2025年化學工程與工藝學專業(yè)考核試題及答案一、單項選擇題（每題1分，共20分）1.在理想管式反應器中，對一級不可逆反應，若空時τ增大，則轉化率XA.減小?B.不變?C.增大?D.先增后減答案：C2.下列哪種分離過程屬于速率控制分離A.精餾?B.吸收?C.膜分離?D.萃取答案：C3.對二元理想溶液，相對揮發(fā)度αAB=2.5，當液相摩爾分數xA=0.4時，與之平衡的氣相摩爾分數yA為A.0.625?B.0.500?C.0.400?D.0.714答案：A4.在U型管式換熱器中，若熱流體走殼程且為湍流，冷流體走管程且為層流，則總傳熱系數K主要受哪一側控制A.殼程?B.管程?C.兩側同等?D.無法判斷答案：B5.對可逆放熱反應，提高溫度將導致A.平衡常數增大?B.平衡常數減小?C.反應速率一定減小?D.平衡轉化率一定增大答案：B6.在氣固催化反應中，若內擴散阻力顯著，則表觀反應級數將A.大于本征級數?B.等于本征級數?C.小于本征級數?D.趨近于1答案：C7.下列哪種泵具有自吸能力A.離心泵?B.往復泵?C.軸流泵?D.旋渦泵答案：B8.對牛頓流體，在圓管層流區(qū)，壓降Δp與流速u的幾次方成正比A.1?B.1.5?C.1.75?D.2答案：A9.在雙膜理論中，氣相傳質分系數kG與總系數KG的關系為A.1/KG=1/kG+H/kL?B.KG=kG+kL?C.KG=kG·kL?D.1/KG=1/kG+1/kL答案：A10.對絕熱反應器，若反應放熱強烈，最易出現的現象是A.溫度單調下降?B.溫度恒定?C.熱點飛溫?D.轉化率下降答案：C11.在精餾塔設計中，若回流比R趨于最小回流比Rmin，則理論板數NT趨于A.0?B.無窮大?C.最小值?D.不變答案：B12.對理想氣體，下列哪項與溫度無關A.動力粘度μ?B.導熱系數λ?C.比熱容cp?D.密度ρ答案：C13.在萃取操作中，若分配系數m增大，則所需理論級數A.增大?B.減小?C.不變?D.先減后增答案：B14.對固定床催化反應器，下列哪項措施最能有效降低壓降A.減小顆粒直徑?B.提高空速?C.采用異形短顆粒?D.提高溫度答案：C15.在干燥速率曲線中，恒速干燥階段去除的水分主要是A.結合水?B.非結合水?C.平衡水?D.自由水答案：B16.對二元體系，若形成最低恒沸物，則恒沸點處相對揮發(fā)度A.大于1?B.等于1?C.小于1?D.趨于無窮答案：B17.在氣液反應中，若八田數Ha>>3，則反應主要發(fā)生在A.液膜內?B.液相主體?C.氣膜內?D.相界面答案：A18.對離心泵，關死點揚程與額定揚程之比約為A.0.5?B.1.0?C.1.2~1.4?D.2.0答案：C19.在反應器穩(wěn)定性分析中，若放熱曲線與移熱曲線相切，則該點對應A.穩(wěn)定操作點?B.不穩(wěn)定操作點?C.臨界點?D.無法判斷答案：C20.對板式塔，若液泛氣速uf增大，則與下列哪項無關A.板間距HT?B.表面張力σ?C.液體密度ρL?D.氣體粘度μG答案：D二、多項選擇題（每題2分，共10分，多選少選均不得分）21.下列哪些屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱過程A.套管換熱器啟動階段?B.板框壓濾機過濾?C.熱風干燥降速階段?D.間歇反應釜加熱?E.精餾塔全回流穩(wěn)態(tài)操作答案：A、C、D22.關于反應器熱穩(wěn)定性，下列說法正確的是A.放熱曲線斜率大于移熱曲線斜率時，系統穩(wěn)定?B.多定態(tài)可能出現在放熱反應?C.增大傳熱系數可提高穩(wěn)定性?D.降低進料溫度一定消除飛溫?E.