化工原理(下册)复习试题及答案

化工原理(下册)复习试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.在精馏塔设计中，若回流比R从最小回流比Rmin增加到无穷大，下列说法正确的是A.塔板数先减后增，存在最优RB.塔板数单调下降，能耗单调上升C.塔板数单调下降，能耗先降后升D.塔板数单调上升，能耗单调下降答案：B解析：当R≥Rmin时，塔板数NT随R增大而单调减少；再沸器热负荷Q∝(R+1)D，故能耗随R单调上升。不存在“最优”回流比，只有经济权衡。2.用填料塔吸收SO₂，已知气相传质单元数N_G=4.0，液相传质单元数N_L=6.0，总传质单元数N_OG最接近A.2.40 B.3.43 C.4.00 D.10.0答案：B解析：1/N_OG=1/N_G+H_OG/H_OL·1/N_L，对稀气体H_OG/H_OL≈mG/L≈0.5，代入得N_OG≈3.43。3.在二元理想溶液连续精馏中，若进料热状态q=0.6，则进料板液相分率A.0.4 B.0.6 C.0.5 D.无法确定答案：B解析：q定义为每摩尔进料变成饱和液体所需热量与摩尔汽化潜热之比，q=0.6即进料中60%为液相。4.萃取操作中，若选择性系数β=1，则A.萃取剂与原溶剂互溶度为零B.萃取剂对溶质无选择性C.分配系数k_A=1D.萃取相与萃余相组成相同答案：B解析：β=(y_A/x_A)/(y_B/x_B)，β=1表明A、B在两相中比例相同，即无选择性。5.湿空气在绝热饱和器中经历的过程为A.等焓冷却增湿 B.等温增湿 C.等湿冷却 D.等相对湿度冷却答案：A解析：绝热饱和器内水蒸发吸热由空气显热提供，空气焓值不变，温度下降、含湿量增加。6.在干燥速率曲线中，恒速阶段去除的水分为A.结合水 B.非结合水 C.自由水 D.平衡水答案：C解析：恒速阶段物料表面保持饱和，蒸发自由水；进入降速阶段后才开始去除结合水。7.对于气体膜分离，渗透系数P_A与溶解度系数S_A、扩散系数D_A的关系为A.P_A=S_A+D_A B.P_A=S_A·D_A C.P_A=S_A/D_A D.P_A=D_A/S_A答案：B解析：根据溶液-扩散模型，P_A=S_A·D_A。8.在吸附穿透曲线实验中，若床层利用率定义为∫₀^{t_b}(c₀-c)dt/(c₀t_e)，则t_e指A.穿透时间t_b B.饱和时间t_s C.平衡时间 D.空床气速倒数答案：B解析：t_e为出口浓度达到进口浓度95%的饱和时间，此时床层全部饱和。9.结晶操作中，若溶液冷却速率过快，易导致A.晶体包藏母液 B.二次成核减少 C.产品粒度大 D.介稳区宽度增大答案：A解析：快速冷却造成过饱和度骤升，大量细晶生成，晶体易包藏母液，纯度下降。10.超临界萃取中，提高压力对溶剂密度ρ与扩散系数D的影响为A.ρ↑，D↑ B.ρ↑，D↓ C.ρ↓，D↑ D.ρ↓，D↓答案：B解析：压力升高使超临界流体密度增大，溶解度提高；但分子间距减小，D下降。二、填空题（每空1分，共20分）11.精馏塔进料板下移，则精馏段塔板数________，提馏段塔板数________，x_D________，x_W________。（填“增加”“减少”或“不变”）答案：增加；减少；下降；上升解析：进料板下移相当于把原提馏段板数划给精馏段，精馏段分离能力提高，x_D下降（因塔顶产品纯度由全塔物料衡算决定，塔板数增加使x_D可更高，但题目未给重调工况，默认保持D、W不变，则x_D下降，x_W上升）。12.在填料塔中，若采用拉西环改为阶梯环，相同气液负荷下，压降ΔP将________，传质单元高度H_OG将________。答案：下降；下降解析：阶梯环开孔率高、流道曲折小，空隙率ε大，ΔP下降；润湿性能改善，传质系数k_y上升，H_OG=G/(k_ya)下降。13.萃取中，若原溶剂B与萃取剂S互溶度增大，则操作点M将________（靠近/远离）B-S边，理论级数将________。答案：远离；增加解析：互溶度增大使两相区缩小，操作线靠近临界混溶点，推动力减小，需更多理论级。14.干燥实验测得临界含水率X_c=0.18kg/kg干料，平衡含水率X_e=0.02，则恒速阶段可去除水分________kg/kg干料，降速阶段可去除水分________kg/kg干料。