2025年化工实验大赛理论试题及答案

2025年化工实验大赛理论试题及答案一、单选题（每题2分，共20分）1.在常压连续精馏塔中分离苯甲苯理想体系，已知塔顶馏出液苯摩尔分数xD=0.95，塔釜残液苯摩尔分数xW=0.05，进料苯摩尔分数xF=0.50，泡点进料，相对挥发度α=2.47。若回流比R取最小回流比Rmin的1.3倍，则理论板数最接近下列哪一数值？A.8 B.10 C.12 D.14答案：C解析：①Rmin=(xD/(α−1))/(xF−xD/(α−1))=1.72；②R=1.3×1.72=2.24；③McCabeThiele图解得阶梯数11.8，取整12。2.某气固催化反应A→B，实验测得表观活化能Ea=45kJ·mol⁻¹，当催化剂粒径由2mm减小到0.5mm时，相同温度下转化率由0.60升至0.85，则内扩散影响程度变化为：A.由外扩散控制转为内扩散控制 B.由内扩散控制转为动力学控制 C.始终动力学控制 D.始终外扩散控制答案：B解析：粒径减小、转化率显著提高，说明原过程受内扩散限制；粒径减小后Thiele模数Φ∝R√(k/De)下降，有效性因子η→1，转为动力学控制。3.用转子流量计标定20℃水，转子密度ρf=7900kg·m⁻³，水的密度ρ=998kg·m⁻³，若改测液氨（−33℃，ρ=682kg·m⁻³，μ=0.25mPa·s），则同一刻度下体积流量校正系数为：A.0.82 B.0.91 C.1.08 D.1.20答案：B解析：校正系数K=√[(ρf−ρNH₃)/(ρf−ρH₂O)]·√(ρH₂O/ρNH₃)=0.91。4.在绝热固定床中进行CO氧化，入口CO摩尔分数1%，床层峰值温度450℃，若改用稀释气体将CO入口浓度降至0.5%，其它条件不变，则峰值温度约为：A.425℃ B.400℃ C.375℃ D.350℃答案：C解析：绝热温升ΔTad∝yCO，浓度减半，ΔTad减半，峰值温度≈375℃。5.某萃取过程分配系数m=2.5，水相进料含溶质xF=0.15，采用两级错流萃取，每级有机相与水相体积比1:1，则最终萃余相溶质摩尔分数最接近：A.0.035 B.0.048 C.0.062 D.0.078答案：B解析：单级萃余率q=1/(1+m)=0.286，两级错流qn=0.286²=0.082，xR=xF·qn=0.15×0.082=0.048。6.某反应器体积V=2m³，进料流量Q=0.5m³·h⁻¹，脉冲示踪实验测得出口示踪剂浓度随时间变化曲线方差σt²=0.25h²，则该反应器轴向扩散系数Dz为：A.0.5m²·h⁻¹ B.1.0m²·h⁻¹ C.2.0m²·h⁻¹ D.4.0m²·h⁻¹答案：B解析：σθ²=σt²/τ²=0.25/(2/0.5)²=0.0625，Dz=uL/2·σθ²=0.5×4/2×0.0625=1.0m²·h⁻¹。7.在二元VLE实验中用Ellis平衡釜测得73.5kPa下，液相x=0.30，气相y=0.58，则该体系在此组成下的活度系数γ₁为（已知p₁=68.4kPa，p₂=28.2kPa）：A.1.25 B.1.42 C.1.68 D.1.90答案：C解析：γ₁=yP/(xp₁)=0.58×73.5/(0.30×68.4)=1.68。8.某离心泵输水时最佳效率点流量Q=40m³·h⁻¹，扬程H=32m，若改输密度ρ=1200kg·m⁻³、粘度μ=5mPa·s的盐水，则轴功率增加百分比约为：A.5% B.10% C.15% D.20%答案：D解析：密度增加20%，粘度升高导致效率下降约3%，综合轴功率≈1.20×1.03≈1.24，增加24%，选最接近20%。9.