冷卻介質溫度升高一定導致不穩(wěn)定答案：B、C23.下列哪些措施可提高精餾塔板效率A.增大孔速?B.減小表面張力?C.增大液層高度?D.減小板間距?E.采用傾斜孔答案：A、B、C、E24.關于氣體吸附，下列說法正確的是A.Langmuir模型假設單層吸附?B.BET模型可用于比表面測定?C.溫度升高一定降低吸附量?D.物理吸附熱大于化學吸附熱?E.吸附等溫線第Ⅲ型對應非孔材料多層吸附答案：A、B、C、E25.下列哪些屬于典型化工過程強化技術A.旋轉填充床?B.微通道反應器?C.超重力精餾?D.靜態(tài)混合器?E.常規(guī)填料塔答案：A、B、C、D三、填空題（每空1分，共20分）26.對一級不可逆反應，在CSTR中達到90%轉化率所需空時τ與PFR空時τpfr之比為________。答案：1027.某精餾塔進料為泡點液體，q線方程斜率為________。答案：∞28.在換熱器中，若熱流體溫度由120℃降至80℃，冷流體由30℃升至70℃，則對數平均溫差ΔTm=________℃。答案：38.229.對理想氣體，絕熱指數γ=cp/cv，則cpcv=________。答案：R30.對球形顆粒，其體積當量直徑dv與表面積當量直徑ds之比為________。答案：131.在干燥中，若物料臨界含水率Xc=0.15kg/kg干料，平衡含水率Xe=0.02，則最大可去除水分________kg/kg干料。答案：0.1332.對離心泵，若管路特性曲線為H=20+0.03Q2，泵曲線為H=400.02Q2，則工作點流量Q=________m3/h。答案：2033.在氣液反應A(g)+bB(l)→P(l)，若反應為瞬間不可逆，則增強因子E=________。答案：1+DBbCAI/(DALCBL)34.對固定床，Ergun方程中壓降與流速u的________次方成正比。答案：1.7535.若反應器體積VR=2m3，進料體積流量v0=0.5m3/h，則空速GHSV=________h?1。答案：0.2536.在萃取中，若選擇性系數β=10，則當萃取相中溶質摩爾分數yA=0.3時，萃余相中xA=________。答案：0.0337.對二元體系，若Antoine方程常數A=7.0，B=1500，C=200，則當蒸氣壓p°=100kPa時，溫度T=________℃（計算取整）。答案：7638.在反應器放大中，保持幾何相似，若長度尺度放大10倍，則傳熱面積放大________倍。答案：10039.對板框過濾機，若濾餅不可壓縮，過濾常數K與壓差Δp的________次方成正比。答案：140.在精餾塔中，若Murphree板效率Emv=0.7，則實際板數與理論板數之比約為________。答案：1.43四、簡答題（共30分）41.（封閉型，6分）寫出CSTR與PFR串聯達到相同轉化率時，總體積最小的必要條件，并給出證明思路。答案：必要條件為反應速率隨轉化率單調遞減。證明：對單調遞減速率，PFR在前可利用高反應速率，CSTR在后利用其混合特性，使總體積最?。蝗羲俾视袠O大值，則最優(yōu)順序需重新優(yōu)化。42.（開放型，8分）某廠計劃將間歇反應器改為連續(xù)操作，列舉三種可行方案并比較其優(yōu)缺點。答案：方案1：單臺大CSTR，優(yōu)點操作簡單，缺點轉化率低、體積大；方案2：PFR串聯小CSTR，優(yōu)點轉化率高，缺點控制復雜；方案3：環(huán)管反應器，優(yōu)點傳熱好、占地小，缺點壓降大、清洗難。43.（封閉型，6分）說明精餾塔進料熱狀況q值對操作線斜率的影響，并繪出示意圖。答案：q值增大，q線斜率絕對值減小，操作線向對角線靠近，所需理論板數減少；圖示略（考試現場繪制）。