化工总控工习题与参考答案

化工总控工习题与参考答案一、选择题1.化工生产中，常用的精馏塔进料热状况有冷液体进料、泡点进料、气液混合进料、露点进料和过热蒸汽进料。其中（）进料时，提馏段内上升蒸汽量与精馏段上升蒸汽量相等。A.冷液体B.泡点C.气液混合D.露点E.过热蒸汽2.在吸收操作中，若吸收剂用量增加，下面各项中（）的说法是错误的。A.吸收推动力增大B.吸收速率增大C.尾气中溶质含量降低D.吸收液中溶质浓度增大3.对于反应\(A+B\longrightarrowC\)，实验测得其速率方程为\(r=kc_{A}c_{B}\)，该反应为（）。A.一级反应B.二级反应C.三级反应D.零级反应4.离心泵铭牌上标明的扬程是指（）。A.功率最大时的扬程B.最大流量时的扬程C.泵的最大扬程D.效率最高时的扬程5.下列物质中，属于电解质的是（）。A.蔗糖B.酒精C.氯化钠D.石墨6.列管式换热器中，用饱和水蒸气加热空气，下面（）情况是合理的。A.空气走管程，蒸汽走壳程B.空气走壳程，蒸汽走管程C.两者均可D.无法确定7.在一定温度下，某反应的平衡常数\(K_{p}\)增大，则该反应（）。A.正向进行的程度增大B.逆向进行的程度增大C.反应速率增大D.反应速率减小8.化工生产中，为了提高反应的选择性，可采取的措施有（）。A.提高反应温度B.增加反应物浓度C.选择合适的催化剂D.降低反应压力9.某精馏塔的理论塔板数为\(15\)块（包括塔釜），全塔效率为\(0.5\)，则实际塔板数为（）块。A.30B.15C.7.5D.2010.对于气体吸收过程，亨利定律\(p=Ex\)适用于（）。A.稀溶液B.浓溶液C.任何溶液D.无法确定11.离心泵启动前应（）。A.关闭出口阀B.打开出口阀C.关闭进口阀D.打开进口阀12.下列化学反应中，属于氧化还原反应的是（）。A.\(CaCO_{3}\longrightarrowCaO+CO_{2}\uparrow\)B.\(NaOH+HCl\longrightarrowNaCl+H_{2}O\)C.\(2Na+2H_{2}O\longrightarrow2NaOH+H_{2}\uparrow\)D.\(NH_{4}Cl\longrightarrowNH_{3}\uparrow+HCl\uparrow\)13.固定床反应器中，催化剂的粒径（）。A.越大越好B.越小越好C.应适中D.对反应无影响14.精馏操作中，回流比的增大（）。A.塔板数减少B.能耗增加C.产品纯度提高D.以上都对15.在吸收过程中，若提高吸收剂的温度，则（）。A.吸收速率增大B.吸收推动力增大C.吸收容量减小D.吸收效果变好16.下列哪种搅拌器适用于低黏度液体的搅拌（）。A.桨式搅拌器B.涡轮式搅拌器C.推进式搅拌器D.锚式搅拌器17.反应\(2SO_{2}(g)+O_{2}(g)\rightleftharpoons2SO_{3}(g)\)在一定条件下达到平衡，若增大压强，则（）。A.平衡向正反应方向移动B.平衡向逆反应方向移动C.平衡不移动D.无法确定18.化工生产中，常用的过滤设备有（）。A.板框压滤机B.转筒真空过滤机C.离心过滤机D.以上都是19.对于一个连续稳定的传热过程，热流体放出的热量（）冷流体吸收的热量。A.大于B.小于C.等于D.无法确定20.某反应的活化能为\(80kJ/mol\)，在\(300K\)时的反应速率常数为\(k_{1}\)，当温度升高到\(310K\)时，反应速率常数为\(k_{2}\)，则\(k_{2}/k_{1}\)约为（）。A.2B.3C.4D.5二、填空题1.化工生产过程一般可分为______、______和______三个主要步骤。2.流体在圆形管道中流动，当雷诺数\(Re\lt2000\)时，流动类型为______；当\(Re\gt4000\)时，流动类型为______。3.精馏操作的依据是______，实现精馏操作的必要条件包括______和______。4.