2025年化學工程與工藝考試試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在理想管式反應器中進行一級不可逆反應A→B，若進料濃度cA0=2mol·L?1，反應速率常數(shù)k=0.5min?1，停留時間τ=4min，則出口轉化率最接近A.0.865?B.0.750?C.0.500?D.0.135答案：A2.對于氣固相催化反應，若內擴散阻力不可忽略，則實測反應速率與無內擴散時的本征速率相比A.相等?B.增大?C.減小?D.先增后減答案：C3.在雙膜理論中，吸收過程的總阻力等于A.氣膜阻力+液膜阻力?B.氣膜阻力×液膜阻力?C.氣膜阻力/液膜阻力?D.氣膜阻力?液膜阻力答案：A4.某精餾塔進料為飽和液體，若回流比R=2，則提餾段液氣比L′/V′為A.1.5?B.2.0?C.2.5?D.3.0答案：C5.在萃取操作中，若分配系數(shù)m=1.5，相比O/A=1，則單級萃取的理論收率最接近A.0.60?B.0.50?C.0.40?D.0.30答案：A6.對于非牛頓冪律流體，在層流區(qū)壓降與流速的關系為Δp∝u?，若n=1.8，則流速提高一倍，壓降增加倍數(shù)約為A.2.0?B.2.8?C.3.5?D.4.0答案：C7.在管殼式換熱器中，若熱流體走殼程且被冷卻，則溫度校正系數(shù)Ft的取值范圍通常為A.0.5~0.7?B.0.7~0.9?C.0.9~1.0?D.1.0~1.2答案：B8.對于可逆放熱反應，最佳溫度序列應隨轉化率增加而A.升高?B.降低?C.不變?D.先升后降答案：B9.在干燥過程中，若物料進入降速階段，則干燥速率主要受控于A.空氣濕度?B.空氣溫度?C.物料內部水分遷移?D.空氣流速答案：C10.采用乙醇水體系進行恒沸精餾時，加入的恒沸劑苯主要作用是A.提高乙醇揮發(fā)度?B.降低水揮發(fā)度?C.形成新的最低恒沸物?D.形成新的最高恒沸物答案：C二、多項選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）11.下列屬于理想反應器模型的有A.全混流?B.活塞流?C.層流?D.擴散流?E.循環(huán)流答案：AB12.關于精餾塔靈敏板溫度，下列說法正確的有A.可用于推斷塔頂組成?B.對進料組成變化敏感?C.對回流比變化敏感?D.通常位于進料板附近?E.與塔壓無關答案：ABCD13.下列措施可提高填料塔傳質效率的有A.增加填料比表面積?B.提高液體噴淋密度?C.降低操作壓力?D.選用高效規(guī)整填料?E.提高氣體空塔速度至液泛點答案：ABD14.關于催化劑失活，下列屬于物理失活原因的有A.積碳?B.燒結?C.中毒?D.孔道堵塞?E.活性組分流失答案：BD15.在蒸發(fā)操作中，采用多效蒸發(fā)的目的包括A.提高蒸汽經濟性?B.降低溶液沸點升高?C.減少加熱面積?D.降低冷凝器負荷?E.提高產品濃度答案：AD三、填空題（每空2分，共20分）16.對于一級連串反應A→B→C，若k?=0.8h?1，k?=0.2h?1，則B的最大收率yB,max=________（保留三位小數(shù)）。答案：0.67717.在亨利定律表達式p=Hx中，若體系溫度升高，則亨利常數(shù)H將________。答案：增大18.某離心泵在額定流量下軸功率為10kW，若改用密度減小20%的液體，則軸功率約為________kW。答案：819.對于管式反應器，佩克萊特數(shù)Pe→∞時，返混程度趨近于________。答案：020.在二元體系汽液平衡中，若相對揮發(fā)度α=2.5，則當液相摩爾分數(shù)x=0.4時，汽相摩爾分數(shù)y=________（保留兩位小數(shù)）。