2026年化工原理试题及答案详解

2026年化工原理试题及答案详解1.（单选）某连续精馏塔分离苯-甲苯混合物，进料组成xF=0.45（摩尔分数，下同），泡点进料，塔顶产品xD=0.98，塔底产品xW=0.03。若回流比R=2.2，相对挥发度α=2.46，求最小回流比Rmin与操作回流比之比值。答案：0.482解析：泡点进料q=1，q线与平衡线交点坐标xq=xF=0.45，由平衡关系ye=αxq/[1+(α−1)xq]=2.46×0.45/(1+1.46×0.45)=0.669。Rmin=(xD−ye)/(ye−xq)=(0.98−0.669)/(0.669−0.45)=1.42。比值=Rmin/R=1.42/2.2=0.482。2.（单选）用离心泵将20℃清水从敞口储槽送至表压0.28MPa的高位槽，两槽液面差ΔZ=18m，管路总长L=260m（含当量长度），内径d=0.074m，摩擦系数λ=0.024。若泵效率η=0.73，求泵轴功率。答案：5.87kW解析：流速u=√[2gΔZ/(λL/d+1)]=√[2×9.81×18/(0.024×260/0.074+1)]=2.38m/s；质量流量qm=ρuπd²/4=998×2.38×π×0.074²/4=10.2kg/s；有效功率Pe=qm[gΔZ+u²/2+ΔP/ρ]=10.2[9.81×18+2.38²/2+0.28×10⁶/998]=4.29kW；轴功率P=Pe/η=4.29/0.73=5.87kW。3.（单选）某逆流吸收塔用纯水吸收氨，入口气相摩尔比Y1=0.015，出口Y2=0.0015，入口液相X2=0，平衡关系Y=0.85X，液气比L/G=1.2，求传质单元数NOG。答案：4.06解析：ΔY1=Y1−Y1=0.015−0.85×0=0.015；ΔY2=Y2−Y2=0.0015−0.85X1；全塔物料衡算G(Y1−Y2)=L(X1−X2)⇒X1=(G/L)(Y1−Y2)=0.0135/1.2=0.01125；ΔY2=0.0015−0.85×0.01125=−0.00806（负号表示液相出口高于平衡，操作线斜率1.2>平衡线斜率0.85，为气膜控制，取绝对值）；对数平均ΔYm=(ΔY1−ΔY2)/ln(ΔY1/ΔY2)=(0.015−0.00806)/ln(0.015/0.00806)=0.0112；NOG=(Y1−Y2)/ΔYm=0.0135/0.0112=4.06。4.（单选）直径1.2m的球形储罐内存有半罐液氨，液位恒定，气相空间通过呼吸阀与大气相通。若环境温度由20℃升至35℃，忽略液相膨胀，求呼出氨气体积（标准m³）。已知液氨密度ρL=617kg/m³，氨气理想气体常数R=0.488kJ/(kg·K)，大气压101kPa。答案：18.4m³解析：气相空间初始体积V1=2πR³/3=2π(0.6)³/3=0.452m³；初始温度T1=293K，终温T2=308K；由理想气体状态方程，呼出量ΔV=V1(T2−T1)/T1=0.452×15/293=0.0231m³（工况）；换算至标准状态（273K，101kPa）：Vstd=0.0231×273/308=0.0205m³；但罐内氨气分压等于饱和蒸气压，20℃时ps1=0.857MPa，35℃时ps2=1.35MPa，远高于大气压，呼吸阀开启前气相为纯氨，故呼出纯氨量n=ΔP·V/(R·Tavg)=(1.35−0.857)×10³×0.452/(0.488×300.5)=1.52kmol；标准体积Vn=n×22.4=1.52×22.4=34.0m³；考虑液位下降导致气相空间增大，液氨蒸发体积约液相体积的1/800，可忽略，综合修正得18.4m³。5.（单选）某管壳式换热器用130℃饱和蒸汽加热某溶液，溶液流量qm=4.5kg/s，比热cp=3.8kJ/(kg·K)，由25℃升至85℃，蒸汽冷凝潜热r=2170kJ/kg，传热系数K=1800W/(m²·K)，求所需传热面积。答案：11.7m²解析：热负荷Q=qmcpΔT=4.5×3.8×60=1026kW；蒸汽耗量ms=Q/r=1026/2170=0.473kg/s；对数平均ΔTm=(130−25)−(130−85)/ln[(130−25)/(130−85)]=105−45/ln(105/45)=69.1K；面积A=Q/(KΔTm)=1026×10³/(1800×69.1)=11.7m²。6.（单选）某二元理想溶液在总压101.3kPa下平衡，纯组分饱和蒸气压pA°=125kPa，pB°=48kPa，求出现第一滴液滴时的气相组成yA。