应用化工技术分析化学试题及答案

应用化工技术分析化学试题及答案1.单选题（每题2分，共20分）1.1在乙苯脱氢制苯乙烯的工业装置中，通常采用水蒸气作为稀释剂，其主要目的不包括A.降低烃分压，使平衡向苯乙烯方向移动B.提供部分热量，减少局部过热C.抑制催化剂表面积炭D.与水发生可逆反应生成苯甲酸答案：D解析：水蒸气在反应中不参与主反应，也不与苯乙烯或乙苯发生生成苯甲酸的可逆反应；A、B、C均为水蒸气的公认作用。1.2某厂用乙烯直接氧化法生产环氧乙烷，反应器出口气体中环氧乙烷摩尔分数为1.8%，相同温度下平衡摩尔分数为3.2%，则该反应器单程转化率最接近A.36%B.44%C.56%D.64%答案：C解析：平衡转化率x=3.2%，实际转化率x=1.8%，则单程转化率η=x/x=1.8/3.2≈56%。1.3对于放热可逆反应A⇌B，若采用多段冷激式固定床，段间注入冷料的主要目的是A.提高反应速率B.降低压降C.抑制副反应D.控制温升，使操作线靠近最佳温度序列答案：D解析：段间冷激可及时取热，使床层温度沿最佳温度曲线下降，既保证速率又抑制副反应。1.4在硫酸生产中，SO₂催化氧化采用“二转二吸”流程，第一转化器出口SO₃浓度通常控制较低的主要理由是A.降低催化剂损耗B.减少后续吸收塔酸雾C.提高最终转化率D.降低系统压降答案：C解析：第一段低浓度可让后段在更低温度下反应，突破平衡限制，总转化率>99.5%。1.5某精馏塔分离苯-甲苯混合物，进料热状态q=0.6，若将进料预热至泡点以上，则A.精馏段液汽比增大B.提馏段液汽比增大C.再沸器热负荷减小D.冷凝器热负荷增大答案：B解析：q减小，提馏段液体流量L'=L+qF减小幅度小于蒸汽流量V'=V-(1-q)F减小幅度，故液汽比L'/V'增大。1.6对气固相催化反应，Thiele模数φ增大通常意味着A.颗粒内扩散阻力减小B.有效因子升高C.内扩散影响严重D.外扩散控制答案：C解析：φ=Rp√(k/Dp)，φ越大，内扩散限制越显著，有效因子下降。1.7在氨合成回路中，设置冷激回收塔的主要目的是A.回收反应热副产蒸汽B.降低合成塔压降C.冷凝分离液氨并预热新鲜气D.脱除CO防止催化剂中毒答案：C解析：冷激回收塔利用出口高温气预热进口合成气，同时冷凝液氨，提高热利用率。1.8某液相反应A+B→P，实验测得速率方程为−rA=kcAcB，若采用间歇釜，初始cA0=cB0=1mol·L⁻¹，则当cA降至0.25mol·L⁻¹所需时间与降至0.5mol·L⁻¹所需时间之比为A.3B.4C.5D.6答案：A解析：二级反应t=(1/c−1/c0)/k，t0.25=(1/0.25−1)/k=3/k，t0.5=(1/0.5−1)/k=1/k，比值为3。1.9在乙炔法生产氯乙烯工艺中，常加入少量二氯乙烷作助剂，其作用是A.抑制副产1,1-二氯乙烷B.提高催化剂选择性C.移走反应热D.与氯化氢形成共沸物答案：A解析：二氯乙烷可稀释反应区，抑制深度氯化生成1,1-二氯乙烷副产。1.10某厂用甲醇羰基化制醋酸，反应液中HI质量分数升高会导致A.设备腐蚀加剧B.催化剂铑沉淀C.副产甲烷增多D.反应速率下降答案：A解析：HI为强酸，浓度升高使含铑均相催化剂稳定但设备腐蚀指数级上升。2.多选题（每题3分，共15分，每题至少有两个正确答案，多选少选均不得分）2.1关于乙烯氧氯化制二氯乙烷，下列说法正确的是A.主反应为放热反应B.常用CuCl₂/Al₂O₃催化剂C.反应温度升高，选择性下降D.需严格控制原料气中含水量E.尾气中常含少量三氯乙烷答案：ABCD解析：E错误，三氯乙烷为深度氯化副产，但氧氯化条件下极少生成。2.2在苯酚丙酮装置中，异丙苯过氧化反应采用塔式反应器，设计时需重点考虑A.液相返混B.气相氧传质C.反应热移除D.过氧化物分解抑制E.丙酮回收率答案：ABCD解析：E属分离工段，与反应器设计无直接关联。2.3对于合成气制甲醇，下列措施可提高单程转化率的有A.提高反应压力B.降低反应温度C.增加循环比D.采用Cu-Zn-Al催化剂E.移除反应热答案：ABC解析：D为催化剂选型，E为热力学控制，均不直接提高单程转化率。2.4在PTA装置中，对苯二甲酸精制加氢工序，下列参数影响4-CBA残留量的有A.氢分压B.反应温度C.催化剂Pd/C粒度D.浆料停留时间E.精制塔回流比答案：ABCD解析：E为精馏参数，与加氢反应无关。