2025年化工設計試題及答案1單項選擇題（每題2分，共20分）1.1在乙苯脫氫制苯乙烯的絕熱徑向反應器設計中，為提高單程轉(zhuǎn)化率又不使催化劑失活，下列措施最合理的是A.提高入口乙苯分壓?B.在反應器中段引入過熱蒸汽?C.降低反應壓力?D.提高催化劑顆粒直徑答案：B。中段引入過熱蒸汽可瞬時升溫、推動平衡向右，同時水蒸氣分壓升高降低烴分壓，抑制結焦。1.2對含40%（質(zhì)量）丙酮、60%水、含微量醋酸的廢液進行雙塔精餾回收，塔頂要求丙酮≥99.5%，塔釜丙酮≤0.1%。下列哪種塔內(nèi)件在相同理論板數(shù)下能耗最低A.篩板?B.浮閥?C.規(guī)整填料?D.散堆鮑爾環(huán)答案：C。規(guī)整填料在丙酮-水體系中等板高度低、壓降小，再沸器熱負荷可降低8%–12%。1.3某廠采用甲苯歧化制苯和二甲苯，反應熱ΔH=–42kJ·mol?1。若反應器出口溫度比進口高15℃，則下列關于熱集成方案的說法正確的是A.必須設置外部冷源?B.可用反應流出物預熱進料?C.反應器需采用等溫管式?D.需采用熔鹽移熱答案：B。放熱量較小，溫升有限，可用熱集成預熱進料即可。1.4在CO?捕集工藝中，30%（w）MEA水溶液吸收塔設計液氣比為2.5L·m?3（標態(tài)）。若改用40%（w）MEA，保持CO?捕集率不變，液氣比應A.增加15%?B.減少20%?C.減少30%?D.基本不變答案：B。濃度升高提高平衡分壓推動力，液氣比可下調(diào)約20%。1.5某離心泵輸送20℃水，額定流量100m3·h?1，揚程60m，效率78%。若改送密度1200kg·m?3、黏度5cP的鹽水，流量不變，則軸功率約增加A.5%?B.12%?C.20%?D.30%答案：C。密度增加20%，黏度升高導致效率下降約5%，綜合軸功率增加約20%。1.6在AspenPlus中，對含極性組分的高壓烴體系，最適合的物性方法是A.IDEAL?B.PENG-ROB?C.NRTL-HOC?D.SRK答案：C。NRTL-HOC同時考慮液相非理想性與氣相締合。1.7某固定床加氫反應器，催化劑床層壓降0.35MPa，若將顆粒直徑從2mm提高到4mm，其他不變，壓降約A.增加一倍?B.減少為1/4?C.減少為1/2?D.基本不變答案：B。壓降與顆粒直徑平方成反比，理論減至1/4。1.8對年產(chǎn)30萬噸乙烯的裂解爐，輻射段爐管材質(zhì)最高允許溫度1100℃，若采用極限裂解技術，爐管最高管壁溫度應控制在A.950℃?B.1000℃?C.1050℃?D.1080℃答案：C。留20℃安全裕度，1050℃為設計上限。1.9在低溫甲醇洗脫除H?S工藝中，富甲醇閃蒸罐操作溫度–35℃，若閃蒸壓力從0.3MPa降至0.1MPa，CO?解吸率將A.增加5%?B.增加15%?C.減少10%?D.基本不變答案：B。低壓促進CO?解吸，解吸率提高約15%。1.10某廠采用膜分離回收氫氣，膜材料為聚砜，進料壓力3.5MPa，滲透側(cè)0.5MPa。若將進料壓力提高到5.0MPa，氫氣回收率A.增加5%?B.增加10%?C.減少5%?D.減少10%答案：B。氫氣滲透通量與Δp成正比，回收率提高約10%。2多項選擇題（每題3分，共15分；每題至少有兩個正確答案，多選少選均不得分）2.1關于反應-分離-熱集成一體化設計，下列說法正確的是A.反應熱可直接驅(qū)動再沸器?B.反應器與精餾塔可共用一臺循環(huán)泵?C.熱集成可能導致controllability下降?D.采用中間再沸器可打破共沸?E.反應器出口氣相可直接作為精餾塔提餾段熱源答案：ACE。B錯在循環(huán)泵揚程與密封要求不同；D錯，中間再沸器不能打破共沸。2.2在苯-甲苯-二甲苯芳烴聯(lián)合裝置中，為降低能耗可采取A.熱偶精餾?B.差壓熱集成?C.蒸汽透平驅(qū)動熱泵?D.多效精餾?E.萃取精餾答案：ABCD。E對分離苯-甲苯有效，但對三元體系節(jié)能貢獻小。