2025年化學(xué)工程與工藝專業(yè)期末考試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.某流體在圓管中流動(dòng)，測得管中心流速為4m/s，若流動(dòng)為層流，則平均流速為（）。A.2m/sB.4m/sC.3m/sD.1m/s答案：A2.對(duì)于間壁式換熱器，當(dāng)冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定時(shí)，采用（）操作可獲得最大平均溫差。A.并流B.逆流C.錯(cuò)流D.折流答案：B3.在精餾操作中，若進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q=1.5，則進(jìn)料為（）。A.冷液體B.飽和液體C.氣液混合物D.飽和蒸氣答案：A4.某一級(jí)不可逆反應(yīng)在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率為90%，若改用全混流反應(yīng)器，在相同溫度和進(jìn)料流量下達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率，所需反應(yīng)器體積為平推流的（）倍。A.10B.9C.11D.5答案：A5.下列關(guān)于吸收操作的描述中，錯(cuò)誤的是（）。A.提高操作壓力可增大吸收推動(dòng)力B.降低吸收劑溫度可提高溶解度C.液氣比增大，吸收速率一定增大D.當(dāng)液氣比小于最小液氣比時(shí)，無法達(dá)到分離要求答案：C6.化工熱力學(xué)中，理想溶液的混合性質(zhì)為（）。A.ΔH=0，ΔV=0，ΔS>0B.ΔH>0，ΔV=0，ΔS=0C.ΔH=0，ΔV>0，ΔS=0D.ΔH>0，ΔV>0，ΔS>0答案：A7.某反應(yīng)的速率常數(shù)k隨溫度升高而增大，說明該反應(yīng)的活化能（）。A.大于0B.小于0C.等于0D.無法確定答案：A8.在過濾操作中，當(dāng)濾餅不可壓縮時(shí)，過濾常數(shù)K與操作壓差的關(guān)系為（）。A.K∝ΔpB.K∝√ΔpC.K∝(Δp)^2D.K與Δp無關(guān)答案：A9.對(duì)于氣液傳質(zhì)過程，當(dāng)溶質(zhì)在液相中的溶解度很大時(shí)，傳質(zhì)阻力主要集中在（）。A.氣相側(cè)B.液相側(cè)C.氣液界面D.兩相均有答案：A10.下列關(guān)于流化床反應(yīng)器的特點(diǎn)，錯(cuò)誤的是（）。A.床層溫度均勻B.固體顆粒停留時(shí)間分布寬C.適合強(qiáng)放熱反應(yīng)D.返混程度小答案：D二、填空題（每空1分，共20分）1.雷諾數(shù)Re的表達(dá)式為______，當(dāng)Re≤______時(shí)，流體在圓管中呈層流流動(dòng)。答案：Re=duρ/μ；20002.間壁式換熱器的總傳熱系數(shù)K的倒數(shù)等于______、______及污垢熱阻的總和。答案：管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的倒數(shù)；管外對(duì)流傳熱系數(shù)的倒數(shù)3.精餾塔的操作線方程描述了______與______之間的物料衡算關(guān)系。答案：相鄰兩層塔板下降液體組成；上升蒸氣組成4.一級(jí)反應(yīng)的半衰期與初始濃度______（填“有關(guān)”或“無關(guān)”），其表達(dá)式為______。答案：無關(guān)；t?/?=ln2/k5.吸收過程的相平衡關(guān)系可用亨利定律表示，其常見形式有______、______（寫出兩種）。答案：p=Ex；y=mx6.化工過程中，常用的節(jié)能措施包括______、______、______（任寫三種）。答案：余熱回收；優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)；提高反應(yīng)選擇性7.對(duì)于全混流反應(yīng)器（CSTR），物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布______（填“均勻”或“不均勻”），其無因次方差σ2=______。答案：不均勻；18.萃取操作中，分配系數(shù)kA=______，選擇性系數(shù)β=______。答案：yA/xA；(yA/yB)/(xA/xB)三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述離心泵的工作原理及啟動(dòng)前需灌泵的原因。答案：離心泵通過葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，將液體從葉輪中心甩向邊緣，液體獲得動(dòng)能后進(jìn)入蝸殼，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能被壓出。啟動(dòng)前需灌泵是因?yàn)槿舯脙?nèi)有空氣，空氣密度遠(yuǎn)小于液體，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力不足以形成足夠的真空度，無法將液體吸入泵內(nèi)，導(dǎo)致“氣縛”現(xiàn)象，無法正常輸液。2.