化學(xué)工程及工藝考試試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在恒定總壓下，氣體混合物的擴(kuò)散通量與組分的分壓差成正比，該規(guī)律適用于（）。A.液體中的擴(kuò)散B.稀溶液中的擴(kuò)散C.稀氣體中的擴(kuò)散D.濃溶液中的擴(kuò)散2.對(duì)于平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，若材料導(dǎo)熱系數(shù)沿厚度方向變化，λ?>λ?，為使熱流密度保持不變，相比λ?材料，λ?材料層的厚度應(yīng)（）。A.更厚B.更薄C.相同D.無法確定3.在離心泵的工作范圍內(nèi)，關(guān)死點(diǎn)是指（）。A.流量為零，揚(yáng)程為零B.流量為零，揚(yáng)程最大C.流量為最大，揚(yáng)程為零D.流量為最大，揚(yáng)程最大4.以下關(guān)于過濾操作的描述，錯(cuò)誤的是（）。A.過濾介質(zhì)兩側(cè)存在壓力差是推動(dòng)過濾進(jìn)行的原因B.過濾的基本方程（如Ergun方程或Kozeny-Carman方程）都考慮了顆粒與流體的相互作用C.過濾操作可以提高懸浮液中的固相濃度D.濾餅的厚度和性質(zhì)會(huì)影響過濾效率5.在連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器（CSTR）中，若反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng)A→P，空時(shí)τ保持不變，當(dāng)反應(yīng)物初始濃度CA?增加一倍時(shí)，出口轉(zhuǎn)化率Xe將（）。A.增加一倍B.減少一半C.保持不變D.無法確定6.簡單蒸餾主要用于分離（）。A.沸點(diǎn)相近的液體混合物B.沸點(diǎn)差異較大的液體混合物C.固體與液體的混合物D.氣體混合物7.在吸收過程中，若氣液兩相流量保持不變，增大液相流量，通常會(huì)導(dǎo)致（）。A.平衡線變陡B.操作線遠(yuǎn)離平衡線C.操作線斜率增大D.出口液相組成降低8.在列管式換熱器中，管程和殼程的流體進(jìn)行熱交換，若管內(nèi)流體被加熱，則（）。A.管內(nèi)流體溫度沿程升高B.管外流體溫度沿程降低C.管內(nèi)流體溫度沿程降低D.殼程流體與管內(nèi)流體通過管壁進(jìn)行熱交換9.下列單元操作中，不屬于傳質(zhì)過程的是（）。A.吸收B.蒸餾C.過濾D.萃取10.依據(jù)恩德伍德（Underwood）規(guī)則，在二元簡單蒸餾中，當(dāng)進(jìn)料組成xF高于平衡組成xB時(shí)，為了獲得純度最高的輕組分產(chǎn)品，應(yīng)采用（）。A.全凝器，最小回流比B.全凝器，最小回流比以上的回流比C.理論板數(shù)最少D.塔徑最小二、填空題1.流體在圓管內(nèi)做層流流動(dòng)時(shí)，沿管長方向存在流速分布，最大流速位于管中心，其值為平均流速的______倍。2.熱傳導(dǎo)的基本定律是傅里葉定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為q=-λ?T，其中λ代表______，?T代表______。3.攪拌器的目的是增加液體的______和______，強(qiáng)化傳質(zhì)和傳熱。4.過濾操作的推動(dòng)力是濾餅兩側(cè)的______差，阻力主要來自濾餅本身和______。5.反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的是反應(yīng)物濃度隨______的變化規(guī)律，反應(yīng)工程則研究反應(yīng)器設(shè)計(jì)及操作對(duì)______的影響。6.在雙組分混合物中，當(dāng)液相組成高于氣相組成時(shí)，該混合物呈______色或______狀態(tài)。7.蒸餾操作的依據(jù)是混合物中各組分______的差異。8.在吸收過程中，氣相中溶質(zhì)分壓與液相中溶質(zhì)平衡濃度之比稱為______。9.換熱器的基本功能是______兩種溫度不同的流體之間的熱量。10.對(duì)于理想氣體，其粘度μ與絕對(duì)溫度T的______次方成正比。三、判斷題1.流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，雷諾數(shù)Re是衡量流體流動(dòng)狀態(tài)的無量綱數(shù)，Re>2300表示層流。（）2.對(duì)于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，通過某一截面的熱量隨時(shí)間變化。（）3.離心泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速成正比。（）4.重力沉降是利用顆粒與流體密度差以及重力作用使顆粒從流體中分離的操作。（）5.