2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)工程熱力學(xué)模擬實驗考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述熱力學(xué)第一定律和第二定律各自的核心內(nèi)容，并說明它們在化學(xué)工程模擬中的作用。二、在進行一個涉及混合物的熱力學(xué)模擬計算時，為何需要選擇或定義物性方法（物性包）？請列舉至少三種常用的物性方法，并簡述其適用范圍或特點。三、某資源化學(xué)工藝流程中包含一個等壓冷卻過程。已知原料進入該單元的操作溫度為500K，壓力為2MPa，冷卻介質(zhì)出口溫度為300K，壓力為2MPa。假設(shè)該過程可逆，且原料和冷卻介質(zhì)均為理想氣體，試根據(jù)熱力學(xué)原理，定性分析該冷卻過程是吸熱過程還是放熱過程？并簡要說明理由。四、使用化學(xué)工程模擬軟件，模擬一個簡單的連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器（CSTR）過程。原料液包含兩種反應(yīng)物A和B，在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)生成產(chǎn)品P。已知反應(yīng)為放熱反應(yīng)，給出反應(yīng)動力學(xué)方程。請描述在模擬中設(shè)置CSTR模塊時，需要定義的關(guān)鍵參數(shù)及其對模擬結(jié)果的影響。至少列舉三個關(guān)鍵參數(shù)并說明。五、在模擬一個精餾塔過程時，如果塔頂產(chǎn)品的純度低于設(shè)計要求，從熱力學(xué)角度分析，可能的原因有哪些？請至少提出三種不同的原因，并簡要說明。六、某模擬結(jié)果表明，一個資源轉(zhuǎn)化過程的能耗較高。請基于化學(xué)工程熱力學(xué)原理，提出至少三種可能的節(jié)能優(yōu)化思路，并簡述每種思路的基本原理。七、對于一個涉及多組分體系的化學(xué)工程過程，試說明吉布斯自由能（G）在判斷過程自發(fā)性方面的作用。如果一個過程在等溫等壓條件下吉布斯自由能變（ΔG）為負值，該過程是否一定能夠自動進行？為什么？八、某資源化學(xué)工藝包含一個萃取單元，原料液與萃取劑在混合器中接觸，隨后在分離器中實現(xiàn)兩相分離。在模擬該單元時，需要定義哪些關(guān)鍵的相平衡模型或參數(shù)？選擇合適的相平衡模型時，需要考慮哪些因素？九、請簡述在化學(xué)工程熱力學(xué)模擬中，能量衡算（能量平衡）的基本原理，并說明其在模擬流程分析中的重要性。十、假設(shè)你正在使用模擬軟件評估一個包含反應(yīng)器、分離塔和泵等單元的流程。在初步完成流程模擬后，你發(fā)現(xiàn)整個流程的泵送功率消耗異常高。請描述你將采取哪些步驟來診斷并可能解決此問題，運用熱力學(xué)和工程原理進行說明。試卷答案一、熱力學(xué)第一定律核心內(nèi)容是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，即能量既不會憑空產(chǎn)生也不會憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，或從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，但在轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量保持不變。在化學(xué)工程模擬中，它用于能量衡算，確保輸入系統(tǒng)的能量等于輸出系統(tǒng)的能量加上系統(tǒng)內(nèi)部能量變化（如反應(yīng)熱、相變熱）以及對外做的功。熱力學(xué)第二定律核心內(nèi)容是熵增原理，即在一個孤立系統(tǒng)中，任何自發(fā)進行的過程都會導(dǎo)致系統(tǒng)的總熵增加，達到平衡時熵值最大。在化學(xué)工程模擬中，它用于判斷過程的自發(fā)性，計算熵變，分析能量轉(zhuǎn)換效率（如熱機效率），并進行過程設(shè)計和優(yōu)化，以實現(xiàn)更高的能量利用效率和更低的環(huán)境影響。二、選擇或定義物性方法是為了計算混合物在特定溫度、壓力等條件下的熱力學(xué)性質(zhì)（如焓、熵、密度、粘度、熱導(dǎo)率等），這些性質(zhì)是進行能量衡算、物料衡算和過程模擬的基礎(chǔ)。常用物性方法包括：1.理想氣體狀態(tài)方程法：適用于低壓條件下的理想氣體混合物，計算簡單，但精度有限。2.簡正態(tài)法（Modred法）：基于量子力學(xué)，適用于純物質(zhì)和低壓混合物的熱力學(xué)性質(zhì)計算，精度較高。3.活度系數(shù)模型法（如NRTL、UNIQUAC）：適用于中高壓下的非理想溶液，能夠較好地描述混合物的汽液相平衡和熱力學(xué)性質(zhì)，需要定義交互作用參數(shù)。其適用范圍或特點取決于系統(tǒng)的壓力、溫度范圍、組分化學(xué)性質(zhì)以及所需的計算精度。三、該冷卻過程是放熱過程。理由：根據(jù)熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于控制體積（CVC），能量衡算式為ΔH=Q-Ws，其中ΔH是焓變，Q是熱量傳遞，Ws是軸功。對于等壓冷卻過程，若無軸功（Ws=0），則ΔH=Q。由于從500K冷卻到300K，原料的焓（H）必然降低，即ΔH<0。因此，為了滿足能量衡算式，傳遞的熱量Q必須為負值，即系統(tǒng)向環(huán)境放熱。