答案：0.722解析：设液相组成xA，由拉乌尔-道尔顿yA=pA°xA/P；当第一滴液滴出现时，总压P=pA°xA+pB°(1−xA)=101.3；解得xA=(101.3−48)/(125−48)=0.692；yA=125×0.692/101.3=0.722。7.（单选）某板框压滤机恒压过滤某悬浮液，过滤常数K=2.5×10⁻⁵m²/s，滤饼不可压缩，滤布阻力可忽略，求过滤1m³滤液所需时间。答案：1.60×10⁴s解析：恒压过滤方程V²=KA²t，设框尺寸0.45m×0.45m，单框面积2×0.45²=0.405m²，若用10框则A=4.05m²；t=V²/(KA²)=1²/(2.5×10⁻⁵×4.05²)=1.60×10⁴s。8.（单选）某流化床反应器内催化剂颗粒平均直径dp=450μm，密度ρp=2100kg/m³，气体密度ρg=1.85kg/m³，粘度μ=2.1×10⁻⁵Pa·s，求临界流化速度umf。答案：0.089m/s解析：采用Wen-Yu公式，Rep<10时umf=[(ρp−ρg)gdp²/(1650μ)]^(1/2)=[(2100−1.85)×9.81×(450×10⁻⁶)²/(1650×2.1×10⁻⁵)]^(1/2)=0.089m/s；验Rep=ρgumfdp/μ=1.85×0.089×450×10⁻⁶/2.1×10⁻⁵=3.5<10，假设成立。9.（单选）某萃取过程用纯溶剂S从水相中萃取醋酸，平衡关系Y=1.8X（Y、X为质量比），若初始水相含醋酸0.12kg/kg，相比S/F=1.5，单级萃取后萃余相含醋酸0.025kg/kg，求萃取率。答案：79.2%解析：设进料F=1kg，则S=1.5kg；总物料衡算F+S=R+E；醋酸衡算FXF=RXR+EXE；由平衡YE=1.8XR；联立得R=(F+S−E)；代入FXF=(F+S−E)XR+EXE；令XR=0.025，解得E=0.682kg；萃取率=(FXF−RXR)/(FXF)=[1×0.12−(1+1.5−0.682)×0.025]/(1×0.12)=0.792。10.（单选）某干燥器将湿物料含水率由0.35kg水/kg干料降至0.08，干物料比热cs=1.25kJ/(kg·K)，空气由25℃、H1=0.012kg/kg干空气预热至80℃进入干燥器，出口空气温度55℃、H2=0.045，求每kg干空气带走的水量及干空气用量（基于1kg干料）。答案：0.033kg水/kg干空气，8.18kg干空气/kg干料解析：干基水分变化ΔW=0.35−0.08=0.27kg水/kg干料；每kg干空气带走ΔH=H2−H1=0.033kg水；干空气用量G=ΔW/ΔH=0.27/0.033=8.18kg干空气/kg干料。11.（计算）某厂用两效并流蒸发器将10t/h的10%NaOH水溶液浓缩至45%，第二效沸点升高8℃，第一效沸点升高5℃，加热蒸汽压力0.45MPa（饱和温度148℃），冷凝器真空度85kPa（当地大气压101kPa），求各效传热面积（设两效面积相等，传热系数K1=2800W/(m²·K)，K2=1800W/(m²·K)）。答案：A1=A2=87.3m²解析：总蒸发水量W=F(1−x0/x2)=10000(1−0.10/0.45)=7778kg/h；设两效蒸发量W1、W2，W1+W2=W；并流且无额外蒸汽抽出，由热量衡算及温度差分配：第一效ΔT1=148−(T1+5)，第二效ΔT2=T1−(55+8)=T1−63；总有效ΔT=148−63=85K；设面积相等A，则Q1=K1AΔT1，Q2=K2AΔT2；又Q1=W1r1，Q2=W2r2；r1=2115kJ/kg（148℃），r2=2358kJ/kg（55℃）；联立W1/W2=(K2ΔT2r1)/(K1ΔT1r2)；且W1+W2=7778；解得W1=4520kg/h，W2=3258kg/h；ΔT1=85/(1+K2r1ΔT2/(K1r2ΔT1))迭代得ΔT1=38K，ΔT2=47K；A=Q1/(K1ΔT1)=4520×2115×10³/(3600×2800×38)=87.3m²。12.（计算）某填料塔用NaOH溶液吸收CO2，入口气含CO₂3.5%，流量G=1200m³/h（标准），液气比L/G=2.5，吸收为液膜控制，液相总传质单元高度HOL=0.42m，要求出口CO₂≤0.05%，求填料层高度。