华南理工大学硕士学位研究生考试化工原理.docx
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华南理工大学硕士学位研究生考试化工原理
华南理工大学
2003攻读硕士学位研究生入学考试试卷
(请在答题纸上做答,试后本卷与答题纸一同交回)
科目名称:
化工原理
适用专业:
纸浆造纸工程、制糖工程、环境工程
一.填空(在括号内填入适当的文字)(40分)
1.流量计安装时,孔板流量计可以在()方向安装,转子流量计()方向安装,流体流动方向应取()。
2.图示,流体在园管中自上而下流动,通过l段的摩擦阻力损失为h∫ab,压强差为△pab,指示液高度为R1,若流量及其他条件都不变,使流体自下而上流动通过该l段,则改变流动方向后的阻力损失h∫ba与改变前h∫ab的关系为(),改变后的压强差△pba与改变前的△pab关系为()。
改变前R1与改变后R2()。
3.当流体的温度升高时,离心泵的安装高度();流量不变,当吸入管的管径减少时,离心泵的安装高度()。
4.固体颗粒在一长方体的沉降室中沉降,沉降过程符合stocks定律;气体的处理量不变,若在沉降室的1/2高度处加一与沉降面积相同的隔板,此时该沉降室能沉降最小颗粒的直径是原来的()倍。
5.一台转筒真空过滤机,其他条件不变,
提高真空度,不利于提高生产能力();
提高悬浮液的温度,有利于提高生产能力();
增加浸没度,有利于提高生产能力();
6.为了减少保温瓶的热损失,
在瓶胆的夹层中抽真空是为了减少()形式的热损失;
在瓶胆的夹层中镀水银是为了减少()形式的热损失;
7.在大容器内饱和液体沸腾时,影响沸腾状态的主要因素是();工业生产中一般总是设法液体沸腾控制在()状态下操作。
8.理想物系,平衡时测得气相组成是液相组成的两倍。
若将含轻组分50%的该物系进行平衡蒸馏分离,控制液化率50%,分离后馏出物轻组分浓度是原料含轻组分浓度的()倍。
9.蒸馏是利用各组分的()不同特性实现分离的。
精馏是通过多次的()和()的过程分离混合物。
10.吸收操作时,吸收塔总压增加一倍,相平衡常数m()倍,增加压力对吸收操作();吸收塔温度增加,相平衡常数m(),增加温度对吸收操作()。
11.假定吸收系统的相平衡常数m为零,填料高度及其他条件不变,若增加气体流量,吸收率将变()。
12.影响恒速干燥速率的主要因素是()
影响降速干燥速率的主要因素是()
13.恒速干燥过程中,如果其他条件不变,空气的相对湿度增大,干燥速率将();空气的相对湿度达到饱和,干燥速率将为(),写出作为以上分析依据的表达式()。
二.(15分)有一输水系统如图所示,管子规格为φ48×4,已知管路阻力(直管和局部阻
力)损失为:
试求:
(1)该体系的流量;
(2)若欲使流量增大20%,水箱的高度应增加多少米?
(设摩擦阻力系数不变)
三.(13分)已知泵特性方程为He=20-2V2(m),其中V———体积流量,m3/min),单泵的流量为1m3/min,两敞口容器的液面高差为10m,试问当流量为1.5m3/min时,采用两泵串联还是并联操作,才能满足输送要求?
设阻力系数为常数。
四.(12分)有一转筒过滤机,转速为2分钟转一周,生产能力为4m3/h,现将生产能力增大到5m3/h,试问转速应增加到多少?
滤饼厚度为原来的多少倍?
五.(15分)一列管式换热气,壳程120℃的蒸气冷凝放热,将管程中20℃的空气加热到80℃,若将该换热气改为双管程,其他条件不变,设空气作完全湍流,物性随温度的变化可忽略,此时空气的出口温度为多少?
六.(15分)一常压操作的精馏塔用来分离苯和甲苯的混合物,已知进料中含苯0.5(摩尔分率,下同),泡点进料。
塔顶产品组成为0.9,塔底产品组成为0.03,塔顶为一个分凝器和一个全凝器,泡点回流,系统的平均相对挥发度为2,回流比是最小回流比的2倍,试求:
(1)精馏段操作线方程。
(2)离开塔顶第一块理论板的上升蒸气组成。
七.(15分)在逆流操作的吸收塔中,用清水吸收氨——空气混合气中的氨,混合气进塔时氨的浓度Yt=0.01(摩尔比),吸收率90%,操作压力760mmHg,溶液为稀溶液,系统平衡关系服从拉乌尔定律,操作温度下,氨在水溶液的饱和蒸气压力为684mmHg,传质单元高度为0.5米,试求:
(1)最小单位吸收剂用量。
(2)当吸收剂用量为最小用量的2倍时,填料层的高度为多少米?
