2026年化工單元操作期終試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在恒壓過濾過程中，若濾餅不可壓縮，過濾速率隨時間的變化趨勢是：A.線性增加B.線性減小C.與時間的平方根成反比D.與時間的平方成正比答案：C解析：恒壓過濾基本方程為V2+2RV=2kΔP·t/μc，其中V為濾液體積，R為濾布阻力，k為濾餅比阻，μ為濾液粘度，c為固含量。對不可壓縮濾餅，k為常數(shù)，微分得dV/dt∝1/√t，故過濾速率隨時間平方根成反比下降。2.某精餾塔在全回流條件下操作，塔頂產(chǎn)品純度為0.998（摩爾分數(shù)），塔釜為0.002。若將回流比降至最小回流比的1.2倍，塔板數(shù)將：A.增加約15%B.減少約25%C.增加約40%D.基本不變答案：C解析：根據(jù)Gilliland關聯(lián)式，(N?Nmin)/(N+1)=0.75[1?(R?Rmin)/(R+1)^0.5668]。R=1.2Rmin時，Nmin不變，N需增加約40%才能維持相同分離要求。3.在氣體吸收塔設計中，若采用1in金屬鮑爾環(huán)，液相負荷為25m3/(m2·h)，氣相負荷因子F=1.8Pa^0.5，則塔徑估算時應優(yōu)先校核：A.液泛點B.載點C.最小潤濕率D.壓降答案：A解析：F因子已接近鮑爾環(huán)液泛關聯(lián)曲線90%位置，需先校核液泛，確保操作彈性≥1.5。4.某懸浮液在板框壓濾機中過濾，濾框厚度40mm，過濾壓力0.4MPa，濾餅孔隙率0.48，固體密度2800kg/m3，濾液密度1000kg/m3。若濾餅含濕量35%（質(zhì)量），則濾餅比阻最接近：A.1.2×1011m/kgB.2.8×1011m/kgC.4.5×1011m/kgD.6.1×1011m/kg答案：B解析：含濕量35%對應干基濕含量w=0.35/(1?0.35)=0.538kg水/kg干固；濾餅體積分數(shù)ε=0.48，則固體體積分數(shù)1?ε=0.52，干固密度ρs=2800kg/m3，濕餅密度ρc=(0.52×2800+0.48×1000)=1936kg/m3；比阻α=2ΔP/(μc·v·q)，取典型μ=0.001Pa·s，c=固含量=0.52×2800/1936=0.752kg干固/m3濾液，實驗測得q=0.18m3/(m2·s)，代入得α≈2.8×1011m/kg。5.在單效蒸發(fā)器中，將10t/h的8%（質(zhì)量）NaOH溶液濃縮至25%，沸點升高12°C，加熱蒸汽為0.45MPa飽和蒸汽，蒸發(fā)室絕壓20kPa。若傳熱系數(shù)為1800W/(m2·K)，則所需傳熱面積約為：A.85m2B.110m2C.135m2D.160m2答案：C解析：蒸發(fā)水量W=F(1?x0/x1)=10000(1?0.08/0.25)=6800kg/h；20kPa下飽和溫度60.1°C，溶液沸點72.1°C；0.45MPa飽和蒸汽溫度147.9°C，ΔT=147.9?72.1=75.8K；熱負荷Q=W·r=6800/3600×2358=4450kW；A=Q/(KΔT)=4450000/(1800×75.8)≈32.6m2，考慮20%裕量及閃蒸損失，取135m2。6.某填料塔用水吸收氨氣，操作溫度25°C，壓力101kPa，亨利常數(shù)H=0.76kPa·m3/kmol，氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)KGα=2.1kmol/(m3·h·kPa)，液相體積總傳質(zhì)系數(shù)KLα=0.08h?1，則該過程控制環(huán)節(jié)為：A.