FE 化工考试练习：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 24 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

物料衡算

稳态: 输入 = 输出
总物料衡算: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
组分衡算: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
蒸发器: F·x_F = P·x_P, W = F − P

能量衡算

显热: Q = ṁ·c_p·ΔT
潜热: Q = ṁ·h_fg
混合: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
水: c_p ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

理想气体定律

理想气体定律: pV = nRT
气体常数: R = 8.314 J/(mol·K)
联合气体定律: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
物质的量: n = m/M
温度: T[K] = T[°C] + 273.15

化学计量

物质的量: n = m/M
浓度: c = n/V
物质的量之比: 使用配平方程式中的系数
限量反应物: 最先耗尽的那种反应物
产率: 实际产量 / 理论产量 × 100%

方法

写出并配平化学方程式。
把已知质量换算为物质的量：n = m/M。
用系数作为物质的量之比，求出所需物质的物质的量。
用 m = n·M 换算回质量。有两种反应物时，先找出限量反应物。

化学平衡

平衡常数: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
ICE 表（三段式）: 起始、变化（×化学计量数）、平衡
一元二次方程: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

方法

写出 K_c：产物比反应物，各自以其系数为幂次。
列 ICE 表：初始量、变化量（按系数乘以 x 变化）、平衡量。
把平衡时的表达式代入 K_c，解出 x。
检查 x 是否足够小可以近似；否则解一元二次方程。

量热与焓变

热量: q = m·c·ΔT
水: c = 4.18 J/(g·°C)
量热计: 放出的热量 = 吸收的热量
反应焓变: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

反应动力学

一级: ln(C_A/C_A0) = −kt
半衰期（一级）: t_½ = ln 2/k
二级: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
阿伦尼乌斯: k = A·e^−E_a/(RT)
两个温度: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）

空时: τ = V/Q
CSTR，一级反应: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR，一级反应: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
由体积求转化率: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N 个相同 CSTR 串联: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

换热器 (LMTD)

热负荷: Q = U·A·ΔT_lm
对数平均温差: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
物流热量衡算: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

热传导

傅里叶定律: Q̇ = kAΔT/L
导热热阻: R = L/(kA)
对流热阻: R = 1/(hA)
串联热阻: Q̇ = ΔT_total/ΣR
U 值: U = 1/(ΣR·A)

管道摩擦与水头损失

雷诺数: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
流态: Re ≈ 2000 以下为层流，Re ≈ 4000 以上为湍流
平均流速: V = Q/A, A = π·D²/4
达西–魏斯巴赫公式: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
局部损失: h_m = ΣK·V²/(2g)
典型 K 值: 进口 0.5，出口 1.0，90° 弯头 ≈ 0.3
压降: Δp = ρ·g·h_f
两个敞口水池: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
自由出流: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

水泵与泵功率

水功率: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
轴功率: P_shaft = P_h/η_pump
电功率: P_el = P_shaft/η_motor
泵扬程: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
系统损失: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2练习题

1.物料衡算中等

每小时需向物流 1 加入多少物流 2，才能使混合产品含 20% 的NaOH？求 ṁ₂。

ṁ₁ = 900 kg/hx₁ = 15 %x₂ = 30 %x₃ = 20 %

ṁ₂ = kg/h

2.物料衡算困难

蒸发器通过蒸出纯水来浓缩盐溶液。求蒸发的水量 W，单位为 kg/h。

F = 3400 kg/hx_F = 6 %x_P = 40 %

W = kg/h

3.能量衡算中等

热乙二醇混合液在无热损失的逆流换热器中冷却水。求水的出口温度 t_out。

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 60 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.能量衡算困难

热轻油在换热器中加热水，该换热器将热流体放出热量的 5% 散失到环境中。求所需的水流量 ṁ_c。

ṁ_h = 1.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 130 °Ct: 25 → 55 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)损失 = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.理想气体定律中等

