2026年化工原理期末考试题及答案

2026年化工原理期末考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在恒压过滤中，若滤饼不可压缩，过滤速率与过滤时间的关系为A.与过滤时间成正比B.与过滤时间的平方根成正比C.与过滤时间的平方根成反比D.与过滤时间成反比答案：C解析：恒压过滤基本方程为dV/dt=K/(2V)，积分得V²=Kt，故dV/dt∝1/√t，即过滤速率与过滤时间的平方根成反比。2.某离心泵在额定流量下输送清水，若将液体改为密度为1200kg·m⁻³的盐水，忽略黏度变化，则泵的扬程A.增大20%B.减小20%C.基本不变D.无法判断答案：C解析：离心泵理论扬程H=u₂c₂cosα₂/g，与液体密度无关；密度变化仅影响轴功率P=ρgQH，扬程不变。3.在填料塔中，若采用拉西环改为θ环，保持相同操作条件，则液泛气速A.显著降低B.基本不变C.显著升高D.先升后降答案：C解析：θ环比表面积更大、空隙率更高，流体通道更顺畅，液泛气速可提高30%–50%。4.对二元理想溶液进行平衡蒸馏，若相对挥发度α=2.5，进料轻组分摩尔分数zF=0.5，汽化率f=0.4，则塔顶轻组分摩尔分数yD约为A.0.625B.0.714C.0.769D.0.833答案：B解析：平衡蒸馏物料衡算与平衡关系联立：yD=αx/(1+(α−1)x)，x=(zF−fyD)/(1−f)，迭代得yD≈0.714。5.在管壳式换热器中，若热流体走管程且流量增加一倍，忽略物性变化，则总传热系数K约A.增加一倍B.增加40%C.增加15%D.基本不变答案：B解析：管程湍流时αi∝u⁰·⁸，流量加倍则u加倍，αi提高2⁰·⁸≈1.74倍；壳程αo不变，以管程阻力为主，K增幅约40%。6.某悬浮液在板框压滤机中过滤，若滤布阻力可忽略，滤饼比阻r=1.2×10¹¹m⁻²，滤饼孔隙率ε=0.45，则滤饼渗透率B为A.4.2×10⁻¹²m²B.5.8×10⁻¹²m²C.7.5×10⁻¹²m²D.9.1×10⁻¹²m²答案：B解析：渗透率B=ε³/(Kozeny常数·(1−ε)²·r)，取K=5，代入得B≈5.8×10⁻¹²m²。7.在精馏塔中采用全凝器，若塔顶产品组成xD=0.95，回流比R=2，则塔顶第二块理论板（自上而下）液相组成x₂约为A.0.88B.0.91C.0.93D.0.90答案：A解析：精馏段操作线y=R/(R+1)x+xD/(R+1)，与平衡线联立逐板计算，第一板y₁=xD=0.95，x₁=0.95/(2.5−1.5×0.95)=0.905；第二板y₂=0.905，x₂=0.905/(2.5−1.5×0.905)=0.880。8.对空气–水体系，若湿球温度tw=25℃，干球温度t=40℃，则空气湿度H（kg水/kg干气）约为A.0.012B.0.016C.0.020D.0.024答案：B解析：由湿球方程H=Hs(tw)−(t−tw)(cP/λ)，25℃饱和湿度Hs=0.0202，cP=1.01kJ·kg⁻¹·K⁻¹，λ=2440kJ·kg⁻¹，得H≈0.016。9.在萃取塔中，若分配系数m=2.5，溶剂比S/F=1.2，则单级萃取理论级数N为A.0.36B.0.52C.0.67D.0.83答案：C解析：单级萃取Kremser式N=ln[(1−1/A)(xF/xR)+1/A]/lnA，A=mS/F=3，xR=xF/(1+A)，得N≈0.67。10.在干燥过程中，若物料临界含水量Xc=0.12kg·kg⁻¹，平衡含水量Xe=0.02kg·kg⁻¹，初始含水量X₁=0.25kg·kg⁻¹，则恒速干燥阶段去除水分占总去除量的比例为A.48%B.52%C.58%D.62%答案：C解析：总去除量=X₁−Xe=0.23，恒速段=X₁−Xc=0.13，比例=0.13/0.23≈58%。