化工类专业理论综合试题及参考答案

化工类专业理论综合试题及参考答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在理想管式反应器（PFR）中进行一级不可逆反应A→B，若反应速率常数k=0.2min⁻¹，进料浓度CA0=2mol·L⁻¹，停留时间τ=5min，则出口转化率最接近A.0.632  B.0.865  C.0.950  D.0.993【答案】B【解析】PFR一级反应公式：X=1–e^(–kτ)=1–e^(–0.2×5)=1–e^(–1)=0.632。但题目中τ=5min为真实停留时间，而kτ=1，故X=0.632。然而，若考虑体积膨胀因子δ=0，则结果不变；若δ≠0，需用修正公式。本题未给出δ，默认δ=0，故选A。但进一步检查：若反应为液相，密度变化可忽略，δ=0，X=0.632；若气相且摩尔数变化，δ=(νB–νA)/νA=1，则CA=CA0(1–X)/(1+δX)，积分式为∫dX/(1–X)(1+δX)=kτ，解得X=0.865。题中未明确相态，但化工专业默认气相需考虑膨胀，故最接近B。2.某二元理想混合物在常压下形成最低共沸物，其相对挥发度αAB随温度升高而A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减【答案】B【解析】对理想体系，αAB=PA°/PB°。若形成最低共沸物，说明PA°–PB°随T升高而缩小，即αAB→1，故αAB减小。3.在填料塔中用NaOH溶液吸收CO2，若提高液体流量而保持气体流量不变，则液膜传质系数kL将A.增大  B.减小  C.不变  D.无法判断【答案】A【解析】kL∝(液体流速)^0.7，提高液体流量，润湿率增加，湍动加剧，kL增大。4.某反应器出口测得脉冲示踪曲线方差σθ²=0.25，则该反应器可近似为A.理想CSTR  B.理想PFR  C.两个CSTR串联  D.扩散模型Pe≈8【答案】D【解析】σθ²=2/Pe–2/Pe²(1–e^(–Pe))。试算：Pe=8时σθ²≈0.245，与0.25最接近。5.在BET法中，若氮气吸附相对压力p/p0=0.3时对应吸附量Vm=25cm³(STP)·g⁻¹，则单层饱和吸附量Vmono为A.22.4  B.25  C.27.8  D.30.2【答案】C【解析】BET方程：p/[V(p0–p)]=1/(VmonoC)+(C–1)/(VmonoC)·(p/p0)。取p/p0=0.3，V=25，C≈100（常见值），代入解得Vmono≈27.8。6.对非牛顿幂律流体，在光滑圆管中做层流流动，其摩擦因子f与Re′的关系为A.f=16/Re′  B.f=24/Re′  C.f=16/[Re′(3n+1)/4n]  D.f=16/[Re′(3n+1)/n]【答案】C【解析】幂律管流层流：f=16/[Re′(3n+1)/4n]，其中Re′=ρu^(2–n)D^n/[K8^(n–1)]。7.在精馏塔中引入中间再沸器，其热力学主要作用是A.提高塔顶产品纯度  B.降低㶲损失  C.增加处理能力  D.减少塔板数【答案】B【解析】中间再沸器使热量在更低温度下加入，减少与热源的温差，降低㶲损。8.某放热可逆反应A⇌B，在固定床中进行，出现热点，若催化剂导热系数增大，则热点温度将A.升高  B.降低  C.不变  D.先升后降【答案】B【解析】导热系数增大，径向散热增强，热点降低。9.在超临界流体萃取中，若溶质在CO₂中溶解度随压力升高而急剧增加，其主要原因是A.溶剂密度急剧增大  B.溶质蒸汽压升高  C.溶剂介电常数减小  D.溶质分子量减小【答案】A【解析】超临界区压力↑→密度↑→溶剂化能力↑→溶解度↑。10.对气固催化反应，外扩散控制时，表观活化能约为A.反应活化能  B.扩散活化能  C.零  D.反应与扩散之和【答案】B【解析】外扩散控制时，速率∝kG，kG∝T^1.5，表观活化能≈扩散活化能，通常<10kJ·mol⁻¹。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.关于分子蒸馏，下列说法正确的是A.蒸发面与冷凝面间距小于分子平均自由程B.操作压力通常低于0.1PaC.分离因子与相对挥发度无关D.适用于热敏性高沸点物系E.蒸发速率可用Langmuir方程描述【答案】ABDE【解析】C错误，分离因子仍与蒸汽压比有关，即与相对挥发度相关。12.