化工类专业实践综合试题及参考答案

化工类专业实践综合试题及参考答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在精馏塔设计中，若进料为饱和液体，则进料板的气相组成与液相组成的关系为：A.气相组成大于液相组成B.气相组成等于液相组成C.气相组成小于液相组成D.无法确定【答案】A【解析】饱和液体进料时，进料板的气相组成由平衡关系决定，根据相对挥发度定义，轻组分在气相中富集，故气相组成大于液相组成。2.某反应器内进行一级不可逆反应A→B，若反应速率常数k=0.2min⁻¹，初始浓度CA0=2mol/L，求反应进行10min后A的浓度。A.0.27mol/LB.0.37mol/LC.0.50mol/LD.0.73mol/L【答案】A【解析】一级反应积分式：CA=CA0·e^(−kt)=2·e^(−0.2×10)=2·e^(−2)=2×0.135=0.27mol/L。3.在传热过程中，若管壁热阻可忽略，管内对流给热系数hi=1000W/(m²·K)，管外ho=500W/(m²·K)，则总传热系数K最接近：A.333W/(m²·K)B.500W/(m²·K)C.667W/(m²·K)D.1000W/(m²·K)【答案】A【解析】1/K=1/hi+1/ho=1/1000+1/500=0.001+0.002=0.003，K=1/0.003≈333W/(m²·K)。4.某离心泵在额定流量下扬程为30m，若改用密度为1200kg/m³的液体，则扬程将：A.增加20%B.不变C.减少20%D.无法判断【答案】B【解析】离心泵扬程与密度无关，仅与叶轮几何、转速及流量有关，故不变。5.在吸收塔设计中，若操作线斜率大于平衡线斜率，则该过程：A.发生液泛B.发生夹带C.推动力为负D.推动力为正【答案】D【解析】操作线斜率大于平衡线斜率，说明液相浓度变化快于平衡浓度，推动力(C*−C)为正，吸收可行。6.某二元理想混合物相对挥发度α=2.5，若塔顶产品xD=0.95，则最小回流比Rmin为：A.0.5B.0.8C.1.0D.1.25【答案】C【解析】Rmin=(xD/y−xD)/(xD−xF)，设xF=0.5，y=αxF/[1+(α−1)xF]=2.5×0.5/(1+1.5×0.5)=1.25/1.75=0.714，Rmin=(0.95/0.714−0.95)/(0.95−0.5)=0.38/0.45≈0.84，最接近1.0。7.在管壳式换热器中，若冷流体走管程且温升较大，则设计时应优先采用：A.并流B.逆流C.错流D.折流【答案】B【解析】逆流可获得最大平均温差，传热效率最高。8.某反应器体积为2m³，进料流量1m³/h，则空间时间τ为：A.0.5hB.1hC.2hD.4h【答案】C【解析】τ=V/v0=2/1=2h。9.在萃取操作中，若分配系数K=3，相比R=1，则单级萃取后溶质在萃余相中的回收率为：A.25%B.33%C.50%D.75%【答案】A【解析】设初始质量1，萃取相E=1，萃余相R=1，平衡时E·y=R·x，K=y/x=3，y=3x，物料衡算：1·1=1·y+1·x=3x+x=4x，x=0.25，回收率=1−0.25=75%，但题问“萃余相回收率”，即留在萃余相的分数，为25%。10.在干燥过程中，若物料临界含水量Xc=0.15kg水/kg干料，平衡含水量Xe=0.02，则降速干燥阶段开始于：A.X=0.02B.X=0.15C.X=0.17D.X=0.00【答案】B【解析】临界含水量是恒速段与降速段分界点，X=Xc时进入降速阶段。二、判断题（每题1分，共10分）11.在精馏塔中，全回流时理论板数最少。【答案】√【解析】全回流时操作线与对角线重合，推动力最大，所需板数最少。12.离心泵的NPSH越大，越容易发生汽蚀。【答案】×【解析】NPSH为泵入口必需汽蚀余量，NPSH越大，泵抗汽蚀能力越强。13.对于放热反应，提高温度总是使转化率下降。【答案】×【解析】可逆放热反应存在最佳温度，过低速率慢，过高平衡左移，需综合动力学与热力学。14.在过滤操作中，恒压过滤后期滤液流量逐渐减小。【答案】√【解析】滤饼厚度增加，阻力增大，流量下降。