化学工程及工艺考试试题及答案

化学工程及工艺考试试题及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.在恒定总压下，气体混合物的扩散通量与组分的分压差成正比，该规律适用于（）。A.液体中的扩散B.稀溶液中的扩散C.稀气体中的扩散D.浓溶液中的扩散2.对于平壁稳态导热，若材料导热系数沿厚度方向变化，λ₁>λ₂，为使热流密度保持不变，相比λ₂材料，λ₁材料层的厚度应（）。A.更厚B.更薄C.相同D.无法确定3.在离心泵的工作范围内，关死点是指（）。A.流量为零，扬程为零B.流量为零，扬程最大C.流量为最大，扬程为零D.流量为最大，扬程最大4.以下关于过滤操作的描述，错误的是（）。A.过滤介质两侧存在压力差是推动过滤进行的原因B.过滤的基本方程（如Ergun方程或Kozeny-Carman方程）都考虑了颗粒与流体的相互作用C.过滤操作可以提高悬浮液中的固相浓度D.滤饼的厚度和性质会影响过滤效率5.在连续搅拌釜反应器（CSTR）中，若反应为一级不可逆反应A→P，空时τ保持不变，当反应物初始浓度CA₀增加一倍时，出口转化率Xe将（）。A.增加一倍B.减少一半C.保持不变D.无法确定6.简单蒸馏主要用于分离（）。A.沸点相近的液体混合物B.沸点差异较大的液体混合物C.固体与液体的混合物D.气体混合物7.在吸收过程中，若气液两相流量保持不变，增大液相流量，通常会导致（）。A.平衡线变陡B.操作线远离平衡线C.操作线斜率增大D.出口液相组成降低8.在列管式换热器中，管程和壳程的流体进行热交换，若管内流体被加热，则（）。A.管内流体温度沿程升高B.管外流体温度沿程降低C.管内流体温度沿程降低D.壳程流体与管内流体通过管壁进行热交换9.下列单元操作中，不属于传质过程的是（）。A.吸收B.蒸馏C.过滤D.萃取10.依据恩德伍德（Underwood）规则，在二元简单蒸馏中，当进料组成xF高于平衡组成xB时，为了获得纯度最高的轻组分产品，应采用（）。A.全凝器，最小回流比B.全凝器，最小回流比以上的回流比C.理论板数最少D.塔径最小二、填空题1.流体在圆管内做层流流动时，沿管长方向存在流速分布，最大流速位于管中心，其值为平均流速的______倍。2.热传导的基本定律是傅里叶定律，其数学表达式为q=-λ∇T，其中λ代表______，∇T代表______。3.搅拌器的目的是增加液体的______和______，强化传质和传热。4.过滤操作的推动力是滤饼两侧的______差，阻力主要来自滤饼本身和______。5.反应动力学研究的是反应物浓度随______的变化规律，反应工程则研究反应器设计及操作对______的影响。6.在双组分混合物中，当液相组成高于气相组成时，该混合物呈______色或______状态。7.蒸馏操作的依据是混合物中各组分______的差异。8.在吸收过程中，气相中溶质分压与液相中溶质平衡浓度之比称为______。9.换热器的基本功能是______两种温度不同的流体之间的热量。10.对于理想气体，其粘度μ与绝对温度T的______次方成正比。三、判断题1.流体在管道内流动时，雷诺数Re是衡量流体流动状态的无量纲数，Re>2300表示层流。（）2.对于稳态导热，通过某一截面的热量随时间变化。（）3.离心泵的扬程与转速成正比。（）4.重力沉降是利用颗粒与流体密度差以及重力作用使颗粒从流体中分离的操作。（）5.在间歇釜反应器（CSTR）中，若反应为一级不可逆反应A→P，空时τ保持不变，当反应物初始浓度CA₀增加一倍时，出口转化率Xe也增加一倍。（）6.简单蒸馏无法分离互溶的沸点相近的液体混合物。（）7.吸收操作必须在气液平衡关系确定的条件下才能进行。（）8.列管式换热器中，流体的流速越大，传热系数越大。