天津大學(xué)《化學(xué)工程與工藝》期末考試試題及解析一、選擇題1.以下哪種物質(zhì)不屬于化工生產(chǎn)中常見的基本有機(jī)原料？()A.乙烯B.乙醇C.苯D.乙炔答案：B解析：化工生產(chǎn)中常見的基本有機(jī)原料有“三烯”（乙烯、丙烯、丁二烯）、“三苯”（苯、甲苯、二甲苯）、乙炔等。乙醇通常是由基本有機(jī)原料經(jīng)過進(jìn)一步加工得到的產(chǎn)品，不屬于基本有機(jī)原料，所以答案選B。2.在精餾塔操作中，若進(jìn)料熱狀況參數(shù)q=1，則進(jìn)料為()A.冷液體進(jìn)料B.飽和液體進(jìn)料C.氣液混合進(jìn)料D.飽和蒸汽進(jìn)料答案：B解析：進(jìn)料熱狀況參數(shù)q的定義為每千摩爾進(jìn)料變?yōu)轱柡驼羝璧臒崃颗c千摩爾汽化潛熱之比。當(dāng)q=1時，表示進(jìn)料為飽和液體進(jìn)料，因?yàn)轱柡鸵后w變?yōu)轱柡驼羝璧臒崃烤褪瞧淦瘽摕幔源鸢高xB。3.對于反應(yīng)A+B→C，其反應(yīng)速率方程為r=kcA2cB，該反應(yīng)的總級數(shù)為()A.1B.2C.3D.4答案：C解析：反應(yīng)的總級數(shù)是各反應(yīng)物濃度的冪指數(shù)之和。在反應(yīng)速率方程r=kcA2cB中，A的濃度冪指數(shù)為2，B的濃度冪指數(shù)為1，所以總級數(shù)為2+1=3，答案選C。4.流體在圓形直管中作層流流動時，其摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)系為()A.λ=64/ReB.λ=0.3164/Re0.25C.λ=0.0056+0.5/Re0.32D.以上都不對答案：A解析：當(dāng)流體在圓形直管中作層流流動時，通過理論推導(dǎo)可得其摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)系為λ=64/Re。選項(xiàng)B是流體在光滑管中作湍流流動時的布拉修斯公式；選項(xiàng)C是柯列布魯克公式，用于過渡區(qū)和湍流粗糙管，所以答案選A。5.以下哪種干燥方式不屬于對流干燥？()A.氣流干燥B.流化床干燥C.噴霧干燥D.冷凍干燥答案：D解析：對流干燥是利用熱空氣等干燥介質(zhì)與濕物料直接接觸，將熱量傳遞給濕物料，使?jié)裎锪现械乃制⒈桓稍锝橘|(zhì)帶走的干燥方式。氣流干燥、流化床干燥和噴霧干燥都屬于對流干燥方式。而冷凍干燥是將物料先凍結(jié)，然后在高真空下使冰直接升華而除去水分的干燥方法，不屬于對流干燥，答案選D。6.在吸收操作中，亨利定律表達(dá)式p*=Ex中，E表示()A.亨利系數(shù)B.溶解度系數(shù)C.相平衡常數(shù)D.吸收因數(shù)答案：A解析：在亨利定律表達(dá)式p*=Ex中，p*是溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，x是溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，E是亨利系數(shù)。溶解度系數(shù)用H表示；相平衡常數(shù)m=E/P（P為總壓）；吸收因數(shù)A=L/mG（L為液相流量，G為氣相流量），所以答案選A。7.對于列管式換熱器，當(dāng)兩流體的溫差較大且其中一種流體的流量較大時，宜采用()A.并流操作B.逆流操作C.錯流操作D.折流操作答案：B解析：在列管式換熱器中，逆流操作時兩流體的平均溫差最大，能夠更有效地進(jìn)行熱量傳遞。當(dāng)兩流體的溫差較大且其中一種流體的流量較大時，采用逆流操作可以提高傳熱效率，減少傳熱面積，降低設(shè)備成本。并流操作的平均溫差較?。诲e流和折流操作的傳熱效果介于并流和逆流之間，所以答案選B。8.