15.对于理想气体，压缩因子Z恒等于1。【答案】√【解析】理想气体状态方程PV=nRT，Z=PV/nRT=1。16.在萃取中，选择性系数β越大，分离越难。【答案】×【解析】β越大，分离越易。17.管壳式换热器加装折流板可提高壳程给热系数。【答案】√【解析】折流板增加湍动，提高ho。18.反应器停留时间分布越窄，越接近平推流。【答案】√【解析】平推流无返混，停留时间一致。19.在干燥中，提高空气温度可降低相对湿度，加快干燥速率。【答案】√【解析】温度升高，饱和蒸汽压升高，相对湿度降低，推动力增大。20.对于二元精馏，最小回流比与进料热状况无关。【答案】×【解析】q值影响进料板组成，进而影响Rmin。三、计算题（共70分）21.（12分）某一级不可逆液相反应A→B在CSTR中进行，已知k=0.15min⁻¹，CA0=2mol/L，要求转化率xA=0.9，求所需空间时间τ与反应器有效体积V（进料流量v0=0.5m³/h）。【解答】CSTR设计方程：τ=(CA0−CA)/(−rA)=CA0xA/(kCA0(1−xA))=xA/[k(1−xA)]=0.9/(0.15×0.1)=60min=1hV=τ·v0=1h×0.5m³/h=0.5m³【答案】τ=1h，V=0.5m³22.（12分）某精馏塔分离苯-甲苯混合物，进料F=100kmol/h，xF=0.45，泡点进料，要求xD=0.95，xB=0.05，相对挥发度α=2.5，R=1.5Rmin，求理论板数（用简化的Fenske-Underwood-Gilliland法）。【解答】1.求全回流最小板数NmNm=ln[(xD/(1−xD))·((1−xB)/xB)]/lnα=ln[(0.95/0.05)·(0.95/0.05)]/ln2.5=ln(19×19)/0.916=ln361/0.916=5.89/0.916≈6.43→7块2.求Rminq=1，xF=0.45，y*=αxF/[1+(α−1)xF]=2.5×0.45/(1+1.5×0.45)=1.125/1.675=0.672Rmin=(xD−y)/(y−xF)=(0.95−0.672)/(0.672−0.45)=0.278/0.222≈1.253.实际R=1.5×1.25=1.8754.Gilliland关联：X=(R−Rmin)/(R+1)=(1.875−1.25)/2.875=0.217Y=0.545827−0.591422X+0.002743/X=0.5458−0.1284+0.0126≈0.43N=(Nm+Y)/(1−Y)=(7+0.43)/0.57≈13.0→14块（含釜）【答案】理论板数约14块（含再沸器）23.（12分）某逆流套管换热器，内管Φ25×2mm，长3m，冷水走管程，流量0.6kg/s，入口20℃，出口40℃；热油走壳程，流量0.8kg/s，cp=2.1kJ/(kg·K)，入口100℃，出口60℃。已知hi=3000W/(m²·K)，ho=400W/(m²·K)，管壁λ=16W/(m·K)，忽略污垢，求总传热系数K与所需管长是否足够。【解答】1.热负荷QQ=m水cp水ΔT=0.6×4180×(40−20)=50.16kW2.油侧验证Q=m油cp油ΔT=0.8×2100×(100−60)=67.2kW>50.16kW，矛盾，说明油出口温度需重新计算由Q=50.16kW，得油出口Tout=100−50.16/(0.8×2.1)=100−29.9=70.1℃3.对数平均温差ΔTmΔT1=100−40=60，ΔT2=70.1−20=50.1ΔTm=(60−50.1)/ln(60/50.1)=9.9/0.182≈54.4℃4.总传热系数K1/K=1/hi+δ/λ+1/ho=1/3000+0.002/16+1/400=0.000333+0.000125+0.0025=0.002958K=338W/(m²·K)5.需面积AA=Q/(KΔTm)=50160/(338×54.4)=2.73m²6.现有面积内径d=21mm，A=πdL=π×0.021×3=0.198m²≪2.73m²，不足【答案】K=338W/(m²·K)，现有管长不足，需延长至约14m24.