北京化工大学BASF杯.docx

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北京化工大学BASF杯

北京化工大学“BASF”杯

第一届化工原理学科竞赛试题及答案

、简答题

1.（5分）医院输液容器即为一马里奥特恒速装置：

如图所示，为了使高位槽底部排出

的液体量不随槽中液面的下降而减少，通常可将高位槽上端密封，并于底部设置与大气相通

的细管。

试说明其恒速原理。

在大气压力的作用下，A管中

U2

解答：

由于液体从下管排出而使槽内上方空间形成真空，的液面开始下降，降至A处时，空气进入槽内补充，从而使槽中A截面处的压力始终为大气压力。

在1-2截面列柏努利方程，

Pi

P

所以丄f.〔2zig

由此可见，只要液面下降不低于A处，则h2一定，流速一定。

一旦A处暴露，则h2

下降，出口流速相应减少。

2.（3分）日常生活中存在大量正确利用传热学原理强化或削弱传热过程的实例，试针对导热、对流传热和热辐射三种传热方式各举一例

答：

（1）导热——房屋窗户采用双层玻璃，中间抽成真空

（2）对流一一电风扇

（3）热辐射一一暖壶胆表面涂以银白色，并且光洁度很高

3.（5分）生产中有一股热流体需要被降低至一定温度，选用液氨作为冷剂，利用其蒸发达到致冷的目的。

（1）试构想出一种合适的换热器，图示其主要结构，并在图中标出其所有相关物流的名称、流向。

（2）生产中如果要改变冷却效果，例如，使热流体出口温度更低，试给出一种合理、可行的方法。

答：

（1）

汽氨

热流体

液氨液氨

（2）答：

在汽氨管线上设置阀门，通过改变阀门的开度调整换热器壳程的压力，从而改变壳程液氨的温度，实现对传热过程的调整。

要使热流体出口温度降低，只需开大阀门，降低壳程压力（温度）

4.（8分）一逆流吸收塔，气量、液量和塔高不变，气膜控制过程，在气体和吸收剂进口组

成不变的情况下，使得吸收温度降低，吸收属于低浓度吸收，且温度对ky的影响可忽略,

试通过具体分析过程指出吸收效果如何变化？

示意性画出平衡线和操作线如何变化？

定性分析吸收推动力如何变化？

tJ,mJ,气膜控制过程，Ky=ky

所以，Hog=V/Kya不变，塔高不变，Nog不变，S二』-*

L/V

由吸收因数关联图得_mx2,-yi_mX2=c.0,yi—cy2=mx2（1—c）

y2_mx2y2-mx2

y2J

由L（x1-x2）=V（y1-y2）,x1

见图

所以，推动力增加

、计算题（20分）

某工厂用离心泵从凉水塔底部向换热器供应冷却水，如图所示。

所有管内径均为

100mm，总长为200m。

管内流动已进入阻力平方区，摩擦系数为0.025。

凉水塔常压操作，

冷却水入塔喷头与塔底水面相差5m。

所用离心泵为IS100-65-200型，转速在2900rpm下,

其特性可表示为:

压头：

H=550.0333qV-8.33310°qfm

效率：

r=260.875qV-3.7510，qj%

式中qV的单位为m3/h。

（1）夏季冷却水用量为90m3/h,而冬季冷却水用量比夏季减少20%，用阀门来调节流量，则阀门的局部阻力系数增加多少？

消耗在阀门上的轴功率为多少？

（2）原本用阀门调节流量，现经过技术改造，将电机更换为变频调速电动机，则电机转速将调至多少？

一个冬季可节省电费多少元（设电费为0.80元/度，一季度以

90天计）？

（3）离心泵在夏季操作中，某日出现了异常情况：

压力表及流量计读数均比正常值小,

甚至出现不稳定状况，试对此故障进行诊断，并提出改进措施。

解：

（1）夏季输送量为90m3/h时，工作点如A点所示。

由泵的特性方程，泵产生的压头为

H=550.0333qV-8.33310，qV=550.033390-8.33310，902=51.25m

设此时管路的特性方程为

He=5BQ2

代入51.25=5•B902

所以

又

所以

51.25—5

2

902

=5.7110’