比較平推流反應(yīng)器（PFR）與全混流反應(yīng)器（CSTR）的特點(diǎn)，說明為何對(duì)于級(jí)數(shù)n>0的反應(yīng)，PFR的體積通常小于CSTR。答案：PFR中物料沿流動(dòng)方向無返混，停留時(shí)間均一，出口組成等于反應(yīng)器內(nèi)軸向末端組成；CSTR中物料完全混合，出口組成與器內(nèi)組成一致，停留時(shí)間分布寬。對(duì)于n>0的反應(yīng)，反應(yīng)速率隨反應(yīng)物濃度降低而減小。PFR中反應(yīng)物濃度沿程遞減，平均反應(yīng)速率高于CSTR（CSTR內(nèi)濃度等于出口低濃度），因此達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，PFR所需體積更小。3.解釋精餾塔中“液泛”現(xiàn)象的成因及預(yù)防措施。答案：液泛是由于塔內(nèi)氣液兩相流量過大，導(dǎo)致液相無法順利下流，液體在塔板上累積直至充滿整個(gè)塔的現(xiàn)象。成因包括氣速過高（氣相動(dòng)能因子過大）、液相流量過大（降液管超負(fù)荷）、塔板間距過小。預(yù)防措施：控制氣液負(fù)荷在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；選擇合適的塔板間距；優(yōu)化進(jìn)料位置；定期清理塔內(nèi)堵塞物。4.簡述吸附分離的基本原理，比較物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別。答案：吸附分離利用吸附劑對(duì)混合物中各組分吸附能力的差異實(shí)現(xiàn)分離。物理吸附通過分子間作用力（范德華力）實(shí)現(xiàn)，吸附熱?。s幾到幾十kJ/mol），可逆，無選擇性或選擇性低，吸附層多分子層；化學(xué)吸附通過化學(xué)鍵力實(shí)現(xiàn)，吸附熱大（接近化學(xué)反應(yīng)熱，幾十到幾百kJ/mol），不可逆，選擇性高，吸附層單分子層。5.分析提高固定床反應(yīng)器傳熱效率的常用方法。答案：（1）選擇高導(dǎo)熱系數(shù)的催化劑載體；（2）減小催化劑顆粒尺寸，增加床層有效導(dǎo)熱系數(shù)；（3）采用列管式結(jié)構(gòu)，管間通熱載體（如熔鹽、導(dǎo)熱油）強(qiáng)化傳熱；（4）優(yōu)化操作參數(shù)（如降低空速、調(diào)整流體流量）；（5）在床層中設(shè)置內(nèi)構(gòu)件（如翅片、導(dǎo)流板）破壞流動(dòng)邊界層；（6）采用徑向流動(dòng)反應(yīng)器，減少流體流動(dòng)路徑長度，降低傳熱阻力。四、計(jì)算題（共30分）1.（8分）某水平鋪設(shè)的無縫鋼管（內(nèi)徑d=50mm，絕對(duì)粗糙度ε=0.05mm）輸送20℃的水（密度ρ=998kg/m3，黏度μ=1.005×10?3Pa·s），測得管內(nèi)體積流量Q=6m3/h。（1）判斷流動(dòng)類型；（2）計(jì)算直管摩擦阻力損失（取管壁粗糙度影響的摩擦系數(shù)λ）。解：（1）平均流速u=Q/(πd2/4)=6/(3600×0.785×0.052)=0.849m/s雷諾數(shù)Re=duρ/μ=0.05×0.849×998/(1.005×10?3)=42100（湍流）相對(duì)粗糙度ε/d=0.05/50=0.001查莫迪圖，Re=4.21×10?，ε/d=0.001，得λ=0.021（2）直管長度未給出，假設(shè)管長L=100m（題目未明確時(shí)可假設(shè)典型值），則摩擦阻力損失：hf=λ(L/d)(u2/2)=0.021×(100/0.05)×(0.8492/2)=0.021×2000×0.360=15.12J/kg2.（8分）某列管式換熱器用120℃的飽和水蒸氣加熱管內(nèi)流動(dòng)的原油（定性溫度下比熱容cp=2.2kJ/(kg·℃)，密度ρ=850kg/m3）。原油流量為5000kg/h，進(jìn)口溫度20℃，出口溫度80℃。換熱器總傳熱系數(shù)K=300W/(m2·℃)，假設(shè)水蒸氣側(cè)相變熱為2200kJ/kg，忽略熱損失。（1）計(jì)算換熱器的傳熱量Q；（2）計(jì)算所需換熱面積A（逆流，Δtm按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算）。解：（1）Q=qm,c×cp,c×(T2-T1)=5000/3600×2200×(80-20)=5000×2200×60/(3600)=183333.3W≈183.3kW（2）逆流時(shí)，熱流體（水蒸氣）溫度T=120℃（恒溫），冷流體進(jìn)出口t1=20℃，t2=80℃Δt1=T-t2=120-80=40℃，Δt2=T-t1=120-20=100℃Δtm=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=(40-100)/ln(40/100)=(-60)/(-0.916)=65.5℃A=Q/(K×Δtm)=183333.3/(300×65.5)=9.35m23.（7分）某二級(jí)不可逆反應(yīng)A→B，在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行，初始濃度cA0=2mol/L，反應(yīng)10min后cA=0.5mol/L。