吸收过程是溶质从______相转移到______相的传质过程，其推动力是______。5.化学反应速率通常用______或______的变化率来表示。6.催化剂的基本特征是______、______和______。7.换热器按传热方式可分为______、______和______三大类。8.离心泵的主要性能参数有______、______、______和______。9.化工生产中的“三废”是指______、______和______。10.在一定温度下，对于可逆反应\(aA+bB\rightleftharpoonscC+dD\)，其平衡常数表达式\(K_{c}=\)______。11.过滤操作中，滤液通过过滤介质的阻力主要包括______和______两部分。12.蒸发操作是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的______汽化除去，从而获得______或______的单元操作。13.搅拌器的作用是使物料______、______和______。14.化工生产中常用的干燥方法有______、______和______等。15.气体的压缩过程可分为______、______和______三种。16.对于气液反应，根据反应物在两相中的溶解情况和反应速率的快慢，可将反应分为______、______和______三类。17.化工自动化系统主要由______、______、______和______四个部分组成。18.安全电压是指不致使人直接致死或致残的电压，我国规定的安全电压等级有______V、______V、______V、______V和______V。19.化工生产中的防火防爆措施主要包括______、______、______和______等。20.化学工业的发展方向主要包括______、______和______。三、判断题1.流体的黏度随温度的升高而增大。（）2.精馏塔的塔顶产品纯度越高，塔底产品纯度也越高。（）3.吸收过程中，溶质的溶解度越大，吸收效果越好。（）4.反应的活化能越大，反应速率越快。（）5.离心泵的流量越大，扬程越高。（）6.电解质在水溶液中都能完全电离。（）7.列管式换热器中，管程数越多，传热效果越好。（）8.固定床反应器中，催化剂的活性组分含量越高，反应效果越好。（）9.精馏操作中，回流比越大，塔顶产品纯度越高，塔底产品纯度越低。（）10.在吸收过程中，增加吸收剂的用量，一定能提高吸收效果。（）11.搅拌器的功率消耗只与搅拌器的转速有关。（）12.化学反应的平衡常数只与温度有关。（）13.过滤操作中，过滤速率与过滤面积成正比。（）14.蒸发操作中，加热蒸汽的压力越高，蒸发速率越快。（）15.化工生产中的“三废”排放对环境没有影响。（）16.气体的压缩过程中，绝热压缩比等温压缩消耗的功少。（）17.化工自动化系统可以提高生产的安全性和稳定性。（）18.安全电压在任何情况下都是安全的。（）19.化工生产中的防火防爆措施主要是针对易燃易爆物质的。（）20.化学工业的发展方向是向大型化、自动化和绿色化发展。（）四、简答题1.简述离心泵的工作原理。离心泵在启动前，泵壳内要灌满被输送的液体。当泵轴带动叶轮高速旋转时，叶轮中的叶片迫使液体旋转，液体在惯性离心力的作用下，从叶轮中心被甩向叶轮外缘，以很高的速度流入泵壳。在泵壳中，由于流道逐渐扩大，液体的流速减慢，一部分动能转变为静压能，于是液体以较高的压力从排出口进入排出管路，输送到所需的地方。当液体从叶轮中心被甩向叶轮外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便在压差的作用下，经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出的液体。这样，离心泵就不断地将液体吸入和排出。2.简述精馏塔的操作原理。精馏是利用混合物中各组分挥发度的差异，通过多次部分汽化和部分冷凝，使混合物得到较完全分离，以获得接近纯组分的操作。