2025年化学工程与工艺(化工流程与化学工程与工艺)试卷及答案

2025年化学工程与工艺(化工流程与化学工程与工艺)试卷及答案一、单项选择题（每题1分，共20分。每题只有一个正确答案，将正确选项字母填入括号内）1.在恒压过滤中，若滤饼不可压缩，过滤压差提高一倍，过滤速率将变为原来的（）A.1倍  B.2倍  C.根号2倍  D.4倍答案：B2.对理想二元精馏塔，若回流比R趋于无穷大，则塔顶产品轻组分摩尔分数将趋近于（）A.0  B.进料轻组分摩尔分数  C.1  D.与塔釜组成相等答案：C3.在管壳式换热器中，若热流体侧给热系数远大于冷流体侧，则总传热系数K值接近于（）A.热流体侧给热系数  B.冷流体侧给热系数  C.两者平均值  D.管壁导热系数答案：B4.对气固催化反应A→B，若内扩散阻力严重，则减小催化剂颗粒直径将导致表观反应速率（）A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：A5.在双膜理论中，气液传质总阻力等于（）A.气膜阻力  B.液膜阻力  C.气膜阻力＋液膜阻力  D.气膜阻力×液膜阻力答案：C6.对连续搅拌釜反应器（CSTR）进行一级不可逆反应，若空时τ增大，则转化率X将（）A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：A7.在萃取操作中，若选择性系数β=1，则该萃取剂（）A.完全不能分离  B.分离效果最佳  C.分配系数为0  D.萃取相为纯溶质答案：A8.对离心泵特性曲线，关小出口阀门后，泵的轴功率将（）A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：B9.在干燥速率曲线中，恒速干燥阶段去除的水分主要是（）A.结合水  B.非结合水  C.平衡水  D.临界水答案：B10.对可逆放热反应，最佳温度序列应随转化率升高而（）A.升高  B.降低  C.不变  D.先升后降答案：B11.在吸收塔设计中，若操作线斜率大于平衡线斜率，则该过程（）A.不可能实现  B.液膜控制  C.气膜控制  D.最小液气比已突破答案：A12.对管式反应器（PFR）进行二级不可逆反应，若入口浓度减半，出口转化率将（）A.增大  B.减小  C.不变  D.无法确定答案：B13.在精馏塔中，若进料热状况q>1，则进料板液相流量与精馏段液相流量相比（）A.相等  B.减小  C.增大  D.无关答案：C14.对气液平衡系统，若相对挥发度α=1，则该混合物（）A.形成恒沸物  B.不能用普通精馏分离  C.为理想溶液  D.平衡线为直线答案：B15.在蒸发操作中，采用多效蒸发的主要目的是（）A.提高传热温差  B.降低溶液粘度  C.节约生蒸汽  D.提高生产强度答案：C16.对固定床催化反应器，若出现热点温度过高，应优先采取的措施是（）A.提高入口温度  B.降低入口温度  C.提高空速  D.减小催化剂粒径答案：B17.在萃取塔中，若相比（有机相/水相）增大，则理论级数将（）A.增多  B.减少  C.不变  D.先减后增答案：B18.对板框过滤机，若滤框厚度增加一倍，在相同条件下，过滤时间将（）A.变为2倍  B.变为4倍  C.变为根号2倍  D.不变答案：B19.在干燥过程中，若空气相对湿度升高，则物料平衡含水率将（）A.升高  B.降低  C.不变  D.先升后降答案：A20.对绝热反应器，若反应放热，则沿床层轴向温度变化趋势为（）A.单调上升  B.单调下降  C.先升后降  D.恒定答案：A二、多项选择题（每题2分，共20分。每题有两个或两个以上正确答案，多选少选均不得分，将正确选项字母填入括号内）21.下列属于非稳态传热过程的有（）A.冷却罐头  B.间歇反应釜加热  C.管壳式换热器正常运行  D.蓄热室切换加热答案：ABD22.影响填料塔液泛气速的因素包括（）A.填料比表面积  B.液体表面张力  C.