2025年化學(xué)工程與工藝考試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.某流體在圓管中流動(dòng)，測(cè)得管中心流速為4m/s，若流動(dòng)為層流，則平均流速為（）A.2m/sB.3m/sC.4m/sD.5m/s2.以下關(guān)于精餾塔操作的描述中，錯(cuò)誤的是（）A.增大回流比可提高分離效果，但能耗增加B.進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q=1時(shí)為泡點(diǎn)進(jìn)料C.全回流時(shí)理論板數(shù)最少D.塔頂產(chǎn)品采出量超過精餾段最大處理能力會(huì)導(dǎo)致液泛3.對(duì)于氣液傳質(zhì)過程，若溶質(zhì)在液相中的溶解度很小，則過程的控制步驟為（）A.氣膜控制B.液膜控制C.氣液膜共同控制D.無法判斷4.某反應(yīng)A→B的速率方程為-rA=kCA2，若初始濃度CA0=2mol/L，反應(yīng)20min后CA=0.5mol/L，則速率常數(shù)k為（）A.0.0375L/(mol·min)B.0.075L/(mol·min)C.0.15L/(mol·min)D.0.3L/(mol·min)5.以下哪種反應(yīng)器更適合處理放熱劇烈、要求溫度嚴(yán)格控制的反應(yīng)（）A.間歇釜式反應(yīng)器B.活塞流反應(yīng)器（PFR）C.連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）D.固定床反應(yīng)器6.超臨界萃取中，常用的萃取劑CO?的臨界溫度約為（）A.31.1℃B.51.1℃C.71.1℃D.91.1℃7.離心泵啟動(dòng)前需灌泵，主要目的是（）A.防止氣縛B.防止汽蝕C.提高揚(yáng)程D.增大流量8.某二元物系的相對(duì)揮發(fā)度α=2.5，若液相中易揮發(fā)組分摩爾分?jǐn)?shù)x=0.4，則與之平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)y為（）A.0.526B.0.615C.0.714D.0.8009.以下關(guān)于催化劑的描述中，正確的是（）A.催化劑能改變反應(yīng)的平衡常數(shù)B.催化劑通過降低反應(yīng)活化能提高速率C.催化劑對(duì)正逆反應(yīng)的加速效果不同D.催化劑的活性僅與比表面積有關(guān)10.某逆流操作的吸收塔中，若入塔氣體流量增加，其他條件不變，則出塔液體中溶質(zhì)濃度（）A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小二、填空題（每空1分，共15分）1.化工生產(chǎn)中，衡量流體流動(dòng)形態(tài)的無量綱數(shù)為______，其表達(dá)式為______（用符號(hào)表示）。2.離心泵的主要性能參數(shù)包括流量、揚(yáng)程、______、效率和轉(zhuǎn)速。3.精餾塔中，提餾段操作線方程的推導(dǎo)基于______和______守恒。4.對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)A→B，在活塞流反應(yīng)器（PFR）中，反應(yīng)時(shí)間τ與轉(zhuǎn)化率xA的關(guān)系為______（用積分式表示）。5.吸收過程中，最小液氣比（L/V）min的計(jì)算式為______（用相平衡關(guān)系和進(jìn)出口濃度表示）。6.固定床反應(yīng)器中，催化劑顆粒的粒徑減小會(huì)導(dǎo)致床層壓降______（增大/減?。赡芗觿_____現(xiàn)象。7.相平衡常數(shù)K的定義為______，對(duì)于理想物系，K可表示為______（用分壓和總壓表示）。8.化工熱力學(xué)中，逸度系數(shù)φ的物理意義是______與______的比值。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述板式塔與填料塔的主要區(qū)別及各自適用場(chǎng)景。2.解釋“氣蝕”現(xiàn)象的產(chǎn)生原因及離心泵的防氣蝕措施。3.比較間歇釜式反應(yīng)器（BR）與連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算上的差異。4.說明萃取過程中選擇溶劑的主要原則（至少列出4條）。5.分析多段絕熱固定床反應(yīng)器中設(shè)置中間換熱裝置的原因。四、計(jì)算題（共35分）1.（10分）某離心泵用于輸送20℃清水（密度ρ=998kg/m3），測(cè)得泵入口真空表讀數(shù)為30kPa，出口壓力表讀數(shù)為250kPa，兩表位差為0.5m（出口表高于入口表），泵的流量為50m3/h，軸功率為6kW。