應用化工技術(shù)分析化學試題及答案1.單選題（每題2分，共20分）1.1在乙苯脫氫制苯乙烯的工業(yè)裝置中，通常采用水蒸氣作為稀釋劑，其主要目的不包括A.降低烴分壓，使平衡向苯乙烯方向移動B.提供部分熱量，減少局部過熱C.抑制催化劑表面積炭D.與水發(fā)生可逆反應生成苯甲酸答案：D解析：水蒸氣在反應中不參與主反應，也不與苯乙烯或乙苯發(fā)生生成苯甲酸的可逆反應；A、B、C均為水蒸氣的公認作用。1.2某廠用乙烯直接氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，反應器出口氣體中環(huán)氧乙烷摩爾分數(shù)為1.8%，相同溫度下平衡摩爾分數(shù)為3.2%，則該反應器單程轉(zhuǎn)化率最接近A.36%B.44%C.56%D.64%答案：C解析：平衡轉(zhuǎn)化率x=3.2%，實際轉(zhuǎn)化率x=1.8%，則單程轉(zhuǎn)化率η=x/x=1.8/3.2≈56%。1.3對于放熱可逆反應A?B，若采用多段冷激式固定床，段間注入冷料的主要目的是A.提高反應速率B.降低壓降C.抑制副反應D.控制溫升，使操作線靠近最佳溫度序列答案：D解析：段間冷激可及時取熱，使床層溫度沿最佳溫度曲線下降，既保證速率又抑制副反應。1.4在硫酸生產(chǎn)中，SO?催化氧化采用“二轉(zhuǎn)二吸”流程，第一轉(zhuǎn)化器出口SO?濃度通?？刂戚^低的主要理由是A.降低催化劑損耗B.減少后續(xù)吸收塔酸霧C.提高最終轉(zhuǎn)化率D.降低系統(tǒng)壓降答案：C解析：第一段低濃度可讓后段在更低溫度下反應，突破平衡限制，總轉(zhuǎn)化率>99.5%。1.5某精餾塔分離苯-甲苯混合物，進料熱狀態(tài)q=0.6，若將進料預熱至泡點以上，則A.精餾段液汽比增大B.提餾段液汽比增大C.再沸器熱負荷減小D.冷凝器熱負荷增大答案：B解析：q減小，提餾段液體流量L'=L+qF減小幅度小于蒸汽流量V'=V-(1-q)F減小幅度，故液汽比L'/V'增大。1.6對氣固相催化反應，Thiele模數(shù)φ增大通常意味著A.顆粒內(nèi)擴散阻力減小B.有效因子升高C.內(nèi)擴散影響嚴重D.外擴散控制答案：C解析：φ=Rp√(k/Dp)，φ越大，內(nèi)擴散限制越顯著，有效因子下降。1.7在氨合成回路中，設置冷激回收塔的主要目的是A.回收反應熱副產(chǎn)蒸汽B.降低合成塔壓降C.冷凝分離液氨并預熱新鮮氣D.脫除CO防止催化劑中毒答案：C解析：冷激回收塔利用出口高溫氣預熱進口合成氣，同時冷凝液氨，提高熱利用率。1.8某液相反應A+B→P，實驗測得速率方程為?rA=kcAcB，若采用間歇釜，初始cA0=cB0=1mol·L?1，則當cA降至0.25mol·L?1所需時間與降至0.5mol·L?1所需時間之比為A.3B.4C.5D.6答案：A解析：二級反應t=(1/c?1/c0)/k，t0.25=(1/0.25?1)/k=3/k，t0.5=(1/0.5?1)/k=1/k，比值為3。1.9在乙炔法生產(chǎn)氯乙烯工藝中，常加入少量二氯乙烷作助劑，其作用是A.抑制副產(chǎn)1,1-二氯乙烷B.提高催化劑選擇性C.移走反應熱D.與氯化氫形成共沸物答案：A解析：二氯乙烷可稀釋反應區(qū)，抑制深度氯化生成1,1-二氯乙烷副產(chǎn)。1.10某廠用甲醇羰基化制醋酸，反應液中HI質(zhì)量分數(shù)升高會導致A.設備腐蝕加劇B.催化劑銠沉淀C.副產(chǎn)甲烷增多D.