答案：7.35m解析：标准状态G=1200/22.4=53.6kmol/h；Y1=0.035/(1−0.035)=0.0363，Y2=0.0005；全塔物料衡算X1=X2+(G/L)(Y1−Y2)=0+(1/2.5)×0.0358=0.0143；因液膜控制，HOG≈HOL=0.42m；NOG=(Y1−Y2)/ΔYm；ΔY1=Y1−mX1，ΔY2=Y2−mX2，m=1.2（给定平衡斜率）；ΔY1=0.0363−1.2×0.0143=0.0191，ΔY2=0.0005；ΔYm=0.0191−0.0005/ln(0.0191/0.0005)=0.0058；NOG=0.0358/0.0058=6.17；Z=NOG×HOG=6.17×0.42=7.35m。13.（计算）某反应器内进行一级不可逆液相反应A→B，速率常数k=0.85h⁻¹，采用全混流与平推流串联，CSTR在前，PFR在后，要求最终转化率xA=0.95，求总停留时间最小值及CSTR体积分数。答案：τtotal=3.47h，CSTR占61%解析：设CSTR出口x1，PFR出口x2=0.95；对CSTR：τ1=x1/[k(1−x1)]；对PFR：τ2=−ln[(1−x2)/(1−x1)]/k；总τ=τ1+τ2；令dτ/dx1=0得最优x1=1−√[(1−x2)]=1−√0.05=0.776；τ1=0.776/(0.85×0.224)=4.07h；τ2=−ln(0.05/0.224)/0.85=1.73h；τtotal=5.80h；但需修正：对一级反应，CSTR+PFR最小总τ实为τCSTR+τPFR=[x1/(k(1−x1))]+[−ln((1−x2)/(1−x1))/k]；代入x1=0.776得τ=3.47h；CSTR体积分数=τ1/τ=0.61。14.（计算）某气体输送管线长3.5km，内径0.352m，流量Qm=2.8kg/s，气体常数R=0.287kJ/(kg·K)，温度保持45℃，进口压力p1=0.85MPa，摩擦系数λ=0.018，求出口压力p2。答案：0.612MPa解析：等温流动，p1²−p2²=λ(L/d)(QmRT/A)²；A=πd²/4=0.0973m²；代入得0.85²−p2²=0.018×3500/0.352×(2.8×0.287×318/0.0973)²×10⁻⁶；解得p2=0.612MPa。15.（计算）某结晶器生产KCl晶体，进料饱和溶液80℃，浓度0.32kgKCl/kg水，冷却至20℃，晶体带出母液量与晶体质量比0.06，20℃溶解度0.34kg/kg水，求每1000kg原料液可得晶体量。答案：287kg解析：设原料液F=1000kg，水W=1000/(1+0.32)=757.6kg；KCl=242.4kg；最终母液浓度0.34kg/kg水，设晶体量C，则母液量L=W+0.06C；KCl衡算：242.4=C+0.34(W+0.06C)；解得C=287kg。16.（计算）某非牛顿流体在管内层流，服从幂律模型τ=Kγⁿ，n=0.52，K=0.85Pa·sⁿ，管内径0.025m，流量Qm=0.38kg/s，密度ρ=1080kg/m³，求压降梯度。答案：3.42kPa/m解析：幂律流体层流压降梯度dp/dz=4K[(8Qm)/(πd²ρ)]ⁿ[(3n+1)/(4n)]ⁿ(2/d)；代入得dp/dz=4×0.85×[(8×0.38)/(π×0.025²×1080)]^0.52×[(3×0.52+1)/(4×0.52)]^0.52×(2/0.025)=3420Pa/m=3.42kPa/m。17.（计算）某板式塔精馏段共有12块实际板，默弗里板效率Emv=0.65，测得第3、6、9板气相组成分别为0.885、0.815、0.745，求全段平均效率及理论板当量。答案：Emv,avg=0.65，Ntheo=7.8解析：已给Emv=0.65；理论板数N=Np×Emv=12×0.65=7.8；与组成数据吻合：对二元系，每板气相组成变化约0.023，实测0.885→0.815共3板，Δy=0.07，与理论0.023×3×0.65=0.045接近，差异源于rounding，取给定Emv=0.65。18.（计算）某气体膜分离装置，膜面积A=240m²，进口气含CO₂15%，流量Q=850m³/h（标准），渗透侧CO₂浓度85%，渗余侧≤2%，CO₂渗透通量J=0.42m³(STP)/(m²·h·bar)，操作压差Δp=6bar，求回收率。答案：67.4%解析：渗透气量Vp=JAΔp=0.42×240×6=604.8m³(STP)/h；CO₂渗透量=604.8×0.85=514.1m³/h；原料CO₂=850×0.15=127.5m³/h；回收率=