求該泵的揚(yáng)程和效率（g=9.81m/s2）。2.（15分）用連續(xù)精餾塔分離苯-甲苯混合液，進(jìn)料中苯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.4（泡點(diǎn)進(jìn)料，q=1），塔頂餾出液摩爾分?jǐn)?shù)為0.95，塔底釜液摩爾分?jǐn)?shù)為0.05。物系相對(duì)揮發(fā)度α=2.45，操作回流比R=2Rmin。試計(jì)算：（1）最小回流比Rmin；（2）用Fenske方程計(jì)算全回流時(shí)的最少理論板數(shù)（包括再沸器）；（3）用Gilliland關(guān)聯(lián)式估算實(shí)際理論板數(shù)（已知全回流時(shí)Nmin=6，實(shí)際回流比R=1.5Rmin時(shí)，N=12）。3.（10分）某一級(jí)不可逆反應(yīng)A→B在連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）中進(jìn)行，進(jìn)料流量v=0.5m3/h，進(jìn)料濃度CA0=2mol/L，反應(yīng)速率常數(shù)k=0.8h?1，要求轉(zhuǎn)化率xA=0.8。求反應(yīng)器的有效體積V（提示：CSTR設(shè)計(jì)方程為τ=CA0xA/(kCA0(1-xA))）。五、綜合分析題（20分）某化工廠采用天然氣為原料生產(chǎn)合成氨，其中變換工段的主要反應(yīng)為：CO+H?O(g)?CO?+H?（ΔH=-41.2kJ/mol，放熱反應(yīng)）。當(dāng)前工藝采用兩段絕熱固定床反應(yīng)器，中間用換熱器降溫，原料氣（含CO12%，H?O35%，其余為惰性氣體）入口溫度為320℃，第一段出口溫度升至450℃，第二段出口溫度降至380℃，CO轉(zhuǎn)化率為90%。但實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，第二段反應(yīng)器催化劑床層溫度分布不均，局部出現(xiàn)“熱點(diǎn)”（溫度高于420℃），導(dǎo)致催化劑失活加快，且最終CO轉(zhuǎn)化率僅85%。請(qǐng)結(jié)合反應(yīng)工程和化工熱力學(xué)知識(shí)，分析以下問題：（1）變換反應(yīng)為何采用兩段絕熱床并設(shè)置中間換熱？（2）第二段床層“熱點(diǎn)”產(chǎn)生的可能原因；（3）提出3條優(yōu)化工藝以提高轉(zhuǎn)化率并緩解催化劑失活的具體措施。---答案及解析一、選擇題1.A（層流時(shí)平均流速為管中心流速的1/2）2.D（液泛由氣液負(fù)荷過高引起，與采出量無直接關(guān)系）3.B（溶解度小→液膜阻力大→液膜控制）4.A（二級(jí)反應(yīng)積分式：1/CA-1/CA0=kt，代入數(shù)據(jù)得k=0.0375）5.C（CSTR混合均勻，溫度易控制）6.A（CO?臨界溫度31.1℃，臨界壓力7.38MPa）7.A（灌泵防止空氣聚集導(dǎo)致氣縛）8.B（y=αx/(1+(α-1)x)=2.5×0.4/(1+1.5×0.4)=0.615）9.B（催化劑不改變平衡常數(shù)，對(duì)正逆反應(yīng)加速效果相同，活性與表面結(jié)構(gòu)等有關(guān)）10.A（氣體流量增加→傳質(zhì)推動(dòng)力增大→液體溶質(zhì)濃度升高）二、填空題1.雷諾數(shù)；Re=duρ/μ2.軸功率3.物料；能量4.τ=(1/k)ln(1/(1-xA))5.(L/V)min=(y1-y2)/(y1/m-y2)（y1為入塔氣體濃度，y2為出塔氣體濃度，m為相平衡常數(shù)）6.增大；溝流（或壁流）7.氣相摩爾分?jǐn)?shù)與液相摩爾分?jǐn)?shù)的比值；K=p_i/P（p_i為組分飽和蒸氣壓，P為總壓）8.實(shí)際逸度；理想氣體逸度（或分壓）三、簡(jiǎn)答題1.板式塔與填料塔的區(qū)別：-結(jié)構(gòu)：板式塔內(nèi)有多層塔板，氣液在板上接觸；填料塔內(nèi)填充填料，氣液在填料表面接觸。-操作彈性：板式塔操作彈性較大（約2-4倍），填料塔（尤其是散裝填料）彈性較小。-壓降：填料塔氣相壓降通常低于板式塔。-適用場(chǎng)景：板式塔適用于處理量大、易堵塞物系；填料塔適用于要求低壓降、高分離效率的場(chǎng)合（如真空精餾）。2.氣蝕現(xiàn)象：當(dāng)離心泵葉輪入口處壓力低于液體在該溫度下的飽和蒸氣壓時(shí)，液體汽化產(chǎn)生氣泡，氣泡隨流體進(jìn)入高壓區(qū)破裂，沖擊葉輪表面造成損傷。防氣蝕措施：①降低泵的安裝高度；②減少吸入管路阻力（如縮短管徑、減少彎頭）；③選用耐氣蝕材料；④避免在流量過小的工況下運(yùn)行。3.動(dòng)力學(xué)計(jì)算差異：-BR：為非定態(tài)過程，反應(yīng)時(shí)間與轉(zhuǎn)化率直接相關(guān)，積分速率方程得t=∫(0→xA)(dxA/(-rA))。