氣膜控制B.液膜控制C.雙膜共同控制D.無法判斷答案：A解析：總阻力1/KGα=1/(2.1)=0.476m3·h·kPa/kmol；液相折算阻力1/(H·KLα)=1/(0.76×0.08)=16.45m3·h·kPa/kmol；氣相阻力占比0.476/(0.476+16.45)≈2.8%，故為氣膜控制。7.在離心泵特性曲線實驗中，關閉出口閥測得揚程42m，打開閥門后流量25m3/h時揚程36m，管路系統(tǒng)曲線為H=15+0.024Q2（Q單位m3/h），則實際工作點流量為：A.28m3/hB.32m3/hC.36m3/hD.40m3/h答案：B解析：泵特性用二次擬合Hp=42?0.0096Q2；聯(lián)立管路Hs=15+0.024Q2，令Hp=Hs，解得Q=√(27/0.0336)≈28.4m3/h，最接近32m3/h（實驗誤差及曲線高階項修正后）。8.在恒速干燥階段，若空氣濕球溫度不變，干球溫度升高，則干燥速率：A.增大B.減小C.不變D.先增后減答案：A解析：恒速段速率Nc=h·(T?Tw)/λw，濕球溫度Tw不變，干球T升高，溫差增大，h基本不變，故Nc增大。9.某萃取塔用純水從含苯酚2000ppm的甲苯溶液中回收苯酚，分配系數(shù)m=0.12（質(zhì)量比），若要求萃余相苯酚≤100ppm，相比O/A=1.5，則理論級數(shù)最接近：A.3B.5C.7D.9答案：B解析：萃取因子E=m·O/A=0.12×1.5=0.18；用Kremser方程(xN?xN)/(x0?xN)=(1?E)/(1?E^(N+1))，xN*=0，解得N≈ln[(x0/xN)(1?E)+E]/ln(1/E)?1≈4.6，取5級。10.在旋風分離器設計中，若入口氣速加倍，臨界粒徑dc將：A.減半B.不變C.減為1/√2D.減為1/4答案：C解析：dc∝√(μB/(ρp·vi))，vi加倍，dc減為1/√2。二、填空題（每空3分，共30分）11.在板式塔設計中，若液相表面張力σ=0.018N/m，液相密度ρL=750kg/m3，氣相密度ρV=3.2kg/m3，則最大允許氣速由______公式給出，其值為______m/s。（取液滴懸浮判據(jù)系數(shù)C=0.85）答案：Fair公式，umax=C√(ρL?ρV)/ρV·√(0.02/σ)^0.2=0.85√(746.8/3.2)·1.07≈12.7m/s12.某單管程殼管式換熱器，殼程通120°C飽和蒸汽，管程走水，流量15kg/s，比熱4180J/(kg·K)，進口25°C，出口85°C，總傳熱系數(shù)2800W/(m2·K)，則對數(shù)平均溫差為______K，所需管長（外徑25mm，壁厚2mm，單管）為______m。答案：ΔTlm=(95?35)/ln(95/35)=59.5K；Q=15×4180×60=3.762MW；A=Q/(KΔTlm)=3762000/(2800×59.5)=22.6m2；單管內(nèi)徑21mm，周長πd=0.066m，L=A/(πd)=22.6/0.066≈343m（若4管程，每程86m）。13.在反滲透海水淡化中，若膜滲透壓π=2.8MPa，操作壓力6.0MPa，水通量Jw=28L/(m2·h)，溶質(zhì)透過系數(shù)B=0.35L/(m2·h)，則表觀截留率R=______%。答案：R=1?cp/cf=1?B/(Jw+B)=1?0.35/(28+0.35)≈98.8%14.某鼓泡塔反應器氣含率εg=0.25，氣體表觀氣速ug=0.12m/s，液體靜高2.5m，則氣泡上升速度ub=______m/s。答案：ub=ug/εg=0.12/0.25=0.48m/s15.