2.5关于离子液体催化烷基化，下列说法正确的有A.可循环使用B.产物与催化剂易分离C.酸强度可调D.无腐蚀问题E.反应温度通常高于硫酸法答案：ABC解析：D错误，离子液体虽腐蚀性低但并非绝对无腐蚀；E错误，操作温度更低。3.判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）3.1在尿素合成中，NH₃/CO₂摩尔比升高，CO₂转化率单调增加。答案：√解析：过量氨抑制缩二脲生成，推动甲铵脱水，CO₂转化率上升。3.2对于气固相催化反应，外部扩散系数与流体粘度成正比。答案：×解析：外部扩散系数与粘度成反比。3.3在乙苯脱氢装置中，水烃比升高，苯乙烯选择性一定提高。答案：×解析：水烃比过高会促进热裂解，选择性反而下降。3.4采用分子筛吸附分离对二甲苯时，吸附相中对二甲苯浓度高于气相。答案：√解析：分子筛选择性吸附对二甲苯，符合平衡吸附规律。3.5在丙烯腈装置中，氨中和塔加入硫酸的主要目的是回收副产硫铵。答案：√解析：中和未反应氨，生成硫铵副产。3.6对于放热反应，采用管壳式反应器时，冷却介质逆流布置总是优于并流。答案：×解析：需综合热强度分布，逆流虽平均温差大，但热点可能更高。3.7在醋酸乙烯合成中，醋酸钾助催化剂含量越高，催化剂活性越高。答案：×解析：过量醋酸钾覆盖活性中心，活性下降。3.8对于液液萃取，分配系数越大，所需理论级数越少。答案：√解析：分配系数大，分离因子高，级数减少。3.9在环氧丙烷共氧化法中，乙苯过氧化氢浓度越高，环氧化选择性越高。答案：×解析：过高浓度易引发自由基链断裂，选择性下降。3.10对于可逆放热反应，存在最佳温度序列，其随转化率升高而降低。答案：√解析：平衡温度随转化率升高而降低，最佳温度序列平行且低于平衡温度。4.填空题（每空2分，共20分）4.1在合成氨装置中，一段炉出口甲烷含量控制指标通常为__________（体积分数），若超标，最直接有效的调整手段是__________。答案：≤10%，降低一段炉出口温度或增加水碳比。4.2对于气相反应A→B，若采用PFR，反应速率常数k=0.05s⁻¹，则空时τ=20s时，转化率x=__________。答案：0.632解析：PFR模型x=1−e^(−kτ)=1−e^(−1)=0.632。4.3在苯乙烯精馏中，为抑制聚合，通常加入__________阻聚剂，其质量浓度一般控制在__________ppm。答案：对叔丁基邻苯二酚（TBC），10–50。4.4某厂采用萃取精馏分离乙醇-水，萃取剂为乙二醇，其加入位置应在__________，回流比应比无萃取剂时__________。答案：精馏段上部，降低。4.5对于液相氧化反应，若采用鼓泡塔，气含率εg增大，则液相体积传质系数kLa将__________，而液相返混程度将__________。答案：增大，增强。4.6在丙烯氨氧化制丙烯腈中，催化剂主要活性组分为__________，助催化剂常用__________。答案：Mo-Bi系，Fe-Co-Ni-K。4.7对于管壳式反应器，若反应管内壁出现热点，最先采取的工程措施是__________，若无效，则需__________。答案：提高冷却介质流速，降低冷却介质温度。4.8在离子膜法烧碱中，阳极液NaCl浓度一般控制在__________g·L⁻¹，若过低，将导致__________。答案：300–310，电流效率下降且膜寿命缩短。4.9对于可逆反应A⇌B，若采用间歇反应器，初始只有A，平衡常数K=4，则平衡转化率xeq=__________。答案：0.8解析：K=x/(1−x)=4，解得x=0.8。4.10在甲醇合成回路中，为防止蜡生成，通常控制循环气中H₂/CO摩尔比大于__________，并加入少量__________作为抑制剂。答案：2.5，水蒸气。5.简答题（每题10分，共30分）5.1某厂采用乙烯直接氧化制环氧乙烷，反应器入口乙烯浓度为3.0%（mol），氧气7.5%，氮气89.5%，操作压力2.1MPa，温度250℃，空速4000h⁻¹。实验测得该条件下本征速率方程为−rC₂H₄=kpC₂H₄^0.5pO₂^0.5其中k=2.8×10⁻⁴kmol·kg⁻¹·s⁻¹·MPa⁻¹，催化剂堆积密度ρb=650kg·m⁻³。若要求单程转化率≥12%，求所需催化剂床层高度（假设为理想PFR，忽略外扩散）。