反應速率下降答案：A解析：HI為強酸，濃度升高使含銠均相催化劑穩(wěn)定但設備腐蝕指數(shù)級上升。2.多選題（每題3分，共15分，每題至少有兩個正確答案，多選少選均不得分）2.1關(guān)于乙烯氧氯化制二氯乙烷，下列說法正確的是A.主反應為放熱反應B.常用CuCl?/Al?O?催化劑C.反應溫度升高，選擇性下降D.需嚴格控制原料氣中含水量E.尾氣中常含少量三氯乙烷答案：ABCD解析：E錯誤，三氯乙烷為深度氯化副產(chǎn)，但氧氯化條件下極少生成。2.2在苯酚丙酮裝置中，異丙苯過氧化反應采用塔式反應器，設計時需重點考慮A.液相返混B.氣相氧傳質(zhì)C.反應熱移除D.過氧化物分解抑制E.丙酮回收率答案：ABCD解析：E屬分離工段，與反應器設計無直接關(guān)聯(lián)。2.3對于合成氣制甲醇，下列措施可提高單程轉(zhuǎn)化率的有A.提高反應壓力B.降低反應溫度C.增加循環(huán)比D.采用Cu-Zn-Al催化劑E.移除反應熱答案：ABC解析：D為催化劑選型，E為熱力學控制，均不直接提高單程轉(zhuǎn)化率。2.4在PTA裝置中，對苯二甲酸精制加氫工序，下列參數(shù)影響4-CBA殘留量的有A.氫分壓B.反應溫度C.催化劑Pd/C粒度D.漿料停留時間E.精制塔回流比答案：ABCD解析：E為精餾參數(shù)，與加氫反應無關(guān)。2.5關(guān)于離子液體催化烷基化，下列說法正確的有A.可循環(huán)使用B.產(chǎn)物與催化劑易分離C.酸強度可調(diào)D.無腐蝕問題E.反應溫度通常高于硫酸法答案：ABC解析：D錯誤，離子液體雖腐蝕性低但并非絕對無腐蝕；E錯誤，操作溫度更低。3.判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯誤打“×”）3.1在尿素合成中，NH?/CO?摩爾比升高，CO?轉(zhuǎn)化率單調(diào)增加。答案：√解析：過量氨抑制縮二脲生成，推動甲銨脫水，CO?轉(zhuǎn)化率上升。3.2對于氣固相催化反應，外部擴散系數(shù)與流體粘度成正比。答案：×解析：外部擴散系數(shù)與粘度成反比。3.3在乙苯脫氫裝置中，水烴比升高，苯乙烯選擇性一定提高。答案：×解析：水烴比過高會促進熱裂解，選擇性反而下降。3.4采用分子篩吸附分離對二甲苯時，吸附相中對二甲苯濃度高于氣相。答案：√解析：分子篩選擇性吸附對二甲苯，符合平衡吸附規(guī)律。3.5在丙烯腈裝置中，氨中和塔加入硫酸的主要目的是回收副產(chǎn)硫銨。答案：√解析：中和未反應氨，生成硫銨副產(chǎn)。3.6對于放熱反應，采用管殼式反應器時，冷卻介質(zhì)逆流布置總是優(yōu)于并流。答案：×解析：需綜合熱強度分布，逆流雖平均溫差大，但熱點可能更高。3.7在醋酸乙烯合成中，醋酸鉀助催化劑含量越高，催化劑活性越高。答案：×解析：過量醋酸鉀覆蓋活性中心，活性下降。3.8對于液液萃取，分配系數(shù)越大，所需理論級數(shù)越少。答案：√解析：分配系數(shù)大，分離因子高，級數(shù)減少。3.9在環(huán)氧丙烷共氧化法中，乙苯過氧化氫濃度越高，環(huán)氧化選擇性越高。答案：×解析：過高濃度易引發(fā)自由基鏈斷裂，選擇性下降。3.10對于可逆放熱反應，存在最佳溫度序列，其隨轉(zhuǎn)化率升高而降低。答案：√解析：平衡溫度隨轉(zhuǎn)化率升高而降低，最佳溫度序列平行且低于平衡溫度。4.填空題（每空2分，共20分）4.1在合成氨裝置中，一段爐出口甲烷含量控制指標通常為__________（體積分數(shù)），若超標，最直接有效的調(diào)整手段是__________。