2025年化学工程与工艺专业期末考试试题及答案

2025年化学工程与工艺专业期末考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在理想管式反应器中进行一级不可逆反应A→B，若反应速率常数k=0.25min⁻¹，进料浓度C_A0=2.0mol·L⁻¹，空时τ=4min，则出口转化率最接近A.0.50  B.0.63  C.0.75  D.0.86答案：B解析：X=1−e^(−kτ)=1−e^(−0.25×4)=1−e^(−1)=0.632。2.某二元理想混合物在101.3kPa下的相对挥发度α=2.5，若采用连续精馏塔分离，要求塔顶产品x_D=0.95，塔底x_W=0.05，则最小回流比R_min为A.1.08  B.1.22  C.1.35  D.1.48答案：A解析：R_min=(x_D−y)/(y−x_W)，y=αx_W/[1+(α−1)x_W]=0.113，代入得R_min=1.08。3.在气固相催化反应中，若内扩散影响严重，则表观反应级数将A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：B解析：内扩散限制使浓度梯度降低，表观级数趋近于1/2级。4.用冷却结晶法从水溶液中回收Na₂SO₄·10H₂O，若母液温度从40℃降至10℃，溶解度由49g/100gH₂O降至9g/100gH₂O，则每100g原始溶液的理论结晶产量为A.28.4g  B.32.7g  C.36.9g  D.41.2g答案：C解析：设原溶液含水mg，溶质49g，总质量149g；降温后溶质9g，析出40g，按十水合物折算得36.9g。5.在双膜理论中，若气膜传质系数k_G增大一倍，液膜传质系数k_L不变，则总气相传质单元数N_OG将A.增大一倍  B.减小一半  C.减小但不足一半  D.基本不变答案：C解析：1/K_G=1/k_G+H/k_L，k_G↑→1/k_G↓，但H/k_L项不变，故K_G增幅小于一倍，N_OG=∫dy/(y−y)减小但不足一半。6.某反应器采用多段绝热操作，段间间接冷却，若反应为放热可逆，则段数增加有利于A.提高单程转化率  B.降低催化剂用量  C.抑制副反应  D.降低设备投资答案：A解析：段间冷却使温度逼近最佳温度曲线，平衡右移，单程转化率提高。7.在超临界CO₂萃取咖啡因过程中，若压力恒定而温度升高，则CO₂密度A.升高  B.降低  C.不变  D.先升后降答案：B解析：超临界区温度升高→密度降低→溶解度下降。8.用湿空气干燥湿物料，若空气温度不变而相对湿度升高，则恒速干燥速率A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：B解析：相对湿度↑→传质推动力(p_w−p)↓→N_c↓。9.在离子交换操作中，若树脂总交换容量为2.0eq·L⁻¹，床层空隙率ε=0.4，则床层体积交换容量为A.1.2eq·L⁻¹  B.1.5eq·L⁻¹  C.2.0eq·L⁻¹  D.2.5eq·L⁻¹答案：A解析：体积容量=2.0×(1−ε)=1.2eq·L⁻¹。10.某管道输送含砂水流，为防止磨蚀，设计流速应A.尽可能高  B.尽可能低  C.略高于沉积临界流速  D.与含砂量无关答案：C解析：略高于沉积临界流速可避免沉积与过高磨蚀。二、填空题（每空3分，共30分）11.在反应工程实验中，用示踪法测得某连续搅拌釜式反应器的停留时间分布方差σ²=25min²，平均停留时间t̄=10min，则该反应器可等效为________个等体积CSTR串联。答案：4解析：σ²/t̄²=1/N→N=100/25=4。12.某精馏塔进料为饱和液体，q线方程斜率为________。答案：∞解析：q=1，q线垂直。13.根据吉布斯相律，三元部分互溶体系在恒定压力下的最大自由度为________。答案：3解析：F=C−P+2=3−2+2=3，恒压减1得2，但题目问“最大”，即P=1时F=3。14.在气液反应A(g)+bB(l)→P中，若反应为瞬间不可逆，且液相B浓度远高于A，则宏观反应速率由________控制。答案：气膜传质解析：B过量，反应面在气液界面，速率取决于气膜。15.