二、填空题（每空2分，共20分）11.某液体在φ25mm×2.5mm钢管内流动，流量为3.6m³·h⁻¹，密度ρ=980kg·m⁻³，黏度μ=1.2mPa·s，则雷诺数Re=________，流态为________。答案：Re=4Qρ/(πdμ)=4×(3.6/3600)×980/(π×0.02×1.2×10⁻³)≈5.2×10⁴，湍流。12.在恒速干燥阶段，物料表面温度等于________温度，干燥速率由________控制。答案：湿球，外部传质。13.对逆流吸收塔，若操作线斜率L/G=1.5，平衡线斜率m=1.2，则吸收因子A=________，气相传质单元数NOG随A增大而________。答案：1.25，减小。14.某离心泵特性曲线为H=60−0.008Q²（Q：m³·h⁻¹），管路曲线为He=20+0.005Q²，则工作点流量Q=________m³·h⁻¹，扬程H=________m。答案：联立60−0.008Q²=20+0.005Q²，得Q=50m³·h⁻¹，H=32.5m。15.在板框压滤机中，若过滤常数K=2.5×10⁻⁵m²·s⁻¹，滤框厚度50mm，滤饼体积比v=0.02m³·m⁻³，则每立方米滤液形成滤饼厚度为________mm，过滤1m³滤液所需时间________s。答案：滤饼体积=0.02m³，厚度=0.02/(1×1)=0.02m=20mm；t=V²/(KA²)，设A=1m²，t=1/(2.5×10⁻⁵)=4×10⁴s。16.精馏塔最小回流比Rmin与相对挥发度α、进料组成zF、进料热状况q的关系式为________。答案：Rmin=(xD/(α−1)zF)−(1−xD)/(α−1)(1−zF)·(1−q)。17.在干燥速率曲线中，若恒速段速率Nc=1.5kg·m⁻²·h⁻¹，降速段线性通过(Xc,Nc)与(Xe,0)，则当含水量X=0.06kg·kg⁻¹时干燥速率N=________kg·m⁻²·h⁻¹。答案：N=Nc·(X−Xe)/(Xc−Xe)=1.5×(0.06−0.02)/(0.12−0.02)=0.6。18.某换热器采用φ19mm×2mm钢管，管长3m，共120根，管程对流传热系数αi=4500W·m⁻²·K⁻¹，壳程αo=1200W·m⁻²·K⁻¹，忽略管壁及污垢，则总传热系数K=________W·m⁻²·K⁻¹。答案：1/K=1/αi+1/αo，K=1/(1/4500+1/1200)≈947W·m⁻²·K⁻¹。19.在萃取操作中，若选择性系数β=6，溶剂用量为最小用量的1.4倍，则实际萃取液中溶质质量分数与原料液中质量分数之比为________。答案：最小溶剂比时(S/F)min=(xF−xR)/(yE−xR)，实际S/F=1.4(S/F)min，结合β=(yE/xE)/(yR/xR)及物料衡算，得比值为1.83。20.对气体扩散，若温度由300K升至400K，压力由100kPa降至80kPa，则扩散系数DAB增大倍数约为________。答案：DAB∝T¹·⁸/P，倍数=(400/300)¹·⁸×(100/80)≈2.07×1.25≈2.6。三、计算题（共60分）21.（12分）某厂用单效蒸发器将10t·h⁻¹的10%NaOH水溶液浓缩至30%，加热蒸汽为120℃饱和蒸汽，冷凝水在饱和温度下排出，蒸发室绝对压力为20kPa，沸点升高为8℃，原料液温度20℃，比热容3.8kJ·kg⁻¹·K⁻¹，汽化潜热2200kJ·kg⁻¹。求：(1)蒸发水量；(2)所需蒸汽量（kg·h⁻¹）；(3)若改用双效并流蒸发，蒸汽经济性提高多少倍？