（）9.塔板效率是衡量板式塔分离效果的指标，其值总小于1。（）10.催化剂可以改变化学反应的活化能，从而影响反应速率，但不会改变反应的平衡常数。（）四、计算题1.(10分)某不可压缩流体在圆管内做层流流动，管径d=0.05m，管长L=10m，流体流速v=0.02m/s，流体密度ρ=1000kg/m³，动力粘度μ=0.001Pa·s。假设流动为充分发展层流，试计算：(1)管中心处的最大流速；(2)管内流体的体积流量；(3)10m长的管道上流体的压降（忽略入口效应）。2.(10分)有一套管式换热器，内管为Φ25×2.5mm(外径25mm，壁厚2.5mm)的钢管，外管为Φ38×3mm(外径38mm，壁厚3mm)的钢管，管长为2m。内管通入温度为150°C的热水，流速为0.6m/s，水的比热容cp=4.18kJ/(kg·K)，密度ρ=980kg/m³，粘度μ=0.001Pa·s。外管间通入温度为20°C的空气，空气流量为0.5kg/s，空气的比热容cp=1.005kJ/(kg·K)。假设换热器总传热系数K=50W/(m²·K)，试估算该换热器的对数平均温差（LMTD）和所需换热面积（假设管壁热阻及污垢热阻可忽略）。3.(10分)在连续搅拌釜反应器（CSTR）中进行某液相一级不可逆反应A→P，反应速率常数k=0.1min⁻¹。进料体积流量F=100L/min，进料浓度为CA₀=2mol/L。试计算：(1)反应器体积为100L时的出口转化率；(2)若要使出口转化率达到0.9，反应器体积应为多大？4.(10分)某二元混合物在常压下进行简单蒸馏，进料流量为100kmol/h，进料组成为0.4(摩尔分率，下同)，馏出液组成为0.9，残液组成为0.1。假设塔顶采用全凝器，塔底采用再沸器（提供汽相）。试根据恩德伍德规则，计算：(1)蒸馏产生的蒸汽量（kmol/h）；(2)若回流比为最小回流比的1.5倍，馏出液流量为多少（kmol/h）？（假设操作压力下汽液平衡关系为y=0.75x+0.15）五、简答题1.(10分)简述影响过滤速率的主要因素，并说明如何通过操作条件的改变来提高过滤速率。2.(10分)在设计工业反应器时，选择釜式反应器（CSTR）还是管式反应器（PFR）需要考虑哪些主要因素？请简述各自的优缺点。试卷答案一、选择题1.C2.B3.B4.B5.C6.B7.B8.D9.C10.B二、填空题1.22.导热系数；温度梯度3.搅拌速度；混合程度4.压力；过滤介质5.时间；产物收率/转化率6.浓；稀7.沸点8.溶解度9.传递10.1/2(或0.5)三、判断题1.×2.×3.√4.√5.×6.√7.√8.√9.√10.√四、计算题1.(10分)(1)解：层流流动时，管中心最大流速v_max=2v=2×0.02m/s=0.04m/s。(2)解：体积流量Q=Aaverage*v=(π/4)d²*(v/2)=(π/4)×(0.05)²×(0.02/2)m³/s=3.927×10⁻⁶m³/s=14.13L/min。(3)解：压降ΔP=(32μLV)/(ρgd²)=(32×0.001Pa·s×10m)/(1000kg/m³×9.81m/s²×(0.05m)²)=1.63Pa。2.(10分)(1)解：对数平均温差LMTD计算需知道两端温差。假设热水出口温度Tw_e和空气出口温度Ta_e未知，不能直接计算LMTD。但题目要求估算，可能隐含假设或简化。通常需要进出口温度。此题按现有数据无法直接计算LMTD。若题目意图考察面积计算，需给定LMTD或K值。按现有信息，无法完成LMTD计算。(2)解：所需换热面积A=Q/K*ΔTm。需要计算热流量Q。Q=F*cp_air*(Ta_e-Ta_i)。Q=0.5kg/s*1.005kJ/(kg·K)*(Ta_e-20°C)。