以下哪種反應(yīng)器適用于快速反應(yīng)和強(qiáng)放熱反應(yīng)？()A.間歇釜式反應(yīng)器B.連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器C.管式反應(yīng)器D.固定床反應(yīng)器答案：C解析：管式反應(yīng)器具有較大的長徑比，流體在管內(nèi)呈平推流流動，反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間比較均勻，適合于快速反應(yīng)和強(qiáng)放熱反應(yīng)。間歇釜式反應(yīng)器適用于小批量、多品種的生產(chǎn)；連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器內(nèi)物料混合均勻，反應(yīng)速率較低，不適合快速反應(yīng)；固定床反應(yīng)器適用于氣-固相催化反應(yīng)，所以答案選C。9.在萃取操作中，分配系數(shù)kA是指()A.溶質(zhì)在萃取相中的濃度與在萃余相中的濃度之比B.萃取劑與原料液的質(zhì)量之比C.萃取相的質(zhì)量與萃余相的質(zhì)量之比D.以上都不對答案：A解析：分配系數(shù)kA的定義是溶質(zhì)在萃取相中的濃度與在萃余相中的濃度之比，它反映了溶質(zhì)在兩相間的分配情況。選項(xiàng)B是萃取劑的用量比；選項(xiàng)C是萃取相和萃余相的質(zhì)量比，所以答案選A。10.以下哪種塔設(shè)備的操作彈性最大？()A.泡罩塔B.篩板塔C.浮閥塔D.填料塔答案：C解析：操作彈性是指塔設(shè)備能夠穩(wěn)定操作的氣液負(fù)荷范圍。浮閥塔具有較好的操作彈性，因?yàn)楦￠y可以根據(jù)氣速的變化自動調(diào)節(jié)開度，從而保證塔板上的氣液接觸良好。泡罩塔操作彈性也較大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高；篩板塔操作彈性較小；填料塔的操作彈性主要取決于填料的性能，一般相對浮閥塔較小，所以答案選C。二、填空題1.化工生產(chǎn)過程一般可分為原料預(yù)處理、__________和產(chǎn)品精制三個主要步驟。___反應(yīng)過程2.離心泵的主要性能參數(shù)有流量、揚(yáng)程、功率、效率和__________。___轉(zhuǎn)速3.理想氣體狀態(tài)方程為pV=nRT，其中R為通用氣體常數(shù)，其值為__________。___8.314J/(mol·K)4.在傳熱過程中，熱阻的大小與傳熱面積、__________和傳熱系數(shù)有關(guān)。___傳熱溫差5.對于可逆放熱反應(yīng)，存在一個最佳溫度，在最佳溫度下反應(yīng)速率__________。___最大6.吸收過程是溶質(zhì)從氣相向液相的__________過程。___傳質(zhì)7.精餾操作的依據(jù)是混合液中各組分的__________差異。___揮發(fā)度8.干燥過程中，物料表面的水分汽化速率取決于__________和空氣的狀態(tài)。___物料表面的溫度9.萃取操作中，選擇萃取劑時應(yīng)考慮的主要因素有溶解度、選擇性、__________和回收難易等。___物理性質(zhì)10.固定床反應(yīng)器中，催化劑的活性通常用__________、選擇性和穩(wěn)定性來衡量。___活性組分的含量三、判斷題1.化工生產(chǎn)中，為了提高反應(yīng)的選擇性，可以通過改變反應(yīng)溫度、壓力和反應(yīng)物濃度等條件來實(shí)現(xiàn)。()答案：√解析：反應(yīng)溫度、壓力和反應(yīng)物濃度等條件會影響化學(xué)反應(yīng)的速率和平衡，通過合理改變這些條件，可以使反應(yīng)向生成目標(biāo)產(chǎn)物的方向進(jìn)行，從而提高反應(yīng)的選擇性，所以該說法正確。