44.（開放型，10分）結合“雙碳”背景，提出化工過程強化在CO?捕集環(huán)節(jié)的三項具體應用，并給出技術經濟分析要點。答案：1.超重力吸收器：體積傳質系數提高5–10倍，設備體積減小70%，但轉子能耗增加，需比較壓縮與旋轉功耗；2.微化工胺吸收：停留時間縮短至秒級，溶劑降解減少，但微通道易堵，需在線過濾；3.相變吸收劑（DEEA/MAPA）耦合靜態(tài)混合：再生能耗降至2.3GJ/tCO?，比MEA降低35%，投資增加15%，靜態(tài)混合器壓降<50kPa，經濟臨界點為碳價>40€/t。五、計算題（共70分）45.（反應工程，15分）在等溫PFR中進行液相反應A→B，速率方程rA=0.02cAkmol/(m3·min)，進料cA0=2kmol/m3，v0=0.5m3/min，要求轉化率xA=0.95。(1)求所需PFR體積；(2)若改用兩臺等體積CSTR串聯，求總體積；(3)比較并說明差異原因。答案：(1)Vpfr=v0/cA0∫dx/rA=0.5/0.02·ln(1/(10.95))=74.9m3；(2)對CSTR串聯，設單臺體積V，則1x2=(1+kτ)?2，解得τ=9.75min，V總=2·9.75·0.5=9.75m3；(3)PFR體積大因速率隨轉化率下降，CSTR串聯可利用中間高濃度，體積顯著減小。46.（分離工程，15分）用常壓精餾分離苯甲苯，進料F=100kmol/h，xF=0.4，泡點進料，要求xD=0.97，xB=0.03，相對揮發(fā)度α=2.46，回流比R=1.3Rmin。(1)用Fenske方程求Nmin；(2)用Underwood法求Rmin；(3)用Gilliland關聯求實際理論板數N。答案：(1)Nmin=ln[(0.97/0.03)(0.97/0.03)]/ln2.46=7.1≈7；(2)q=1，解Underwood得θ=1.21，Rmin=(0.970.4·1.21)/(0.4·1.210.03)=1.06；(3)R=1.3·1.06=1.38，(RRmin)/(R+1)=0.13，查Gilliland圖得(NNmin)/(N+1)=0.47，解得N≈14。47.（傳熱應用，12分）一單殼程雙管程換熱器用冷卻水將有機液從110℃冷卻至60℃，有機液流量2kg/s，cp=2.5kJ/(kg·K)；冷卻水由25℃升至45℃，cp=4.18kJ/(kg·K)?？倐鳠嵯禂礙=450W/(m2·K)，用對數平均溫差法求所需面積。答案：Q=2·2500·(11060)=250kW；ΔT1=85℃，ΔT2=15℃，ΔTm=(8515)/ln(85/15)=38.2℃；校正因子Ft≈0.9（查圖），A=Q/(K·Ft·ΔTm)=250000/(450·0.9·38.2)=16.1m2。48.（綜合設計，14分）某廠擬用MEA吸收煙氣CO?，煙氣量50000Nm3/h，CO?體積分數14%，吸收率90%，MEA濃度30wt%，循環(huán)量L=1200m3/h，密度1020kg/m3，入塔溫度40℃，反應熱ΔH=84kJ/molCO?。(1)計算CO?捕集量；(2)估算吸收塔直徑（取氣速1.5m/s，空塔率0.6）；(3)若富液再生能耗僅考慮反應熱，求最小再沸器熱負荷；(4)提出兩項節(jié)能措施并量化效果。答案：(1)nCO?=50000·0.14·0.9/22.4=281mol/s=11.2t/h；(2)實際氣速u=1.5/0.6=2.5m/s，Vg=50000/3600=13.89m3/s，D=√(4Vg/πu)=2.66m；(3)Q=281·84=23.6MW；(4)措施1：富液與貧液換熱至95℃，可回收熱量約18MW，再沸器負荷降76%；措施2：采用間冷吸收，塔中段取熱5MW，可使循環(huán)量減至900m3/h，泵功減25%，再生負荷再降0.8MW。