2.3下列屬于本質(zhì)安全設計原則的有A.最小化?B.替代?C.簡化?D.緩和?E.容錯答案：ABCD。E屬于保護層分析范疇，非本質(zhì)安全原則。2.4關于CO?地質(zhì)封存鏈的能耗，下列環(huán)節(jié)能耗占比從高到低排序合理的是A.捕集>壓縮>運輸>注入?B.壓縮>捕集>注入>運輸?C.捕集>壓縮>注入>運輸?D.運輸>捕集>壓縮>注入答案：A。捕集能耗占70%–80%，壓縮10%–15%，運輸與注入合計<10%。2.5在生物柴油超臨界甲醇工藝中，下列參數(shù)對脂肪酸甲酯收率影響顯著的有A.醇油摩爾比?B.反應溫度?C.反應壓力?D.停留時間?E.催化劑濃度答案：ABCD。超臨界工藝無需催化劑，E不顯著。3判斷題（每題1分，共10分；正確打“√”，錯誤打“×”）3.1對于放熱可逆反應，提高溫度總是降低平衡轉(zhuǎn)化率。答案：×。放熱反應提高溫度降低平衡轉(zhuǎn)化率，但“總是”一詞忽略動力學因素。3.2在HTR（高溫反應器）與LTR（低溫反應器）串聯(lián)的甲醇合成回路中，HTR出口甲醇摩爾分數(shù)高于LTR。答案：×。HTR溫度高、平衡受限，甲醇摩爾分數(shù)低于LTR。3.3采用隔板塔（DWC）分離三元混合物，可比兩塔流程節(jié)能約30%。答案：√。3.4對于離心壓縮機，采用可調(diào)進口導葉（IGV）比變頻節(jié)能效果更好。答案：×。變頻在寬負荷范圍效率更高。3.5在Aspen中，RadFrac模塊可模擬反應精餾，但需勾選“Reactions”選項。答案：√。3.6對于同樣的分離任務，填料塔的液泛氣速總是高于篩板塔。答案：×。與板間距、填料類型有關，不能一概而論。3.7在低溫分離天然氣凝液時，采用Joule-Thomson閥制冷比透平膨脹機制冷?損失大。答案：√。3.8對于同樣的管殼式換熱器，采用逆流布置的傳熱溫差總是大于并流。答案：√。3.9在硫酸烷基化裝置中，酸耗與烯烴進料中丁烯含量呈線性關系。答案：×。酸耗與丁烯含量呈非線性關系，因副反應加劇。3.10采用分子篩吸附脫水時，濕氣體線速越高，傳質(zhì)區(qū)長度越短。答案：×。線速過高導致傳質(zhì)區(qū)變長。4簡答題（每題8分，共24分）4.1某廠擬將年產(chǎn)20萬噸的乙苯脫氫裝置改造為年產(chǎn)30萬噸，原反應器為兩段徑向絕熱床，催化劑體積120m3。若保持進口溫度、壓力、水烴比不變，僅增加催化劑體積，請給出兩種改造方案并比較其優(yōu)劣。答案：方案A：等比例放大催化劑體積至180m3，保持兩段床層高度不變，擴大反應器直徑。優(yōu)點：流體力學相似，操作經(jīng)驗可復制；缺點：設備直徑增大，需更換殼體，投資高。方案B：維持原反應器殼體，在床層內(nèi)增加內(nèi)構件，改三段徑向床，催化劑體積增至180m3。優(yōu)點：殼體利舊，投資??；缺點：內(nèi)構件復雜，檢修困難，壓降略增。綜合比較：若檢修周期允許，方案B投資省約30%，但運行風險略高；若追求長周期穩(wěn)定，方案A更優(yōu)。4.2簡述在CO?捕集-礦化一體化工藝中，如何利用鎂渣（主要含MgO）實現(xiàn)CO?固定，并給出關鍵反應與工藝條件。答案：鎂渣先經(jīng)濕法球磨得活性MgO漿液，在120–150℃、0.3–0.5MPaCO?分壓下碳酸化：MgO+CO?→MgCO??ΔH=–118kJ·mol?1為克服MgCO?層包裹，采用多級射流碳化器，液滴粒徑<50μm，停留30min，轉(zhuǎn)化率>90%。礦化產(chǎn)物MgCO?經(jīng)壓濾、干燥得輕質(zhì)碳酸鎂，可作為橡膠填料出售，實現(xiàn)負碳收益。4.3某裂解氣壓縮機采用“三缸兩抽”流程，試說明設置中間抽氣的目的，并給出抽氣位置選擇原則。答案：目的：①降低末級壓縮比，減少出口溫度，防止烯烴聚合；②回收低溫位熱量，用于預熱鍋爐給水；③減少功率消耗約5%–7%。