化工基础考试题及答案

化工基础考试题及答案1.（单选）在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液，进料量为100kmol·h⁻¹，苯摩尔分数0.40，泡点进料。塔顶产品苯摩尔分数0.97，塔釜苯摩尔分数0.03。若回流比取最小回流比的1.35倍，求塔顶冷凝器热负荷（kW）。已知苯汽化潜热r=393kJ·kg⁻¹，甲苯r=363kJ·kg⁻¹，塔顶温度82℃，苯、甲苯摩尔质量78、92g·mol⁻¹。答案：2.18×10⁴kW解析：①全塔物料衡算：F=D+W，FxF=DxD+WxW，解得D=38.3kmol·h⁻¹，W=61.7kmol·h⁻¹。②q线方程：xF=0.40，泡点进料q=1，q线垂直x=0.40。③平衡线：苯-甲苯相对挥发度α=2.46，y=αx/[1+(α-1)x]。④最小回流比：Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)=1.19，R=1.35×1.19=1.61。⑤塔顶蒸气量：V=(R+1)D=2.61×38.3=100kmol·h⁻¹。⑥塔顶蒸气平均摩尔质量：yD=0.97，M=0.97×78+0.03×92=78.4g·mol⁻¹。⑦平均汽化潜热：r=0.97×393+0.03×363=392kJ·kg⁻¹。⑧热负荷：Q=V·M·r/3600=100×78.4×392/3600=2.18×10⁴kW。2.（单选）某二级不可逆反应A→P，速率方程−rA=kcA²，在等温间歇反应器中反应至转化率0.90需30min。若改用等温PFR，空时τ=30min，求出口转化率。答案：0.90解析：间歇反应器积分式：t=1/k(1/cA0−1/cA)，得k=1/cA0·t·(1/(1−X)−1)=1/cA0·30·(1/0.1−1)=0.3/cA0。PFR设计方程：τ=cA0∫₀ˣdX/(−rA)=cA0∫₀ˣdX/(kcA0²(1−X)²)=1/(kcA0)·X/(1−X)，代入k得τ=1/(0.3/cA0)·cA0·X/(1−X)=3.33X/(1−X)=30min，解得X=0.90。两者一致，因反应级数相同且空时等于间歇时间。3.（单选）用冷却水将150℃的某有机蒸气冷凝并过冷至40℃，蒸气流量2.5t·h⁻¹，汽化潜热400kJ·kg⁻¹，比热容2.1kJ·kg⁻¹·K⁻¹。冷却水入口20℃，出口30℃，求所需冷却水量（t·h⁻¹）。答案：37.5解析：热负荷分两段：①冷凝段Q1=m·r=2500×400=1.0×10⁶kJ·h⁻¹；②过冷段Q2=m·cp·ΔT=2500×2.1×(150−40)=5.78×10⁵kJ·h⁻¹；总Q=1.578×10⁶kJ·h⁻¹。冷却水Δt=10℃，cp=4.18kJ·kg⁻¹·K⁻¹，m水=Q/(cp·Δt)=1.578×10⁶/(4.18×10)=3.75×10⁴kg·h⁻¹=37.5t·h⁻¹。4.（单选）某气体混合物含CO₂30%（体积），用30℃纯水逆流吸收，塔底出口液相CO₂摩尔分数0.005。已知亨利常数E=1.88×10⁵kPa，总压120kPa，求液相最大可能浓度（摩尔分数）。答案：0.0064解析：平衡关系p=Ex，气相CO₂分压p=0.30×120=36kPa，最大液相浓度x*=p/E=36/(1.88×10⁵)=1.91×10⁻⁴，但题目问“最大可能浓度”指与入口气相平衡，故xmax=0.30×120/(1.88×10⁵)=0.0064。5.（单选）某离心泵输水，额定流量50m³·h⁻¹，扬程30m，效率72%。若改用输送密度850kg·m⁻³油品，流量不变，扬程降为28m，求轴功率（kW）。答案：4.55解析：泵理论扬程与密度无关，但管路阻力与密度无关，实际扬程下降因粘度影响。题目给出新扬程28m，直接计算：P=ρgQH/η=850×9.81×(50/3600)×28/0.72=4.55kW。6.（单选）在BET法测催化剂比表面积实验中，N₂分子截面积0.162nm²，某样品在p/p₀=0.20时吸附量2.5cm³(STP)·g⁻¹，单层饱和吸附量Vm=3.8cm³(STP)·g⁻¹，求比表面积（m²·g⁻¹）。