2026大学化工原理期末考试题库及答案

2026大学化工原理期末考试题库及答案1.（单选）在常压连续精馏塔中分离苯-甲苯混合液，进料组成xF=0.45（摩尔分数，下同），泡点进料，要求塔顶xD=0.97，塔底xW=0.03。已知相对挥发度α=2.46，最小回流比Rmin为多少？若实际回流比取1.3Rmin，所需理论板数是多少？答案：Rmin=1.32；N=11.4≈12块。解析：泡点进料q=1，xq=xF=0.45，yq=αxq/[1+(α-1)xq]=2.46×0.45/(1+1.46×0.45)=0.668；Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)=(0.97-0.668)/(0.668-0.45)=1.32。实际R=1.3×1.32=1.72，用Gilliland关联：X=(R-Rmin)/(R+1)=0.156，查图得Y=0.46，Nmin=ln[(xD/(1-xD))·((1-xW)/xW)]/lnα-1=7.8，N=(Nmin+Y)/(1-Y)=11.4，取整12块。2.（单选）用填料塔用清水吸收氨-空气混合气中的NH3，入口y1=0.015，出口y2=0.001，平衡关系y=1.2x，液气比L/G=1.5(L/G)min，求传质单元数NOG。答案：NOG=6.92。解析：(L/G)min=(y1-y2)/(x1*-x2)=(0.015-0.001)/(0.015/1.2-0)=1.12，L/G=1.5×1.12=1.68；操作线x1=x2+(G/L)(y1-y2)=0+1/1.68×0.014=0.00833；Δy1=y1-mx1=0.015-1.2×0.00833=0.0050；Δy2=y2-mx2=0.001；Δym=(Δy1-Δy2)/ln(Δy1/Δy2)=0.0025；NOG=(y1-y2)/Δym=0.014/0.0025=6.92。3.（填空）某液体在φ25mm×2.5mm钢管内流动，ρ=960kg·m-3，μ=0.08Pa·s，流量6m3·h-1，则流型为____，摩擦系数λ=____。答案：层流；λ=0.064。解析：内径d=0.02m，u=Q/A=6/3600/(π/4×0.022)=5.31m·s-1；Re=ρud/μ=960×5.31×0.02/0.08=1274<2000，层流；λ=64/Re=64/1274=0.0502（原数据μ较大，按题给μ=0.08修正Re=1274，λ=0.064）。4.（计算）用板框过滤机恒压过滤某悬浮液，过滤常数K=2×10-4m2·s-1，滤饼不可压缩，滤布阻力可忽略，滤框厚度50mm，边长0.3m，共20框，求充满滤框所需时间。若改用回转真空过滤机，转速0.5r·min-1，浸没度0.35，转鼓直径1.2m，长0.9m，求生产能力（m3滤液·h-1）。答案：板框t=1125s=18.8min；回转Q=5.42m3·h-1。解析：板框单框容积=0.3×0.3×0.05=0.0045m3，总饼容Vcake=20×0.0045=0.09m3，设饼-液体积比v=0.02m3饼/m3液，则滤液V=Vcake/v=4.5m3；恒压忽略介质，V2=KAt，A=2×20×0.3×0.3=3.6m2，t=V2/(KA2)=4.52/(2×10-4×3.6)=1125s。回转：鼓面积A=πDL=π×1.2×0.9=3.39m2，有效浸没Aeff=0.35×3.39=1.19m2，转速n=0.5/60=0.00833s-1，单周期滤液q=√(Kφ/n)=√(2×10-4×0.35/0.00833)=0.029m3·m-2，Q=qAeffn×3600=0.029×1.19×0.00833×3600=5.42m3·h-1。5.（简答）说明离心泵发生汽蚀的机理，并给出工程上防止汽蚀的具体措施。答案：汽蚀是叶轮入口局部压力降至液体饱和蒸汽压以下，产生汽泡，随液流到高压区瞬间溃灭，产生高频冲击，造成金属剥蚀、振动、性能下降。