抽氣位置原則：①裂解氣露點曲線，避免液擊；②壓縮比分配均勻，每段壓比<3；③抽氣溫度<90℃，便于熱量回收；④與后續(xù)冷箱負荷匹配，避免過冷或過熱。5計算題（共31分）5.1反應器設計（10分）乙苯脫氫制苯乙烯：C?H???C?H?+H?，ΔH=+124kJ·mol?1。進料：乙苯100kmol·h?1，水蒸氣500kmol·h?1，溫度630℃，壓力0.12MPa。平衡常數(shù)Kp=0.15MPa。求：①平衡轉(zhuǎn)化率；②若采用三段絕熱床，每段溫升不超過30℃，求第三段出口溫度。解：①設平衡轉(zhuǎn)化率x，則Kp=(x·P)/(1–x)·(1+x·P/Pt)?Pt=0.12MPa解得x=0.72。②每段允許溫升30℃，三段共90℃，出口溫度=630+90=720℃。5.2精餾塔設計（11分）分離甲醇-水混合物，進料1000kmol·h?1，xF=0.4，飽和液體，塔頂xD=0.995，塔釜xW=0.01。相對揮發(fā)度α=4.5，采用全凝器，泡點回流。求：①最小回流比Rmin；②若實際回流比R=1.3Rmin，求理論板數(shù)（用Gilliland關聯(lián)）；③若采用高效規(guī)整填料，等板高度HETP=0.25m，求填料層高度。解：①q=1，xD=0.995，xF=0.4，α=4.5Rmin=(xD–y)/(y–xF)，y=αxF/(1+(α–1)xF)=0.75Rmin=(0.995–0.75)/(0.75–0.4)=0.7②R=1.3×0.7=0.91Nmin=ln[(xD/(1–xD))·((1–xW)/xW)]/lnα=8.3X=(R–Rmin)/(R+1)=0.11Gilliland：Y=0.75(1–X^0.5668)=0.46N=(Nmin+Y)/(1–Y)=16.2→取17塊③H=N×HETP=17×0.25=4.25m。5.3換熱器網(wǎng)絡綜合（10分）某裝置有三股熱流、三股冷流，數(shù)據(jù)如下：熱流H1：CP=2kW·K?1，Tin=180℃，Tout=80℃熱流H2：CP=3kW·K?1，Tin=150℃，Tout=50℃熱流H3：CP=4kW·K?1，Tin=100℃，Tout=40℃冷流C1：CP=3kW·K?1，Tin=30℃，Tout=120℃冷流C2：CP=2kW·K?1，Tin=60℃，Tout=160℃冷流C3：CP=5kW·K?1，Tin=80℃，Tout=180℃最小允許溫差ΔTmin=10℃。求：①最小熱公用工程QH,min；②最小冷公用工程QC,min；③用夾點法確定夾點溫度。解：①②采用問題表格法：劃分溫度區(qū)間，計算熱級聯(lián)，得QH,min=120kW，QC,min=90kW③夾點溫度：熱側(cè)100℃，冷側(cè)90℃。6綜合設計題（20分）6.1背景某沿海煉化一體化企業(yè)擬新建年產(chǎn)50萬噸對二甲苯（PX）裝置，原料為石腦油裂解汽油（含芳烴60%），要求能耗≤2.8GJ·t?1PX，廢水≤0.3t·t?1，實現(xiàn)綠氫替代，CO?排放強度≤0.25t·t?1PX。6.2任務完成流程概念設計，給出：①總流程框圖（文字描述）；②關鍵設備選型與操作條件；③熱集成與節(jié)能措施；④CO?減排與氫氣替代方案；⑤廢水減排措施。6.3答案①總流程：裂解汽油預分餾→苯抽提（環(huán)丁砜）→苯甲苯分離→甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移→二甲苯分餾→模擬移動床吸附分離PX→異構化→高純度PX。②關鍵設備：-抽提塔：φ4.2m，篩板70塊，溶劑比3.5，回流比0.8；-甲苯歧化徑向反應器：Pt/HZSM-5，入口440℃，2.5MPa，氫烴比3，WHSV=2h?1；-模擬移動床吸附：ADS-37分子篩，24床層，步進時間90s，PX純度99.7%；-異構化反應器：雙床層，入口380℃，1.2MPa，乙苯轉(zhuǎn)化率>35%。③熱集成