49.（流程優(yōu)化，14分）某放熱反應A+B→C，速率r=kCA^0.5CB，k=0.8exp(4000/T)L^0.5/(mol^0.5·s)，進料CA0=CB0=2mol/L，v0=5L/min，要求轉化率x=0.9，允許最高溫度80℃。(1)若用單臺CSTR，求所需體積與冷卻負荷；(2)若用PFR，求體積；(3)提出一種溫度分段策略，使總體積最小并計算新體積。答案：(1)出口CA=0.2mol/L，T選80℃，k=0.8exp(4000/353)=0.042，r=0.042·√0.2·√0.2=0.0084mol/(L·s)，V=FA0x/r=5·2·0.9/(0.0084·60)=17.9L；放熱Q=5·2·0.9·ΔH，設ΔH=100kJ/mol，Q=900kJ/min，冷卻負荷15kW；(2)PFR：V=FA0∫dx/r=5·2∫0^0.9dx/(0.042(22x))=5·2/(0.042·2)·ln(1/(10.9))=54.9L；(3)策略：前段PFR40℃低溫高k，后段CSTR80℃利用混合。設x1=0.7，T1=40℃，k1=0.8exp(4000/313)=0.018，Vpfr=5·2/(0.018·2)·ln(1/0.3)=50.0L；后段CSTR，CA=0.2，r=0.0084，Vcstr=5·2·0.2/(0.0084·60)=4.0L；總體積54L，與單PFR相當，但冷卻負荷分段，峰值熱流降低50%，溫控更安全。六、綜合分析題（共50分）50.（25分）某化工園區(qū)計劃建設年產30萬噸醋酸乙烯（VAc）裝置，采用乙烯氣相法，主反應：C2H4+CH3COOH+0.5O2→C2H3OAc+H2O，副反應為深度氧化。已知：單程轉化率乙烯28%，選擇性92%，催化劑壽命1年，反應溫度160℃，壓力0.8MPa，原料摩爾比C2H4:AcOH:O2=10:2:1，循環(huán)乙烯純度96%。任務：(1)計算年消耗原料量；(2)確定反應器類型與尺寸（空速經驗值取2000h?1）；(3)設計分離流程并繪出框圖；(4)估算廢氣量及VOC處理方案；(5)給出能耗分布餅圖數據（含反應、分離、壓縮、公用工程）；(6)提出兩種降低碳排放措施并量化。答案：(1)年產30萬tVAc=341kmol/h，需乙烯341/0.92=371kmol/h，考慮單程轉化率28%，新鮮乙烯371/0.28=1325kmol/h，循環(huán)量1325371=954kmol/h，年耗乙烯=1325·24·330=10.5萬t，醋酸=371·60/0.92=24.2kmol/h=1.45t/h=1.15萬t/a，氧=186kmol/h；(2)選列管固定床，催化劑體積V=371/2000=0.185m3，取床高3m，直徑0.28m，實際裝填0.2m3，3臺并聯；(3)流程：反應→急冷→壓縮→吸收脫CO2→深冷脫輕→萃取精餾（DMF）脫乙醛→醋酸乙烯精餾→產品；框圖現場繪制；(4)廢氣：循環(huán)排放5%，含乙烯48kmol/h，乙醛2kmol/h，采用蓄熱式氧化RTO，熱效率95%，回收蒸汽4t/h；(5)能耗：反應壓縮18%，分離精餾42%，循環(huán)氣壓縮25%，公用工程15%，總耗能1.8GJ/tVAc；(6)措施1：采用熱泵精餾，再沸器負荷降30%，折合0.25GJ/t，年減CO?0.2萬t；措施2：廢氣乙醛加氫回用，減少原料損失1.2