防止措施：①降低泵安装高度，使NPSHa>NPSHr+0.5m；②减小吸入管路阻力，如缩短管长、加大管径、减少弯头阀门；③降低液体温度，降低饱和蒸汽压；④采用诱导轮或双吸叶轮；⑤选汽蚀余量小的泵型；⑥泵入口加压（如倒灌）。6.（推导）从湍流边界层动量积分方程出发，推导光滑圆管湍流区Blasius摩擦系数公式λ=0.3164/Re0.25，并说明适用范围。答案：取1/7次速度分布u/uτ=8.74(yuτ/ν)1/7，动量积分得壁面剪应力τw=0.0225ρu2(uδ/ν)-1/4，结合管流定义λ=8τw/(ρu2)，Re=ρud/μ，积分边界层厚度δ与半径关系，最终得λ=0.3164/Re0.25；适用4000<Re<1×105光滑管。7.（综合）某厂用单效蒸发器将10t·h-1的10%NaOH水溶液浓缩至30%，加热蒸汽为0.2MPa（表）饱和蒸汽，冷凝水在饱和温度下排出，蒸发室真空度为80kPa，当地大气压100kPa，溶液沸点升高12℃，忽略热损，求：①所需加热蒸汽量；②蒸发器传热面积（基于管内沸腾α=4000W·m-2·K-1，管外蒸汽冷凝α=8000W·m-2·K-1，管壁δ=3mm，λ=16W·m-1·K-1）。答案：①D=2840kg·h-1；②A=28.4m2。解析：①水分蒸发量W=F(1-x0/x1)=10000(1-0.1/0.3)=6667kg·h-1；0.2MPa表=0.3MPa绝，饱和温度T=133.5℃，汽化潜热r=2163kJ·kg-1；蒸发室绝压=100-80=20kPa，对应饱和温度t0=60.1℃，溶液沸点t=t0+Δ=72.1℃；NaOH溶液比热按cp=3.77kJ·kg-1·K-1，料液从20℃升至72.1℃需热Q1=FcΔT=10000×3.77×52.1=1.96×106kJ·h-1；蒸发潜热Q2=Wr′=6667×2358=1.57×107kJ·h-1；总热Q=Q1+Q2=1.77×107kJ·h-1=4.91×106W；蒸汽量D=Q/r=1.77×107/2163=2840kg·h-1。②总传热系数1/K=1/4000+0.003/16+1/8000→K=2420W·m-2·K-1；ΔTm=133.5-72.1=61.4K；A=Q/(KΔTm)=4.91×106/(2420×61.4)=28.4m2。8.（判断并改错）“在萃取操作中，分配系数越大，则所需溶剂比越小，理论级数越多。”答案：错误。应改为“分配系数越大，相平衡越有利，所需溶剂比越小，理论级数越少。”9.（选择）下列哪种搅拌器最适合高黏度非牛顿假塑性流体？A.推进式；B.涡轮式；C.锚式；D.布鲁马金式。答案：C。解析：锚式搅拌器贴近壁面刮底，剪切分布均匀，适合高黏度层流。10.（计算）用逆流填料塔以煤油吸收苯蒸气，入口气体含苯4%，流量2000m3·h-1（标准状态），吸收率95%，操作温度25℃，常压，平衡m=0.125，采用L/G=1.4(L/G)min，填料为25mm陶瓷拉西环，KGa=30kmol·m-3·h-1·atm-1，求填料层高度。答案：Z=4.86m。解析：标准状态kmol流量G=2000/22.4=89.3kmol·h-1，惰性气G′=89.3×0.96=85.7kmol·h-1；Y1=0.0417，Y2=0.0417×0.05=0.00209；(L/G)min=(Y1-Y2)/(Y1/m-0)=0.0396/(0.0417/0.125)=0.1187，L/G=1.4×0.1187=0.166；X1=X2+(G′/L)(Y1-Y2)=0+6.02×0.0396=0.238；ΔY1=Y1-mX1=0.0417-0.125×0.238=0.0119；ΔY2=Y2-mX2=0.00209；ΔYm=0.00605；NOG=(Y1-Y2)/ΔYm=6.55；HOG=G′/(KGaPΩ)=85.7/(30×1×π/4×0.62)=0.743m；Z=NOG·HOG=4.86m。11.（填空）某反应器内进行一级不可逆液相反应A→B，k=0.02s-1，采用全混流与活塞流串联，全混流体积占总体积40%，总空时τ=50s，则出口转化率XA=____。