答案：0.6221.若傳熱系數(shù)U=500W·m?2·K?1，溫差ΔT=40K，則單位面積熱通量q=________kW·m?2。答案：2022.在萃取計算中，若選擇性系數(shù)β=1，則該萃取劑________實現(xiàn)分離。答案：不能23.對于固定床催化反應器，若床層空隙率ε=0.4，則顆粒體積與床層體積之比為________。答案：0.624.在干燥恒速階段，物料表面溫度等于空氣的________溫度。答案：濕球25.若精餾塔理論板數(shù)為10，進料板為第5塊，則精餾段理論板數(shù)為________。答案：4四、簡答題（共30分）26.（封閉型，6分）寫出雙膜理論中吸收總系數(shù)KG與分系數(shù)kg、kl的關系式，并說明各符號含義。答案：1/KG=1/kg+H/kl，其中KG為基于氣相的總吸收系數(shù)，kg為氣膜分系數(shù)，kl為液膜分系數(shù)，H為亨利常數(shù)。27.（開放型，8分）結合反應分離耦合理念，舉例說明反應精餾在工業(yè)中的應用優(yōu)勢，并指出其限制因素。答案：以甲基叔丁基醚（MTBE）合成反應為例，反應精餾將反應與分離集成，利用反應放熱提供汽化潛熱，降低能耗；同時移走產物MTBE打破平衡，提高異丁烯轉化率至99%以上。限制因素包括：催化劑耐溫性、塔內件設計復雜、操作窗口窄、對進料雜質敏感等。28.（封閉型，6分）給出并流與逆流換熱的對數(shù)平均溫差ΔTm計算式，并說明何種情況下并流與逆流ΔTm相等。答案：ΔTm=(ΔT??ΔT?)/ln(ΔT?/ΔT?)；當一側流體溫度恒定（如相變）時，并流與逆流ΔTm相等。29.（開放型，10分）某廠計劃將間歇反應器改為連續(xù)化生產，請從反應動力學、傳熱、安全、經濟四方面闡述需考慮的關鍵問題。答案：動力學方面需確認反應級數(shù)、活化能，判斷是否適合連續(xù)管式或CSTR；傳熱方面需校核移熱能力，防止熱點；安全方面需評估失控反應風險，設置緊急冷卻系統(tǒng)；經濟方面需比較設備投資、操作費用與產品質量提升收益，進行NPV分析。五、計算題（共65分）30.（反應器計算，15分）在體積VR=2m3的CSTR中進行液相反應A+B→2R，速率方程?rA=kcAcB，k=0.2m3·kmol?1·min?1，進料流量Q0=0.5m3·min?1，cA0=cB0=2kmol·m?3。求：(1)出口轉化率xA；(2)若將反應器改為體積相同的PFR，其他條件不變，求新的xA。答案：(1)CSTR：τ=VR/Q0=4min，由設計方程τ=cA0xA/[kcA02(1?xA)2]，解得xA=0.618。(2)PFR：設計方程dxA/dτ=kcA0(1?xA)2，積分得τ=1/(kcA0)·xA/(1?xA)，代入τ=4min，解得xA=0.889。31.（精餾計算，15分）某苯甲苯混合物F=100kmol·h?1，xF=0.4，泡點進料，要求塔頂xD=0.97，塔底xW=0.02，相對揮發(fā)度α=2.5，回流比R=2.5Rmin。求：(1)塔頂、塔底產品流量D、W；(2)最小回流比Rmin；(3)理論板數(shù)N（采用Gilliland關聯(lián)，需給出步驟）。答案：(1)總物料衡算：F=D+W，F(xiàn)xF=DxD+WxW，解得D=40kmol·h?1，W=60kmol·h?1。(2)q=1，xq=xF=0.4，yq=αxq/[1+(α?1)xq]=0.625，Rmin=(xD?yq)/(yq?xq)=1.23。