在間歇釜反應(yīng)器（CSTR）中，若反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng)A→P，空時(shí)τ保持不變，當(dāng)反應(yīng)物初始濃度CA?增加一倍時(shí)，出口轉(zhuǎn)化率Xe也增加一倍。（）6.簡單蒸餾無法分離互溶的沸點(diǎn)相近的液體混合物。（）7.吸收操作必須在氣液平衡關(guān)系確定的條件下才能進(jìn)行。（）8.列管式換熱器中，流體的流速越大，傳熱系數(shù)越大。（）9.塔板效率是衡量板式塔分離效果的指標(biāo)，其值總小于1。（）10.催化劑可以改變化學(xué)反應(yīng)的活化能，從而影響反應(yīng)速率，但不會(huì)改變反應(yīng)的平衡常數(shù)。（）四、計(jì)算題1.(10分)某不可壓縮流體在圓管內(nèi)做層流流動(dòng)，管徑d=0.05m，管長L=10m，流體流速v=0.02m/s，流體密度ρ=1000kg/m3，動(dòng)力粘度μ=0.001Pa·s。假設(shè)流動(dòng)為充分發(fā)展層流，試計(jì)算：(1)管中心處的最大流速；(2)管內(nèi)流體的體積流量；(3)10m長的管道上流體的壓降（忽略入口效應(yīng)）。2.(10分)有一套管式換熱器，內(nèi)管為Φ25×2.5mm(外徑25mm，壁厚2.5mm)的鋼管，外管為Φ38×3mm(外徑38mm，壁厚3mm)的鋼管，管長為2m。內(nèi)管通入溫度為150°C的熱水，流速為0.6m/s，水的比熱容cp=4.18kJ/(kg·K)，密度ρ=980kg/m3，粘度μ=0.001Pa·s。外管間通入溫度為20°C的空氣，空氣流量為0.5kg/s，空氣的比熱容cp=1.005kJ/(kg·K)。假設(shè)換熱器總傳熱系數(shù)K=50W/(m2·K)，試估算該換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差（LMTD）和所需換熱面積（假設(shè)管壁熱阻及污垢熱阻可忽略）。3.(10分)在連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器（CSTR）中進(jìn)行某液相一級(jí)不可逆反應(yīng)A→P，反應(yīng)速率常數(shù)k=0.1min?1。進(jìn)料體積流量F=100L/min，進(jìn)料濃度為CA?=2mol/L。試計(jì)算：(1)反應(yīng)器體積為100L時(shí)的出口轉(zhuǎn)化率；(2)若要使出口轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.9，反應(yīng)器體積應(yīng)為多大？4.(10分)某二元混合物在常壓下進(jìn)行簡單蒸餾，進(jìn)料流量為100kmol/h，進(jìn)料組成為0.4(摩爾分率，下同)，餾出液組成為0.9，殘液組成為0.1。假設(shè)塔頂采用全凝器，塔底采用再沸器（提供汽相）。試根據(jù)恩德伍德規(guī)則，計(jì)算：(1)蒸餾產(chǎn)生的蒸汽量（kmol/h）；(2)若回流比為最小回流比的1.5倍，餾出液流量為多少（kmol/h）？（假設(shè)操作壓力下汽液平衡關(guān)系為y=0.75x+0.15）五、簡答題1.(10分)簡述影響過濾速率的主要因素，并說明如何通過操作條件的改變來提高過濾速率。2.(10分)在設(shè)計(jì)工業(yè)反應(yīng)器時(shí)，選擇釜式反應(yīng)器（CSTR）還是管式反應(yīng)器（PFR）需要考慮哪些主要因素？請(qǐng)簡述各自的優(yōu)缺點(diǎn)。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.B5.C6.B7.B8.D9.C10.B二、填空題1.22.導(dǎo)熱系數(shù)；溫度梯度3.攪拌速度；混合程度4.壓力；過濾介質(zhì)5.時(shí)間；產(chǎn)物收率/轉(zhuǎn)化率6.濃；稀7.沸點(diǎn)8.溶解度9.傳遞10.1/2(或0.5)三、判斷題1.×2.×3.√4.√5.×6.√7.√8.√9.√10.√四、計(jì)算題1.(10分)(1)解：層流流動(dòng)時(shí)，管中心最大流速v_max=2v=2×0.02m/s=0.04m/s。(2)解：體積流量Q=Aaverage*v=(π/4)d2*(v/2)=(π/4)×(0.05)2×(0.02/2)m3/s=3.927×10??m3/s=14.13L/min。(3)解：壓降ΔP=(32μLV)/(ρgd2)=(32×0.001Pa·s×10m)/(1000kg/m3×9.81m/s2×(0.05m)2)=1.63Pa。2.(10分)(1)解：對(duì)數(shù)平均溫差LMTD計(jì)算需知道兩端溫差。假設(shè)熱水出口溫度Tw_e和空氣出口溫度Ta_e未知，不能直接計(jì)算LMTD。但題目要求估算，可能隱含假設(shè)或簡化。通常需要進(jìn)出口溫度。此題按現(xiàn)有數(shù)據(jù)無法直接計(jì)算LMTD。若題目意圖考察面積計(jì)算，需給定LMTD或K值。