2.離心泵的揚(yáng)程是指泵對單位重量流體所提供的能量。()答案：√解析：離心泵的揚(yáng)程是指單位重量液體通過泵后所獲得的能量增值，單位為米液柱，所以該說法正確。3.對于等溫恒容反應(yīng)，反應(yīng)速率只與反應(yīng)物的濃度有關(guān)。()答案：√解析：在等溫恒容條件下，根據(jù)質(zhì)量作用定律，反應(yīng)速率只取決于反應(yīng)物的濃度和反應(yīng)的速率常數(shù)，而速率常數(shù)只與溫度有關(guān)，所以反應(yīng)速率只與反應(yīng)物的濃度有關(guān)，該說法正確。4.傳熱過程中，熱通量與傳熱溫差成正比，與熱阻成反比。()答案：√解析：根據(jù)傅里葉定律，熱通量q=-λ(dT/dx)，在穩(wěn)定傳熱過程中，熱通量也可以表示為q=ΔT/R，其中ΔT為傳熱溫差，R為熱阻，所以熱通量與傳熱溫差成正比，與熱阻成反比，該說法正確。5.吸收操作中，增大吸收劑的用量可以提高溶質(zhì)的吸收率，但會增加操作費(fèi)用。()答案：√解析：增大吸收劑的用量可以使吸收過程的推動力增大，從而提高溶質(zhì)的吸收率。但吸收劑用量的增加會導(dǎo)致輸送、再生等操作費(fèi)用的增加，所以該說法正確。6.精餾塔的塔頂溫度總是低于塔底溫度。()答案：√解析：在精餾塔中，塔頂主要是易揮發(fā)組分，其沸點(diǎn)較低；塔底主要是難揮發(fā)組分，其沸點(diǎn)較高。根據(jù)相平衡原理，塔頂溫度總是低于塔底溫度，所以該說法正確。7.干燥過程中，只要空氣的濕度不變，物料的干燥速率就不會改變。()答案：×解析：干燥速率不僅與空氣的濕度有關(guān)，還與物料表面的溫度、空氣的流速、物料的性質(zhì)等因素有關(guān)。即使空氣的濕度不變，其他因素的變化也可能導(dǎo)致干燥速率的改變，所以該說法錯誤。8.萃取操作中，萃取劑的選擇性系數(shù)越大，萃取效果越好。()答案：√解析：萃取劑的選擇性系數(shù)表示萃取劑對溶質(zhì)和原溶劑的溶解能力差異，選擇性系數(shù)越大，說明萃取劑對溶質(zhì)的選擇性越好，能夠更有效地分離溶質(zhì)和原溶劑，萃取效果也就越好，所以該說法正確。9.固定床反應(yīng)器中，催化劑的床層高度越高，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率就一定越高。()答案：×解析：在固定床反應(yīng)器中，催化劑床層高度增加，反應(yīng)物與催化劑的接觸時間增加，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，但同時也會增加流體的流動阻力，可能導(dǎo)致反應(yīng)物分布不均勻等問題。而且反應(yīng)達(dá)到一定程度后，由于平衡的限制，轉(zhuǎn)化率不會無限增加，所以催化劑床層高度越高，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率不一定越高，該說法錯誤。10.對于連續(xù)操作的反應(yīng)器，其反應(yīng)體積與反應(yīng)時間成正比。()答案：×解析：對于連續(xù)操作的反應(yīng)器，反應(yīng)體積與反應(yīng)時間沒有直接的正比關(guān)系。反應(yīng)體積主要取決于反應(yīng)速率、反應(yīng)物的流量和轉(zhuǎn)化率等因素，而反應(yīng)時間通常用空時來表示，空時是反應(yīng)器體積與進(jìn)料體積流量之比，所以該說法錯誤。四、簡答題1.簡述化工生產(chǎn)中節(jié)能的主要途徑。(1).改進(jìn)工藝路線：選擇能耗低的工藝路線，優(yōu)化反應(yīng)條件，提高反應(yīng)的選擇性和轉(zhuǎn)化率，減少副反應(yīng)的發(fā)生，從而降低能源消耗。