(3)R=2.5×1.23=3.08，(R?Rmin)/(R+1)=0.46，查Gilliland圖得(N?Nmin)/(N+1)=0.31，F(xiàn)enske方程得Nmin=ln[(xD/(1?xD))/((1?xW)/xW)]/lnα?1=7.0，解得N≈11.2，取12塊。32.（吸收計算，10分）用清水逆流吸收氨空氣混合氣，入口y1=0.03，出口y2=0.001，入口x2=0，平衡y=1.2x，氣體流量G=50kmol·m?2·h?1，液體流量L=60kmol·m?2·h?1，傳質總系數(shù)KGa=2kmol·m?3·h?1·atm?1，塔截面積A=0.5m2。求填料層高度Z。答案：(Δy)lm=[(y1?y1)?(y2?y2)]/ln[(y1?y1)/(y2?y2)]，y1=1.2x1，由物料衡算G(y1?y2)=L(x1?x2)得x1=0.025，y1=0.03，y2=0，(Δy)lm=0.001，NTU=G(y1?y2)/(KGaA(Δy)lm)=14.5，Z=NTU·HTU，HTU=G/(KGaA)=50kmol·m?2·h?1/(2×0.5)=50m，Z=14.5×50=7.25m。33.（傳熱計算，10分）一單殼程雙管程換熱器用冷卻水將有機液從90°C冷卻至50°C，有機液流量m?h=2kg·s?1，cp,h=2.5kJ·kg?1·K?1，冷卻水從20°C升至40°C，cp,c=4.18kJ·kg?1·K?1，總傳熱系數(shù)U=800W·m?2·K?1。求所需傳熱面積A。答案：Q=m?hcp,hΔTh=2×2.5×40=200kW，ΔT1=50K，ΔT2=30K，ΔTm=(50?30)/ln(50/30)=39.1K，單殼程雙管程校正Ft≈0.9，A=Q/(UΔTmFt)=200000/(800×39.1×0.9)=7.1m2。34.（綜合設計，15分）某廠擬采用萃取共沸精餾聯(lián)合流程從發(fā)酵液中提取乙醇。已知發(fā)酵液含乙醇12wt%，流量10000kg·h?1，要求最終乙醇≥99.5wt%。請：(1)給出原則流程框圖（文字描述即可）；(2)選擇萃取劑并說明理由；(3)估算萃取段乙醇回收率≥95%時所需相比O/A；(4)指出共沸精餾塔所需理論板數(shù)大致范圍；(5)列出主要節(jié)能措施。答案：(1)發(fā)酵液→過濾→萃取塔→萃余相廢水，萃取相→精餾回收萃取劑→共沸精餾→無水乙醇。(2)選用乙二醇，分配系數(shù)高、沸點差大、毒性低、價廉。(3)取m=2.5，單級收率η=1/(1+1/mA)=0.95，解得A=0.42，故O/A=0.42。(4)共沸精餾塔需45~55塊理論板（含恒沸劑回收段）。(5)設置萃取劑精餾塔與主塔熱集成，采用蒸汽再壓縮，多效蒸發(fā)處理萃余液，熱泵回收塔頂蒸汽潛熱。六、分析論述題（共20分）35.（20分）“雙碳”背景下，化工過程強化技術被視為降碳增效的重要抓手。請圍繞“反應分離換熱”三耦合，以環(huán)氧丙烷HPPO工藝為例，系統(tǒng)論述：(1)該工藝如何體現(xiàn)過程強化理念；(2)采用微通道反應器的利與弊；(3)膜分離替代傳統(tǒng)精餾的可行性及技術瓶頸；(4)通過熱耦合實現(xiàn)能量優(yōu)化的具體方案；(5)對未來5年該工藝降碳潛力的定量展望（需給出數(shù)據支撐）。答案：(1)HPPO工藝將丙烯與過氧化氫在鈦硅分子篩催化劑上一步合成環(huán)氧丙烷，集成反應分離換熱：反應熱直接預熱進料，產物閃蒸與膜分離耦合，減少中間冷卻/再加熱，碳排下降35%。(2)微通道反應器傳質傳熱系數(shù)提高1~2個數(shù)量級，反應時間由分鐘級縮至秒級，但壓降高、易堵塞、催化劑涂層壽命待驗證。(3)采用親水膜脫水，可避開環(huán)氧丙烷水恒沸，膜通量需>5kg·m?2·h?1，目前工