答案：≤10%，降低一段爐出口溫度或增加水碳比。4.2對于氣相反應A→B，若采用PFR，反應速率常數(shù)k=0.05s?1，則空時τ=20s時，轉(zhuǎn)化率x=__________。答案：0.632解析：PFR模型x=1?e^(?kτ)=1?e^(?1)=0.632。4.3在苯乙烯精餾中，為抑制聚合，通常加入__________阻聚劑，其質(zhì)量濃度一般控制在__________ppm。答案：對叔丁基鄰苯二酚（TBC），10–50。4.4某廠采用萃取精餾分離乙醇-水，萃取劑為乙二醇，其加入位置應在__________，回流比應比無萃取劑時__________。答案：精餾段上部，降低。4.5對于液相氧化反應，若采用鼓泡塔，氣含率εg增大，則液相體積傳質(zhì)系數(shù)kLa將__________，而液相返混程度將__________。答案：增大，增強。4.6在丙烯氨氧化制丙烯腈中，催化劑主要活性組分為__________，助催化劑常用__________。答案：Mo-Bi系，F(xiàn)e-Co-Ni-K。4.7對于管殼式反應器，若反應管內(nèi)壁出現(xiàn)熱點，最先采取的工程措施是__________，若無效，則需__________。答案：提高冷卻介質(zhì)流速，降低冷卻介質(zhì)溫度。4.8在離子膜法燒堿中，陽極液NaCl濃度一般控制在__________g·L?1，若過低，將導致__________。答案：300–310，電流效率下降且膜壽命縮短。4.9對于可逆反應A?B，若采用間歇反應器，初始只有A，平衡常數(shù)K=4，則平衡轉(zhuǎn)化率xeq=__________。答案：0.8解析：K=x/(1?x)=4，解得x=0.8。4.10在甲醇合成回路中，為防止蠟生成，通?？刂蒲h(huán)氣中H?/CO摩爾比大于__________，并加入少量__________作為抑制劑。答案：2.5，水蒸氣。5.簡答題（每題10分，共30分）5.1某廠采用乙烯直接氧化制環(huán)氧乙烷，反應器入口乙烯濃度為3.0%（mol），氧氣7.5%，氮氣89.5%，操作壓力2.1MPa，溫度250℃，空速4000h?1。實驗測得該條件下本征速率方程為?rC?H?=kpC?H?^0.5pO?^0.5其中k=2.8×10??kmol·kg?1·s?1·MPa?1，催化劑堆積密度ρb=650kg·m?3。若要求單程轉(zhuǎn)化率≥12%，求所需催化劑床層高度（假設為理想PFR，忽略外擴散）。答案與解析：取1m2床層截面積作基準，體積流量Qv=4000m3·h?1=1.111m3·s?1標準狀態(tài)摩爾流量n0=P0Qv/RT0=101325×1.111/(8.314×273.15)=49.3kmol·s?1入口乙烯摩爾流量nC?H?,0=0.03×49.3=1.479kmol·s?1設轉(zhuǎn)化率x，則pC?H?=p·yC?H?,0(1?x)/(1?0.5yC?H?,0x)pO?=p·yO?,0?0.5p·yC?H?,0x代入速率方程并積分τ=ρbL/ρg=uL∫dx/(?r)=C?∫dx/(kp^1(1?x)^0.5(yO?,0?0.5yC?H?,0x)^0.5)數(shù)值積分得τ=0.42su=Qv/A=1.111m·s?1L=uτ=1.111×0.42=0.467m故床層高度約0.47m即可滿足12%轉(zhuǎn)化率要求。5.2某苯乙烯裝置精餾塔頂苯乙烯聚合損失嚴重，分析可能原因并提出三條工程改進措施。答案與解析：原因：1.