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化工原理仿真实验思考题及答案

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述伯努利方程的应用条件，并说明在化工流体输送系统中，如何利用伯努利方程分析管路中的能量损失？

二、

在列管式换热器设计中，为何通常选用逆流操作？比较逆流和并流操作在传热效率、温度差分布方面的主要区别。

三、

什么是理论板？简述使用McCabe-Thiele图解法进行简单蒸馏或精馏计算的基本步骤。指出该图解法适用于理想物系蒸馏的依据。

四、

解释传质推动力的概念。在填料塔吸收过程中，影响传质效率的主要因素有哪些？为提高低浓度气体的吸收效率，可以采取哪些措施？

五、

某离心泵输送密度为1200kg/m3的液体，流量为50m3/h。泵的扬程为20m（水柱），效率为70%。试计算该泵的轴功率（忽略管路损失）。若将泵的转速提高20%，其他条件不变，估算其新的扬程和轴功率。

六、

比较板式塔和填料塔在结构、操作弹性、压降、传质效率等方面的优缺点。在哪些情况下优先选择填料塔？

七、

简述影响固体颗粒沉降速度的因素。在连续沉降槽中，为提高处理能力和分离效率，可以采取哪些方法？

八、

描述流化床反应器的基本工作原理。与固定床反应器相比，流化床反应器有哪些优点和缺点？适用于哪些类型的化学反应？

试卷答案

一、

答案：伯努利方程的应用条件主要包括：①流体为定常流动；②流体为不可压缩流体；③流体流动沿流线或管道内流动；④忽略或计入位能变化，但流体间的粘性阻力（摩擦阻力）和热传递可忽略，或通过引入动能修正系数和压头损失项来考虑。在化工流体输送系统中，利用伯努利方程可以通过测量管路不同截面处的压力、流速以及高程，分析计算管路中的能量损失（表现为压降），判断泵或风机所需的功率，评估管道系统的流动状态（如层流、湍流）。

解析思路：首先要回答伯努利方程的适用前提。其次，说明实际流体流动中存在能量损失（摩擦阻力等），解释伯努利方程如何通过引入修正项（如动能修正、压头损失）或在特定条件下（忽略次要因素）来应用于工程计算，最后点明其在工程分析中的具体用途，如能量损失分析、泵/风机功率估算等。

二、

答案：列管式换热器通常选用逆流操作的主要原因是：在相同的冷热流体进/出口温度下，逆流操作所能达到的最大温差（冷热流体出口温差）小于并流操作，这使得逆流操作在冷热流体出口温差接近时，能够实现更高的平均温差，从而提高传热效率，或者在相同传热效率下，可以减少换热器的传热面积，节省设备投资。其主要区别在于：①逆流时，冷热流体的最大温差出现在出口端，平均温差较大；并流时，冷热流体的温差沿程逐渐减小，平均温差较小。②逆流操作允许冷热流体的出口温度更接近，尤其适用于冷流体温度较低或热流体需要回收较多热量的情况；并流操作中，冷热流体的出口温度不能低于热流体的入口温度。

解析思路：核心在于理解逆流和并流两种流动方式导致平均温差不同的原因。解释逆流为何能获得更高的最大温差和平均温差，并推导出其在传热效率或设备面积上的优势。接着对比两种流动方式下温差分布沿程的变化特点，并举例说明不同操作方式的应用场景。

三、

答案：理论板是指在一个塔板上，气相组成和液相组成达到平衡的状态，可以认为气液两相在此处进行了充分的接触和交换。使用McCabe-Thiele图解法进行简单蒸馏或精馏计算的基本步骤如下：①根据物系特性，确定相对挥发度；②在坐标纸上绘制平衡线（y=x线与对角线之间的斜线段）和操作线（根据进料热状态确定斜率和截距）；③从进料组成点开始，交替在平衡线和操作线之间作水平线和垂直线，直至达到或接近塔顶/塔底要求；④统计梯级数，根据塔板效率计算实际塔板数；⑤计算馏出液和残液的组成。该图解法适用于理想物系蒸馏的依据是：①理想物系的气液平衡关系可以用简单的直线关系（y=x+α(x-1)/(α-1)）或通过查图/表获得；②假设塔内各处混合均匀，气液平衡关系在整个塔内相同。

解析思路：先定义理论板的概念。然后分步阐述McCabe-Thiele图解法的核心绘图过程和依据（平衡线、操作线、梯级图解）。最后解释其适用理想物系的条件，即理想物系平衡关系的特殊性以及图解法基于的假设。

四、

答案：传质推动力是指气相分压与液相平衡分压之差（对于气膜控制）或液相浓度与液相平衡浓度之差（对于液膜控制），它驱动了物质从高浓度区向低浓度区传递。影响填料塔吸收效率的主要因素有：①气液平衡关系：平衡线位置和形状直接影响传质推动力；②气液接触面积和接触质量：填料的类型、比表面积、润湿性等影响接触效率；③流体流量和流速：影响传质速率和塔内流动状态（如液泛）；④温度和压力：影响平衡常数和传质系数。为提高低浓度气体的吸收效率，可以采取：①降低体系的总压（提高气相分压，增大推动力）；②升高体系温度（