解：(1)物料衡算：F=10000kg·h⁻¹，xF=0.1，xL=0.3，L=F(1−xF/xL)=10000(1−0.1/0.3)=6667kg·h⁻¹，W=F−L=3333kg·h⁻¹。(2)热量衡算：Q=FcP(tB−tF)+Wλ，20kPa下饱和温度60℃，溶液沸点=60+8=68℃，Q=10000×3.8×(68−20)+3333×2200=1.824×10⁶+7.333×10⁶=9.157×10⁶kJ·h⁻¹，120℃蒸汽潜热r=2202kJ·kg⁻¹，蒸汽量S=Q/r=4158kg·h⁻¹。(3)双效并流蒸汽经济性E₂≈1.8×单效E₁，E₁=W/S=3333/4158=0.80，E₂≈1.44，提高倍数=1.8。22.（12分）某逆流吸收塔用纯水吸收氨–空气混合气中的NH₃，入口气相摩尔分数y₁=0.03，出口y₂=0.001，入口液相x₂=0，平衡关系y=1.2x，操作液气比L/G=1.5，总气相传质单元高度HOG=0.8m。求：(1)出口液相摩尔分数x₁；(2)传质单元数NOG；(3)填料层高度Z；(4)若L/G降至1.3，是否发生液泛？（已知液泛气速uf=2.5m·s⁻¹，实际气速u=1.8m·s⁻¹）解：(1)物料衡算：G(y₁−y₂)=L(x₁−x₂)，x₁=G(y₁−y₂)/L=(0.03−0.001)/1.5=0.0193。(2)吸收因子A=L/(mG)=1.5/1.2=1.25，NOG=ln[(y₁−mx₂)/(y₂−mx₂)(1−1/A)+1/A]/(1−1/A)=ln[(0.03/0.001)(1−0.8)+0.8]/0.2=ln[30×0.2+0.8]/0.2=ln(6.8)/0.2≈9.12。(3)Z=NOG·HOG=9.12×0.8=7.3m。(4)L/G降至1.3，A=1.3/1.2=1.08，接近1，操作弹性降低；但u=1.8<uf=2.5，未液泛，但接近上限，需校核压降。23.（12分）某精馏塔分离苯–甲苯混合物，进料F=100kmol·h⁻¹，zF=0.45，q=0.5（汽液混合），xD=0.97，xB=0.03，α=2.46，R=2.5Rmin。求：(1)最小回流比Rmin；(2)理论板数N（用Gilliland关联）；(3)进料板位置NF。解：(1)q=0.5，q线斜率=q/(q−1)=−1，与平衡线交点xq=0.45，yq=αxq/(1+(α−1)xq)=0.669，Rmin=(xD−yq)/(yq−xq)=(0.97−0.669)/(0.669−0.45)=1.37。(2)R=2.5×1.37=3.43，(R−Rmin)/(R+1)=0.435，Gilliland图得(N−Nmin)/(N+1)=0.28，Nmin=ln[(xD/(1−xD))((1−xB)/xB)]/lnα=ln[(0.97/0.03)(0.97/0.03)]/ln2.46=7.9，解得N≈11.9，取12块。(3)精馏段Nmin,R=ln[(xD/(1−xD))((1−xF)/xF)]/lnα=4.2，NF≈(Nmin,R/Nmin)·N=5.4，取第6块。24.（12分）某管壳式换热器用冷却水将80℃的乙醇由流量1.8kg·s⁻¹冷却至35℃，冷却水入口20℃，出口40℃，乙醇比热2.4kJ·kg⁻¹·K⁻¹，水4.2kJ·kg⁻¹·K⁻¹，总传热系数K=650W·m⁻²·K⁻¹，逆流操作。求：(1)冷却水流量；(2)对数平均温差ΔTm；(3)所需传热面积A；(4)若采用1–2型结构，修正系数F≈0.9，面积增加多少？解：(1)Q=mEtEtE=1.8×2400×(80−35)=1.944×10⁵W，mW=Q/(cWΔTW)=1.944×10⁵/(4200×20)=2.31kg·s⁻¹。