(3)出口液体的浓度为多少?
八.(10分)已知一个干燥系统的操作示意图如下:
(1)在I—H图中画出过程示意图
(2)求循环空气量L
九.(15分)料组成xt=0.2,以饱和蒸气状态自精馏塔底部进料,塔底不再设再沸器,xp=0.95,xn=0.11,平均相对挥发度为2.5。
试求:
(1)操作线方程
(2)若离开第一块板的实际液相组成为0.85,则塔顶第一块板以气相表示的单板效
率为多少?
华南理工大学
2004年攻读硕士学位研究生入学考试试卷(329)参考答案
科目名称:
物理化学(化)
适用专业:
无机化学、分析化学、物理化学、环境科学
一.2mol乙醇在正常沸点(78.4℃)下,变为蒸汽,其摩尔汽化焓为41.50kJ·mol-1,乙醇蒸汽可视为理想气体。
(1)试求该相变过程的Q,W,△U,△S,△A,△G。
(2)若乙醇摩尔汽化焓可认为与温度无关时,那么50℃时乙醇的饱和蒸汽压应为多少?
(3)当2mol乙醇蒸汽在Pa下,从78.4℃升温至100℃时,△H,△S各为多少?
(已知Cp,m(C2H5OH,g)=65.44J·mol-1·K-1)。
(本题15分)
解:
(1)Qp=∆H=n∆vapHm=2mol×41.50kJ·mol-1=83.00kJ
W=-p∆V=-pVg=-nRT=-[2×8.315×(273.15+78.4)]J=5846J
∆U=Q+W=83.00kJ+5.846kJ=88.85kJ
∆S=Q/T=83000J/(273.15+78.4)K=236.1J·K-1
∆G=0(可逆相变)
∆A=∆U-T∆S=W=5846J
(2)已知T=351.55K,p=101.325kPa,蒸发焓∆vapHm=41.50kJ·mol-1,利用克-克方程可求T’=323.15K时的蒸气压p’:
ln(p’/101.325kPa)=-(41500/8.315)[(1/323.15)-(1/351.55)]
p’=28.10kPa
(3)乙醇蒸汽Cp,m与温度无关,
△H=nCp,m△T=(2×65.44×21.6)J=2827J
△S=nCp,mln(T2/T1)=[2×65.44×ln(373.15/351.55)]J·K-1=7.804J·K-1
二.已知在298K,100kPa下,反应:
C2H4(g)+H2O(l)==C2H5OH(l)
数据如下:
(C2H4(g)视为理想气体)
C2H4(g)
H2O(l)
C2H5OH(l)
△fHmθ/kJ·mol-1
52.26
-285.83
-277.7
Smθ/J·mol-1·K-1
219.6
69.91
161
Cp,m/J·mol-1·K-1
43.56
75.291
111.5
(1)试求在298K下,反应的标准平衡常数Kθ。
(2)在298K时,当乙烯的压力为200kPa,能否生成C2H5OH(l)?
(3)在500K,100kPa下,反应的△rHmθ和△rSmθ各为多少?
升高温度对C2H5OH(l)生成是否有利?