280 g Ar在 400 kPa 和 25 °C 下占多少体积 V？按理想气体处理。

m = 280 gM = 39.95 g/molP = 400 kPaT = 25 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.理想气体定律困难

按理想气体处理，求CH₄在 400 kPa 和 70 °C 下的密度 ρ。

M = 16.04 g/molP = 400 kPaT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.化学计量中等

4 g N₂ 与 8 g H₂ 按 N₂ + 3H₂ → 2NH₃ 反应。最多能生成多少质量 m 的 NH₃？

M(N₂) = 28.02M(H₂) = 2.016M(NH₃) = 17.03 g/mol

m = g

8.化学计量困难

在反应 CaCO₃ → CaO + CO₂ 中，6 g CaCO₃ 完全反应（其他反应物过量），收集到 2.48 g CO₂。求产率 Y。

M(CaCO₃) = 100.09 g/molM(CO₂) = 44.01 g/mol实际: 2.48 g

Y = %

9.化学平衡中等

将 0.1 mol/L 的 H₂ 和 0.1 mol/L 的 I₂ 放入容器中发生反应：H₂ + I₂ ⇌ 2HI，K_c = 50。求平衡浓度 [H₂]。

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.1 mol/LK_c = 50

[H₂] = mol/L

10.化学平衡困难

PCl₅ 发生分解：PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂，在反应温度下 K_c = 0.08。容器中起始时只有 1.5 mol/L 的 PCl₅。求平衡浓度 [PCl₅]。

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LK_c = 0.08

[PCl₅] = mol/L

11.量热与焓变中等

将一块 100 g、温度为 150 °C 的铁块（c = 0.449 J/(g·°C)）投入隔热杯中 250 g、温度为 16 °C 的水（c = 4.18 J/(g·°C)）中。求末温 T_f。

m_metal = 100 gc_metal = 0.449 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 250 gT_water = 16 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.量热与焓变困难

利用标准生成焓求反应 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l) 的 ΔH°。

ΔH°f(C₄H₁₀) = −125.6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.反应动力学中等

在一个一级反应中，A 的浓度在 15 min 内从 1.5 mol/L 降到 0.75 mol/L。求速率常数 k。

C_A0 = 1.5 mol/LC_A = 0.75 mol/Lt = 15 min

k = min⁻¹

14.反应动力学困难

某反应的速率常数在 20 °C 时为 0.02 min⁻¹，在 45 °C 时为 0.191 min⁻¹。求活化能 E_a。

k₁ = 0.02 min⁻¹T₁ = 20 °Ck₂ = 0.191 min⁻¹T₂ = 45 °CR = 8.314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）中等

一个液相一级反应须达到 80% 的转化率。在进料流量、速率常数和转化率都相同时，CSTR 的体积须是 PFR 的多少倍？求该比值 V_CSTR/V_PFR。

X = 80%一级反应，k 和 Q 相同

V_CSTR/V_PFR =

16.反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）困难

一个液相一级反应（k = 0.25 min⁻¹）在进料流量为 40 L/min 的 50 L CSTR 中进行。密度恒定，反应器处于稳态。求转化率 X，以百分比计。

V = 50 LQ = 40 L/mink = 0.25 min⁻¹

X = %

17.换热器 (LMTD)中等

一台逆流换热器传热 130 kW。热流体从 115 冷却到 80 °C，冷流体从 20 加热到 45 °C。总传热系数为 300 W/(m²·K)。求所需传热面积 A。

Q̇ = 130 kWU = 300 W/(m²·K)T_h: 115 → 80 °CT_c: 20 → 45 °C

A = m²

18.换热器 (LMTD)困难

热油（1 kg/s，c_p = 2.5 kJ/(kg·K)）在逆流换热器中从 140 冷却到 65 °C。它加热 1.5 kg/s 的水（c_p = 4.18 kJ/(kg·K)），水的入口温度为 10 °C。已知 U = 200 W/(m²·K)，求所需传热面积 A。