在精馏塔中，原料液从塔的中部适当位置连续加入塔内。在塔底再沸器的作用下，液体部分汽化，产生上升蒸汽，蒸汽沿塔板逐板上升；在塔顶冷凝器的作用下，上升蒸汽部分冷凝，产生回流液，回流液沿塔板逐板下降。在每一块塔板上，上升蒸汽与下降液体充分接触，进行传热和传质。易挥发组分从液相向汽相转移，难挥发组分从汽相向液相转移，从而使混合物中的各组分得到分离。塔顶得到较纯的易挥发组分，塔底得到较纯的难挥发组分。3.简述吸收过程的影响因素。吸收过程的影响因素主要有以下几个方面：（1）温度：温度降低，气体的溶解度增大，吸收推动力增大，有利于吸收；但温度过低，会增加冷却费用。（2）压力：压力升高，气体的溶解度增大，吸收推动力增大，有利于吸收；但压力过高，会增加设备投资和动力消耗。（3）吸收剂用量：增加吸收剂用量，吸收推动力增大，吸收速率增大，尾气中溶质含量降低；但吸收剂用量过大，会增加操作费用。（4）吸收剂性能：吸收剂应对溶质有较大的溶解度，对溶质的选择性要好，沸点要高，黏度要低，化学稳定性要好，价格要便宜，来源要广泛。（5）气液接触状况：气液接触面积越大，气液接触时间越长，吸收效果越好。可通过改进塔设备的结构和操作条件来提高气液接触状况。4.简述催化剂的作用原理。催化剂的作用原理是通过改变反应的历程，降低反应的活化能，从而加快反应速率。催化剂参与了化学反应，但在反应前后其化学性质和数量不变。具体来说，催化剂与反应物分子形成一种不稳定的中间化合物，使反应物分子的化学键发生松弛或断裂，降低了反应的活化能，使反应更容易进行。当反应完成后，中间化合物分解，催化剂又恢复到原来的状态。不同的催化剂对不同的反应具有选择性，即一种催化剂只能加速某一种或某一类反应。5.简述列管式换热器的结构和特点。列管式换热器主要由壳体、管束、管板、封头、折流板等部件组成。壳体是一个圆筒形的容器，管束由许多平行的管子组成，管子两端固定在管板上，管板与壳体相连。封头安装在壳体的两端，用于封闭壳体和连接进出口接管。折流板安装在壳体内，用于改变壳程流体的流动方向，提高传热效果。列管式换热器的特点如下：（1）结构紧凑，单位体积的传热面积大。（2）传热效率较高，可通过增加管程和壳程数来提高传热系数。（3）适用范围广，可用于各种温度、压力和流量的场合。（4）制造工艺成熟，成本较低，维修方便。（5）但也存在一定的局限性，如管子内清洗较困难，不适用于易结垢和高黏度的流体。6.简述过滤操作的基本原理。过滤是一种分离悬浮在液体或气体中的固体颗粒的操作。过滤操作的基本原理是利用过滤介质（如滤布、滤网、多孔陶瓷等）的多孔性，使液体或气体通过过滤介质，而固体颗粒被截留在过滤介质表面或内部，从而实现固液或固气分离。在过滤过程中，悬浮液在推动力（如重力、压力差等）的作用下，流向过滤介质。液体或气体通过过滤介质的小孔流出，形成滤液；固体颗粒则逐渐堆积在过滤介质表面，形成滤饼。随着过滤的进行，滤饼厚度逐渐增加，过滤阻力也逐渐增大，过滤速率逐渐减小。当过滤速率减小到一定程度时，需要进行滤饼的清洗和卸除等操作。7.简述蒸发操作的特点。蒸发操作的特点如下：（1）蒸发是一个传热过程，需要不断地向溶液提供热量，以使溶剂汽化。（2）蒸发过程中，溶液的浓度不断增加，可能会出现溶质结晶、结垢等现象，影响传热效果和设备的正常运行。（3）蒸发操作通常在沸点下进行，需要消耗大量的加热蒸汽，能耗较高。（4）蒸发过程中，溶剂汽化会产生大量的二次蒸汽，需要对二次蒸汽进行回收利用，以提高能源利用率。（5）蒸发操作的设备通常需要具备一定的耐腐蚀性能，因为溶液中可能含有腐蚀性物质。8.简述搅拌器的类型和适用范围。常见的搅拌器类型及其适用范围如下：（1）桨式搅拌器：结构简单，转速较低，适用于低黏度液体的搅拌，主要起循环作用，可用于混合、溶解等操作。（2）涡轮式搅拌器：转速较高，搅拌效果较好，适用于中黏度液体的搅拌，可使液体产生较强的径向和轴向流动，用于混合、分散、乳化等操作。