1999年浙江大学考研化工原理真题及答案

1999年（共四大题，二十五小题）一、填空题（20分，每题2分）6、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，塔顶第二层塔板上升的汽相组成为0.969，则塔顶第一层塔板的汽相默弗里板效为。[а=2.47,xD=0.98,y2=0.969,EmV,1=?]SOLU:全回流时x1=y2=0.969y1=xD=0.98y1*=аx1/[1+(а-1)x1]=2.47x1/(1+1.47x1)=0.987∴EmV,1=(y1-y2)/(y1*-y2)=0.60二、选择题（20分，每题2分）1.如图所示，高位槽A通过一并连管路向槽B输送液体，两槽液面维持恒定。输液时要求排液管FG上的阀门K1关闭。现由于操作不慎，阀K1未关严，试判断，与K1关闭时相比，下列哪一结论正确。（1）D处的压力下降，总管AC内流量下降；（2）E处的压力下降，支管CF内流量增大；（3）C处的压力下降，支管CED内流量增大；（4）E处的压力上升，支管CED内流量下降。[ζK1↓,则]ANALYSIS:ζK1↓→VAC↑→PC↓↘↓↘PE↓VCF↑VCE↓PD↓↗↓↘VDB↓↗PF↓→VFD↓↗5、如图，冷、热两流体在套管中进行换热（均无相变化）。现冷流体流量m2减少，则。(1)总热量Q减小，冷、热流体出口温度t2、T2均上升；(2)总热量Q不变，冷、热流体出口温度t2、T2也不变;(3)总热量Q增大，冷、热流体出口温度t2、T2均下降；(4)总传热系数K不变，总传热量也不变。[m2↓,则]ANALYSIS：Q=KAΔtm=m1cp1(T1-T2)=m2cp2(t2-t1)CR1=(mcp)1/(mcp)2↑,NTU1=KA/(mcp)1↓∴ε１↓，ε１＝(T1-T2)/(T1-t1),T2↑→Q↓CR2↓,NTU2↑,ε2↑,ε2＝(t2-t1)/(T1-t1)↑,t2↑∴Q↓,t2,T2↑7、在逆流操作的填料解吸塔中，若降低解吸气进塔的溶质浓度，其它操作条件不变，则。(1)液相、气相出塔浓度均下降；（2）气相出塔浓度上升，回收率增大；（3）液相出塔浓度下降，回收率下降（4）气相出塔浓度下降，回收率下降。[递流解吸塔，yb↓,其他条件不变，则？]ANALYSIS:yb↓,T、p、G、L、xa、h不变因T、P、G、L不变，故m、kxA、kyA不变，从而KxA不变因HOL=1/Kxa,∴HOL不变;NOL=h/HOL也不变。又A=L/mG不变，从而根据图知（xa-yb/m)/（xb-yb/m)不变因xa不变，yb↓则xb↓ya=yb+(xa-xb)L/G≈yb+Lxa/G→ya↓(xbxa)EBCDK2FK1题1附图A回收率ф=(xa-xb)/xa=1-xb/xa↑8、间接蒸汽加热的连续精馏塔操作时，由于某种原因，加热蒸汽压力下降了，而进料热状况、浓度及进料量不变，同时回流比R恒定，则馏出液浓度xD及流量D、残液浓度及流量W、提馏段的液气比L′/V′变化()。(1)xD及D下降，xW上升，L′/V′上升；(2)xD下降，xW及W上升，L′/V′下降；(3)xD及D上升，W下降，L′/V′下降；(4)xD上升，xW及W上升，L′/V′上升。[pS↓,q、xF、F不变,R恒定，则xD、D、xW、L′/V′、W?]ANALYSIS:Q=Wr0,pS↓,r0↓→V′↓V=V′-(1-q)F=(R+1)D↓→D↓→W↑L′=L+qF=RD+qF↓L′/V′=(RD+qF)/[(R+1)D+(1-q)F]↓L/V=R/(R+1)不变，NT不变∴xD↓,xW↑三、分析题（10分）一精馏塔用以分离浓度为xF、量为F的某二元理想混合气液。