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2.5 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 65 °Cṁ_c = 1.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 10 °CU = 200 W/(m²·K)

A = m²

19.热传导中等

一面墙由 250 mm 的玻璃和 50 mm 的木材组成，面积为 4 m²。外表面温度为 21 °C 和 7 °C。求通过墙体的热流量 Q̇。

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 21 °CT₃ = 7 °C

Q̇ = W

20.热传导困难

由 50 mm 石膏板和 25 mm 发泡聚苯乙烯组成的墙，将 21 °C 的房间与 -10 °C 的室外空气隔开。对流换热系数室内为 6 W/(m²·K)，室外为 30 W/(m²·K)，墙面积为 6 m²。求通过墙体的热损失 Q̇。

L₁ = 50 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -10 °C

Q̇ = W

21.管道摩擦与水头损失中等

水以 200 L/s 的流量流过一根长 300 m、内径 300 mm 的管道。取达西摩擦系数 f = 0.03，g = 9.81 m/s²。求沿程水头损失 h_f。

Q = 200 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0.03g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.管道摩擦与水头损失困难

两个敞口水池由一根长 300 m、内径 200 mm、达西摩擦系数 f = 0.018 的管道连接。上游水池水面比下游水池水面高 23 m。局部损失包括一个直角进口（K = 0.5）、4 个弯头（每个 K = 0.3）、一个阀门（K = 5）以及流入下游水池的出口（K = 1.0）。取 g = 9.81 m/s²。求流量 Q，以 L/s 计。

Δz = 23 mL = 300 mD = 200 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 5K_exit = 1.0

Q = L/s

23.水泵与泵功率中等

一台水泵以 38 m 的扬程输送 80 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）。水泵效率为 82%，驱动它的电动机效率为 88%。取 g = 9.81 m/s²。求电动机取用的电功率 P_el，以 kW 计。

Q = 80 L/sH = 38 mη_pump = 82%η_motor = 88%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

24.水泵与泵功率困难

一台水泵把 40 L/s 的水（ρ = 1000 kg/m³）从敞口下游水池输送到水面高 9 m 的上游水箱。管道长 400 m，内径 150 mm，达西摩擦系数 f = 0.015；局部损失系数之和为 ΣK = 4（含进口和出口）。取 g = 9.81 m/s²。上游水箱是封闭的，水面上方空气的表压为 250 kPa。求水泵须提供的扬程 H。

Q = 40 L/sΔz = 9 mL = 400 mD = 150 mmf = 0.015ΣK = 4p_tank = 250 kPa

H = m

3溶液

1.物料衡算

答案: ṁ₂ = 450 kg/h

稳态物料衡算：总量和每个组分都满足输入 = 输出。混合问题同时用到两者。

衡算

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

求解 ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 900·(15 − 20)/(20 − 30) = 450 kg/h

答案

ṁ₂ = 450 kg/h

2.物料衡算

答案: W = 2890 kg/h

联结组分：只在一股物流中不变地通过的组分（这里是溶质）可直接关联各流量。其余由总衡算求出。

溶质衡算

F·x_F = P·x_P → P = 3400·6/40 = 510 kg/h

总物料衡算

W = F − P = 3400 − 510 = 2890 kg/h

答案

W = 2890 kg/h

3.能量衡算

答案: t_out = 40.14 °C

换热器能量衡算：无损失时 ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in)。

热流体放出的热量

Q = 0.5·3.6·(130 − 60) = 126 kW

水吸收的热量

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 126/(1·4.18) = 40.14 °C

答案

t_out = 40.14 °C

4.能量衡算

答案: ṁ_c = 0.9545 kg/s

有损失的能量衡算：放出热量 = 吸收热量 + 损失热量。

放出热量

Q_h = 1.5·2.1·(170 − 130) = 126 kW

传给水的热量

Q_c = (1 − 0.05)·126 = 119.7 kW

水流量

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 119.7/(4.18·30) = 0.9545 kg/s