需要空气出口温度Ta_e。假设空气出口温度，例如Ta_e=50°C。Q=0.5*1.005*(50-20)=20.1kJ/s=20.1kW。A=20.1kW/50W/(m²·K)*ΔTm。仍需LMTD。若强行估算，假设ΔTm≈(150-20)/2=65°C。A=20.1/50*65=2.61m²。此结果高度依赖假设，计算过程仅供示例，结果不可靠。3.(10分)(1)解：对于CSTR，Xe=kτ。τ=V/F=100L/100L/min=1min。Xe=0.1min⁻¹*1min=0.1。(2)解：Xe=kτ。要求Xe=0.9。τ=Xe/k=0.9/0.1min⁻¹=9min。V=τ*F=9min*100L/min=900L。4.(10分)(1)解：根据质量守恒，F=D+W。100=D+W。根据物料衡算（对A组分），F*xF=D*yD+W*xFW。100*0.4=D*yD+W*0.1。联立方程：D+W=100；D*yD+0.1W=40。代入W=100-D，得D*yD+0.1*(100-D)=40。D*yD+10-0.1D=40。D*yD-0.1D=30。D*(yD-0.1)=30。根据最小理论板数规则，yD=xB=0.1(残液组成)。代入D*(0.1-0.1)=30。此结果为零，说明假设最小理论板数yD=xB=0.1导致矛盾，需调整假设或方法。通常恩德伍德规则用于估算最小回流比，直接求W较复杂。按常规方法，W=F*xF/(yD-xB)=100*0.4/(0.9-0.1)=100*0.4/0.8=50kmol/h。D=100-50=50kmol/h。产生的蒸汽量W即为50kmol/h。(2)解：最小回流比Rmin=(yD-xB)/(yF-xB)=(0.9-0.4)/(0.4-0.1)=0.5/0.3=5/3≈1.6667。实际回流比R=1.5*Rmin=1.5*(5/3)=2.5。馏出液流量D=F*(R/(R+1))=100*(2.5/(2.5+1))=100*(2.5/3.5)=100*(5/7)=500/7≈71.43kmol/h。五、简答题1.(10分)影响过滤速率的主要因素包括：(1)过滤推动力：滤饼两侧的压力差。压力差越大，过滤速率越快。(2)过滤面积：过滤面积越大，过滤速率越快。(3)滤饼厚度：通常过滤速率与滤饼厚度的平方根成反比。(4)滤饼性质：包括滤饼的渗透性（孔道大小和结构）和阻力（孔隙率）。(5)滤浆性质：包括流体粘度（粘度越大，过滤越慢）和固体颗粒浓度（颗粒浓度越高，可能影响粘度或滤饼结构）。(6)过滤介质阻力：过滤介质的孔径和厚度也会影响过滤速率。提高过滤速率的操作条件改变：(1)增加过滤压力差：提高操作压力。(2)增大过滤面积：使用更大尺寸的过滤设备或增加滤叶数量。(3)减少滤饼厚度：及时清理或洗涤滤饼，或采用辅助过滤方法。(4)改善滤饼渗透性：选择合适的助滤剂预处理滤浆，形成渗透性较好的滤饼。(5)降低滤浆粘度：加热滤浆（若物料允许）。(6)选择阻力更小的过滤介质。2.(10分)选择CSTR还是PFR主要考虑因素：(1)反应动力学：对于平行反应、串联反应或选择性要求高的反应，PFR可能更优。对于简单的不可逆反应，两者差异可能不大。(2)反应热效应：对于强放热反应，PFR由于反应物浓度沿反应器长度降低，温度分布更均匀，不易出现热点，安全性更高。CSTR需要有效的冷却措施防止飞温。(3)转化率要求：对于需要高转化率的反应，PFR通常能达到更高的转化率（在相同空时下），因为反应物浓度沿反应器降低。(4)操作弹性：PFR的操作弹性通常较小，进料浓度或温度的波动对反应影响较大。CSTR的操作弹性相对较大。(5)混合要求：CSTR要求良好的混合以实现均匀浓度和温度分布。PFR内部混合较差（径向）。(6)设备