-CSTR：為定態(tài)過程，物料連續(xù)進(jìn)出，設(shè)計(jì)方程為τ=CA0xA/(-rA)（τ為停留時(shí)間），需滿足全釜內(nèi)濃度均一，速率取出口濃度對(duì)應(yīng)的數(shù)值。4.溶劑選擇原則：①對(duì)溶質(zhì)的選擇性高（分配系數(shù)大）；②與原溶劑互溶性小（降低損失）；③密度與原溶劑差異大（便于分層）；④化學(xué)穩(wěn)定性好（不與溶質(zhì)、原溶劑反應(yīng)）；⑤沸點(diǎn)適中（易回收）；⑥毒性低、成本低。5.中間換熱原因：①變換反應(yīng)為放熱反應(yīng)，絕熱操作會(huì)導(dǎo)致床層溫度升高，平衡轉(zhuǎn)化率下降（溫度升高，平衡常數(shù)K減?。虎谥虚g換熱可將溫度降至適宜范圍，提高后續(xù)反應(yīng)的推動(dòng)力；③控制床層溫度在催化劑活性溫度區(qū)間內(nèi)（避免超溫失活）。四、計(jì)算題1.揚(yáng)程計(jì)算：泵的揚(yáng)程H=(p出-p入)/(ρg)+Δzp入=-30kPa（真空表讀數(shù)為負(fù)），p出=250kPa，Δz=0.5mH=(250×103-(-30×103))/(998×9.81)+0.5≈280000/(9790.38)+0.5≈28.6m+0.5=29.1m效率η=有效功率/軸功率有效功率Ne=ρgQH=998×9.81×(50/3600)×29.1≈998×9.81×0.01389×29.1≈998×9.81×0.404≈3960W=3.96kWη=3.96/6≈0.66（66%）2.（1）最小回流比Rmin：泡點(diǎn)進(jìn)料q=1，q線為垂直線x=xF=0.4相平衡方程y=αx/(1+(α-1)x)=2.45x/(1+1.45x)精餾段操作線與q線交點(diǎn)(xF,yq)，yq=2.45×0.4/(1+1.45×0.4)=0.98/1.58≈0.620Rmin=(xD-yq)/(yq-xF)=(0.95-0.620)/(0.620-0.4)=0.33/0.22≈1.5（2）全回流最少理論板數(shù)（包括再沸器）：Fenske方程：Nmin+1=ln[(xD(1-xW))/(xW(1-xD))]/lnαxD=0.95，xW=0.05，代入得：Nmin+1=ln[(0.95×0.95)/(0.05×0.05)]/ln2.45=ln(361)/0.90≈5.88/0.90≈6.53Nmin≈5.53，取整為6塊（包括再沸器）（3）Gilliland關(guān)聯(lián)式：已知全回流Nmin=6，實(shí)際回流比R=1.5Rmin=2.25關(guān)聯(lián)式：(N-Nmin)/(N+1)=0.75[1-(Rmin/R)^0.5]代入已知條件（題目中示例數(shù)據(jù)可能為干擾，按標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算）：假設(shè)題目中“已知”為示例，實(shí)際應(yīng)按公式計(jì)算。正確步驟為：計(jì)算(R-Rmin)/(R+1)=(2.25-1.5)/(2.25+1)=0.75/3.25≈0.231查Gilliland圖或公式得(N-Nmin)/(N+1)=0.49（近似值），解得N≈12塊（與題目示例一致）3.CSTR體積計(jì)算：一級(jí)反應(yīng)速率方程-rA=kCA=kCA0(1-xA)設(shè)計(jì)方程：τ=CA0xA/(-rA)=xA/(k(1-xA))τ=V/v→V=v×xA/(k(1-xA))代入數(shù)據(jù)：v=0.5m3/h，xA=0.8，k=0.8h?1V=0.5×0.8/(0.8×0.2)=0.5×0.8/0.16=0.5×5=2.5m3五、綜合分析題（1）兩段絕熱床與中間換熱的原因：①變換反應(yīng)為放熱反應(yīng)，絕熱操作會(huì)使床層溫度升高，而平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高降低（ΔH<0，溫度↑，K↓）；②第一段絕熱反應(yīng)利用反應(yīng)熱快速提高溫度，加快反應(yīng)速率；中間換熱降溫后，第二段反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行，可提高平衡轉(zhuǎn)化率；③控制床層溫度在催化劑活性溫度范圍內(nèi)（一般300-500℃），避免超溫失活。（2）第二段“熱點(diǎn)”產(chǎn)生原因：①第一段出口溫度過高（450℃），中間換熱器換熱不足，導(dǎo)致第二段入口溫度偏高；②氣體分布不均（如催化劑裝填不勻），局部區(qū)域氣體流量小，反應(yīng)放熱集中；③原料氣中H?O/CO比例偏低，反應(yīng)推動(dòng)力不足，局部未反應(yīng)的CO在第二段集中反應(yīng)放熱；