答案：0.16；0.16解析：自由水=X_c-X_e=0.16；降速阶段去除结合水=X_e-0=0.02，但题目问“可去除”指从初始X_c到X_e，故仍为0.16。15.气体渗透膜分离CO₂/N₂，若膜对CO₂选择性α=50，原料侧y_CO₂=0.2，渗透侧压力p_p=0.1bar，原料侧压力p_f=5bar，则渗透侧CO₂摩尔分数可达________（忽略压降，理想混合）。答案：0.952解析：y_p=αx_f/(1+(α-1)x_f)，x_f≈y_f=0.2，代入得y_p=50×0.2/(1+49×0.2)=10/10.8≈0.952。16.吸附等温线符合Langmuir方程q=q_maxbp/(1+bp)，当p→∞时，q→________；当bp≪1时，曲线呈________型。答案：q_max；线性解析：p→∞，q→q_max；bp≪1，q≈q_maxbp，为Henry定律线性段。17.在蒸发操作中，采用多效并流加料，若第一效传热温差损失Δ′=3℃，沸点升高Δ″=5℃，则第一效有效温差等于加热蒸汽温度减去________℃。答案：8解析：有效温差ΔT=T_s-(T′+Δ″+Δ′)，其中T′为二次蒸汽饱和温度，故总损失=3+5=8℃。18.结晶器生产KCl晶体，已知生长速率G=5×10⁻⁸m/s，停留时间τ=1800s，则平均粒径L_m=________μm（McCabe定律）。答案：180解析：L_m=Gτ=5×10⁻⁸×1800=9×10⁻⁵m=90μm；但McCabe定律L_m=3Gτ，故270μm。（注：McCabeΔL定律对MSMPR，L_m=3Gτ，故填270）19.超临界CO₂萃取咖啡因，若使用夹带剂乙醇，其作用是________和________。答案：提高极性溶质溶解度；破坏咖啡因与基质的氢键解析：乙醇作为极性夹带剂，可显著增加咖啡因在SC-CO₂中的溶解度，并竞争氢键位点。20.在湿空气焓湿图中，等湿球温度线近似与________线平行，因此绝热饱和过程可视为沿________线变化。答案：等焓；等湿球温度解析：理论湿球温度t_w≈绝热饱和温度t_as，故等湿球温度线≈等焓线。三、计算题（共60分）21.（12分）用常压连续精馏塔分离苯-甲苯混合液，进料F=100kmol/h，x_F=0.45，泡点进料，要求x_D=0.98，x_W=0.03，相对挥发度α=2.5，回流比R=1.3R_min。求：(1)最小回流比R_min；(2)实际回流比R；(3)精馏段操作线方程；(4)提馏段操作线方程；(5)第二块理论板（从上计）液相组成x₂（塔顶为全凝器）。解：(1)q=1，x_q=x_F=0.45，y_q=αx_q/(1+(α-1)x_q)=2.5×0.45/(1+1.5×0.45)=1.125/1.675=0.6716R_min=(x_D-y_q)/(y_q-x_q)=(0.98-0.6716)/(0.6716-0.45)=0.3084/0.2216=1.392(2)R=1.3×1.392=1.810(3)精馏段操作线：y=(R/(R+1))x+x_D/(R+1)=0.644x+0.349(4)物料衡算：D=F(x_F-x_W)/(x_D-x_W)=100(0.45-0.03)/(0.98-0.03)=42.11kmol/hW=57.89kmol/hL=RD=1.810×42.11=76.2kmol/hV=L+D=118.3kmol/h提馏段：L′=L+qF=76.2+100=176.2kmol/hV′=V-(1-q)F=118.3kmol/h操作线：y=(L′/V′)x-Wx_W/V′=1.489x-0.0147(5)y₁=x_D=0.98x₁由平衡线：x₁=y₁/(α-(α-1)y₁)=0.98/(2.5-1.5×0.98)=0.98/1.03=0.951y₂=0.644x₁+0.349=0.644×0.951+0.349=0.962x₂=0.962/(2.5-1.5×0.962)=0.962/1.057=0.910答案：(1)1.39 (2)1.81 (3)y=0.644x+0.349 (4)y=1.489x-0.0147 (5)0.91022.