答案：16.7解析：BET公式：S=Vm·N₀·σ/(22400·w)，其中N₀=6.022×10²³，σ=0.162×10⁻¹⁸m²，w=1g，代入得S=3.8×6.022×10²³×0.162×10⁻¹⁸/(22400×1)=16.7m²·g⁻¹。7.（单选）某管壳式换热器用饱和蒸汽加热空气，空气走管程，流量1.2kg·s⁻¹，比热容1.0kJ·kg⁻¹·K⁻¹，进口20℃，要求出口80℃。蒸汽冷凝温度120℃，总传热系数80W·m⁻²·K⁻¹，求所需换热面积（m²）。答案：18.0解析：ΔTlm=(120−20−(120−80))/ln[(120−20)/(120−80)]=65.5℃，Q=m·cp·ΔT=1.2×1000×60=72kW，A=Q/(K·ΔTlm)=72000/(80×65.5)=18.0m²。8.（单选）某反应器内进行气相反应A⇌B，Kp=0.25，原料含A50%、惰性气50%，总压200kPa，求平衡转化率。答案：0.50解析：设转化率为X，A分压pA=(0.5−0.5X)·200/(1−0.5X+0.5X+0.5)=100(1−X)/(1.5−0.5X)，B分压pB=100X/(1.5−0.5X)，Kp=pB/pA=0.25，解得X=0.50。9.（单选）某液体在圆管内湍流流动，管径25mm，流速1.5m·s⁻¹，密度800kg·m⁻³，粘度0.5mPa·s，求单位管长压降（kPa·m⁻¹）。答案：2.88解析：Re=ρud/μ=800×1.5×0.025/0.0005=6.0×10⁴，湍流，Blasius公式λ=0.3164/Re^0.25=0.020，Δp/L=λ·ρ·u²/(2d)=0.020×800×1.5²/(2×0.025)=2.88kPa·m⁻¹。10.（单选）某萃取过程用纯溶剂S从水相中萃取醋酸，分配系数K=2.5（质量比），水相流量100kg·h⁻¹，醋酸质量分数0.15，要求萃余相醋酸≤0.02，求最小溶剂用量（kg·h⁻¹）。答案：280解析：最小溶剂对应平衡级数无限，设萃取相醋酸质量比Y，萃余相X₂=0.02/(1−0.02)=0.0204，原料X₁=0.15/(1−0.15)=0.176，平衡Y=KX₂=2.5×0.0204=0.051，物料衡算：Smin(Y−0)=F(X₁−X₂)，Smin=100×(0.176−0.0204)/0.051=280kg·h⁻¹。11.（计算）某工厂拟用填料塔吸收尾气中NH₃，气量1800m³·h⁻¹（标准状态），NH₃体积分数1.5%，要求吸收率≥98%，吸收剂为清水，温度25℃，亨利常数E=0.76kPa·m³·mol⁻¹，操作液气比为最小液气比的1.4倍，填料比表面积210m²·m⁻³，体积总传质系数KGa=0.85kmol·m⁻³·h⁻¹·kPa⁻¹，求所需填料高度（m）。答案：6.42解析：①入口y₁=0.015，出口y₂=0.015×(1−0.98)=0.0003，G=1800/22.4=80.4kmol·h⁻¹，G′=G(1−y₁)=79.2kmol·h⁻¹。②最小液气比：(L/G)min=(y₁−y₂)/(y₁/E−0)=E(1−y₂/y₁)=0.76×(1−0.0003/0.015)=0.745kmol·m⁻³，L/G=1.4×0.745=1.043，L=1.043×79.2=82.6kmol·h⁻¹。③操作线：y=y₂+(L/G)(x−x₂)，x₂=0，x₁=(y₁−y₂)/(L/G)=0.0141。④传质单元数：NOG=∫y₂^y₁dy/(y−y)，y=Ex，代入操作线得y=E(y−y₂)/(L/G)，积分得NOG=ln[(y₁−y₂)/(y₂−y₂)]/(1−E/(L/G))，y₂=0，y₁*=0.76×0.0141=0.0107，NOG=ln[(0.015−0.0107)/0.0003]/(1−0.76/1.043)=6.42。⑤传质单元高度：HOG=G′/(KGa·P)=79.2/(0.85×101.3)=0.92m，Z=HOG·NOG=0.92×6.42=6.42m。12.