(本题20分)
解:
(1)△rHmθ=∑vB△fHm,Bθ=(-277.7-52.26+285.83)kJ·mol-1=-44.13kJ·mol-1
△rSmθ=∑vBSm,Bθ=(161-219.6-69.91)J·mol-1·K-1=-128.51J·mol-1·K-1
△rGmθ=△rHmθ-T△rSmθ=[-44130-298×(-128.51)]J·mol-1=-5834J·mol-1
Kθ=exp(-△rGmθ/RT)=exp[-(-5834)/(8.315×298)]=10.53
(2)Jp=p(C2H4)/pθ=200kPa/100kPa=2 (3)△rCp=∑vBCp,m,B=(111.5-43.56-75.291)J·mol-1·K-1=-7.351J·mol-1·K-1 △rHmθ(500K)=△rHmθ(298K)+△rCp△T=(-44130-7.351×202)J·mol-1 =-45615J·mol-1 △rSmθ(500K)=△rSmθ(298K)+△rCpln(T2/T1)=[-128.51-7.351×ln(500/298)]J·mol-1·K-1 =-132.31J·mol-1·K-1 △rGmθ=△rHmθ-T△rSmθ=[-45615-500×(-132.31)]J·mol-1=20540J·mol-1>0 可见500K时反应无法正向进行,即升温对反应不利。 三.电池Pt│H2(100kPa)│HCl(0.1mol·kg-1)│Hg2Cl2(S)│Hg 在298K时电动势为0.3724V,标准电动势为0.3335V,电动势的温度系数为1.526×10-4V·K-1。 (1)写出正、负极及电池反应。 (2)计算在298K时该反应的标准平衡常数Kθ,△rGm,Qr,m。 (3)计算在298K时,HCl(0.1mol·kg-1)水溶液的活度、平均活度a±及离子平均活度系数γ±。 (本题15分) 解: (1)正极: Hg2Cl2(s)+2e-→2Hg+2Cl- 负极: H2(100kPa)→2H++2e- 电池反应: Hg2Cl2(s)+H2(100kPa)=2Hg+2HCl(0.1mol·kg-1) (2)Kθ=exp(zFEθ/RT)=exp[2×96500×0.3335/(8.315×298)]=1.911×1011 △rGm=-zFE=(-2×96500×0.3724)J·mol-1=71.87kJ·mol-1 Qr,m=zFT( ∂E/∂T)p=(2×96500×298×1.526×10-4)J·mol-1=8777J·mol-1 (3)Nernst方程: E=Eθ-(0.05916V/2)ln{a(HCl)2/[p(H2)/pθ]} 代入: 0.3724V=0.3335V-0.02958V×ln{a(HCl)2/[100kPa/100kPa]} 得: a(HCl)=0.5170 b±=(b+v+b-v-)1/v=(0.11×0.11)1/2mol·kg-1=0.1mol·kg-1 a±=a(HCl)1/v=0.51701/2=0.7190 γ±=a±/(b±/bθ)=0.7190/(0.1)=7.190 四.某电镀液含有Sn2+,Cu2+离子,其活度分别为: aSn2+=1,aCu2+=1,已知EθSn2+/Sn=-0.1366V,EθCu2+/Cu=0.3400V,不考虑超电势,在298K下,进行电镀。 (1)何者首先在阴极上析出? (2)当第二种金属也开始析出时,原先析出的金属离子在镀液中的浓度为多少? (3)为了得到铜锡合金,你认为应采取何种措施? (本题15分) 解: (1)还原电势越大,氧化态越易还原,因为 ECu2+/Cu=EθCu2+/Cu=0.3400V>ESn2+/Sn=EθSn2+/Sn=-0.1366V 所以Cu首先析出。 (2)当Sn开始析出时, ECu2+/Cu=EθCu2+/Cu-(0.05916V/2)ln[a(Cu2+)-1]=ESn2+/Sn=EθSn2+/Sn=-0.1366V 即 0.3400V+0.02958V×lna(Cu2+)=-0.1366V 得a(Cu2+)=1.006×10-7 (3)若铜和锡同时析出,可得合金。 通过降低Cu2+浓度或提高超电势,提高Sn2+浓度或降低超电势,使两种金属的析出电势接近,有可能得到合金。 五.A、B两液体能形成理想液态混合物,已知在温度为t时,纯A、纯B的饱和蒸汽压分别为pA*=40kPa,pB*=120kPa。 (1)若将A、B两液体混合,并使此混合物在100kPa,t下开始沸腾,求该液态混合物的组成及沸腾时饱和蒸汽压的组成(摩尔分数)? (2)在298K,100kPa下,1molA和1molB混合,求混合过程的△mixGm,△mixHm,△mixSm以及A的化学势变化∆μA(已知△fGmθ(A,l,25℃)=123kJ·mol-1)。 (本题10分) 注意: 原题求化学势,意义不明确,是始态还是终态的化学势? 另外,化学势无绝对值,所以无法求绝对值。 这里改成化学势变化比较合理。 