（10分）用清水在填料塔中逆流吸收氨，入口y₁=0.03，出口y₂=0.001，L/G=1.2(L/G)_min，平衡y=1.2x，k_ya=0.04kmol/(m³·s)，k_xa=0.02kmol/(m³·s)，塔截面积Ω=0.5m²，G=20kmol/(m²·h)。求填料层高度Z。解：G=20kmol/(m²·h)=0.00556kmol/(m²·s)(L/G)_min=(y₁-y₂)/(y₁/m-x₂)=(0.03-0.001)/(0.03/1.2-0)=0.029/0.025=1.16L/G=1.2×1.16=1.39x₁=x₂+(G/L)(y₁-y₂)=0+(1/1.39)(0.029)=0.0209Δy₁=y₁-mx₁=0.03-1.2×0.0209=0.0049Δy₂=y₂-mx₂=0.001-0=0.001Δy_lm=(0.0049-0.001)/ln(4.9)=0.00257N_OG=(y₁-y₂)/Δy_lm=0.029/0.00257=11.3H_OG=G/(k_ya)=0.00556/0.04=0.139mZ=N_OG×H_OG=11.3×0.139=1.57m答案：1.57m23.（10分）用三效并流蒸发将10%NaOH浓缩至40%，进料F=5kg/s，温度40℃，加热蒸汽压力400kPa（饱和），末效真空度80kPa（绝压20kPa），各效传热面积相等，总传热系数K₁=2.5kW/(m²·K)，K₂=2.0kW/(m²·K)，K₃=1.5kW/(m²·K)，忽略沸点升高与热损，求加热面积A与蒸汽消耗量S。解：总蒸发量W=F(1-x₀/x₃)=5(1-0.1/0.4)=3.75kg/s设三效蒸发量相等W₁=W₂=W₃=1.25kg/s则各效出料：F₁=5-1.25=3.75kg/s，x₁=0.1×5/3.75=0.133F₂=3.75-1.25=2.5kg/s，x₂=0.5/2.5=0.2F₃=2.5-1.25=1.25kg/s，x₃=0.5/1.25=0.4查蒸汽表：T_s1=143.6℃（400kPa）T₃=60.1℃（20kPa），r₃=2358kJ/kg假设等温差分配：ΔT_total=143.6-60.1=83.5℃设ΔT₁:ΔT₂:ΔT₃=1/K₁:1/K₂:1/K₃=0.4:0.5:0.667归一化：ΔT₁=18.2℃，ΔT₂=22.7℃，ΔT₃=42.6℃则T₁=143.6-18.2=125.4℃，r₁=2185kJ/kgT₂=125.4-22.7=102.7℃，r₂=2250kJ/kgQ₁=Sr₁=K₁AΔT₁→S×2185=2.5A×18.2→A=48.0SQ₂=W₁r₁=K₂AΔT₂→1.25×2185=2.0A×22.7→A=60.1m²联立得S=1.25kg/s，A=60m²验算Q₃：W₂r₂=1.25×2250=2812.5kWK₃AΔT₃=1.5×60×42.6=3834kW>2812.5，需调整重新迭代：设W₁=1.0，W₂=1.25，W₃=1.5最终收敛：S=1.30kg/s，A=58m²答案：A=58m²，S=1.30kg/s24.（8分）用转盘萃取塔处理含醋酸废水，流量水相F=80L/min，醋酸x_f=0.08，溶剂为乙酸乙酯S=40L/min，y_s=0，平衡y=0.6x，要求x_out≤0.01，求理论级数N。解：F/S=2，m=0.6，A=mF/S=1.2N=ln[(x_f-y_s/m)/(x_out-y_s/m)(1-1/A)+1/A]/lnA=ln[(0.08/0.01)(1-1/1.2)+1/1.2]/ln1.2=ln[8×0.1667+0.833]/0.182=ln(2.166)/0.182=3.53→取4级答案：4级25.（10分）流化床干燥湿物料，初始含水率X₁=0.35kg/kg干料，终了X₂=0.05，干物料流量G_s=2kg/s，空气入口t₁=120℃，H₁=0.01kg/kg，出口t₂=70℃，设干燥为理想绝热，求空气用量L与出口湿度H₂。解：绝热干燥：I₁=I₂(1.01+1.88H₁)t₁+2490H₁=(1.01+1.88H₂)t₂+2490H₂(1.01+1.88×0.01)×120+2490×0.01=(1.01+1.88H₂)×70+2490H