用DSC测定聚合物熔融焓，样品质量5.2mg，熔融峰面积126mJ，已知仪器常数K=1.05μV·s·mJ⁻¹，则熔融焓ΔHm为：A.24J·g⁻¹ B.30J·g⁻¹ C.36J·g⁻¹ D.42J·g⁻¹答案：B解析：ΔHm=126mJ/(5.2mg)=24.2J·g⁻¹，考虑常数校正24.2×1.05≈30J·g⁻¹。10.某管壳式冷凝器，冷却水走管程，温度由20℃升至35℃，蒸汽在壳程冷凝，饱和温度60℃，若冷却水流量增加20%，则总传热系数K近似变化为：A.增加5% B.增加10% C.不变 D.下降5%答案：B解析：水侧h∝u^0.8，流量增20%，u增20%，h增约15%，但蒸汽侧h冷凝≈常数，综合K增幅≈10%。二、多选题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）11.关于CO₂乙醇体系超临界萃取，下列说法正确的是：A.压力升高可提高CO₂密度从而增加溶解度B.温度升高一定降低溶解度C.加入少量极性共溶剂可提高萃取选择性D.临界点附近溶解度对压力变化最敏感答案：A、C、D解析：B错误，温度升高在高压区可因蒸汽压效应反而提高溶解度。12.在气液反应A(g)+B(l)→C(l)采用鼓泡塔时，提高宏观反应速率的措施有：A.增大气速提高气含率 B.减小气泡直径 C.升高温度 D.增加液相催化剂浓度答案：A、B、C、D解析：四项均可增大kLa或反应本征速率。13.关于动态光散射(DLS)测纳米颗粒粒径，下列操作会导致结果偏大的是：A.样品浓度太高出现多重散射B.溶剂粘度未校正温度变化C.使用173°背向散射角D.溶液中有微量灰尘答案：A、D解析：多重散射和灰尘均使表观扩散系数减小，按StokesEinstein公式反算粒径偏大；B未校正粘度导致结果偏小；C背向散射降低多重散射影响，结果更准确。14.下列关于反应器热稳定性说法正确的是：A.对放热反应，冷却介质温度越低越稳定B.增大传热面积可提高稳定裕度C.降低活化能可提高稳定裕度D.增大进料温度可提高稳定裕度答案：A、B、C解析：D错误，提高进料温度使稳态点右移，可能越过多重稳态区，降低稳定性。15.在离子液体萃取脱硫实验中，下列因素会显著影响分配比的是：A.离子液体阳离子烷基链长度 B.温度 C.剂油比 D.模拟油中烯烃含量答案：A、B、D解析：剂油比影响的是操作线斜率，不改变热力学分配比m。三、计算题（共35分）16.（10分）某一级液相反应A→B在等温CSTR中进行，速率常数k=0.15min⁻¹，进料浓度CA0=2.0mol·L⁻¹，体积流量Q=5L·min⁻¹。若要求出口转化率X=0.90，求所需反应器体积V；若改用体积相同的PFR，求所能达到的转化率。答案：CSTR：τ=V/Q=(CA0−CA)/(−rA)=CA0X/(kCA0(1−X))=X/(k(1−X))=0.90/(0.15×0.10)=60min，V=60×5=300L。PFR：τ=−ln(1−X)/k⇒60=−ln(1−X)/0.15⇒1−X=e^(−9)=1.23×10⁻⁴，X=0.99988。解析：CSTR因返混需更大体积；PFR在相同τ下可获得更高转化率。17.（12分）某逆流吸收塔用纯水吸收氨，入口气体氨摩尔分数y₁=0.15，出口y₂=0.005，入口水x₂=0，液气比L/G=1.2(L/G)min，平衡关系y=1.2x，总传质单元数NOG=6.5。若因环保要求将出口y₂降至0.002，拟采用提高L/G的方法，求新L/G及新增水泵功率（原L=100kmol·h⁻¹，扬程30m，泵效率70%，忽略粘度变化）。答案：原(L/G)min=(y₁−y₂)/(y₁/1.2−x₂)=0.145/0.125=1.16，原L/G=1.2×1.16=1.39。新(L/G)min=(0.15−0.002)/(0.15/1.2)=0.148/0.125=1.184，新L/G=1.2×1.184=1.42。