2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)工程在生產(chǎn)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，層流與湍流狀態(tài)的區(qū)別，并說明雷諾數(shù)（Re）在判斷流動(dòng)狀態(tài)中的作用。二、在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器常用于加熱或冷卻物料。簡述釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)、操作方式及適用反應(yīng)類型方面的主要區(qū)別。并說明選擇反應(yīng)器類型時(shí)需要考慮哪些主要因素。三、吸收是化工生產(chǎn)中重要的單元操作之一。簡述氣體吸收過程的基本原理。并說明增加氣液接觸面積和接觸時(shí)間對(duì)提高吸收效率有何影響？可以采用哪些方法來增加氣液接觸面積？四、精餾是分離均相混合物（尤其是液體混合物）的常用單元操作。簡述精餾過程利用混合物中各組分揮發(fā)度的差異進(jìn)行分離的原理。并說明在精餾塔設(shè)計(jì)中，回流比（R）的選擇對(duì)分離效果和操作能耗有何影響？五、某間歇釜式反應(yīng)器用于生產(chǎn)某單一產(chǎn)品A。已知該反應(yīng)對(duì)反應(yīng)物B為零級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)k=0.1h?1。假設(shè)反應(yīng)開始時(shí)B的濃度為1mol/L，無副反應(yīng)發(fā)生。請(qǐng)計(jì)算反應(yīng)進(jìn)行到3小時(shí)時(shí)，反應(yīng)物B的轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)物A的濃度。六、在一個(gè)穩(wěn)態(tài)操作的填料塔中，進(jìn)行某氣體的吸收過程。塔內(nèi)填充了比表面積為100m2/m3的填料。已知?dú)怏w處理量為100m3/h（標(biāo)態(tài)），氣體中溶質(zhì)A的組成為0.05（摩爾分?jǐn)?shù)），要求回收率不低于90%。氣相總傳質(zhì)系數(shù)k_g=0.5kmol/(m2·h·Pa)，操作壓強(qiáng)為1atm，氣相分壓與摩爾分?jǐn)?shù)成正比。試估算完成該吸收任務(wù)所需的填料層高度（假設(shè)液相流量足夠大，可視為液膜控制，且塔徑為1m）。七、某工廠計(jì)劃生產(chǎn)一種化工產(chǎn)品，現(xiàn)有兩種生產(chǎn)路線可供選擇。路線A的設(shè)備投資費(fèi)用較高，但操作能耗較低；路線B的設(shè)備投資費(fèi)用較低，但操作能耗較高。請(qǐng)簡述如何利用投資回收期法（PayoutPeriod）來評(píng)價(jià)這兩種生產(chǎn)路線的經(jīng)濟(jì)性？并說明影響投資回收期的主要因素有哪些？八、在一個(gè)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）中，進(jìn)行某不可逆、二級(jí)液相反應(yīng)A→P。反應(yīng)活化能E_a=100kJ/mol，指前因子k?=1×1012L/(mol·s)。反應(yīng)在60°C下進(jìn)行時(shí)，反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率的80%。若要使反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率的95%，反應(yīng)溫度應(yīng)控制在多少攝氏度？（假設(shè)指前因子隨溫度變化不大，可忽略其影響，且反應(yīng)速率常數(shù)k與絕對(duì)溫度T的關(guān)系符合阿倫尼烏斯方程：k=k?*exp(-E_a/RT)）。試卷答案一、層流時(shí)，流體沿平行流線運(yùn)動(dòng)，各流線互不干擾，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動(dòng)；湍流時(shí)，流體流動(dòng)混亂，存在垂直于主流方向的隨機(jī)脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)相互混摻。雷諾數(shù)（Re）是表征流體流動(dòng)狀態(tài)的無量綱數(shù)，由Re=ρul/μ（其中ρ為流體密度，u為流速，l為特征長度，μ為流體粘度）定義。當(dāng)Re<2300時(shí)，通常認(rèn)為流動(dòng)為層流；當(dāng)Re>4000時(shí)，通常認(rèn)為流動(dòng)為湍流；介于兩者之間時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)可能不穩(wěn)定，為過渡流。二、釜式反應(yīng)器（CSTR）為間歇式或連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器，反應(yīng)物料在釜內(nèi)混合均勻，達(dá)到理想混合狀態(tài)，各處濃度和溫度均勻；管式反應(yīng)器為連續(xù)流動(dòng)式反應(yīng)器，反應(yīng)物料沿管子流動(dòng)，停留時(shí)間分布寬，存在徑向溫度和濃度梯度。釜式反應(yīng)器適用于液相反應(yīng)、需強(qiáng)烈攪拌或傳熱要求高的反應(yīng)；管式反應(yīng)器適用于氣相反應(yīng)、液相反應(yīng)（特別是低粘度、低反應(yīng)物濃度反應(yīng)）以及需要較長反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)。