要求分离后塔顶馏出物浓度为xD、塔底釜液浓度为xW。先分别采取：（1）冷液进料，（2）将料液预热至泡点后进料，（3）将料液预热至汽液混合状态后再进料。试分析：1.对于以上三种热状况进料，能否采取调节回流比的方法达到分离要求？请写出分析过程。2.以上三种热状况进料所需要的能耗（包括原料预热所需要的能量）哪一个最低。(假设设备热损失忽略不计。)分析：（1）F、xF不变,要求xD、xW满足分离要求，由图（a）可知，总可以找到确定的Ｒ值，使得xD、xW满足要求，而且，冷液进料的回流比最小，混合进料（0q1）的回流比最大。（2）假设qD=qW=qF，由于F=D+W，则QF=QD=QW，设QL=0∴QB=QC即(R+1)Dr0=r0′V′=Qc;显然,在P,r0保持不变的情况下，QC与R同方向变化，∴冷液进料时的耗热量最少四、计算题（50分）1、（15分）如图所示，常温水由高位槽经一φ89ⅹ3.5mm的钢管流向低位槽，两槽液位恒定。管路中装有孔板流量计和一个截止阀。已知直管与局部阻力的当量长度（不包括截止阀）总和为60m。截止阀在某一开度时其局部阻力系数为7.5，此时读数R1=185mmHg柱。试求：（1）此时管路中的流量及两槽液面的位差Δz；（2）此时阀门前后的压强差及汞柱压差计的读数R2;（3）若将阀门关小，使流速减为原来的0.9倍，则读数R1为多少mmHg？截止阀的阻力系数变为多少？已知孔板流量与压差关系式为V=3.32×10-3(Δp/ρ)0.5，ρ为流体密度，kg/m3；Δp为孔板两侧压差，Pa；V为流量，m3/s。(流体在管内呈湍流流动，管路摩擦因数λ=0.026。汞的密度为13600kg/m3。)[ф89×3.5,∑L=60,ζ=7.5,R1=185mmHg,求：(1)Δz;(2)R2;(3)u′=0.9u,R1=?、ζ′=?[V=3.23×10-3(Δp/ρ)0.5],λ=0.026,ρ0=13600kg/m3]SOLUTION:当ζ＝7.5，R1=185时Δp=Δpf(截止阀前后)，即ζu2/2=gR1(ρ0-ρ)/ρ---(1)解出u=2.47m/s,V=Au=47m3/h∆Z题1附图R1R2在Ａ－Ｂ面间衡算，EtA=EtB+wFab:Δz=[λ(Σι/d)+ζ]u2/2g=8.25m---(2)阀前后压强差Δpf=2.23×104Pa,ΔP=ρ[V/(3.23×10-3)]2=1.55×104Pa---(3)∴Ｒ2=125.1mm,关小阀门使u′=0.9u=2.223m/s,代入（２）解得ζ′＝13.73,代入（１）解得R1′=274.5mm∴Δz=8.25m,R2=125.1mm;R1274.5mm,ζ′=13.732、（13分）某厂采用一套管式换热器冷凝2000kg/h甲苯蒸汽，冷凝温度为110℃的甲苯气化潜热为363kJ/kg，其冷凝传热膜系数为5600W/m2·℃。冷却20℃及5000kg/h的流量进入套管内管（内管尺寸为φ57×3.5mm）。水的物性可取为：密度为995kg/m3，比热为4.174J/kg·K，导热系数为0.62W/m·K，粘度为8×10-4Pa·s，略壁及垢层的热阻，且不计热损失。求：(1)冷却水的出口温度及套管管长；(2)由于气候变热，冷却水进口温度升30℃，在水流量不变情况下，该冷凝器能冷凝多少苯蒸汽。[ms1=2000,T=110℃,r0=363,а0=5600,t1=20,ms2=5000,ф57×3.5,ρ=995,Cp2=4.17,λ=0.62,μ=8×10-4,R0=0,Qι=0,求：(1)t2=?(2)ι=?