2025年化工生产技术练习题与答案

2025年化工生产技术练习题与答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种反应器更适合强放热且要求温度严格控制的液相反应？A.间歇釜式反应器B.连续釜式反应器（CSTR）C.固定床反应器D.流化床反应器2.某精馏塔操作中，若进料状态由饱和液体变为冷液体（q>1），其他条件不变时，塔顶产品纯度将：A.升高B.降低C.不变D.先升后降3.工业合成氨反应（N₂+3H₂⇌2NH₃，ΔH=92.4kJ/mol）中，为提高平衡转化率，应采取的措施是：A.升高温度B.降低压力C.使用高效催化剂D.及时移走产物NH₃4.吸收操作中，若吸收剂用量L增大（其他条件不变），则吸收推动力（yye）将：A.增大B.减小C.不变D.先增后减5.以下不属于流化床反应器特点的是：A.床层温度均匀B.固体颗粒易磨损C.适合催化剂失活快的反应D.返混程度小6.某换热器中，热流体由120℃降至80℃，冷流体由30℃升至60℃，逆流时的对数平均温差（Δtm）为：A.50℃B.60℃C.70℃D.80℃7.干燥过程中，当物料表面全部润湿时，处于：A.预热阶段B.恒速干燥阶段C.降速干燥阶段D.平衡阶段8.催化裂化工艺中，主要目的产物是：A.柴油B.汽油C.煤油D.沥青9.以下关于化工生产安全的描述，错误的是：A.甲类车间需设置防爆电气设备B.氢气管道应采用不锈钢材质防腐蚀C.可燃气体报警器的检测点应靠近泄漏源下方D.紧急停车系统（ESD）需独立于DCS控制10.反渗透膜分离的驱动力是：A.压力差B.浓度差C.电位差D.温度差二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.影响化学反应速率的主要因素包括：A.反应物浓度B.反应温度C.催化剂D.反应器体积2.精馏塔操作中，若塔顶产品量D增加（F、x_F、R不变），可能导致：A.塔顶x_D降低B.塔底x_W升高C.精馏段液气比L/V增大D.提馏段液气比L’/V’减小3.工业上选择吸收剂时，需考虑的主要性质有：A.对溶质的溶解度大B.挥发性小C.腐蚀性强D.再生能耗低4.以下属于化工单元操作的是：A.结晶B.催化加氢C.过滤D.萃取5.关于化工生产中“三废”处理的描述，正确的是：A.酸性废水可通过中和法处理B.有机废气可采用催化燃烧法C.含重金属的废渣需填埋处理D.高浓度氨氮废水可采用吹脱法三、填空题（每空1分，共20分）1.工业合成氨的催化剂主要成分为________（主催化剂），常用________（助催化剂）提高活性。2.精馏操作中，最小回流比R_min是指________时的回流比，此时理论板数________。3.固定床反应器的主要缺点是________和________（任写两点）。4.吸收过程的推动力可用气相分压差（pp）或液相浓度差（cc）表示，其传质速率方程为________（气相总传质）。5.流化床反应器中，当流体流速达到________时，固体颗粒开始流化；流速超过________时，颗粒被带出床层。6.干燥速率曲线中，恒速阶段的干燥速率由________控制，降速阶段由________控制。7.列管式换热器中，为提高壳程流体流速，常设置________；为减少温差应力，可采用________结构（如浮头式）。8.化工生产中，“三烯”通常指乙烯、________和________，是石油化工的基础原料。9.催化反应的关键步骤包括反应物扩散、________、表面反应、________和产物脱附。10.化工工艺设计的核心内容是________和________（任写两点）。四、简答题（每题6分，共30分）1.简述固定床反应器与流化床反应器的适用场景差异。2.分析精馏塔操作中，回流比R对分离效果和能耗的影响。3.说明工业上选择催化剂时需考虑的主要性能指标。4.画出并标注干燥速率曲线的典型阶段，简述各阶段的特点。5.解释“等温反应器”与“绝热反应器”的区别，并举例说明其应用场景。五、计算题（共25分）1.（10分）某一级不可逆液相反应A→B，在间歇釜式反应器中进行。已知反应速率常数k=0.05min⁻¹，初始浓度c_A0=2mol/L，要求转化率x_A=80%，求反应时间t（假设辅助时间t’=10min，计算总操作时间T）。2.（15分）某列管换热器用120℃的饱和水蒸气加热某液体（无相变），液体流量为5000kg/h，比热容c_p=4.2kJ/(kg·℃)，入口温度t1=20℃，出口温度t2=80℃。已知换热器总传热系数K=500W/(m²·℃)，忽略热损失，求：（1）加热蒸汽的放热量Q（单位：kW）；（2）对数平均温差Δtm（逆流，蒸汽冷凝后为饱和水，出口温度仍为120℃）；（3）所需换热器的换热面积A（单位：m²）。六、综合分析题（共30分）某化肥厂采用传统合成氨工艺（流程：造气→脱硫→变换→脱碳→压缩→合成），近期发现合成塔出口氨含量（体积分数）由15%降至12%，且催化剂床层热点温度（最高温度点）上移（向入口方向移动）。