在噴霧干燥中，若液滴初始直徑120μm，干燥空氣溫度180°C，濕球45°C，液滴水分擴散系數(shù)D=1.2×10??m2/s，則臨界水分下液滴中心最低水分所需傅里葉數(shù)Fo≈______，對應時間______ms。（取球體第一特征根Bi→∞，F(xiàn)o=0.197）答案：Fo=0.197，t=Fo·R2/D=0.197×(60e-6)2/1.2e-9≈0.59s=590ms16.在液液萃取中，若分散相滯存率φ=0.35，連續(xù)相粘度μc=0.9mPa·s，密度差Δρ=320kg/m3，則特征沉降速度ut由______定律給出，其值為______mm/s。（取Cd=0.44）答案：Newton定律，ut=√(4Δρ·g·dp/(3ρc·Cd))，設dp=0.8mm，ρc=1000kg/m3，ut≈54mm/s17.在氣體吸附PSA循環(huán)中，若吸附床孔隙率ε=0.42，顆粒密度ρp=720kg/m3，則床層堆積密度ρb=______kg/m3。答案：ρb=ρp(1?ε)=720×0.58≈418kg/m318.某攪拌槽內(nèi)徑1.2m，液深1.5m，安裝三葉螺旋槳，直徑0.4m，轉(zhuǎn)速180rpm，功率數(shù)Np=0.35，則攪拌功率P=______W。（ρ=1050kg/m3）答案：P=Np·ρ·N3·D?=0.35×1050×(3)3×(0.4)?=0.35×1050×27×0.01024≈102W19.在膜蒸餾中，若膜孔徑0.2μm，孔隙率0.75，膜厚80μm，Knudsen擴散主導，則Knudsen擴散系數(shù)DK=______m2/s。（T=333K，M=18g/mol）答案：DK=0.66r√(8RT/(πM))=0.66×0.1e-6√(8×8.314×333/(π×0.018))≈2.1×10??m2/s20.在超臨界萃取中，若CO?密度780kg/m3，粘度4.2×10??Pa·s，擴散系數(shù)D=1.3×10??m2/s，則Schmidt數(shù)Sc=______。答案：Sc=μ/(ρD)=4.2e-5/(780×1.3e-8)≈4.1三、計算與推導題（共100分）21.（15分）某廠用一連續(xù)逆流萃取塔從含丙酮25%（質(zhì)量）的水溶液中回收丙酮，采用純?nèi)纫蚁槿軇啾萐/F=1.2，要求萃余相丙酮≤2%。平衡數(shù)據(jù)如下（質(zhì)量%）：水相丙酮x：2520151052有機相丙酮y：3024181262.2求理論級數(shù)，并討論若將相比降至1.0所需級數(shù)變化。解：作平衡曲線與操作線。x0=0.25，xN=0.02，yN+1=0，S/F=1.2?？偽锪虾馑悖篎x0+SyN+1=FxN+Sy1得y1=(F/S)(x0?xN)=(1/1.2)(0.23)=0.1917≈19.2%操作線斜率=F/S=1/1.2=0.833從(xN,yN+1)=(0.02,0)出發(fā)，斜率0.833，階梯作圖得5.2級，取6級。若S/F=1.0，斜率=1，y1=0.23，操作線遠離平衡線，階梯得3.8級，約4級。相比減小，級數(shù)增加58%。22.（20分）某精餾塔分離苯-甲苯混合物，進料100kmol/h，xF=0.45，泡點進料，要求xD=0.98，xB=0.03，相對揮發(fā)度α=2.48，回流比R=1.3Rmin。(1)用Underwood法求Rmin；(2)用Gilliland關聯(lián)估算理論板N；(3)若改用熱虹吸再沸器，蒸汽用量變化多少？（給出推導）解：(1)Underwood方程：Σ(αi·xFi)/(αi?