（3）推进式搅拌器：转速高，能使液体产生强烈的轴向流动，适用于低黏度液体的快速混合和循环，常用于大型搅拌槽。（4）锚式搅拌器：适用于高黏度液体的搅拌，能使液体在容器壁附近产生较好的流动，防止液体在壁面结垢和沉淀。（5）框式搅拌器：与锚式搅拌器类似，结构比锚式搅拌器更坚固，适用于高黏度液体和有一定颗粒的悬浮液的搅拌。9.简述化工生产中的安全注意事项。化工生产中的安全注意事项主要包括以下几个方面：（1）防火防爆：化工生产中存在大量的易燃易爆物质，要严格控制火源，防止火灾和爆炸事故的发生。要对易燃易爆物质进行妥善储存和管理，采取防静电、防雷等措施。（2）防中毒：许多化工原料和产品具有毒性，要加强通风换气，防止有毒气体积聚。操作人员要佩戴合适的防护用品，如防毒面具、手套等。对有毒物质的泄漏要及时进行处理。（3）防腐蚀：化工生产中使用的许多物质具有腐蚀性，要选用耐腐蚀的设备和管道，对设备和管道要进行定期检查和维护。操作人员要避免直接接触腐蚀性物质。（4）电气安全：要确保电气设备的接地良好，防止触电事故的发生。对电气设备要进行定期检查和维护，避免电气故障引发火灾和爆炸。（5）操作安全：操作人员要严格遵守操作规程，不得擅自更改操作参数。在进行危险操作时，要采取相应的防护措施，如佩戴安全带、安全帽等。（6）设备安全：要对设备进行定期维护和保养，确保设备的正常运行。对设备的安全装置要进行定期检查和调试，保证其可靠性。（7）应急管理：要制定完善的应急预案，定期进行应急演练。在发生事故时，要及时采取有效的应急措施，减少事故损失。10.简述化工自动化的意义和作用。化工自动化的意义和作用主要体现在以下几个方面：（1）提高生产效率：通过自动化控制，可以实现生产过程的连续化、高速化和精确化，减少人工操作的时间和误差，提高生产效率。（2）保证产品质量：自动化系统可以精确控制生产过程的各种参数，如温度、压力、流量等，使产品质量更加稳定和可靠。（3）降低劳动强度：自动化设备可以代替人工完成一些繁重、危险和重复性的工作，降低工人的劳动强度，改善劳动条件。（4）保障生产安全：自动化系统可以实时监测生产过程的各种参数，及时发现异常情况并采取措施进行处理，避免事故的发生，保障生产安全。（5）降低生产成本：通过自动化控制，可以优化生产过程，降低能源消耗和原材料浪费，提高设备的利用率，从而降低生产成本。（6）提高管理水平：自动化系统可以记录和分析生产过程的数据，为企业的管理决策提供依据，提高企业的管理水平。五、计算题1.某离心泵在转速\(n=2900r/min\)时，流量\(Q=30m^{3}/h\)，扬程\(H=32m\)。现欲将转速调整为\(2000r/min\)，试估算此时泵的流量和扬程。根据离心泵的比例定律：\(\frac{Q_{2}}{Q_{1}}=\frac{n_{2}}{n_{1}}\)，\(\frac{H_{2}}{H_{1}}=(\frac{n_{2}}{n_{1}})^2\)。已知\(Q_{1}=30m^{3}/h\)，\(H_{1}=32m\)，\(n_{1}=2900r/min\)，\(n_{2}=2000r/min\)。则\(Q_{2}=Q_{1}\times\frac{n_{2}}{n_{1}}=30\times\frac{2000}{2900}\approx20.69m^{3}/h\)。\(H_{2}=H_{1}\times(\frac{n_{2}}{n_{1}})^2=32\times(\frac{2000}{2900})^2\approx32\times0.47=15.04m\)。2.在一连续精馏塔中分离某二元混合液，原料液流量\(F=100kmol/h\)，进料组成\(x_{F}=0.5\)（摩尔分数，下同），馏出液组成\(x_{D}=0.9\)，釜残液组成\(x_{W}=0.1\)。试求馏出液流量\(D\)和釜残液流量\(W\)。根据物料衡算：总物料衡算：\(F=D+W\)；易挥发组分物料衡算：\(Fx_{F}=Dx_{D}+Wx_{W}\)。