在液液萃取中，选择萃取剂时应考虑A.选择性系数β>1  B.互溶度小  C.界面张力适中  D.粘度低  E.化学稳定性好【答案】ABCDE【解析】全选，界面张力过大分散难，过小易乳化。13.关于多效蒸发，下列说法正确的是A.并流加料时各效浓度依次升高  B.逆流加料时温度差损失最小  C.平流加料适用于易结晶物系  D.增加效数可无限降低蒸汽消耗  E.最佳效数需权衡能耗与设备费【答案】ACE【解析】B错误，逆流温差损失大；D错误，效数↑→传热面积↑→设备费↑，存在最佳。14.在聚合物聚合反应工程中，下列措施可提高聚合釜传热能力A.安装内冷管  B.采用悬浮聚合  C.提高搅拌转速  D.加入不良溶剂  E.采用预聚釜外循环【答案】ABCE【解析】D错误，不良溶剂降低转化率，不直接提高传热。15.关于膜分离，下列说法正确的是A.纳滤可截留二价离子  B.气体分离中渗透系数=扩散系数×溶解度系数  C.反渗透操作压力需大于溶液渗透压  D.超滤截留分子量范围1–100kDa  E.浓差极化必然导致通量衰减【答案】ABCD【解析】E错误，浓差极化可逆，不一定衰减，若提高剪切可缓解。三、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）16.对气固相催化反应，内扩散使表观反应级数向1级靠拢。【答案】√【解析】本征n级，内扩散严重→表观级数→(n+1)/2，若n=2→1.5，若n=3→2，但极限→1。17.在精馏塔中，回流比从最小回流比增加，塔径一定单调增大。【答案】×【解析】回流比↑→气相负荷↑，但塔径还取决于液相负荷，液相↑可能降液管受限，不一定单调。18.对同一离心泵，输送清水时轴功率一定小于输送油品。【答案】×【解析】油品密度小，若μ大，可能效率下降，但轴功率P=ρgQH/η，ρ小则P小，故不一定。19.在搅拌槽中，达到完全离集（completesegregation）时，微观混合为零。【答案】√【解析】离集指物料以微团形式存在，无微观混合。20.对放热反应，采用管壳式固定床时，壳程熔盐温度越高，热点越明显。【答案】√【解析】冷却剂温度高，冷却温差小，散热弱，热点高。21.超滤过程中，通量与压力成正比直至达到凝胶极化平台。【答案】√【解析】低压区通量∝ΔP，凝胶极化后通量恒定。22.对理想气体，焦耳汤姆逊系数μJT一定为零。【答案】√【解析】理想气体H仅与T有关，dH=0→μJT=0。23.在萃取精馏中，萃取剂加入位置应在进料板以上。【答案】×【解析】应在进料板以下，保证全塔溶剂浓度高。24.对气液反应，增强因子E一定大于等于1。【答案】√【解析】E=实际速率/物理吸收速率≥1。25.对平行反应A→B(主，r1=k1CA)，A→C(副，r2=k2CA²)，提高CA有利于主反应。【答案】×【解析】副反应级数高，提高CA副反应加速更快，选择性下降。四、计算题（共30分）26.（10分）在绝热CSTR中进行液相反应A→B，r=kCA，k=4×10⁶exp(–5000/T)s⁻¹，CA0=2kmol·m⁻³，进料温度T0=300K，反应热ΔHR=–150kJ·mol⁻¹，溶液密度ρ=1000kg·m⁻³，比热cp=4kJ·kg⁻¹·K⁻¹，摩尔质量MA=50kg·kmol⁻¹。求：绝热操作下稳定工作点的转化率与温度。【解答】设转化率为X，则CA=CA0(1–X)反应速率r=kCA0(1–X)CSTR物料衡算：τ=CA0X/r=X/[k(1–X)]热量衡算：T=T0+(–ΔHR)CA0X/(ρcp)=300+150×2×1000X/(1000×4)=300+75X联立：τ=X/{4×10⁶exp[–5000/(300+75X)](1–X)}取τ=60s（题中未给，需假设合理值，此处补充说明：工业液相CSTR常用分钟级，取τ=60s）试差：X=0.8→T=360K→k=4×10⁶e^(–5000/360)=4×10⁶e^(–13.89)=4×10⁶×9.3×10⁻⁷=3.72→RHS=0.8/(3.72×0.2)=1.08s，远小于60X=0.98→T=373.5K→k=4×10⁶e^(–5000/373.5)=4×10⁶e^(–13.39)=4×10⁶×1.5×10⁻⁶=6→RHS=0.98/(6×0.02)=8.17sX=0.995→T=374.6K→k=6.3→RHS=0.995/(6.3×0.005)=31.6sX=0.998→T=374.85K→k=6.4→RHS=0.998/(6.4×0.002)=78s≈60s插值：X≈0.997，T≈374.8K【答案】X=0.997，T=374.8K27.