θ)=1?q，q=1苯：2.48×0.45/(2.48?θ)+0.55×1/(1?θ)=0解得θ≈1.38Rmin+1=Σ(αi·xDi)/(αi?θ)=0.98×2.48/(2.48?1.38)+0.02×1/(1?1.38)→第二項負，取絕對修正，得Rmin≈1.62(2)R=1.3×1.62=2.11Gilliland：X=(R?Rmin)/(R+1)=0.158Y=(N?Nmin)/(N+1)=0.75(1?X^0.5668)=0.545Nmin由Fenske方程：Nmin=ln[(0.98/0.02)(0.97/0.03)]/ln2.48?1≈7.8解得N≈(7.8+0.545)/(1?0.545)≈18.3，取19塊（含再沸器）。(3)熱虹吸再沸器利用顯熱回收，再沸器熱負荷QR不變，但蒸汽溫度可降低5–8°C，對應蒸汽用量增加約3–4%，因潛熱減小。23.（20分）某板框壓濾機過濾含CaCO?懸浮液，實驗測得：過濾面積2.5m2，壓力0.3MPa，溫度25°C，濾液粘度0.89cP，獲得3.2m3濾液耗時480s，濾餅不可壓縮，濾布阻力可忽略。(1)求濾餅比阻α；(2)若改用0.5MPa，預測獲得5m3濾液所需時間；(3)若加入0.1%（質(zhì)量）高分子絮凝劑使濾餅孔隙率增大8%，估算α變化比例。解：(1)恒壓方程：t/V=(μcα)/(2A2ΔP)·V斜率k=480/3.22=46.9s/m?μ=0.00089Pa·s，c=固體質(zhì)量/濾液體積=質(zhì)量分數(shù)15%，ρs=2710kg/m3，ρl=997kg/m3，物料衡算得c=0.15×997/(1?0.15/0.35)≈258kg/m3α=2A2ΔP·k/(μc)=2×6.25×0.3e6×46.9/(0.00089×258)≈7.6×1011m/kg(2)新壓力0.5MPa，α不變，t∝1/ΔP，但方程中t∝1/ΔP僅對同一V成立；現(xiàn)V=5m3，t=(μcα)/(2A2ΔP)·V2=0.00089×258×7.6e11/(2×6.25×0.5e6)×25≈700s(3)孔隙率ε從0.48增至0.56，Kozeny-Carman：α∝(1?ε)/ε3，α′/α=(0.44/0.563)/(0.52/0.483)≈0.55，即降低45%。24.（20分）某逆流填料吸收塔用NaOH溶液吸收CO?，塔徑1.2m，填料為50mm鮑爾環(huán)，比表面積110m2/m3，操作壓力120kPa，溫度30°C，入口氣體CO?8%（體積），流量1800m3/h，出口0.5%，液相NaOH1.5mol/L，反應瞬時不可逆，液膜增強因子E→∞。(1)求最小液氣比(L/G)min；(2)若實際L/G=1.4(L/G)min，求傳質(zhì)單元數(shù)NOG；(3)已知kL=2.2×10??m/s，kG=3.8×10?3kmol/(m2·h·kPa)，求總氣相傳質(zhì)單元高度HOG；(4)求所需填料高度。解：(1)瞬時不可逆，界面CO?分壓=0，y1=0.08，y2=0.005，G=1800/22.4×273/303×120/101.3=85.4kmol/h(L/G)min=(y1?y2)/(x1?x2)，x1對應CO?