(2).提高設(shè)備效率：采用高效的設(shè)備，如高效的換熱器、泵、壓縮機(jī)等，提高設(shè)備的傳熱、傳質(zhì)和動力效率，減少能源損失。(3).能量的綜合利用：采用熱集成技術(shù)，將生產(chǎn)過程中的余熱、廢熱進(jìn)行回收利用，如通過換熱器將高溫物料的熱量傳遞給低溫物料，實(shí)現(xiàn)能量的梯級利用；還可以采用聯(lián)合生產(chǎn)的方式，充分利用不同生產(chǎn)過程之間的能量互補(bǔ)。(4).優(yōu)化操作參數(shù)：通過優(yōu)化生產(chǎn)過程的操作參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，使生產(chǎn)過程在最佳的工況下運(yùn)行，降低能源消耗。(5).加強(qiáng)管理：建立完善的能源管理制度，加強(qiáng)對能源消耗的監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)和解決能源浪費(fèi)問題，提高員工的節(jié)能意識。2.簡述離心泵的工作原理。(1).離心泵啟動前，泵殼內(nèi)要充滿被輸送的液體。(2).當(dāng)離心泵的葉輪在原動機(jī)的帶動下高速旋轉(zhuǎn)時，葉片間的液體也隨之旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被甩向葉輪外緣，其速度和壓力都得到提高。(3).液體離開葉輪后進(jìn)入泵殼，由于泵殼的流道逐漸擴(kuò)大，液體的流速逐漸降低，部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，使液體的壓力進(jìn)一步提高。(4).最后，液體以較高的壓力從泵的出口排出。(5).同時，在葉輪中心處，由于液體被甩出而形成低壓區(qū)，與吸入管路中的液體形成壓力差，在這個壓力差的作用下，液體不斷地從吸入管路進(jìn)入泵內(nèi)，從而使離心泵能夠連續(xù)地輸送液體。3.簡述影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素。(1).反應(yīng)物濃度：根據(jù)質(zhì)量作用定律，在一定溫度下，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的冪次方成正比。反應(yīng)物濃度越高，單位體積內(nèi)的分子數(shù)越多，分子間的碰撞頻率增加，反應(yīng)速率加快。(2).溫度：溫度升高，分子的熱運(yùn)動加劇，分子的平均動能增加，活化分子的百分?jǐn)?shù)增大，有效碰撞次數(shù)增加，反應(yīng)速率顯著加快。一般來說，溫度每升高10℃，反應(yīng)速率大約增加2-4倍。(3).催化劑：催化劑能夠改變反應(yīng)的歷程，降低反應(yīng)的活化能，使更多的分子成為活化分子，從而加快反應(yīng)速率。催化劑在反應(yīng)前后的化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量不變。(4).反應(yīng)物的性質(zhì)：不同的反應(yīng)物具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵能，其反應(yīng)活性不同，反應(yīng)速率也不同。一般來說，化學(xué)鍵能越小，反應(yīng)越容易進(jìn)行，反應(yīng)速率越快。(5).壓力：對于有氣體參與的反應(yīng)，壓力的變化相當(dāng)于反應(yīng)物濃度的變化。增大壓力，氣體的體積減小，反應(yīng)物濃度增大，反應(yīng)速率加快；反之，減小壓力，反應(yīng)速率減慢。(6).