气体密度  D.液体粘度答案：ABCD23.对于反应A+B⇌C+D，下列操作能提高平衡转化率的有（）A.移除产物C  B.提高温度（正反应吸热）  C.提高压力（气相反应，反应物计量系数和>产物）  D.加入惰性气体（恒容）答案：AB24.在离心泵发生汽蚀时，可采取的有效措施有（）A.降低泵安装高度  B.降低吸入管路阻力  C.提高介质温度  D.采用诱导轮答案：ABD25.下列属于化学吸收特点的有（）A.吸收容量大  B.传质系数高  C.可逆反应利于解吸  D.选择性高答案：ABCD26.在恒沸精馏中，可加入的挟带剂应满足（）A.与原组分形成新恒沸物  B.易回收  C.热稳定性好  D.与原组分互溶度低答案：ABC27.对气固流化床，下列说法正确的有（）A.床层压降随气速增加而增加  B.临界流化速度小于带出速度  C.存在气泡相与乳化相  D.传热系数高答案：BCD28.在萃取操作中，若分配系数kA>1，则（）A.溶质在萃取相浓度高于萃余相  B.选择性系数β一定大于1  C.萃取相在上层  D.可减少理论级数答案：AD29.下列属于提高固定床反应器热点温度控制手段的有（）A.列管式冷却  B.惰性填料稀释  C.分段进料  D.提高反应物初浓度答案：ABC30.在蒸发操作中，导致沸点升高的原因有（）A.溶质存在  B.液柱静压  C.蒸汽压下降  D.二次蒸汽阻力答案：ABC三、填空题（每空1分，共20分。将答案填入空格内）31.在恒压过滤中，过滤基本方程为dV/dt=A²ΔP/(μrvV)，其中rv称为________，其单位是________。答案：滤饼比阻，m/kg32.对二元理想溶液，相对挥发度αAB=(yA/xA)/(yB/xB)=________（用纯组分饱和蒸气压表示）。答案：PA°/PB°33.在管壳式换热器设计中，温差校正系数FT与________和________两个无量纲参数有关。答案：P，R34.对一级不可逆反应，CSTR的空时τ与转化率X的关系式为τ=________。答案：X/(k(1X))35.在干燥速率曲线中，临界含水率Xc是________与________的交界点。答案：恒速干燥阶段，降速干燥阶段36.对气液平衡，亨利定律表达式为pA=HxA，其中H称为________，其单位与________相同。答案：亨利常数，压力37.在萃取操作中，若选择性系数β=kA/kB，则β越大，分离越________。答案：容易38.对离心泵，若管路特性曲线为H=Hst+kQ²，则工作点为泵特性曲线与管路特性曲线的________点。答案：交39.在双组分精馏中，最小回流比Rmin=(xDyF)/(yFxF)，其中yF为________与________平衡时的气相组成。答案：进料液相，进料温度40.对固定床反应器，轴向弥散模型中引入的彼克列数Pe=uL/Da，其中Da为________。答案：轴向弥散系数四、简答题（共30分）41.（6分）简述萃取操作中“回萃”流程的原理及优点。答案：回萃指将部分萃取相返回萃取段前部与新鲜料液再次接触。原理是利用已含溶质的萃取相提高前段推动力，降低萃余相溶质含量；优点：减少理论级数、降低溶剂比、提高溶质回收率，尤其适用于分配系数较低体系。42.（6分）说明在多效蒸发中，并流加料与逆流加料各自适用场合。答案：并流：料液粘度随浓度升高显著增大、易结晶、需利用各效间压差自流的场合；逆流：料液粘度变化小、沸点升高显著、需获得高浓缩比的场合，可利用末效高温低浓度降低粘度，提高传热系数。43.（6分）绘出理想管式反应器（PFR）进行一级不可逆反应时，转化率X沿反应器长度L的变化曲线，并说明斜率物理意义。答案：曲线为单调上升凹形，X从0趋近于1；斜率dX/dL=k(1X)/u，表示单位长度反应速率，随X升高而减小，反映反应物浓度下降导致速率降低。44.（6分）列举三种工业上常用的破恒沸方法，并各举一例物系。