答案

ṁ_c = 0.9545 kg/s

5.理想气体定律

答案: V = 43.43 L

理想气体定律：PV = nRT，其中 n = m/M。

物质的量

n = 280/39.95 = 7.009 mol

T = 25 + 273.15 = 298.1 K

体积

V = nRT/P = 7.009·8.314·298.1/400 = 43.43 L

答案

V = 43.43 L

6.理想气体定律

答案: ρ = 2.249 kg/m³

理想气体密度：ρ = PM/(RT)。

整理气体定律

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 70 + 273.15 = 343.1 K

密度

ρ = 400·16.04/(8.314·343.1) = 2.249 kg/m³

答案

ρ = 2.249 kg/m³

7.化学计量

答案: m = 4.862 g

化学计量：配平的方程式计的是粒子数，不是克数。用 n = m/M 把质量换算为物质的量，以方程式系数作为物质的量之比，再用 m = n·M 换算回质量。有两种反应物时，限量反应物是先耗尽、决定生成多少产物的那一种。

各反应物的物质的量

n(N₂) = 4/28.02 = 0.1428 mol

n(H₂) = 8/2.016 = 3.968 mol

限量反应物

0.1428/1 = 0.1428, 3.968/3 = 1.323 → N₂

产物的质量

n(NH₃) = 0.1428·2 = 0.2855 mol

m = 0.2855·17.03 = 4.862 g

答案

m = 4.862 g

8.化学计量

答案: Y = 94 %

理论产量

n(CaCO₃) = 6/100.09 = 0.05995 mol

m = 0.05995·1/1·44.01 = 2.638 g

产率

Y = 2.48/2.638·100 = 94%

答案

Y = 94%

9.化学平衡

答案: [H₂] = 0.02205 mol/L

化学平衡：对于 aA + bB ⇌ cC + dD，平衡常数为 K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)，其中使用平衡时的浓度。ICE 表（起始、变化、平衡，即三段式）通过一个未知数 x（按化学计量数缩放）把起始量与平衡量联系起来。

平衡表达式

50 = (2x)²/(0.1 − x)²

开平方

7.071 = 2x/(0.1 − x) → x = 0.1·7.071/(2 + 7.071) = 0.07795 mol/L

平衡浓度

[H₂] = 0.1 − x = 0.02205 mol/L

答案

[H₂] = 0.02205 mol/L

10.化学平衡

答案: [PCl₅] = 1.191 mol/L

平衡表达式

0.08 = x²/(1.5 − x) → x² + 0.08·x − 0.12 = 0

解一元二次方程

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.12))/2 = 0.3087 mol/L

平衡浓度

[PCl₅] = 1.5 − 0.3087 = 1.191 mol/L

答案

[PCl₅] = 1.191 mol/L

11.量热与焓变

答案: T_f = 21.52 °C

热量与焓：加热一种物质需要 q = m·c·ΔT。在量热计中，热物体放出的热量等于冷物体吸收的热量。反应的焓变可由生成焓求出：ΔH° = ΣΔH°f(生成物) − ΣΔH°f(反应物)，每一项都乘以其化学计量数。

热量平衡

100·0.449·(150 − T_f) = 250·4.18·(T_f − 16)

求末温

T_f = (44.9·150 + 1045·16)/(44.9 + 1045) = 21.52 °C

答案

T_f = 21.52 °C

12.量热与焓变

答案: ΔH° = −5755 kJ

反应焓变

ΔH° = [8·(−393.5) + 10·(−285.8)] − [2·(−125.6) + 13·0] = −5755 kJ

答案

ΔH° = −5755 kJ

为负值：该反应放出热量（放热反应）。

13.反应动力学

答案: k = 0.04621 min⁻¹

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

一级积分速率方程

k = ln(C_A0/C_A)/t = ln(1.5/0.75)/15 = 0.6931/15 = 0.04621 min⁻¹

答案

k = 0.04621 min⁻¹

14.反应动力学

答案: E_a = 69.99 kJ/mol

反应速率：一级反应 −dC/dt = kC，所以 C = C₀·e^−kt，半衰期 ln 2/k 与浓度无关。二级反应 1/C = 1/C₀ + kt。速率常数随温度按阿伦尼乌斯公式增大：k = A·e^−Ea/(RT)。