解: (1)p=pA*xA+pB*xB=pA*+(pB*-pA*)xB xB=(p-pA*)/(pB*-pA*)=(100kPa-40kPa)/(120kPa-40kPa)=0.75 yB=pB*xB/p=120kPa×0.75/100kPa=0.90 (2)△mixHm=0 △mixSm=-R(xAlnxA+xBlnxB)=[-8.315×(0.5ln0.5+0.5ln0.5)]J·mol-1·K-1 =5.764J·mol-1·K-1 △mixGm=△mixHm-T△mixSm=0-298K×5.764J·mol-1·K-1=-1718J·mol-1 ∆μA=RTlnxA=(8.315×298×ln0.5)J·mol-1=1718J·mol-1 六.水-异丁醇系统液相部分互溶,在Pa下,系统的共沸点为89.7℃,气(G),液(L1),液(L2)三相平衡时的组成(含异丁醇%质量)依次为70.0%,8.7%,85.0%。 已知水,异丁醇正常沸点分别为100℃,108℃。 (1)画出水-异丁醇系统平衡的相图(t~w/%图)(草图),并标出各相区的相态。 (2)共沸点处的自由度数F为多少? (3)350g水和150g异丁醇形成的系统在Pa下,由室温加热至温度刚到共沸点时,系统处于相平衡时存在哪些相? 其质量各为多少? (本题15分) 解: (1)相图和相态见右图。 (2)共沸点时三相共存,F=0。 (3)存在两个液相,其组成分别为8.7%和85.0%,设液相L1的质量为m1,利用杠杠规得 m1(0.3-0.087)=(500g-m1)(0.85-0.3) m1=360g m2=500g-360g=140g 七.某双原子分子的振动频率v=5.72×1013s-1,求298K时该分子的振动特性温度ΘV,振动配分函数qV。 (玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J·K-1,普朗克常数h=6.626×10-34J·s)(本题10分) 解: ΘV=hv/k=(6.626×10-34×5.72×1013/1.38×10-23)K=2746K qV=1/[exp(ΘV/2T)-exp(-ΘV/2T)]=1/[exp(2746/2/298)-exp(-2746/2/298)]=0.00998 八. (1)20℃时将半径为5×10-5m的毛细管插入盛有汞的容器中,在毛细管内的汞面下降高度为11.10cm。 若汞与毛细管壁的接触角为140°。 汞的密度为1.36×104kg·m-3,求汞的表面张力。 (2)若20℃时水的表面张力为0.0728N·m-1,汞-水的界面张力为0.375N·m-1。 试判断水能否在汞的表面铺展开? (本题15分) 解: (1)∆p=ρgh=2γ/r=2γcosθ/r’ 即γ=ρghr’/2cosθ=1.36×104kg·m-3×9.80m·s-2×(-0.1110m)×5×10-5m/(2×cos140°) =0.4828kg·s-2=0.4828N·m-1 (2)cosθ=(γ汞-γ汞-水)/γ水=(0.4828-0.375)/0.0728=1.481>1,所以可以铺展。 或S=γ汞-γ汞-水-γ水=(0.4828-0.375-0.0728)N·m-1=0.035N·m-1>0,可以铺展。 九.测得使1.0×10-5m3Al(OH)3溶胶明显聚沉时,最小需加1.0×10-5m3浓度为1.0mol·dm-3的KCl溶液,或加6.5×10-6m3浓度为0.1mol·dm-3的K2SO4溶液。 试求上述两电解质对Al(OH)3溶胶的聚沉值和聚沉能力之比,并说明该溶胶胶粒的电荷。 (本题15分) 解: 聚沉值 KCl: [1.0×10-5/(1.0×10-5+1.0×10-5)]×1.0mol·dm-3=0.5mol·dm-3 K2SO4: [6.5×10-6/(6.5×10-6+1.0×10-5)]×0.1mol·dm-3=0.03939mol·dm-3 聚沉能力之比: KCl: K2SO4: =(1/0.5): (1/0.03939)=1: 12.69 从中可知,起聚沉作用的主要是负离子,所以该溶胶胶粒带正电。 十.实验测得恒容气相反应NO+O3→NO2+O2为二级反应,25℃时速率常数为1.20×107dm3·mol-1·s-1。 假定NO与O3的起始浓度均为0.1mol·dm-3时, (1)求反应时间为1.0秒时O3的浓度; (2)求NO浓度下降到起始浓度的1/4时所需要的时间。 (本题20分) 解: (1)c(O3)=c(NO)=c,c0=0.1mol·dm-3,二级反应有 c-1-c0-1=kt 即c=1/(kt+c0-1)=1/(1.20×107dm3·mol-1·s-1×1.0s+0.1-1dm3·mol-1) =8.333×10-8mol·dm-3 (2)t=(c-1-c0-1)/k=(0.025-1-0.1-1)dm3·mol-1/(1.20×107dm3·mol-1·s-1)=2.5×10-6s
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