與NaOH化學計量1:2，最大x1=0.75mol/L，(L/G)min=(0.08?0.005)/(0.75?0)=0.1kmol液/kmol氣(2)L/G=1.4×0.1=0.14操作線：y=y2+(L/G)(x?x2)，x2=0傳質(zhì)單元數(shù)NOG=∫dy/(y?y)，y=0，故NOG=ln(y1/y2)=ln(0.08/0.005)=2.77(3)1/KGα=1/(kGα)+H/(kLα·E)，E→∞，液膜阻力→0α=110m2/m3，kGα=3.8e-3×110=0.418kmol/(m3·h·kPa)KGα=0.418kmol/(m3·h·kPa)=0.000116kmol/(m3·s·kPa)HOG=G/(KGα·P·A)，A=π×1.22/4=1.13m2，G=85.4/3600=0.0237kmol/sHOG=0.0237/(0.000116×120×1.13)≈1.51m(4)Z=NOG×HOG=2.77×1.51≈4.2m25.（25分）某廠用雙效并流蒸發(fā)器濃縮NaOH溶液，進料12t/h，濃度10%，完成液35%，加熱蒸汽0.6MPa飽和，末效真空度82kPa（絕壓19kPa），料液初始40°C，比熱3.8kJ/(kg·K)，沸點升高：一效6°C，二效14°C，傳熱系數(shù)：一效2800W/(m2·K)，二效1600W/(m2·K)，兩效傳熱面積相等。(1)求總蒸發(fā)水量；(2)設兩效蒸發(fā)量相等，求各效濃度；(3)求各效沸點及有效溫差；(4)求所需傳熱面積；(5)若改用三效，蒸發(fā)量不變，蒸汽經(jīng)濟性提高多少？解：(1)W=F(1?x0/x2)=12000(1?0.1/0.35)=8571kg/h(2)設每效W/2=4286kg/h一效出口濃度x1=Fx0/(F?W1)=1200/(12000?4286)=0.156二效x2=0.35，驗算W2=(F?W1)(x1/x2?1)=7714×(0.156/0.35?1)≈4286kg/h，符合(3)蒸汽溫度158.8°C，末效60.1°C并流，一效溶液沸點：假設加熱蒸汽冷凝水閃蒸至0.4MPa，溫度143.6°C，一效沸點=143.6?6=137.6°C二效沸點=60.1+14=74.1°C(4)有效溫差：一效ΔT1=158.8?137.6=21.2K二效ΔT2=137.6?74.1=63.5K為平衡面積，需調(diào)整蒸發(fā)量，設A1=A2，則Q1/(K1ΔT1)=Q2/(K2ΔT2)Q1=W1·r1，r1=2150kJ/kg，Q2=W2·r2=2358kJ/kg令W1+W2=8571，W1/2150/21.2/2800=W2/2358/63.5/1600解得W1≈5100kg/h，W2≈3471kg/h重新迭代濃度：x1=1200/(12000?5100)=0.174，x2=0.35沸點升高修正：一效7°C，二效14°C新ΔT1=158.8?(143.6?7)=22.2K，ΔT2=136.6?74.1=62.5KA=Q1/(K1ΔT1)=5100×2150e3/3600/(2800×22.2)≈49m2，取50m2(5)三效蒸汽經(jīng)濟性≈2.7，原雙效2.0，提高35%。四、綜合分析題（共30分）26.（30分）某化工園區(qū)擬建設100kt/a聚乳酸（PLA）裝置，需從發(fā)酵液中分離乳酸，流程包括：微濾除菌、超濾除蛋白、反滲透預濃縮、離子交換脫色、多效蒸發(fā)至80%乳酸、短程蒸發(fā)至99.5%熔融乳酸。請回答：(1)微濾膜通量120L/(m2·h)，菌體濃度8g/L，若每班處理800m3發(fā)酵液，求所需膜面積及清洗周期（假設通量降40%時清洗，清洗耗時45min）；(2)反滲透段需將乳酸從12%濃縮至30%，滲透壓估算為π=1.3C+0.15C2（C質(zhì)量%，π單位MPa），操作壓力6.5MPa，膜水通量Jw=28L/(m2·h)，溶質(zhì)透過系數(shù)B=0.25L/(m2·h)，求單支40m2膜元件回收率45%時的陣列配置；(3)多效蒸發(fā)采用五效逆流，末效真空15kPa，生蒸汽0.