绝对温度

T₁ = 293.1 K, T₂ = 318.1 K

由阿伦尼乌斯公式求 Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8.314·2.257/(-2.681e-4) = 69990 J/mol

E_a = 69.99 kJ/mol

答案

E_a = 69.99 kJ/mol

15.反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）

答案: V_CSTR/V_PFR = 2.485

稳态下理想反应器中的一级反应（−r_A = k·C_A），空时 τ = V/Q。CSTR 是全混的，因此整个体积都在较低的出口浓度下反应：τ = X/(k·(1 − X))，C_A = C_A0/(1 + k·τ)。在 PFR 中，每一薄层流体都像一个小间歇反应器那样反应：τ = ln(1/(1 − X))/k，C_A = C_A0·e^−k·τ。达到相同转化率时，CSTR 所需体积总是大于 PFR。

每个反应器的 k·τ

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0.8/0.2 = 4

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(5) = 1.609

体积之比

V_CSTR/V_PFR = 4/1.609 = 2.485

答案

V_CSTR/V_PFR = 2.485

转化率高时差距迅速增大。

16.反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）

答案: X = 23.81 %

空时

τ = V/Q = 50/40 = 1.25 min, kτ = 0.25·1.25 = 0.3125

转化率

X = kτ/(1 + kτ) = 0.3125/(1 + 0.3125) = 23.81%

答案

X = 23.81%

17.换热器 (LMTD)

答案: A = 6.68 m²

对数平均温差法 (LMTD)：两股流体之间的温差沿换热器变化，因此传热方程使用其对数平均值：Q̇ = U·A·ΔT_lm，其中 ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)，ΔT₁ 和 ΔT₂ 为两端温差。进出口温度相同时，逆流的 ΔT_lm 大于并流。

两端温差

逆流时，热流体入口对着冷流体出口，热流体出口对着冷流体入口。

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 115 − 45 = 70 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 80 − 20 = 60 K

对数平均温差

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 60)/ln(70/60) = 64.87 K

面积

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 130000/(300·64.87) = 6.68 m²

答案

A = 6.68 m²

18.换热器 (LMTD)

答案: A = 12.45 m²

热负荷和水的出口温度

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 1·2.5·75 = 187.5 kW

T_c,out = 10 + 187.5/(1.5·4.18) = 39.9 °C

两端温差

逆流时，热流体入口对着冷流体出口，热流体出口对着冷流体入口。

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 140 − 39.9 = 100.1 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 65 − 10 = 55 K

对数平均温差

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100.1 − 55)/ln(100.1/55) = 75.31 K

面积

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 187500/(200·75.31) = 12.45 m²

答案

A = 12.45 m²

19.热传导

答案: Q̇ = 101 W

热阻：通过串联各层的稳态热流类似于通过串联电阻的电流：Q̇ = ΔT/ΣR，导热层 R = L/(kA)，对流表面 R = 1/(hA)。各层的温降与其热阻成正比。

各层热阻

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0.96·4) = 0.0651 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.17·4) = 0.07353 K/W

热流量

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 14/0.1386 = 101 W

答案

Q̇ = 101 W

20.热传导

答案: Q̇ = 153.9 W

热阻：通过串联各层的稳态热流类似于通过串联电阻的电流：Q̇ = ΔT/ΣR，导热层 R = L/(kA)，对流表面 R = 1/(hA)。各层的温降与其热阻成正比。