四、在模擬CSTR時，需要定義的關(guān)鍵參數(shù)及其影響：1.體積（Volume）：決定反應(yīng)器的反應(yīng)容量，體積增大通常使出口轉(zhuǎn)化率降低，但產(chǎn)物濃度可能升高。2.進料流量和組成（FeedFlowRateandComposition）：影響反應(yīng)器的物料處理能力和反應(yīng)物/產(chǎn)物的濃度分布。3.溫度（Temperature）：直接影響反應(yīng)速率常數(shù)（根據(jù)阿倫尼烏斯方程），進而影響轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)時間，對放熱反應(yīng)尤為重要，需考慮溫度分布或進行多區(qū)模擬。4.反應(yīng)動力學(xué)（ReactionKinetics）：包括速率方程表達式和速率常數(shù)，決定了反應(yīng)進行的快慢和程度。5.催化劑效率因子（CatalystEfficiencyFactor）：反映實際催化劑與理想催化劑性能的偏差，影響表觀反應(yīng)速率。五、塔頂產(chǎn)品純度低于設(shè)計要求的原因可能包括：1.理論板數(shù)不足：塔的實際分離能力低于設(shè)計值，可能由于塔徑過小、填料效率低或塔高不夠。2.進料位置不當(dāng)：進料板位置選擇不合理，導(dǎo)致易揮發(fā)組分在塔下部積累，難揮發(fā)組分在塔上部積累，分離效果下降。3.操作壓力或溫度偏差：實際操作壓力或塔頂/塔底溫度與設(shè)計值不符，改變了氣液相平衡關(guān)系，降低了分離效率。4.進料組成波動：進料混合物中組分的實際比例與設(shè)計值有偏差，特別是當(dāng)進料側(cè)線采出時，會破壞原有的物料平衡和分離條件。六、節(jié)能優(yōu)化思路：1.增加過程能量集成（EnergyIntegration）：利用熱力學(xué)原理，如熱量集成（HeatIntegration），通過設(shè)置換熱網(wǎng)絡(luò)，回收利用工藝過程中產(chǎn)生的低品位熱能，減少外部熱源輸入，降低能耗。2.優(yōu)化操作條件：調(diào)整反應(yīng)溫度、壓力、停留時間等操作參數(shù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率的前提下，選擇能量效率最高的條件。例如，對于放熱反應(yīng)，可能需要優(yōu)化冷卻介質(zhì)和冷卻方式。3.改進設(shè)備設(shè)計：采用更高效的能量傳遞設(shè)備（如高效換熱器、反應(yīng)器），減少能量損失。例如，使用變溫操作代替恒溫操作，可能更節(jié)能。七、吉布斯自由能（G）在等溫等壓條件下，是判斷過程自發(fā)性的判據(jù)。ΔG<0表示過程能夠自發(fā)進行；ΔG>0表示過程不能自發(fā)進行；ΔG=0表示系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。但是，一個過程ΔG為負值僅表示其具有自發(fā)的*熱力學(xué)傾向*，并不一定意味著該過程會立即或高速自動進行。實際過程的自發(fā)速率還取決于過程的動力學(xué)因素（速率常數(shù)），即過程進行的快慢。一個ΔG負值很大的過程可能因為活化能壘很高而實際進行得很慢。八、定義萃取單元的關(guān)鍵相平衡模型或參數(shù)：1.活度系數(shù)模型：如NRTL、UNIQUAC、Wilson等，用于描述原料液與萃取劑混合后，各組分在兩相中的活度系數(shù)差異，進而計算分配系數(shù)。需要定義模型參數(shù)（如交互作用參數(shù)）。2.分配系數(shù)（DistributionCoefficient）：直接表示溶質(zhì)在兩相中的濃度比（在特定溫度、壓力下），是簡化模型常用的參數(shù)。3.溶劑化模型參數(shù)：如果涉及溶劑化作用，需要定義相關(guān)參數(shù)。選擇合適的模型時需考慮：組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（極性、分子大小等）、操作溫度和壓力、兩相的性質(zhì)（如密度、粘度差異）、是液-液萃取還是固相萃取等。九、能量衡算（能量平衡）的基本原理是熱力學(xué)第一定律在控制體積或系統(tǒng)上的應(yīng)用，即系統(tǒng)在一段時間內(nèi)能量輸入與能量輸出、系統(tǒng)內(nèi)能增加以及對外做功之間的代數(shù)和等于零。數(shù)學(xué)表達式為：Σ(E_in)+Σ(E_stored)=Σ(E_out)+Ws，其中E代表各種能量形式（如熱、功、內(nèi)能、動能、位能）。在模擬流程分析中，能量衡算是必不可少的環(huán)節(jié)，它用于：1.確定各單元操作（如反應(yīng)器、換熱器、泵、壓縮機）的能量需求或輸出。2.評估過程的總能耗和能源效率。3.設(shè)計或選擇合適的能量交換設(shè)備（如換熱器）。4.分析和優(yōu)化工藝過程，減少能量消耗。十、診斷并解決泵送功率異常高的步驟：1.檢查模擬設(shè)置的準(zhǔn)確性：核實泵的規(guī)格（流量、揚程）、入口和出口連接的單元、管路布置、物料屬性（密度、粘度）是否設(shè)置正確。2.分析流量和壓降：檢查泵的入口流量是否與上游單元的輸出流量一致，分析泵入口前的靜壓頭和整個泵送管路的壓降（包括摩擦壓降、高點靜壓頭等）。過高的入口壓力或管路壓降會導(dǎo)致泵軸功增加。3.檢查管路和設(shè)備：在模擬中，檢查是否存在不合理的高阻力管路（如過細的管徑、