（12分）某板框过滤机恒压过滤某悬浮液，实验测得过滤常数K=2×10⁻⁴m²/s，qe=0.01m³/m²，滤饼不可压缩，滤布阻力相当，求过滤1h后每m²过滤面积的滤液量V，并求若用0.5m³水洗涤，洗涤时间tw（洗涤水粘度与滤液相同，压力相同）。【解答】1.恒压方程：V²+2qeV=KA²τ，令A=1m²V²+2×0.01V=2×10⁻⁴×3600=0.72V²+0.02V−0.72=0V=[−0.02+√(0.0004+2.88)]/2=√2.8804−0.02/2=1.697/2=0.848m³/m²2.洗涤速率终了速率(dV/dτ)e=KA²/[2(V+qeA)]=2×10⁻⁴×1/[2(0.848+0.01)]=1.17×10⁻⁴m³/(m²·s)洗涤速率=(dV/dτ)e/4=2.92×10⁻⁵m³/(m²·s)tw=0.5/2.92×10⁻⁵=17120s≈4.76h【答案】V=0.848m³/m²，tw≈4.76h25.（10分）某填料塔用清水逆流吸收氨-空气混合物中的氨，入口y1=0.03，出口y2=0.001，入口x2=0，平衡关系y=1.2x，求最小液气比(L/G)min，若实际L/G=1.5(L/G)min，求出口液相浓度x1及传质单元数NOG（用对数平均推动力法）。【解答】1.(L/G)min=(y1−y2)/(x1−x2)，x1=y1/1.2=0.025(L/G)min=(0.03−0.001)/0.025=1.162.实际L/G=1.5×1.16=1.74物料衡算：G(y1−y2)=L(x1−x2)x1=x2+G(y1−y2)/L=0+(0.029)/1.74=0.01673.推动力Δy1=y1−y1*=0.03−1.2×0.0167=0.03−0.0200=0.0100Δy2=y2−y2*=0.001−0=0.001Δym=(0.0100−0.001)/ln(0.0100/0.001)=0.009/ln10=0.00391NOG=(y1−y2)/Δym=0.029/0.00391=7.42【答案】(L/G)min=1.16，x1=0.0167，NOG=7.426.（12分）某绝热固定床反应器进行气相放热反应，入口温度T0=350℃，转化率xA=0.6时，实测温度T=420℃，已知反应热ΔHR=−120kJ/mol，反应物比热容cp=1.8kJ/(kg·K)，分子量M=30kg/kmol，求绝热温升Λ及若出口温度不超450℃，求最大允许转化率。【解答】1.绝热温升Λ=−ΔHR/(cp·M)=120/(1.8×30)=2.22K·kmol/kg=2220K·kmol/kg换算为每摩尔：Λ=120/0.0018=66.7K（每摩尔反应物）2.实测ΔT=70℃，对应x=0.6，则Λ=ΔT/x=70/0.6=116.7℃与上式差异因cp取平均，修正：Λ=120/(1.8×0.03)=2222K·kmol/kg→每kmol反应物温升2222K，每摩尔2.22K实测70℃/0.6=116.7K，说明cp随温度变化，取平均1.8kJ/(kg·K)合理3.限制T≤450℃，ΔT≤100℃xmax=ΔT/Λ=100/116.7=0.856【答案】绝热温升约117K，最大允许转化率85.6%四、综合设计题（共30分）27.（30分）某化工厂需设计一套年产5万吨苯乙烯的脱氢装置，原料为乙苯，反应式：C₈H₁₀⇌C₈H₈+H₂，ΔH=+124kJ/mol，为强吸热可逆反应，常采用多段绝热固定床+段间加热方式。已知：进料乙苯纯度98%，水蒸气与乙苯摩尔比10:1（惰性稀释）反应温度580–640℃，压力0.12MPa（绝）催化剂为Fe-K系，单程转化率45%，选择性92%年操作8000h，产物经冷凝、油水分离、精馏得99.8%苯乙烯任务：（1）计算每小时乙苯进料量（kg/h）；（2）若反应器出口气量12000kmol/h，求苯乙烯摩尔分数；（3）为控制温降不超过30℃/段，求至少需几段绝热床；（4）简述后续精馏分离顺序及关键塔设计要点；（5）从节能角度提出两条优化措施。【解答】1.苯乙烯产量：50000t/a=50000×1000/8000=6250kg/h=6250/104=60.1kmo