏线截距

　　得xW=0.04（1分）由FxF=DxD+WxW得：

（2分）xf=DxD+（F−D）xWDD=xD+1−xW（3分）FFF

　　DD0.951xD+1−+1−×0.01（2分）xW=151515.D.D15..=

　　=0.647（2分）

　　五、（括号内为选择题，划线部分为填空题，共20分）

　　1.（2分）柏努利方程式中的（D）项表示单位质量流体通过泵（或其他输送设备）所获得的能量，称为有效功。

　　Agz;B

　　压强最小。

这是因为（c）管上不仅有一个阀门消耗能量，且管子末端垂直上升一段，又使得静压强降低。

　　4.（3分）各种传热方式相比较，热传导的主要特点是对位移，对流的主要特点是仅发生在流体中，流体各部分之间发生相对位移，热辐射的主要特点是不需要任何介质，可以在真空中传播。

　　5.（2分）流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在底层内。

　　6.（3分）在列管换热器中，拟用饱和蒸气加热空气，空气走（A），饱和蒸气走（B），以便于冷凝液的排放。

　　A.管内B.管间

　　7.（2分）回流比的下限值为（D）。

　　A内回流;B外回流;C全回流;D最小回流比。

　　8.（2分）为完成精馏操作，需要在塔顶设置，塔底设置。