(3)t1′=30℃时的mS2′=?]SOLU:(1)Q=mS1r0=mS2cp2(t2-t1)→t2=t1+mS1r0/mS2Cp2=54.78℃对水而言Ｎu=0.023Re0.8Pr0.4→аi=0.023(λ/d)(ρdu/μ)0.8(Cpμ/λ)0.4其中u=V/A=0.711m/s∴аi=2912.31/K=1/а0+(1/аi)(d0/di)→K=1754.35W/m2℃,Δtm=(t2-t1)/Ln(T-t1)/(T-t2)=71.2℃,A=Q/KΔtm=1.61m2∴管长ι=A/A截=9.02m(2)CR2-1=ms1cp1/ms2cp2不变，NTU2=KA/ms2cp2不变∴ε２不变，即（t2-t1）／（Ｔ-t1）＝（t2′-t1′）／（Ｔ-t1′）→t2′＝t１′＋（Ｔ-t1′）（t2-t1）／（Ｔ-t1）＝60.9℃Q′=mS2Cp2（t2′-t1）=mS1′r0推出mS1′＝1776.5kg/h3、（10分）在填料层高度为4m的常压逆流吸收塔内，用清水吸收空气中的氨。已知入塔空气中含5%（体积%），塔顶空气中含氨0.5%（体积%），实际液气比为0.98，又已知在该塔操作条件下，氨水系统的平衡关系为y=mx（m为常数，x、y分别为液相中氨的摩尔分率），且测得与含氨1.77%(体积%)的混合汽体充分接触后的水中氨浓度为18.89g/1000g水。（1）求该塔的气相总传质单元高度，m；（2）现水温上升，其它操作条件不变，试分析气、液相出塔浓度如何变化？[h=4m,xa=0,yb=5%,ya=0.5%,L/G=0.98,y=mx,且当y=1.77%时x′=18.89g/1000g水，求：（１）NOG、ＨOG，（２）水温↑，xb、ya如何变化？]SOLU:当x′=18.89gNH3/1000gH20时,x=0.0196→m=0.9,y=0.9x,1/A=mG/L=0.92∴NOG=[1/(1-1/A)]Ln[(1-1/A)(yb-mxa)/(ya-mxa)+1/A]=6.8∴HOG＝h/NOG=0.588m当水温升高时，m↑,1/A↓,由图知NOG不变时，(yb-mxa)/(ya-mxa)↑→ya↓又xb=xa+(yb-ya)G/L↑∴NOG＝6.8,HOG=0.588m;T↑时xb↑ya↓4、（12分）某湿物料用热空气进行干燥。已知空气的初始温度为16℃，初始湿含量为0.005kg水/kg干空气，现将空气预热至100℃后进入干燥室，从干燥室出来的空气温度为60℃。湿物料进干燥室前温度为20℃，湿基湿含量为5%，出干燥室的温度为60℃，湿基湿含量为0.3%；干燥后的产品量为1000kg/h，其比热为1.25kJ/kg·K。干燥室内无补充热量，设备热损失估计为外加总热量的5%，试求：(1)干空气用量，kg/h；(2)预热器内所加入的热量，kJ/h。[t0=16℃,H0=0.05,t1=100℃,t2=60℃,tm1=20℃,w1=5%,tm2=60℃,w2=0.3%,G2=1000kg/h,CM=1.25,QD=0,Qι=5%,求L,QP]SOLU:W=G2(w1-w2)/(1-w2)=49.47kg/h,L=W/(H2-H1)又（t2-t1）/(H2-H1)=(Δ-r0)/CH1,Δ=(cLtm1+qd)-(qm+qL),其中qm=CM(tm2-tm1)G2/W,qL=0.05Q总＝0.05×(CMtm1G2/W+LI1/W)∴qm＝1010.7kJ/kg.h,qL=0.05×[25.27+114.391/(H2-H1)]∴Ｌ＝4823.6kg/hQP=L(I1-I2)=LCH1(t1-t0)=4.13×105kJ/h..588m,(2)ya↓,xb↑;4.(1)4823.6Kg/h,(2)4.13*105KJ/h