串联热阻

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·6) = 0.02778 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0.17·6) = 0.04902 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.035·6) = 0.119 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·6) = 0.005556 K/W

ΣR = 0.2014 K/W

热损失

Q̇ = (21 − (-10))/0.2014 = 153.9 W

答案

Q̇ = 153.9 W

21.管道摩擦与水头损失

答案: h_f = 12.24 m

管流：雷诺数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ 用于区分层流（Re 约低于 2000）和湍流（约高于 4000）。沿管道的摩擦造成达西–魏斯巴赫水头损失 h_f = f·(L/D)·V²/(2g)。管件、阀门、进口和出口带来局部损失 h_m = ΣK·V²/(2g)。在两个敞口水池液面之间，能量方程给出 Δz = h_f + h_m，其中包含出口损失 K = 1。

平均流速

A = π·0.3²/4 = 0.07069 m²

V = Q/A = 0.2/0.07069 = 2.829 m/s

速度水头

V²/(2g) = 2.829²/(2·9.81) = 0.408 m

达西–魏斯巴赫公式

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.03·(300/0.3)·2.829²/(2·9.81) = 12.24 m

答案

h_f = 12.24 m

22.管道摩擦与水头损失

答案: Q = 113.3 L/s

损失系数

f·L/D = 0.018·300/0.2 = 27

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 5 + 1.0 = 7.7

能量方程

两个水面都与大气相通且基本静止，所以全部 Δz 都损失在管道中。

23 = (27 + 7.7)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·23/34.7) = 3.606 m/s

流量

Q = V·π·D²/4 = 3.606·0.03142 = 0.1133 m³/s = 113.3 L/s

答案

Q = 113.3 L/s

23.水泵与泵功率

答案: P_el = 41.33 kW

水泵功率：传给水的功率是水功率 P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp。由于水泵有损失，轴必须输入更多功率：P_shaft = P_h/η_pump，电动机取用 P_el = P_shaft/η_motor。泵扬程 H 由能量方程求得：静扬程 + 压力水头 + 全部沿程和局部损失。

水功率

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.08·38 = 29.82 kW

轴功率

P_shaft = 29.82/0.82 = 36.37 kW

电功率

P_el = 36.37/0.88 = 41.33 kW

答案

P_el = 41.33 kW

24.水泵与泵功率

答案: H = 45.97 m

速度

V = Q/A = 0.04/0.01767 = 2.264 m/s

V²/(2g) = 0.2611 m

水头损失

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (40 + 4)·0.2611 = 11.49 m

压力水头

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9.81) = 25.48 m

泵扬程

两个水面都基本静止，所以没有速度水头项。

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 9 + 25.48 + 11.49 = 45.97 m

答案

H = 45.97 m

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FE 化工考试练习：速成包

1公式与方法

物料衡算

能量衡算

理想气体定律

化学计量

方法

化学平衡

方法

量热与焓变

反应动力学

反应器尺寸计算（CSTR 与 PFR）

换热器 (LMTD)

热传导

管道摩擦与水头损失

水泵与泵功率

2练习题

3溶液

衡算

求解 ṁ2

答案

溶质衡算

总物料衡算

答案

热流体放出的热量

水吸收的热量

答案

放出热量

传给水的热量

水流量

答案

物质的量

体积

答案

整理气体定律

密度

答案

各反应物的物质的量

限量反应物

产物的质量

答案

理论产量

产率

答案

平衡表达式

开平方

平衡浓度

答案

平衡表达式

解一元二次方程

平衡浓度

答案

热量平衡

求末温

答案

反应焓变

答案

一级积分速率方程

答案

绝对温度

由阿伦尼乌斯公式求 Ea

答案

每个反应器的 k·τ

体积之比

答案

空时

转化率

答案

两端温差

对数平均温差

面积

答案

热负荷和水的出口温度

两端温差

对数平均温差

面积

答案

各层热阻

热流量

答案

求解 ṁ₂