按現(xiàn)有信息，無法完成LMTD計(jì)算。(2)解：所需換熱面積A=Q/K*ΔTm。需要計(jì)算熱流量Q。Q=F*cp_air*(Ta_e-Ta_i)。Q=0.5kg/s*1.005kJ/(kg·K)*(Ta_e-20°C)。需要空氣出口溫度Ta_e。假設(shè)空氣出口溫度，例如Ta_e=50°C。Q=0.5*1.005*(50-20)=20.1kJ/s=20.1kW。A=20.1kW/50W/(m2·K)*ΔTm。仍需LMTD。若強(qiáng)行估算，假設(shè)ΔTm≈(150-20)/2=65°C。A=20.1/50*65=2.61m2。此結(jié)果高度依賴假設(shè)，計(jì)算過程僅供示例，結(jié)果不可靠。3.(10分)(1)解：對(duì)于CSTR，Xe=kτ。τ=V/F=100L/100L/min=1min。Xe=0.1min?1*1min=0.1。(2)解：Xe=kτ。要求Xe=0.9。τ=Xe/k=0.9/0.1min?1=9min。V=τ*F=9min*100L/min=900L。4.(10分)(1)解：根據(jù)質(zhì)量守恒，F(xiàn)=D+W。100=D+W。根據(jù)物料衡算（對(duì)A組分），F(xiàn)*xF=D*yD+W*xFW。100*0.4=D*yD+W*0.1。聯(lián)立方程：D+W=100；D*yD+0.1W=40。代入W=100-D，得D*yD+0.1*(100-D)=40。D*yD+10-0.1D=40。D*yD-0.1D=30。D*(yD-0.1)=30。根據(jù)最小理論板數(shù)規(guī)則，yD=xB=0.1(殘液組成)。代入D*(0.1-0.1)=30。此結(jié)果為零，說明假設(shè)最小理論板數(shù)yD=xB=0.1導(dǎo)致矛盾，需調(diào)整假設(shè)或方法。通常恩德伍德規(guī)則用于估算最小回流比，直接求W較復(fù)雜。按常規(guī)方法，W=F*xF/(yD-xB)=100*0.4/(0.9-0.1)=100*0.4/0.8=50kmol/h。D=100-50=50kmol/h。產(chǎn)生的蒸汽量W即為50kmol/h。(2)解：最小回流比Rmin=(yD-xB)/(yF-xB)=(0.9-0.4)/(0.4-0.1)=0.5/0.3=5/3≈1.6667。實(shí)際回流比R=1.5*Rmin=1.5*(5/3)=2.5。餾出液流量D=F*(R/(R+1))=100*(2.5/(2.5+1))=100*(2.5/3.5)=100*(5/7)=500/7≈71.43kmol/h。五、簡答題1.(10分)影響過濾速率的主要因素包括：(1)過濾推動(dòng)力：濾餅兩側(cè)的壓力差。壓力差越大，過濾速率越快。(2)過濾面積：過濾面積越大，過濾速率越快。(3)濾餅厚度：通常過濾速率與濾餅厚度的平方根成反比。(4)濾餅性質(zhì)：包括濾餅的滲透性（孔道大小和結(jié)構(gòu)）和阻力（孔隙率）。(5)濾漿性質(zhì)：包括流體粘度（粘度越大，過濾越慢）和固體顆粒濃度（顆粒濃度越高，可能影響粘度或?yàn)V餅結(jié)構(gòu)）。(6)過濾介質(zhì)阻力：過濾介質(zhì)的孔徑和厚度也會(huì)影響過濾速率。提高過濾速率的操作條件改變：(1)增加過濾壓力差：提高操作壓力。(2)增大過濾面積：使用更大尺寸的過濾設(shè)備或增加濾葉數(shù)量。(3)減少濾餅厚度：及時(shí)清理或洗滌濾餅，或采用輔助過濾方法。(4)改善濾餅滲透性：選擇合適的助濾劑預(yù)處理濾漿，形成滲透性較好的濾餅。(5)降低濾漿粘度：加熱濾漿（若物料允許）。(6)選擇阻力更小的過濾介質(zhì)。2.(10分)選擇CSTR還是PFR主要考慮因素：(1)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：對(duì)于平行反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)或選擇性要求高的反應(yīng)，PFR可能更優(yōu)。對(duì)于簡單的不可逆反應(yīng)，兩者差異可能不大。(2)反應(yīng)熱效應(yīng)：對(duì)于強(qiáng)放熱反應(yīng)，PFR由于反應(yīng)物濃度沿反應(yīng)器長度降低，溫度分布更均勻，不易出現(xiàn)熱點(diǎn)，安全性更高。CSTR需要有效的冷卻措施防止飛溫。(3)轉(zhuǎn)化率要求：對(duì)于需要高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)，PFR通常能達(dá)到更高的轉(zhuǎn)化率（在相同空時(shí)下），因?yàn)榉磻?yīng)物濃度沿反應(yīng)器降低。(4)操作彈性：PFR的操作彈性通常較小，進(jìn)料濃度或溫度的波動(dòng)對(duì)反應(yīng)影響較大。CSTR的操作彈性相對(duì)較大。(5)混合要求：CSTR要求良好的混合以實(shí)現(xiàn)均勻濃度和溫度分布。PFR內(nèi)部混合較差（徑向）。(6)設(shè)備