用活性炭吸附苯蒸气，若采用Freundlich模型q=kc^(1/n)，在双对数坐标中斜率为0.6，则n=________。答案：1.67解析：斜率=1/n→n=1/0.6=1.67。16.在蒸发操作中，若采用三效并流加料，各效传热面积相等，则第一效温差损失最大，其原因是________。答案：沸点升高最大解析：第一效浓度最低但温度最高，沸点升高随浓度增加而加剧，后续效虽浓度高但温度低，综合仍第一效损失大。17.某离心泵在额定点效率为72%，若改用变频调速将流量降至80%，则按相似定律估算，新效率约为________%。答案：69解析：小流量区效率略降，约降3个百分点。18.在聚合物溶液的搅拌釜中，为避免“爬杆”现象，宜选用________搅拌桨。答案：锚式或螺带式解析：高黏度非牛顿流体需大直径低速桨。19.用分子筛变压吸附制氧，若吸附剂对N₂的选择性系数为3.2，则产品氧纯度受限制的主要原因是________。答案：N₂突破时O₂共吸附损失解析：选择性有限，共吸附导致氧损失。20.在CO₂捕集工艺中，若采用30%MEA水溶液，再生能耗最高的部分是________。答案：富液升温显热解析：约占总能耗50%以上。三、判断改错题（每题3分，共15分）21.对可逆放热反应，最佳温度序列随转化率升高而升高。答案：错误，改为“随转化率升高而降低”。22.在萃取操作中，若分配系数k_A>1，则选择性系数β一定大于1。答案：错误，改为“不一定，β=(k_A/k_B)，若k_B更大则β<1”。23.对于膜分离，渗透通量与膜厚度成正比。答案：错误，改为“成反比”。24.在流化床中，当表观气速超过带出速度时，床层将发生节涌。答案：错误，改为“颗粒将被吹空，节涌发生在气速低于带出速度但高于临界流化速度”。25.用冷却水吸收HCl气体，若液相阻力可忽略，则塔高计算可只考虑气膜传质单元数。答案：正确。四、简答题（每题8分，共24分）26.阐述“反应-分离耦合”策略在生物柴油生产中的应用，并给出两种具体实现方式。答案：(1)膜反应器：将酯化反应与亲水膜分离耦合，水副产物透过膜打破平衡，使转化率>96%，无需后续水洗。(2)反应-萃取耦合：利用极性溶剂在线萃取甘油，反应相脂肪酸甲酯浓度升高，反应速率提高30%，溶剂经蒸馏回收循环。27.说明超重力旋转床强化传质的机理，并给出在纳米材料制备中的优势。答案：机理：离心力场下液膜厚度降至10–50μm，相界面积增大1–2个数量级，表面更新速率提高，传质系数k_L提高5–10倍。优势：制备CaCO₃纳米颗粒时，旋转床内过饱和度分布均匀，成核速率远高于生长速率，粒径可控制在20–40nm，且批次时间由2h缩短至5min。28.比较“干法”与“湿法”烟气脱硫在2025年最新技术路线中的差异，从能耗、副产物、碳排三方面量化。答案：干法采用活性焦吸附-再生，能耗1.2%发电功率，副产物98%浓H₂SO₄，碳排增加25kgCO₂/MWh；湿法采用有机胺吸收，能耗2.0%，副产物NH₄₂SO₄化肥，碳排增加45kgCO₂/MWh；干法能耗低但投资高20%，湿法可结合CO₂捕集实现负碳。五、计算题（共61分）29.（12分）在一内径0.8m的填料塔中，用纯水逆流吸收含5%NH₃的空气，塔顶出口NH₃浓度降至0.1%，操作压力101.3kPa，温度25℃，平衡关系y=1.2x，气体流率G=100kmol·h⁻¹，液体流率L=120kmol·h⁻¹，总气相传质单元高度H_OG=0.35m。求所需填料高度。答案：y₁=0.05，y₂=0.001，x₂=0，A=L/(mG)=120/(1.2×100)=1.0，N_OG=∫dy/(y−y)=ln[(y₁−mx₂)/(y₂−mx₂)]=ln(0.05/0.001)=3.912，Z=N_OG×H_OG=3.912×0.35=1.37m。30.（15分）某一级液相反应A→B在CSTR中进行，k=0.15min⁻¹，进料C_A0=3mol·L⁻¹，要求出口C_A=0.3mol·L⁻¹。若采用两釜等体积串联，求总停留时间；若改为管式反应器，求所需空时；比较两者体积比。答案：(1)单釜：τ=(C_A0−C_A)/(kC_A)=2.7/(0.15×0.3)=60min。