答案与解析：取1m²床层截面积作基准，体积流量Qv=4000m³·h⁻¹=1.111m³·s⁻¹标准状态摩尔流量n0=P0Qv/RT0=101325×1.111/(8.314×273.15)=49.3kmol·s⁻¹入口乙烯摩尔流量nC₂H₄,0=0.03×49.3=1.479kmol·s⁻¹设转化率x，则pC₂H₄=p·yC₂H₄,0(1−x)/(1−0.5yC₂H₄,0x)pO₂=p·yO₂,0−0.5p·yC₂H₄,0x代入速率方程并积分τ=ρbL/ρg=uL∫dx/(−r)=C₀∫dx/(kp^1(1−x)^0.5(yO₂,0−0.5yC₂H₄,0x)^0.5)数值积分得τ=0.42su=Qv/A=1.111m·s⁻¹L=uτ=1.111×0.42=0.467m故床层高度约0.47m即可满足12%转化率要求。5.2某苯乙烯装置精馏塔顶苯乙烯聚合损失严重，分析可能原因并提出三条工程改进措施。答案与解析：原因：1.塔顶温度过高，超过110℃，引发热聚合；2.阻聚剂TBC加入量不足或分布不均；3.塔顶滞留时间过长，死角多；4.真空度波动，局部过热。措施：1.降低塔顶压力至6kPa以下，对应温度≤95℃；2.增设TBC多点注入，浓度提高至30ppm，并配在线混合器；3.采用高效低持液量规整填料，减少停留时间至<30s；4.塔顶增设急冷回流，快速降低蒸汽相温度；5.定期在线清洗，清除聚合物沉积。5.3在丙烯腈装置吸收塔中，出口尾气丙烯腈含量超标，请从操作参数和塔内件两方面分析原因并给出对策。答案与解析：操作参数：1.吸收水温度高，溶解度下降；2.水比过低，传质推动力不足；3.压力低，气相丙烯腈分压高。塔内件：1.填料结焦堵塞，传质面积下降；2.分布器偏流，气体短路；3.塔顶除沫器失效，液沫夹带。对策：1.将吸收水温度由35℃降至25℃，启用冷冻水；2.水比由1.8提至2.5；3.吸收塔背压阀调大，压力由0.12MPa升至0.18MPa；4.停车检修，更换为新型抗堵格栅填料；5.检查并修复液体分布器，增设二次分布盘；6.塔顶增设高效丝网除沫器，降低夹带<50mg·m⁻³。6.计算题（共25分）6.1某厂以正丁烷为原料生产顺酐，采用固定床VPO催化剂，反应式C₄H₁₀+3.5O₂→C₄H₂O₃+4H₂O进料为空气与丁烷混合气，丁烷浓度1.8%（mol），操作压力0.15MPa，温度400℃，空速1500h⁻¹。已知本征速率方程−rC₄H₁₀=kpC₄H₁₀/(1+KpC₄H₁₀)k=0.032kmol·kg⁻¹·s⁻¹·MPa⁻¹，K=18MPa⁻¹，催化剂ρb=800kg·m⁻³。若要求丁烷转化率≥85%，求所需PFR催化剂体积（忽略副反应，按恒压计算）。答案：取基准1m³·s⁻¹入口气体，总摩尔流量n0=PQ/RT=0.15×10⁶×1/(8.314×673.15)=26.8kmol·s⁻¹丁烷初始流量nC₄H₁₀,0=0.018×26.8=0.482kmol·s⁻¹速率方程可写成−r=kpy/(1+Kpy)令α=Kp=18×0.15=2.7积分得τ=ρbV/n0=∫dx/(−r/C₀)=(1+α)/(kp)[x−(1/α)ln(1+α(1−x))]代入x=0.85，数值计算得τ=2.15s催化剂体积V=τn0/ρb=2.15×0.482/800=1.29×10⁻³m³·s·kg⁻¹·kmol⁻¹换算为每小时V=1.29×10⁻³×3600×0.482=2.24m³故所需催化剂体积约2.2m³（对应1m³·s⁻¹进料），即空时τ=2.15s可满足85%转化率。6.2某甲醇合成回路循环气流量为18000kmol·h⁻¹，组成为H₂68%、CO12%、CO₂3%、CH₄10%、N₂7%。新鲜气流量6000kmol·h⁻¹，组成为H₂74%、CO20%、CO₂4%、N₂2%。设合成塔出口甲醇摩尔分数为5%，求（1）单程转化率；（2）弛放气流量（以kmol·h⁻¹计）；（3）弛放气中CH₄摩尔分数。答案：（1）设单程转化率x，甲醇生成量nMeOH=0.05×(18000+6000)=1200kmol·h⁻¹CO+CO₂消耗量=1200kmol·h⁻¹入口CO+CO₂=0.12×18000+0.20×6000=2160+1200=3360kmol·h⁻¹x=1200/3360=35.7%（2）弛放气流量W，惰性平衡N₂平衡：0.07×18000+0.02×6000=0.07