塔頂溫度過高，超過110℃，引發(fā)熱聚合；2.阻聚劑TBC加入量不足或分布不均；3.塔頂滯留時間過長，死角多；4.真空度波動，局部過熱。措施：1.降低塔頂壓力至6kPa以下，對應溫度≤95℃；2.增設TBC多點注入，濃度提高至30ppm，并配在線混合器；3.采用高效低持液量規(guī)整填料，減少停留時間至<30s；4.塔頂增設急冷回流，快速降低蒸汽相溫度；5.定期在線清洗，清除聚合物沉積。5.3在丙烯腈裝置吸收塔中，出口尾氣丙烯腈含量超標，請從操作參數(shù)和塔內(nèi)件兩方面分析原因并給出對策。答案與解析：操作參數(shù)：1.吸收水溫度高，溶解度下降；2.水比過低，傳質(zhì)推動力不足；3.壓力低，氣相丙烯腈分壓高。塔內(nèi)件：1.填料結(jié)焦堵塞，傳質(zhì)面積下降；2.分布器偏流，氣體短路；3.塔頂除沫器失效，液沫夾帶。對策：1.將吸收水溫度由35℃降至25℃，啟用冷凍水；2.水比由1.8提至2.5；3.吸收塔背壓閥調(diào)大，壓力由0.12MPa升至0.18MPa；4.停車檢修，更換為新型抗堵格柵填料；5.檢查并修復液體分布器，增設二次分布盤；6.塔頂增設高效絲網(wǎng)除沫器，降低夾帶<50mg·m?3。6.計算題（共25分）6.1某廠以正丁烷為原料生產(chǎn)順酐，采用固定床VPO催化劑，反應式C?H??+3.5O?→C?H?O?+4H?O進料為空氣與丁烷混合氣，丁烷濃度1.8%（mol），操作壓力0.15MPa，溫度400℃，空速1500h?1。已知本征速率方程?rC?H??=kpC?H??/(1+KpC?H??)k=0.032kmol·kg?1·s?1·MPa?1，K=18MPa?1，催化劑ρb=800kg·m?3。若要求丁烷轉(zhuǎn)化率≥85%，求所需PFR催化劑體積（忽略副反應，按恒壓計算）。答案：取基準1m3·s?1入口氣體，總摩爾流量n0=PQ/RT=0.15×10?×1/(8.314×673.15)=26.8kmol·s?1丁烷初始流量nC?H??,0=0.018×26.8=0.482kmol·s?1速率方程可寫成?r=kpy/(1+Kpy)令α=Kp=18×0.15=2.7積分得τ=ρbV/n0=∫dx/(?r/C?)=(1+α)/(kp)[x?(1/α)ln(1+α(1?x))]代入x=0.85，數(shù)值計算得τ=2.15s催化劑體積V=τn0/ρb=2.15×0.482/800=1.29×10?3m3·s·kg?1·kmol?1換算為每小時V=1.29×10?3×3600×0.482=2.24m3故所需催化劑體積約2.2m3（對應1m3·s?1進料），即空時τ=2.15s可滿足85%轉(zhuǎn)化率。6.2某甲醇合成回路循環(huán)氣流量為18000kmol·h?1，組成為H?68%、CO12%、CO?3%、CH?10%、N?7%。新鮮氣流量6000kmol·h?1，組成為H?74%、CO20%、CO?4%、N?2%。設合成塔出口甲醇摩爾分數(shù)為5%，求（1）單程轉(zhuǎn)化率；（2）弛放氣流量（以kmol·h?1計）；（3）弛放氣中CH?摩爾分數(shù)。答案：（1）設單程轉(zhuǎn)化率x，甲醇生成量nMeOH=0.05×(18000+6000)=1200kmol·h?1CO+CO?消耗量=1200kmol·h?1入口CO+CO?=0.12×18000+0.20×6000=2160+1200=3360kmol·h?1x=1200/3360=35.7%（2）弛放氣流量W，惰性平衡N?平衡：0.07×18000+0.02×6000=0.07