将\(F=100kmol/h\)，\(x_{F}=0.5\)，\(x_{D}=0.9\)，\(x_{W}=0.1\)代入上述方程可得：\(\begin{cases}100=D+W\\100\times0.5=D\times0.9+W\times0.1\end{cases}\)由第一个方程可得\(W=100-D\)，代入第二个方程：\(100\times0.5=D\times0.9+(100-D)\times0.1\)\(50=0.9D+10-0.1D\)\(0.8D=40\)解得\(D=50kmol/h\)，则\(W=F-D=100-50=50kmol/h\)。3.某吸收塔在常压下用清水吸收空气中的氨，已知入塔气体中氨的体积分数为\(5\%\)，出塔气体中氨的体积分数为\(0.5\%\)，混合气的流量为\(1000m^{3}/h\)（标准状况），操作条件下亨利系数\(E=600kPa\)，相平衡关系为\(p=Ex\)。试求：（1）每小时被吸收的氨的量；（2）若吸收剂用量为最小用量的\(1.5\)倍，求吸收剂的用量。（1）首先将混合气流量换算为摩尔流量：\(n=\frac{V}{V_{m}}=\frac{1000}{22.4}=44.64kmol/h\)入塔气体中氨的摩尔分数\(y_{1}=0.05\)，出塔气体中氨的摩尔分数\(y_{2}=0.005\)。每小时被吸收的氨的量\(G_{A}=n(y_{1}-y_{2})=44.64\times(0.05-0.005)=2.01kmol/h\)。（2）常压\(p=101.3kPa\)，根据亨利定律\(p=Ex\)，\(x_{1}^{}=\frac{p_{1}}{E}=\frac{y_{1}p}{E}=\frac{0.05\times101.3}{600}=0.0084\)，\(x_{2}=0\)。最小吸收剂用量\((L/V)_{min}=\frac{y_{1}-y_{2}}{x_{1}^{}-x_{2}}=\frac{0.05-0.005}{0.0084-0}\approx5.36\)。\(V=n(1-y_{1})=44.64\times(1-0.05)=42.41kmol/h\)。吸收剂用量\(L=1.5\times(L/V)_{min}\timesV=1.5\times5.36\times42.41\approx340.4kmol/h\)。4.某反应\(A\longrightarrowB\)为一级反应，在\(300K\)时反应速率常数\(k=0.01min^{-1}\)。若反应物\(A\)的初始浓度\(c_{A0}=1mol/L\)，试求反应进行\(100min\)时\(A\)的浓度。对于一级反应，其动力学方程为\(\ln\frac{c_{A0}}{c_{A}}=kt\)。已知\(k=0.01min^{-1}\)，\(t=100min\)，\(c_{A0}=1mol/L\)。则\(\ln\frac{1}{c_{A}}=0.01\times100=1\)。\(\frac{1}{c_{A}}=e^{1}\approx2.72\)。所以\(c_{A}=\frac{1}{2.72}\approx0.37mol/L\)。5.有一列管式换热器，由\(\phi25mm\times2.5mm\)的钢管组成。管内走热水，流速为\(0.5m/s\)，热水进口温度\(t_{1}=90^{\circ}C\)，出口温度\(t_{2}=50^{\circ}C\)；管外走冷水，冷水进口温度\(T_{1}=20^{\circ}C\)，出口温度\(T_{2}=50^{\circ}C\)。已知热水的密度\(\rho=980kg/m^{3}\)，比热容\(c_{p}=4.2kJ/(kg\cdot^{\circ}C)\)，试求热水的流量和该换热器的热负荷。（1）先求管内热水的流通截面积\(A=\frac{\pi}{4}d^{2}\)，\(d=25-2