（计算）某均相催化反应A+B→P，实验测得速率方程r=kCACB，k=0.75m³·kmol⁻¹·min⁻¹，进料CA0=CB0=1.5kmol·m⁻³，要求在CSTR中达到转化率0.85，求所需空时τ（min）。答案：7.56解析：CSTR设计方程：τ=X/(kCA0(1−X)²)=0.85/(0.75×1.5×(1−0.85)²)=7.56min。13.（计算）某悬浮液用板框压滤机恒压过滤，滤饼不可压缩，过滤常数K=2.5×10⁻⁴m²·s⁻¹，滤布阻力可忽略，滤框容积0.80m³，滤饼体积分数0.25，求充满滤框所需时间（min）。答案：21.3解析：恒压过滤V²=KA²t，滤框充满时滤饼体积0.80m³，滤液体积V=0.80/0.25=3.2m³，过滤面积A=2×框面积，设框尺寸0.5×0.5m，n框，则A=2×0.5×0.5×n=0.5n，滤框厚度0.05m，总容积0.5×0.5×0.05×n=0.80，n=64，A=32m²，t=V²/(KA²)=3.2²/(2.5×10⁻⁴×32²)=1280s=21.3min。14.（计算）某二元理想溶液在常压下闪蒸，进料100kmol·h⁻¹，苯摩尔分数0.50，闪蒸温度95℃，已知95℃下苯饱和蒸压pA°=157.1kPa，甲苯pB°=63.3kPa，求气相分率及两相组成。答案：气相分率0.412，y=0.685，x=0.348解析：设液相分率L，气相V=1−L，平衡关系yA=αxA/[1+(α−1)xA]，α=pA°/pB°=2.48，总压P=101.3kPa，xA=yA·P/pA°，联立物料衡算FzF=LxA+VyA，解得L=0.588，V=0.412，xA=0.348，yA=0.685。15.（计算）某气体输送管路长2.5km，内径150mm，流量0.8m³·s⁻¹，密度1.2kg·m⁻³，粘度1.8×10⁻⁵Pa·s，管壁粗糙度0.05mm，求风机需提供压头（kPa）。答案：4.12解析：u=Q/A=0.8/(π×0.075²)=45.3m·s⁻¹，Re=ρud/μ=1.2×45.3×0.15/1.8×10⁻⁵=4.54×10⁵，Colebrook公式迭代得λ=0.017，Δp=λ·L/d·ρu²/2=0.017×2500/0.15×1.2×45.3²/2=4.12kPa。16.（计算）某干燥器将湿物料从含水率0.40降至0.05（干基），处理量500kg湿料·h⁻¹，空气入口湿度0.01kg·kg⁻¹干空气，出口0.03，求干空气用量（kg·h⁻¹）。答案：6125解析：干物料量Gs=500/(1+0.40)=357kg干料·h⁻¹，干基水分：X₁=0.40，X₂=0.05，水分蒸发W=Gs(X₁−X₂)=357×0.35=125kg·h⁻¹，空气用量L=W/(H₂−H₁)=125/(0.03−0.01)=6125kg干空气·h⁻¹。17.（计算）某反应器内进行零级反应A→P，k=0.25kmol·m⁻³·h⁻¹，进料浓度2.0kmol·m⁻³，流量5m³·h⁻¹，求CSTR与PFR串联（CSTR在前）使出口浓度降至0.20kmol·m⁻³所需总体积（m³）。答案：36.0解析：零级反应速率与浓度无关，CSTR：τ₁=(CA0−CA1)/k，PFR：τ₂=(CA1−CA2)/k，总τ=(CA0−CA2)/k=(2.0−0.2)/0.25=7.2h，体积V=τ·Q=7.2×5=36m³。18.（计算）某结晶器生产硫酸铵晶体，产量1.2t·h⁻¹，母液出口浓度0.45kg盐·kg水，原料液浓度0.25，求需蒸发水量（kg·h⁻¹）。答案：1333解析：设蒸发水量W，原料液F，盐衡算：F×0.25=1200+(F−W)×0.45，水衡算：F(1−0.25)=W+(F−W)(1−0.45)，解得W=1333kg·h⁻¹。19.（计算）某气体膜分离装置，CO₂/N₂选择性α=35，原料CO₂体积分数20%，渗透侧压力10kPa，原料侧800kPa，求渗透气CO₂浓度（体积分数）。答案：0.895解析：膜分离理想级联模型，y=αx/(1+(α−1)x)，x=0.20，y=35×0.20/(1+34×0.20)=0.895。20.（计算）某电渗析器脱盐，膜对数200，单对面积0.