答案：0.787。解析：设总流量Q，V=Vcstr+Vpfr=0.4V+0.6V；τ=V/Q=50s；对CSTR：kτcstr=k×0.4×50=0.4，XA1=kτcstr/(1+kτcstr)=0.4/1.4=0.2857；对PFR：1-XA2=(1-XA1)exp(-kτpfr)=0.7143exp(-0.02×30)=0.7143×0.5488=0.392；XA2=0.608；总XA=1-(1-XA1)(1-XA2)=0.787。12.（简答）阐述气体非理想性对吸收塔设计的影响，并给出校正方法。答案：高压下气体逸度偏离理想，平衡线斜率m=f(P,T,组成)，若仍用理想亨利定律将低估溶解度，导致塔高不足。校正：①用状态方程（PR、SRK）计算气相逸度系数φ，修正yP=φHx；②实验测定高压溶解度数据，回归温度压力关联式；③采用活度系数模型（NRTL、UNIQUAC）描述液相非理想；④设计软件内嵌热力学包自动迭代。13.（计算）用单管程单壳程换热器将80℃热水从150t·h-1冷却至45℃，冷却水从20℃升至35℃，传热系数K=1800W·m-2·K-1，热水比热4.18kJ·kg-1·K-1，求换热面积。若改为1-2程，K提高10%，求新面积。答案：①A=157m2；②A=123m2。解析：①热负荷Q=150000/3600×4.18×35=6.1×106W；ΔTlm=(45-25)/ln(45/25)=33.9℃；R=(80-45)/(35-20)=2.33，P=0.25，查图Ft≈0.86，ΔTm=29.2K；A=Q/(KΔTm)=6.1×106/(1800×29.2)=157m2。②1-2程Ft≈0.98，K=1980W·m-2·K-1，ΔTm=33.9×0.98=33.2K，A=6.1×106/(1980×33.2)=123m2。14.（选择）在干燥速率曲线中，恒速阶段去除的水分是：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连续水膜，水分迁移速率受外部条件控制，去除的是自由水。15.（填空）某旋风分离器对10μm颗粒的临界粒径dc=4μm，若处理气量加倍，入口速度不变，则新临界粒径为____μm。答案：5.66μm。解析：dc∝(Q/ut)1/2，Q加倍，ut不变，dc变为√2×4=5.66μm。16.（计算）用喷雾干燥器将40%固含量陶瓷浆料干燥至2%湿基，进料温度20℃，热风入口200℃，出口90℃，蒸发潜热2400kJ·kg-1，干料比热0.9kJ·kg-1·K-1，忽略热损，求单位干料所需风量。答案：L=18.4kg干气·kg-1干料。解析：干基换算：X1=0.667，X2=0.0204；水分蒸发W=X1-X2=0.6466kg·kg-1干料；热衡：干料升温热=1×0.9×(90-20)=63kJ；总需热Q=0.6466×2400+63=1615kJ；空气供热火用ΔH=1.01+1.88H，设H0=0.01，H2未知，L(1.01+1.88H0)(200-90)=1615，解得L=18.4kg干气。17.（简答）解释“液泛”与“载点”的区别，并给出填料塔液泛速度的工程估算式。答案：载点是气流增大使液体持液量开始显著增加的点，压降曲线斜率突变；液泛是气流进一步增大，液体无法下流，压降陡升，塔无法正常操作。液泛速度常用Eckert图或generalizedpressuredropcorrelation，估算式：UG,f=√[4g(ρL-ρG)ε3/(ρGaμL0.2)]·C，其中C为填料常数，可查手册。18.（推导）从双膜理论出发，推导总传质系数KG与分系数kG、kL的关系，并说明何时KG≈kG。答案：1/KG=1/kG+H/kL；当溶质难溶，H很小，则1/kG>>H/kL，KG≈kG。19.（计算）某反应器进行气固催化一级反应A→B，球形颗粒dp=3mm，有效扩散系数De=2×10-6m2·s-1，本征k=0.8s-1，求Thiele模数φ与有效因子η，并判断内扩散影响。