選擇反應(yīng)器類型需考慮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性、傳熱傳質(zhì)要求、混合程度、反應(yīng)規(guī)模、操作方式、投資成本、運(yùn)行費(fèi)用、安全性及產(chǎn)品純度要求等因素。三、氣體吸收是利用氣體混合物中各組分在液體溶劑中溶解度的差異，使氣體中的特定組分（溶質(zhì)）轉(zhuǎn)移到液相中的過程?；驹硎菤庖簝上嘟佑|，溶質(zhì)從氣相主體擴(kuò)散到氣液界面，再從界面擴(kuò)散到液相主體。增加氣液接觸面積有利于溶質(zhì)更快地?cái)U(kuò)散到液相；增加接觸時(shí)間允許更多的溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到液相，從而提高吸收效率。增加氣液接觸面積的方法包括使用填料塔、板式塔、噴灑塔等塔器，或采用文丘里洗滌器、填料吸收塔、泡沫塔等特殊接觸設(shè)備。四、精餾是利用混合物中各組分揮發(fā)度的差異，通過多次部分氣化和部分冷凝，實(shí)現(xiàn)組分分離的操作。在精餾過程中，上升的氣相來自下方的再沸器，富含易揮發(fā)組分；下降的液相來自上方的冷凝器，富含難揮發(fā)組分。在塔頂冷凝器冷凝部分氣相后，部分液體作為回流液返回塔頂，與上升氣相進(jìn)行多次氣液接觸，實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)和傳熱，使塔頂產(chǎn)品純度提高；另一部分液體作為塔頂產(chǎn)品采出?；亓鞅龋≧）是回流液流量（L）與塔頂產(chǎn)品流量（D）之比（R=L/D）。增大回流比有利于提高塔頂產(chǎn)品的純度，但會(huì)增加塔的能耗；減小回流比則相反。最優(yōu)回流比是綜合考慮分離效果和操作能耗后的選擇。五、對(duì)于零級(jí)反應(yīng)A→P，反應(yīng)速率v=k，反應(yīng)物濃度隨時(shí)間線性下降。初始B的濃度為C?=1mol/L。轉(zhuǎn)化率X定義為（C?-C）/C?。反應(yīng)進(jìn)行到3小時(shí)時(shí)，B的濃度C=C?-k*t=1mol/L-0.1h?1*3h=0.7mol/L。轉(zhuǎn)化率X=(1-0.7)/1=0.3=30%。產(chǎn)物A的濃度等于B的初始濃度減去消耗的B的濃度，即C_A=C?-(C?-C)=C=0.7mol/L。六、氣相分壓P_A=y_A*P=0.05*1atm=0.05atm。要求回收率η=90%，即出塔氣體中溶質(zhì)A的組成y_A'=y_A*(1-η)=0.05*(1-0.9)=0.005。設(shè)液相流量L足夠大，過程受氣膜控制，則氣相總傳質(zhì)系數(shù)k_g近似等于氣相傳質(zhì)分系數(shù)k_g。根據(jù)雙膜理論，傳質(zhì)速率N_A=k_g*(P_A-P_A')*A=k_g*(y_A-y_A')*P*A。所需填料層高度H=N_A*H_c/(k_g*A*π*D2/4)，其中H_c為以傳質(zhì)單元高度表示的填料層高度，H_c=(P*L)/(k_g*G*(y_A-y_A'))，G為氣相流量（mol/s），D為塔徑（m），A為塔橫截面積（m2）。代入數(shù)值：G=100m3/h/22.4m3/kmol*(273+273)K/273K≈3.47mol/s。L>>G，近似認(rèn)為L=G。H_c=(1atm*G)/(k_g*G*(y_A-y_A'))=P/(k_g*(y_A-y_A'))=1atm/(0.5kmol/(m2·h·Pa)*(0.05-0.005))=1/(0.5*0.045)atm·m2/kmol=44.44m。H=H_c*(π*D2/4)/(k_g*A)=H_c*(π*D2/4)/(k_g*π*D2/4)=H_c=44.44m。所需填料層高度約為44.44米。七、投資回收期法（PayoutPeriod,PP）是指項(xiàng)目通過其產(chǎn)生的凈現(xiàn)金流入量來回收初始投資所需的時(shí)間。計(jì)算公式為：PP=初始投資總額/年平均凈現(xiàn)金流量。其中，年平均凈現(xiàn)金流量=年平均收入-年平均支出（包括運(yùn)營成本、維護(hù)費(fèi)、折舊等，若考慮稅后，則為稅后利潤加折舊）。該方法簡單直觀，易于理解，反映了投資的回收速度?；厥掌谠蕉?，表示資金回收越快，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)越小，經(jīng)濟(jì)效益越好。影響投資回收期的主要因素包括初始投資額的大小、項(xiàng)目壽命期、銷售收入水平、運(yùn)營成本高低、產(chǎn)品價(jià)格、產(chǎn)量、市場競爭、技術(shù)更新速度以及采用的折舊和財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)方法等。八、最大反應(yīng)速率r_max發(fā)生在溫度最高時(shí)，即E_a/RT=0時(shí)。給定條件：T?=60°C=333K時(shí)，r=r_max*80%=0.8*r_max。根據(jù)阿倫尼烏斯方程ln(r/r_max)=-E_a/(R*T)，代入r/r_max=0.8和T?=333K，得ln(0.8)=-E_a/(R*333)。指前因子k?對(duì)溫度變化影響不大，故在T?時(shí)，k?=k?，r_max?=k?。同樣，ln(r_max?/r_max?)=-E_a/(R*T?)+E_a/(R*T?)。因?yàn)閞_max?/r_max?=1/0.8=1.25，所以ln(1.25)=-E_a/(R*T?)+E_a/(R*333)。聯(lián)立以上兩式求解T?：E_a/(R*333)-E_a/(R*T?)=ln(0.8)。E_a/(R)*(1/333-1/T?)=-0.2231。1/333-1/T?=-0.2231*R/E_a。1/T?=1/333+0.2231*R/E_a。查表得R≈8.