8

二2gd4

1

2

36002

^（。

血厶200三4冷=5.7110；

0.1Hg0.13600

1'=39.47

冬季流量减小为

'3

qv=900.8=72m/h

泵产生的压头为

H'=550.0333qV-8.33310^qV=550.033372-8.33310*72^53.1m

所以B'=空5=9.2810，

722

又B'=（」•丁）28412=（0.025200•1）28412=9.2810」

dgd4360020.1g0.1436002

所以]'=95.41

由于阀门关小引起的局部阻力系数增大为（95.41-39.47）=55.94

阀门原开度时管路1中C的压头：

3232

Hec=55.7110qV=55.711072=34.6m

阀门关小导致压头的增加为：

二H=HB-HC=53.1-34.6=18.5m

效率：

=260.875qV-3.7510“qV=260.87572-3.7510”722=69.56%

轴功率增加为

&qV却內72/3600X18.5X1000X9.81

P一5.22kW

□0.6956

（2）关小阀门时，％=72m3/h，泵的效率为=69.56%

求取新转速下泵的特性方程

设转速减少率小于20%,由比例定律

代入原转速下的泵特性方程中

H=550.0333qv-8.33310*qV

得新转速下的泵特性方程

0.0333

qV'-8.33310

'2

qv

将新工作点C：

qVC=72m3/h,Hc=34.6m代入上式

n

得0.820

n

即n=0.82n=0.822900=2378rpm

此时n=0.18=18%：

：

:

20%，比例定律适用。

n

与新转速qVC对应的原转速下的等效率点为

qVC1n1

qVCn0.82

该点下效率为

qVC1qVC87.8m3/h

0.82

=260.875qV-3.7510“qV=260.87587.8-3.7510’87.8^73.9%

此时泵的轴功率为

-qvHg72/360034.610009.81

0.739

P9.19kW

n

若一个冬季按90天计，调频较之关小阀门节省电费:

（14.98-9.19）90240.8=10005元

（3）出现以上现象的根本原因为泵内有气体。

可能原因：

①从塔内液体中带入：

凉水塔中水流撞击液面或液位下降，水从液面夹带大

量空气直冲泵吸入口，使泵吸入大量空气；②系统不严密引起：

吸入管路中各法兰接口以及阀门处发生漏气，填料函、水封密封不严，真空表接头松动；③泵发生汽蚀：

如循环回水温

度过高或吸入管路阻力增大（吸入阀门未完全打开；吸入管路堵塞或滤器脏污）。

三、计算题（17分）

在传热面积为5m2的换热器中用冷却水冷却某溶液。

冷却水流量为1.5kg/s，入口温度

为20C，比热为4.17kJ/kgK;溶液的流量为1kg/s，入口温度为78C,比热为2.45kJ/kgK。

已知溶液与冷却水逆流流动，两流体的对流传热系数均为1800W/m2Ko

（1）试分别求两流体的出口温度？

（2）现溶液流量增加30%,欲通过提高冷却水流量的方法使溶液出口温度仍维持原值，

试求冷却水流量应达到多少？

（设冷却水和溶液的对流传热系数均与各自流量的0.8次方成

正比，忽略管壁热阻和污垢热阻）（提示，可初估冷却水流量增为原来的1.5倍）

解：

（1）总传热系数近似用下式计算：

K=1—■—=1=900W/m2K

f01口2丿/V8001800丿

lnU押仝=耳；_qm^\9p0<5R一仆2450［曰北（a）

T2-t1T2—20qm1Cp1Iqm2Cp^仔2450^1.5«170丿

热平衡方程:

qm1Cp1

0.392

qm2Cp2

T1-T2

_t2-20

78-T2

心）式（b）式联立求解得：

T2=33.19C;t2=37.56C

（2）新工况下的总传热系数:

K，K

f

1

01

-2q'm2/qm2

1

q'm2/qm2

将已知数据代入上式:

新工况下热平衡方程:

试差求解上述关于q'm2gm2和匕的方程组，可得：

Q'm2/Qm?