结合合成氨反应特性（放热、体积缩小）和催化剂性能，分析可能原因及改进措施。答案及解析一、单项选择题1.B（连续釜式反应器可通过连续进料出料及时移热，适合强放热反应控温）2.A（q增大，进料热状态更“冷”，提馏段液量增加，分离能力提升，塔顶纯度升高）3.D（移走产物可使平衡正向移动；升高温度虽加快速率但降低平衡转化率；催化剂不影响平衡）4.A（L增大，吸收剂用量增加，液相平衡浓度ye降低，推动力yye增大）5.D（流化床返混严重，固定床返混小）6.A（逆流Δt1=12060=60℃，Δt2=8030=50℃，Δtm=(6050)/ln(60/50)≈50℃）7.B（恒速阶段物料表面润湿，干燥速率由表面汽化控制）8.B（催化裂化主要生产高辛烷值汽油）9.C（氢气密度小，泄漏后向上扩散，检测点应设在泄漏源上方）10.A（反渗透通过压力差驱动溶剂透过半透膜）二、多项选择题1.ABC（反应器体积不直接影响速率，浓度、温度、催化剂是关键因素）2.ABD（D增加导致塔内回流减少，分离能力下降，x_D降低，x_W升高；L/V=R/(R+1)不变，L’=L+qF，V’=V(1q)F，q=1时L’/V’=L/V，故C错误）3.ABD（吸收剂需腐蚀性小，否则增加设备成本）4.ACD（催化加氢是化学反应过程，非单元操作）5.ABD（含重金属废渣需稳定化/固化处理，不可直接填埋）三、填空题1.还原铁（αFe）；氧化铝（Al₂O₃）、氧化钾（K₂O）（任写一种）2.理论板数为无穷大；无穷大3.传热困难（局部过热）；催化剂再生困难（或床层压降大）4.N_A=K_y(a)(yy_e)（或K_G(a)(pp)，a为单位体积传质面积）5.临界流化速度（起始流化速度）；带出速度（终端速度）6.表面汽化速率（外部条件）；内部扩散速率（物料性质）7.折流板；补偿8.丙烯；丁二烯9.吸附；产物扩散10.工艺流程设计；设备选型与计算（或物料/热量衡算）四、简答题1.固定床反应器适用于：①催化剂颗粒大、不易磨损；②反应热较小或需精确控温（通过列管换热）；③催化剂再生周期长（如合成氨）。流化床反应器适用于：①催化剂颗粒小、易失活（需连续再生）；②强放热或吸热反应（床层温度均匀）；③气固接触要求高（如催化裂化）。2.回流比R增大：①分离效果提高（理论板数减少）；②塔顶冷凝量和塔底加热量增加，能耗升高。R过小时（接近R_min），需无穷多理论板；R过大时（远大于R_min），能耗剧增但分离效果提升有限，经济上不合理。3.主要性能指标：①活性（单位时间单位质量催化剂的反应速率）；②选择性（目标产物占总产物的比例）；③稳定性（抗中毒、抗烧结能力，寿命长）；④机械强度（耐磨损、抗压）；⑤再生性能（失活后可恢复活性）。4.干燥速率曲线分为三阶段：①预热阶段：物料温度升至湿球温度，干燥速率上升；②恒速干燥阶段：物料表面完全润湿，干燥速率恒定（由表面汽化控制）；③降速干燥阶段：物料表面局部干燥，内部水分扩散速率降低，干燥速率下降至平衡。5.等温反应器：通过换热维持反应温度恒定（如列管式固定床反应器，合成甲醇）；绝热反应器：无换热，反应热导致温度变化（如合成氨一段转化炉，放热反应温度升高）。等温适用于热效应大、需严格控温的反应；绝热适用于热效应小或允许温度变化的反应（如乙苯脱氢，吸热反应）。五、计算题1.一级反应间歇釜反应时间公式：t=(1/k)ln[1/(1x_A)]代入数据：t=(1/0.05)ln[1/(10.8)]=20×ln5≈20×1.609=32.18min总操作时间T=t+t’=32.18+10=42.18min≈42.2min2.（1）液体吸热量Q=q_m·c_p·(t2t1)=5000kg/h×4.2kJ/(kg·℃)×(8020)℃=5000×4.2×60=1,260,000kJ/h=350kW（蒸汽放热量等于液体吸热量，故Q=350kW）（2）逆流时，热流体（蒸汽）入口T1=120℃，出口T2=120℃（冷凝为饱和水）；冷流体入口t1=20℃，出口t2=80℃。Δt1=T1t2=12080=40℃，Δt2=T2t1=12020=100℃。对数平均温差Δtm=(Δt1Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=(40100)/ln(40/100)=(60)/ln(0.4)≈(60)/(0.916)=65.5℃（3）换热面积A=Q/(K·Δtm)=350×10³W/(500W/(m²·℃)×65.5℃)=350000/(32750)≈10.69m²≈10.7m²六、综合分析题可能原因：（1）催化剂活性下降：长期使用后，催化剂因烧结、中毒（如硫、磷杂质）或积碳导致活性位点减少，反应速率降低，氨合成量减少；活性下降后，反应主要在床层前部进行（热点上移）。（2）操作条件变化：如合成压力降低（体积缩小反应，压力下降平衡逆向移动）、循环气中惰性气体（CH₄、Ar）含量升高（降低有效组分分压）、入口氢氮比偏离3:1（最佳比例）。（3）原料气质量差：脱硫不彻底，H₂S等毒物进入合成塔，导致催化