原G=L/1.39=71.9kmol·h⁻¹，新L=1.42×71.9=102kmol·h⁻¹，增量2kmol·h⁻¹。功率N=ρgQH/η，水ρ=1000kg·m⁻³，Q=2×18/1000=0.036m³·h⁻¹=1×10⁻⁵m³·s⁻¹，N=1000×9.81×1×10⁻⁵×30/0.7=4.2W。解析：NOG不变，用Colburn图反查新(L/G)min；功率增量极小，说明仅靠调节液量难以达标，需同时增加填料高度。18.（13分）某放热反应A→B，ΔH=−120kJ·mol⁻¹，在管式固定床中进行，管内径25mm，管长3m，催化剂堆密度1200kg·m⁻³，床层空隙率ε=0.40，进料温度T₀=350℃，进料摩尔流量FA0=0.8mol·s⁻¹，比热容混合气Cp=1.8kJ·kg⁻¹·K⁻¹，平均分子量M=30g·mol⁻¹。若管壁恒温350℃，床层对壁总传热系数U=120W·m⁻²·K⁻¹，求绝热温升及当床层中心温度达到400℃时的最大允许管长，并判断该点是否出现热点。答案：绝热温升ΔTad=(−ΔH)yA0/(CpM)=120×1/(1.8×0.030)=2222K，实际不可能达到。取微元热量衡算：GCpdT/dz=(−ΔH)(−rA)−4U/d(T−Tw)。设一级反应，k=5×10⁴exp(−8000/T)s⁻¹，需数值积分。简化：若反应速率足够快，可认为热点在Tmax=400℃处，ΔT=50K，传热速率=反应放热速率：4U/dΔT=ρb(−rA)(−ΔH)。设(−rA)=kCA0=5×10⁴exp(−8000/673)×0.8/(π/4×0.025²×30)=1.2mol·m⁻³·s⁻¹，解得z≈0.8m。解析：若实际管长3m>0.8m，则热点将超过400℃，需分段冷却或降低进口温度。四、实验设计题（15分）19.离子液体[BMIM][PF₆]萃取模拟油中噻吩，已知分配系数m=3.2（质量比），剂油质量比1:1单级萃取后，萃余相硫含量由500ppm降至180ppm。现需设计三级逆流萃取，使硫含量≤50ppm，求最小剂油比及实际剂油比（取1.3倍最小值），并给出实验验证步骤：(1)所需最小理论级数与最小剂油比计算；(2)分液漏斗串级实验流程图与操作要点；(3)采用GCFID测定硫含量的标准曲线绘制方法；(4)误差控制：如何消除乳化、减少挥发损失。答案：(1)用Kremser图：yN+1=0，xN=50ppm，xF=500ppm，m=3.2，N=3，解得最小剂油比(L/G)min=(xF−xN)/(mxN)=2.81，实际(L/G)=1.3×2.81=3.65。(2)流程：三组分液漏斗，油相依次与新鲜离子液体逆向接触，每级25℃恒温振荡10min，静置20min分相。(3)标准曲线：配制噻吩正辛烷溶液0–600ppm，内标法加萘200ppm，GCFID峰面积比As/An对浓度线性回归，R²≥0.999。(4)乳化：离心3000rpm×5min；挥发：密封聚四氟乙烯塞，冰浴操作；误差<3%。解析：三级逆流可显著降低剂油比；GCFID需用非极性柱HP5，载气N₂1.2mL·min⁻¹，FID温度280℃。五、综合推理题（15分）20.某课题组报道“新型NiMo/Al₂O₃催化剂在250℃、3MPa下可将生物油模型物乙酸一步加氢转化为乙醇，转化率98%，选择性96%”。请设计一套实验方案验证该结果并排除可能的“假阳性”：(1)催化剂表征必须提供哪些数据？(2)反应装置与空白实验如何设置？(3)如何确认乙醇产物非来自反应器材质或管路吸附？(4)若实际转化率仅70%，可能哪些实验细节被忽视？答案：(1)XRD相结构、H₂TPR还原性、BET比表面积、NH₃TPD酸量、ICP金属负载量、XPS表面Ni/Mo比、TEM粒径分布。(2)固定床连续流反应器，316L管壁，空白实验：①填石英砂无催化剂；②