(2)ΔT₁=80−40=40℃，ΔT₂=35−20=15℃，ΔTm=(40−15)/ln(40/15)=25.5℃。(3)A=Q/(KΔTm)=1.944×10⁵/(650×25.5)=11.7m²。(4)1–2型需A′=Q/(KFΔTm)=11.7/0.9=13.0m²，增加(13.0−11.7)/11.7=11%。25.（12分）某干燥器常压下干燥某湿物料，湿基含水量由0.25降至0.05，产量800kg·h⁻¹（干基），空气入口t₁=120℃，H₁=0.01kg·kg⁻¹，出口t₂=70℃，理想干燥，物料温度恒为38℃，比热1.5kJ·kg⁻¹·K⁻¹，干空气比热1.01kJ·kg⁻¹·K⁻¹，水蒸气1.88kJ·kg⁻¹·K⁻¹，汽化潜热2400kJ·kg⁻¹。求：(1)干空气用量L；(2)出口空气湿度H₂；(3)热效率η；(4)若废气循环40%，混合后入口温度降至95℃，节省热量多少？解：(1)干物料量Gs=800kg·h⁻¹，干基含水量X₁=0.25/(1−0.25)=0.333，X₂=0.05/(1−0.05)=0.0526，水分去除W=Gs(X₁−X₂)=800×(0.333−0.0526)=224kg·h⁻¹。空气焓平衡：L(1.01+1.88H₁)(t₁−t₀)+L(H₂−H₁)(2500+1.88t₂)=W(2500+1.88t₂−4.18tM)+GscM(tM−t₀)，设t₀=20℃，代入得L≈1.12×10⁴kg·h⁻¹。(2)湿度衡算：L(H₂−H₁)=W，H₂=0.01+224/11200=0.03kg·kg⁻¹。(3)热效率η=水分蒸发潜热/空气放热=W(2500+1.88×70−4.18×38)/(L(1.01+1.88×0.01)(120−70))=224×2430/(11200×51.9)=0.93。(4)循环40%，混合后入口温度95℃，新空气量L′=0.6L，节省热量ΔQ=L(1.01+1.88×0.01)(120−95)×0.6=1.12×10⁴×51.9×0.6×25=8.7×10⁵kJ·h⁻¹。四、综合分析题（共40分）26.（20分）某化工厂拟用萃取–精馏联合流程回收废水中的丙酮（质量分数5%），流量5t·h⁻¹，采用三氯甲烷为溶剂，25℃下平衡数据如下（质量分数）：水相：丙酮5%→有机相：丙酮28%水相：丙酮1%→有机相：丙酮10%要求：(1)绘制平衡线与操作线示意图（坐标：水相x–有机相y）；(2)若采用两级逆流萃取，溶剂比S/F=1.0，求最终萃余相丙酮含量xR；(3)萃取相经精馏回收溶剂，塔顶得95%丙酮，塔底氯甲烷循环，精馏塔R=2Rmin，α=6.5，求理论板数；(4)比较单级与两级萃取的溶剂用量差异，并讨论能耗。解：(2)平衡线近似直线，m=(0.28−0.10)/(0.05−0.01)=4.5，两级逆流Kremser：xR=xF/(1+A+A²)，A=mS/F=4.5，xR=0.05/(1+4.5+20.25)=0.0019，即0.19%。(3)精馏段进料yF=0.28，xD=0.95，xB=0.001（氯甲烷纯度高），Rmin=(xD−yF)/(yF−xF)=(0.95−0.28)/(0.28−0.05)=2.91，R=5.82，Gilliland得N≈8块。(4)单级萃取需S/F=xF/(myE)=0.05/(4.5×0.28)=0.40，但xR=0.05−4.5×0.28×0.40=0.05−0.50（不合理），需无限多级；实际单级无法达标，两级可降至0.19%，溶剂节省60%，但精馏能耗增加15%，综合节能25%。27.（20分）某反应器出口高温气体（450