（1）求速率常數(shù)k；（2）若改用全混流反應(yīng)器，進(jìn)料流量v0=0.5m3/h，要求cA=0.2mol/L，求所需反應(yīng)器體積V。解：（1）二級(jí)反應(yīng)積分式：1/cA-1/cA0=ktt=10min=600s，cA=0.5mol/L=500mol/m3，cA0=2mol/L=2000mol/m31/500-1/2000=k×600→(4-1)/2000=600k→k=3/(2000×600)=2.5×10??m3/(mol·s)（2）全混流反應(yīng)器體積V=v0(cA0-cA)/(kcA2)cA=0.2mol/L=200mol/m3，v0=0.5m3/h=0.5/3600m3/sV=(0.5/3600)(2000-200)/(2.5×10??×2002)=(0.5×1800)/(3600×2.5×10??×40000)=(900)/(3600×0.1)=900/360=2.5m34.（7分）某連續(xù)精餾塔分離苯-甲苯混合物（可視為理想溶液），進(jìn)料量F=100kmol/h，進(jìn)料組成xF=0.4（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），泡點(diǎn)進(jìn)料（q=1），塔頂餾出液組成xD=0.95，塔底釜液組成xW=0.05，操作回流比R=2。苯-甲苯的平均相對(duì)揮發(fā)度α=2.5。（1）計(jì)算塔頂餾出液量D和塔底釜液量W；（2）寫出精餾段操作線方程；（3）計(jì)算最小回流比Rmin。解：（1）物料衡算：F=D+W；FxF=DxD+WxW100=D+W；100×0.4=0.95D+0.05W聯(lián)立得：40=0.95D+0.05(100-D)→40=0.95D+5-0.05D→35=0.9D→D≈38.89kmol/h，W=100-38.89=61.11kmol/h（2）精餾段操作線方程：y=(R/(R+1))x+xD/(R+1)=(2/3)x+0.95/3=0.6667x+0.3167（3）泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，q=1，進(jìn)料線（q線）為x=xF=0.4平衡線方程：y=αx/(1+(α-1)x)=2.5x/(1+1.5x)進(jìn)料點(diǎn)處平衡液相組成xq=xF=0.4，平衡氣相組成yq=2.5×0.4/(1+1.5×0.4)=1/1.6=0.625最小回流比Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)=(0.95-0.625)/(0.625-0.4)=0.325/0.225≈1.44五、綜合分析題（共20分）某企業(yè)擬采用乙酸（A）與乙醇（B）在濃硫酸催化下合成乙酸乙酯（C），反應(yīng)式為：CH?COOH+C?H?OH?CH?COOC?H?+H?O（ΔH=-8.5kJ/mol）。已知：-反應(yīng)在70~80℃下進(jìn)行，濃硫酸既是催化劑又是吸水劑；-原料乙酸與乙醇的摩爾比為1:1.2（乙醇略過量）；-產(chǎn)物乙酸乙酯（沸點(diǎn)77.1℃）、乙醇（78.5℃）、水（100℃）、乙酸（117.9℃）的沸點(diǎn)差異較??；-反應(yīng)平衡常數(shù)K=4（75℃），轉(zhuǎn)化率受平衡限制。請(qǐng)從反應(yīng)工程、分離工程及過程優(yōu)化角度，設(shè)計(jì)該合成工藝的關(guān)鍵步驟，并分析各步驟的操作要點(diǎn)。答案要點(diǎn)：1.反應(yīng)器選型與操作條件：-選擇連續(xù)釜式反應(yīng)器（CSTR）或間歇釜式反應(yīng)器。由于反應(yīng)為可逆放熱，平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低，但溫度過低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率慢。需控制溫度70~80℃（兼顧速率與平衡）。-乙醇過量（1:1.2）可提高乙酸轉(zhuǎn)化率（根據(jù)勒夏特列原理，增加反應(yīng)物濃度推動(dòng)平衡右移）。-濃硫酸用量需適中：過少催化效果差，過多會(huì)導(dǎo)致副反應(yīng)（如乙醇脫水生成乙醚或乙烯），且增加后續(xù)分離難度。2.產(chǎn)物分離與提純：-反應(yīng)產(chǎn)物為乙酸乙酯、水、過量乙醇、乙酸及硫酸的混合物。首先通過中和水洗除去硫酸和乙酸（加入碳酸鈉溶液中和酸，分液得到有機(jī)相）。-有機(jī)相主要含乙酸乙酯（77.1℃）和乙醇（78.5℃），沸點(diǎn)接近，普通精餾分離困難?？刹捎煤惴芯s：加入苯（與乙醇、水形成三元恒沸物，沸點(diǎn)64.9℃）作為夾帶劑，先蒸出恒沸物（含乙醇、水、苯），塔底得到高純度乙酸乙酯。-恒沸物經(jīng)冷卻分層，苯相循環(huán)使用，水相（含少量乙醇）通過精餾回收乙醇。3.能量集成與過程優(yōu)化：-反應(yīng)器的放熱可通過夾套或換熱器回收，用于預(yù)熱原料（乙醇和乙酸），降低加熱能耗。-精餾塔的塔頂蒸氣（如恒沸精餾塔頂?shù)娜惴形铮┛勺鳛槠渌蜏貑卧ㄈ缭项A(yù)熱）的熱源，實(shí)現(xiàn)熱耦合。-優(yōu)化乙醇過量比例：過量太多會(huì)增加分離負(fù)荷，需通過經(jīng)濟(jì)核算確定最佳