（10分）用填料塔清水吸收氨，塔径1m，气量G=100kmol·h⁻¹，y1=0.05，y2=0.001，L/G=1.2(L/G)min，平衡关系y=1.2x，kya=60kmol·m⁻³·h⁻¹，kxa=120kmol·m⁻³·h⁻¹。求：所需填料高度Z。【解答】(L/G)min=(y1–y2)/(y1/m–x2)=0.049/(0.05/1.2–0)=1.176L/G=1.2×1.176=1.41x1=x2+(G/L)(y1–y2)=0+(1/1.41)×0.049=0.03471/Kya=1/kya+m/kxa=1/60+1.2/120=0.0167+0.01=0.0267→Kya=37.5kmol·m⁻³·h⁻¹NOG=∫dy/(y–y*)=(y1–y2)/ΔlmΔ1=y1–mx1=0.05–1.2×0.0347=0.00836Δ2=y2–mx2=0.001–0=0.001Δlm=(0.00836–0.001)/ln(8.36)=0.00355NOG=0.049/0.00355=13.8HOG=G/(KyaΩ)=100/(37.5×0.785×1²)=3.4mZ=HOG×NOG=3.4×13.8=46.9m【答案】Z=46.9m28.（10分）某换热器用冷却水将油品从90°C冷却到50°C，油品流量2kg·s⁻¹，cp=2.5kJ·kg⁻¹·K⁻¹，冷却水从30°C升温至45°C，cp=4.18kJ·kg⁻¹·K⁻¹。总传热系数U=500W·m⁻²·K⁻¹，采用1–2型管壳式。求：所需面积A。【解答】Q=2×2500×(90–50)=200kW水流量m=Q/(cpΔT)=200/(4.18×15)=3.19kg·s⁻¹ΔT1=90–45=45°C，ΔT2=50–30=20°CLMTD=(45–20)/ln(45/20)=30.8°C1–2型修正FT：P=(45–30)/(90–30)=0.25，R=(90–50)/(45–30)=2.67查图FT≈0.85ΔTm=30.8×0.85=26.2°CA=Q/(UΔTm)=200000/(500×26.2)=15.3m²【答案】A=15.3m²五、综合设计题（25分）29.某厂需从甲苯–乙醇混合物中回收无水乙醇，原料含乙醇60wt%，流量5000kg·h⁻¹，要求乙醇纯度≥99.8wt%，甲苯≤0.2wt%。已知常压下形成最低共沸物（乙醇–水–苯三元共沸），请提出两种可行流程，并比较能耗、设备投资、操作复杂度，给出推荐方案。【方案一】萃取精馏+普通精馏1.以乙二醇为萃取剂，在第一塔连续加入，塔顶得无水乙醇，塔底乙二醇+甲苯；2.乙二醇再生塔减压操作，塔顶回收甲苯，塔底乙二醇循环。优点：乙醇纯度高，能耗较三元共沸低20%；缺点：乙二醇需高温再生，投资高。【方案二】三元共沸精馏（苯法）1.加入苯作夹带剂，形成三元共沸，塔顶分相，油相回流，水相送回收塔；2.主塔塔底得无水乙醇；3.回收塔顶出苯，底出水。优点：工业成熟，投资低；缺点：苯毒性，环保成本高，能耗高30%。【比较】能耗：方案一蒸汽耗3.2t·t⁻¹乙醇，方案二4.1t·t⁻¹；投资：方案一设备费高15%，但无需苯储运；操作：方案一DCS控制简单，方案二需严格防爆。【推荐】方案一，长期运行成本低，环保友好。六、推导题（15分）30.对气液相瞬间反应A(g)+B(l)→C(l)，反应面在液膜内，推导增强因子E与Hatta数Ha的关系，并给出E∞表达式。【推导】双膜模型：–DAd²CA/dz²=0(无反应区)反应面位置z=λ，CA=0，CB=0边界：z=0，CA=CAi；z=δL，CB=CBL反应面两侧：–DAdCA/dz=NB=–DBdCB/dz积分得：CAi/λ=CBL/(δL–λ)·DB/νB令λ=δL/(1+CBLνBDAi/DBCAi)增强因子E=1+DBCBLνB/(DACAi)定义Hatta数Ha=√(k2DBCBL)/kL对瞬间反应，k2→∞，E→E∞=1+CBLνB/(mCAi)其中m=CAi/CAG为溶解度系数。【答案】E∞=1+CBLνB/(mCAi)七、简答题（每题5分，共15分）31.简述“过程强化”在反应蒸馏中的体现，并举一例工业应用。【答案】反应蒸馏将反应与分离耦合，打破平衡限制，如MTBE合成：异丁烯+甲醇⇌