(2)两釜：每釜出口C_A1，C_A2=0.3，联立得C_A1=1.34mol·L⁻¹，τ₁=τ₂=(3−1.34)/(0.15×1.34)=8.26min，总τ=16.52min。(3)PFR：τ=ln(C_A0/C_A)/k=ln(10)/0.15=15.34min。体积比：V_CSTR/V_PFR=16.52/15.34=1.08。31.（16分）某二元理想混合物在板式塔中精馏，进料F=100kmol·h⁻¹，z_F=0.45，q=0.5，x_D=0.98，x_W=0.03，α=2.8，R=1.3R_min。求：(1)R_min；(2)理论板数N；(3)进料板位置N_F；(4)若塔釜改用热泵，COP=4.5，电价0.6元·kWh⁻¹，蒸汽价200元·t⁻¹，比较年节省费用（8000h）。答案：(1)q线斜率=q/(q−1)=−1，交平衡线y=2.8x/(1+1.8x)得x_q=0.45，y_q=0.70，R_min=(x_D−y_q)/(y_q−x_q)=1.47，R=1.91。(2)Gilliland关联：X=(R−R_min)/(R+1)=0.18，Y=0.55，N_T=19.2→20块。(3)精馏段N_R=10，提馏段N_S=10，进料板第11块。(4)热泵节省蒸汽3.2t·h⁻¹，折640元·h⁻¹，耗电增加450kW，折270元·h⁻¹，净节省370元·h⁻¹，年省296万元。32.（18分）某放热气固催化反应A→B，在固定床中进行，需移除热量1.5MW，管外采用熔盐冷却，熔盐温升80℃，比热容1.6kJ·kg⁻¹·K⁻¹，密度1800kg·m⁻³。若管内径25mm，管数N=200，管长3m，催化剂粒径3mm，床层空隙率0.4，气体质量流率G=1.8kg·m⁻²·s⁻¹，入口温度380℃，反应热ΔH=−120kJ·mol⁻¹，求：(1)熔盐流量；(2)管内壁传热系数h_i（用Sieder-Tate）；(3)床层对壁总传热系数U；(4)判断是否存在飞温风险（给出最大温差）。答案：(1)Q=ṁc_pΔT→ṁ=1.5×10³/(1.6×80)=11.7kg·s⁻¹=42.2t·h⁻¹。(2)Re=Gd/μ=1.8×0.025/3×10⁻⁵=1500，Pr=0.7，Nu=2.0+1.1Re^0.6Pr^(1/3)=18.4，h_i=Nuλ/d=18.4×0.04/0.025=29.4W·m⁻²·K⁻¹。(3)1/U=1/h_i+d/(λ_wln(d_o/d_i))+δ/λ_eff，取λ_eff=0.5W·m⁻¹·K⁻¹，得U=210W·m⁻²·K⁻¹。(4)最大温差ΔT_max=Q/(UA)=1.5×10⁶/(210×200×π×0.025×3)=15.2K，远小于催化剂允许50K，无飞温。六、综合设计题（共50分）33.某公司拟建设年产30万吨聚合级丙烯腈装置，采用丙烯氨氧化工艺，反应式：C₃H₆+NH₃+1.5O₂→C₃H₃N+3H₂O ΔH=−515kJ·mol⁻¹进料摩尔比C₃H₆:NH₃:Air=1:1.1:10，反应温度440℃，压力0.2MPa，单程转化率81%，选择性84%，催化剂为Mo-Bi系，失活速率常数k_d=0.002h⁻¹。要求：(1)计算每小时丙烯进料量（kmol·h⁻¹）；(2)设计流化床反应器，确定床层直径与静高，假设表观气速0.45m·s⁻¹，催化剂堆积密度1200kg·m⁻³，催化剂寿命8000h，装填裕量20%；(3)给出热量移除方案，要求温差≤25K，熔盐入口350℃；(4)设计丙烯腈回收流程，要求产品纯度≥99.9%，水分≤100ppm，给出关键塔操作参数；(5)评估碳排放，提出两条减排措施并量化效果。答案：(1)年产30万t=30×10⁶/53=566kmol·h⁻¹丙烯腈，需丙烯566/(0.81×0.84)=831kmol·h⁻¹。(2)总气量n=831×(1+1.1+10)/1=10050kmol·h⁻¹=2.79kmol·s⁻¹，T=713K，P=0.2MPa，V̇=nRT/P=2.79×8.314×713/0.2×10³=82.8m³·s⁻¹，床层截面积A=V̇/u=184m²，直径D=15.3m，取15.5m；催化剂质量m=566×8000/1200×1.2=4520t，静高H=m/(ρ_