日如8；5=36.09

所以，冷却水流量需要提高至q'm2=1.4181.5=2.127kg/s

试差过程如下

初估q'm2/qm2工佔，由平衡方程可得

由（*）式可得

In

T1—t”2

2KA

T”2-t1

1/1.30.81/1.50.8q'm1Cp1

联立求解（e）和（f），可得T"2=32.61c

故q'm2/qm2二仁5比真实值偏高，下一步试差应下调q'm2gm2

四、计算题（17分）

一逆流吸收塔用洗油吸收煤气中所含的苯蒸汽，煤气进塔组成0.025（摩尔分率，下同），

吸收剂入塔组成0.004,煤气出塔组成0.001,液气比为0.2,吸收塔内气液平衡关系ye=0.11x,该体系为气膜控制，若要求出吸收塔气体中苯蒸汽的组成降为0.00044和0.0004，在塔高不

变的情况下，应如何调节？

调节的参数是什么？

调到多大？

解：

情况1y2=0.00044

x2=0.004

y2e=mx2=0.110.004=0.00044=y2

所以，①H不变，L为无穷大，才能行。

②L/V不变，X2J

HOG不变，NOG不变，S不变，所以

—mx2—mx2

'i

y?

-mx2y2-mx2

情况2y2=0.0004

所以，L/V，同时X2（

X2=0.002,s'=』-L/V

Nog

1In

1-S

■-in.N-0.55）0.025—0.11汉0.004+0.55〕6.69

1-0.55卜：

0001-0.110.004

nog

—Nog=■ln

1-sZ

-mx2

0.025-0.11x2.S

0.0004-0.11x2

试差S=0.322,（L/V）=0.11/0.322=0.3416

五、（10分）证明题

在某精馏塔段内，气液平衡关系为y二mx，上升蒸汽的摩尔流量为V（koml/h），下降液

EmV与EmL

体的摩尔流量为L（koml/h），塔内可视为恒摩尔流动，且塔板上液体混合均匀;

为塔段内第n板的气相与液相默弗里板效率。

试推导:

（1）EmV=f（EmL，mV）的函数表达式;

EmV—EmL。

（2）试讨论在何情况下，

解：

（1）默弗里效率:

匚yn—yn・1

EmV二~*

yn—y^

EmL

XnJ■■Xn

Xn』.~'Xn

相平衡方程:

yn=mXn

yn

m

物料衡算式:

V（yn-yn1）二L（Xn」-Xn）

=■yn1=yn—t（Xn」一Xn）

L

yn1-yn・1=V（Xn」…xn）

联立求解:

L

V（Xn」-Xn）

mXn—ynj（Xn」—Xn）

L

L

L

（Xn」一Xn）

mV

mV

mV

-*L

（Xn-Xn）（Xn4■Xn）

mV

—*

Xn—XnL

—*

Xn」—Xn

Xn」—Xn

■L

Xnd「XnmV

Xn」—Xn

Xn」—Xn

mV

L

mV

EmL

-1L

-mV

1■-

（1-EmL）EmL

EmLmV

L

（2）若mV=1，即操作线和平衡线相平行时，EmV二EmL。

L

六、（15分）计算题

某精馏塔共有5块理论板（包括塔釜），料液含易挥发组分25%（摩尔分数），相对挥发度为2.5,以饱和蒸汽状态从第三块板加入，塔釜的蒸发量与加料量相同。

现由于塔顶采出管路堵塞，塔顶料液全部回流，问当该操作达到稳定后，塔顶回流液的组成为多少，并绘出该塔的操作线。

解：

精馏段：

V=V'F=2F=yn厂xn

L=V=2F

提馏段：

VJF,w二F=ym1=2xm-0.25

=2FXm=0.5ym10.125

逐板计算:

X5=Xw=yF=0.25

x4=0.50.45450.125=0.3523

x3=0.50.56720.125=0.4131

X2=y3=0.6367

x<|=y2=0.8184

xd=y1=0.9167

x

x