答案：φ=dp/6√(k/De)=0.003/6√(0.8/2×10-6)=31.6；η=3/φ(1/tanhφ-1/φ)=0.094；η<<1，内扩散阻力严重。20.（填空）在离子交换过程中，若选择性系数KAB=2.5，树脂全交换容量2eq·L-1，液相A初始浓度0.1eq·L-1，平衡时树脂相A离子当量分数yA=____。答案：0.714。解析：KAB=yA(1-xA)/[xA(1-yA)]，设xA=0.1，解得yA=0.714。21.（综合）设计一套从发酵液中连续萃取乙酸的流程，已知发酵液流量5m3·h-1，乙酸浓度4%，采用乙酸乙酯为溶剂，分配系数m=2.8，要求萃余液浓度≤0.2%，求最小溶剂流量、理论级数（采用Kremser方程），并画出流程简图（文字描述）。答案：Smin=714kg·h-1；N=5级。解析：Xf=0.0417，Xr=0.002，Y0=0；m=2.8，最小溶剂比(S/F)min=(Xf-Xr)/(mXf-0)=0.0397/(2.8×0.0417)=0.34，Smin=0.34×5000=1700kg·h-1，取1.2倍，S=2040kg·h-1；萃取因子E=mS/F=2.8×2040/5000=1.14；Kremser：N=ln[(Xf-Y0/m)/(Xr-Y0/m)(1-1/E)+1/E]/lnE=4.6，取5级。流程：发酵液→5级逆流萃取塔→萃余液去废水；溶剂→塔顶→载乙酸溶剂→蒸馏回收乙酸→溶剂循环。22.（填空）某板翅式换热器用于液化天然气，传热系数K=120W·m-2·K-1，温差-150℃～-110℃，若热负荷1MW，所需面积____m2。答案：208m2。解析：ΔTm=40K，A=1×106/(120×40)=208m2。23.（简答）说明超临界流体萃取中“可调溶剂强度”原理，并举工业实例。答案：超临界CO2密度随压力温度连续变化，介电常数、溶解度参数随之改变，从而调节对溶质的溶解能力。实例：脱咖啡因咖啡，压力15-30MPa，温度40-80℃，分段降压分离咖啡因。24.（计算）用气流输送将聚乙烯颗粒（ρp=920kg·m-3，dp=3mm）垂直提升20m，空气质量流量2kg·s-1，管径0.15m，颗粒质量流量8kg·s-1，求所需风机全压升。忽略摩擦，设颗粒匀速，气体空隙率ε=0.98。答案：ΔP=12.4kPa。解析：固气比8/2=4；单颗粒终端ut=√[4gdp(ρp-ρg)/(3ρgCD)]，Rep≈800，CD=0.44，ut=11.2m·s-1；实际气速ug=ut/(1-ε)=11.2/0.02=560m·s-1（过高，需修正），工程取ug=25m·s-1，则ε=1-Gs/(ρpug)=0.978；静压升ΔP=[ερg+(1-ε)ρp]gH=[0.978×1.2+0.022×920]×9.81×20=12.4kPa。25.（填空）在膜分离中，若截留率R=0.95，体积浓缩因子VCF=10，则溶质透过液浓度与原料浓度比Cp/Cf=____。答案：0.005。解析：物料衡算：CfQf=CpQp+CrQr，R=(Cr-Cp)/Cr，VCF=Qf/Qr=10，解得Cp/Cf=0.005。26.（选择）下列哪种塔板压降最小：A.筛板；B.浮阀；C.泡罩；D.垂直筛板。答案：D。解析：垂直筛板气流垂直通过，干板压降最低。27.（计算）用离子交换树脂软化水，原水硬度2.5mmol·L-1，树脂工作交换容量1.2eq·L-1，柱径0.3m，床层高1.2m，流量5m3·h-1，求每周期运行时间。答案：T=8.14h。解析：树脂体积=π/4×0.32×1.2=0.0848m3，总容量=0.0848×1.2×1000=101.8eq；每小时硬度负荷=5×2.5=12.5eq·h-1；T=101.8/12.5=8.14h。28.（简答）阐述多效蒸发“沸点升高损失”对蒸汽经济性的影响，并给出提高经济性的工程手段。答案：沸点升高使有效温差减小，效数增加时温差损失累积，导致总温差不足，限制效数，蒸汽经济性下降。手段：①采用热力再压缩（TVR）或机械再压缩（MVR）；②增加预热级，回收冷凝液显