接觸面積：對于多相反應(yīng)，如固體與液體、固體與氣體的反應(yīng)，增大反應(yīng)物之間的接觸面積可以增加分子間的碰撞機(jī)會，從而加快反應(yīng)速率。例如，將固體反應(yīng)物粉碎可以增大其比表面積，提高反應(yīng)速率。4.簡述吸收過程的影響因素。(1).溫度：溫度降低，氣體在液體中的溶解度增大，吸收過程的推動力增大，有利于吸收的進(jìn)行。但溫度過低可能會導(dǎo)致吸收劑的黏度增大，傳質(zhì)阻力增加，所以需要選擇合適的溫度。(2).壓力：增大壓力，氣體的分壓增大，根據(jù)亨利定律，溶質(zhì)在液相中的平衡濃度增大，吸收過程的推動力增大，有利于吸收。但壓力過高會增加設(shè)備的投資和操作成本。(3).吸收劑的用量：吸收劑用量增加，吸收過程的液氣比增大，吸收推動力增大，溶質(zhì)的吸收率提高。但吸收劑用量過大，會增加輸送和再生的費(fèi)用。(4).吸收劑的性質(zhì)：吸收劑應(yīng)具有良好的溶解度、選擇性和化學(xué)穩(wěn)定性，對溶質(zhì)有較大的溶解能力，對其他組分的溶解能力較小，且不易揮發(fā)、黏度低、腐蝕性小等。(5).氣液接觸方式和設(shè)備類型：不同的氣液接觸方式和設(shè)備類型會影響氣液兩相的接觸面積和傳質(zhì)效率。例如，填料塔和板式塔具有不同的傳質(zhì)特性，選擇合適的設(shè)備和操作條件可以提高吸收效果。(6).氣體和液體的流速：氣體和液體的流速會影響氣液兩相的停留時間和傳質(zhì)系數(shù)。流速過快，氣液接觸時間短，傳質(zhì)不充分；流速過慢，設(shè)備的生產(chǎn)能力降低。5.簡述精餾塔操作中塔頂產(chǎn)品不合格的可能原因及解決方法。可能原因：(1).回流比過?。夯亓鞅仁蔷s操作的重要參數(shù)之一，回流比過小會導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品中重組分含量增加，產(chǎn)品純度下降。(2).進(jìn)料組成變化：進(jìn)料中輕組分含量降低，會使塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量難以達(dá)到要求。(3).塔板效率下降：由于塔板堵塞、塔板損壞等原因，導(dǎo)致塔板的傳質(zhì)效率下降，分離效果變差。(4).加熱蒸汽量不足：加熱蒸汽量不足會使塔底溫度降低，上升蒸汽量減少，影響精餾塔的分離效果。(5).塔頂冷卻器效果不佳：塔頂冷卻器冷卻效果不好，會使塔頂蒸汽不能充分冷凝，導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品中夾帶氣相，產(chǎn)品純度降低。解決方法：(1).適當(dāng)增大回流比：通過調(diào)節(jié)回流閥的開度，增加回流量，提高塔頂產(chǎn)品的純度。(2).調(diào)整進(jìn)料組成：如果進(jìn)料組成發(fā)生變化，應(yīng)及時調(diào)整進(jìn)料流量或進(jìn)料位置，使精餾塔在合適的條件下運(yùn)行。(3).檢查和修復(fù)塔板：定期檢查塔板的運(yùn)行情況，及時清理堵塞的塔板，修復(fù)損壞的塔板，保證塔板的傳質(zhì)效率。(4).增加加熱蒸汽量：適當(dāng)增加加熱蒸汽的流量或壓力，提高塔底溫度，保證上升蒸汽量充足。(5).檢查和維護(hù)塔頂冷卻器：檢查冷卻器的冷卻水流量、溫度和冷卻效果，及時清理冷卻器的污垢，保證冷卻器的正常運(yùn)行。五、計(jì)算題1.用離心泵將密度為1000kg/m3的水從低位槽輸送到高位槽，兩槽液面均為大氣壓，兩槽液面高差為10m，管路總長度（包括局部阻力的當(dāng)量長度）為200m，管徑為50mm，摩擦系數(shù)λ=0.02。已知離心泵的特性曲線方程為H=30-0.01Q2（H為揚(yáng)程，m；Q為流量，m3