答案：①变压精馏：水四氢呋喃；②萃取精馏：苯环己烷（加DMF）；③恒沸精馏：乙醇水（加苯挟带剂）。45.（6分）解释离心泵“汽蚀余量”NPSH的物理意义，并给出安装高度计算公式。答案：NPSH指泵入口总水头超过液体饱和蒸汽压的富余量，用以防止汽蚀；安装高度公式：zs=(patmpv)/(ρg)NPSHrhf，其中zs为泵允许几何安装高度，NPSHr为泵必需汽蚀余量，hf为吸入管路阻力损失。五、计算题（共60分）46.（12分）某板框过滤机恒压过滤某悬浮液，已知：A=10m²，μ=1.2mPa·s，ΔP=0.2MPa，rv=2×10¹¹m/kg，v=0.02m³滤液/m³滤饼，忽略介质阻力。求：（1）过滤1h得滤液量V；（2）若滤饼不可压缩，ΔP提高至0.4MPa，再过滤1h得总滤液量。答案：（1）由恒压方程V²=2A²ΔPt/(μrv)，代入得V=sqrt(2×10²×0.2×10⁶×3600/(1.2×10⁻³×2×10¹¹))=3.46m³。（2）ΔP加倍，新方程V²=2A²(2ΔP)t/(μrv)，总时间2h，得V=sqrt(2×10²×0.4×10⁶×7200/(1.2×10⁻³×2×10¹¹))=6.93m³。47.（12分）某单效蒸发器浓缩NaOH溶液，进料F=2kg/s，w0=5%，w1=20%，加热蒸汽温度T0=120°C，溶液沸点T1=105°C，料液初温Tfeed=40°C，比热cp=3.8kJ/(kg·K)，汽化潜热r=2200kJ/kg。求：（1）水分蒸发量W；（2）加热蒸汽消耗量S（忽略热损）。答案：（1）物料衡算：Fw0=(FW)w1⇒W=F(1w0/w1)=2(10.05/0.2)=1.5kg/s。（2）热量衡算：Q=Fcp(T1Tfeed)+Wr=2×3.8×(10540)+1.5×2200=494+3300=3794kW；S=Q/r=3794/2200=1.72kg/s。48.（12分）某逆流吸收塔用清水吸收氨，y1=0.03，η=95%，G=100kmol/(m²·h)，L/G=1.2(L/G)min，平衡ye=0.8x。求：（1）出口液相x1；（2）传质单元数NOG。答案：（1）y2=y1(1η)=0.0015，(L/G)min=(y1y2)/(x10)=0.0285/(0.03/0.8)=0.76，L/G=1.2×0.76=0.912，x1=(y1y2)/(L/G)=0.0285/0.912=0.03125。（2）Δy1=y10.8x1=0.030.025=0.005，Δy2=y20=0.0015，Δym=(0.0050.0015)/ln(0.005/0.0015)=0.00298，NOG=(y1y2)/Δym=0.0285/0.00298=9.56。49.（12分）某一级不可逆反应A→B在PFR中进行，k=0.2min⁻¹，CA0=2kmol/m³，要求转化率X=0.9。若采用两个等体积PFR串联，求总空时τ；若改为一个CSTR达到相同转化率，求其空时τ′，并比较体积。答案：PFR：τ=ln(1X)/k=ln(0.1)/0.2=11.51min；两等体积串联，每级τ1=τ2=5.76min，总τ仍为11.51min。CSTR：τ′=X/(k(1X))=0.9/(0.2×0.1)=45min；体积比V′/V=τ′/τ=45/11.51=3.91，CSTR体积约为PFR的3.9倍。50.（12分）某管壳式换热器用冷却水将油从90°C冷却至50°C，油流量m_h=3kg/s，cp_h=2.1kJ/(kg·K)，水入口20°C，出口40°C，cp_c=4.2kJ/(kg·K)，总传热系数U=400W/(m²·K)。求：（1）冷却水流量m_c；（2）对数平均温差ΔTm；（3）所需传热面积A。答案：（1）热量Q=m_hcp_h(9050)=3×2.1×40=252kW；m_c=Q/(cp_cΔT_c)=252/(4.2×20)=3kg/s。（2）ΔT1=9040=50°C，ΔT2=5020=30°C，ΔTm=(5030)/ln(50/30)=39.15°C。（3）A=Q/(UΔTm)=252000/(400×39.15)=16.1m²。六、综合设计题（共50分）51.（25分）某厂需设计一座年产30万吨聚合级乙烯的精馏塔，原料为裂解气经前处理后C2馏分，组成如下（mol%）：C2H475%，C2H624%，CH40.5%，C3+0.5%。要求产品乙烯纯度≥99.9%，回收率≥99%，塔顶采用全凝器，塔釜采用再沸器。给定：相对挥发度α(C2H4/C2H6)=1.75，进料温度30°C，泡点进料，塔顶压力1.8MPa，塔釜压力1.85MPa。试完成：（1）进行全塔物料衡算，确定塔顶、塔釜流量及组成；（2）用简捷法估算最小理论板数Nmin；（3）用Underwood法计算最小回流比Rmin；（4）取R=1.2Rmin，用Gilliland关联估算实际理论板数N；（5）确定进料板位置（Kirkbride法）；（6）估算塔径：取板间距0.6m，表面张力σ=12mN/m，C因子取0.09m/s，塔顶物性ρV=25kg/m³，ρL=450kg/m³；（7）若采用高通量规整填料250Y，比表面积250m²/m³，等板高度HETP=0.35m，求填料层总高度；（8）讨论若进料中含少量CO（0.1%）对产品质量的潜在影响及脱除措施。答案：（1）年操作8000h，乙烯产品流量P=300000×10³/(28×8000)=1339kmol/h。设塔顶D，塔釜W，全塔衡算：F=D+W，FxF=DxD+WxW，回收率0.99=DxD/(FxF)。解得：F=1785kmol/h，D=1339kmol/h，W=446kmol/h，xD=0.999，xW=0.003（C2H4）。（2）Nmin=ln[(xD/(1xD))((1xW)/xW)]/lnα=ln[999×0.997/0.003]/ln1.75=22.1，取23。（3）Underwood：θ=1.34，Rmin=(xDyF)/(yFxF)=(0.9990.75)/(0.750.75/1.75)=0.82。（4）R=1.2×0.82=0.98，X=(RRmin)/(R+1)=0.08，Gilliland：Y=0.545，N=42。（5）Kirkbride：ln(Nr/Ns)=0.206ln[(W/D)(xFHK/xFLK)]=0.206ln[0.333×0.24/0.75]=0.25，Nr/Ns=0.78，Nr=18，Ns=24，进料板第19块。（6）最大允许气速uV=C[(ρLρV)/ρV]^0.5=0.09×(425/25)^0.5=0.37m/s，塔顶气相流量V=D(R+1)=2650kmol/h=26.5kmol/s，体积流量Q=26.5×22.4×(27330)/273×101/18=3.0m³/s，塔径D=sqrt(4Q/(πuV))=sqrt(4×3.0/(π×0.37))=3.2m。（7）填料高度H=N×HETP=42×0.35=14.7m，取15m。（8）CO为轻组分，易富集于塔顶，可能使乙烯产品CO超标，影响聚合催化剂；措施：前加氢反应器将CO甲烷化，或设置CO选择性吸附塔。52.（25分）某企业拟采用气固循环流化床反应器进行丙烷脱氢制丙烯，反应式：C3H8⇌C3H6+H2，ΔH=124kJ/mol，反应温度580°C，压力0.15MPa，催化剂为Cr2O3/Al2O3，平均粒径dp=80μm，颗粒密度ρp=1500kg/m³，堆积密度ρb=900kg/m³，临界流化速度umf=0.03m/s，终端速度ut=0.45m/s。进料纯丙烷，流量F=10kmol/s，要求单程转化率X=35%，选择性S=90%。试完成：（1）计算反应器出口各组分流率；（2）若采用理想鼓泡床模型，求催化剂藏量W；给定速率方程：r=kpC3H8，k=0.12mol/(s·kg·MPa)，催化剂失活系数φ=0.85；（3）若床层高度H=4m，截面积A=20m²，求操作气速u，并判断床层流化状态；