2025年化工實(shí)務(wù)案例練習(xí)題及答案一、案例背景與工藝描述某沿海省級(jí)化工園區(qū)新建一套年產(chǎn)30萬噸環(huán)氧丙烷（PO）聯(lián)合裝置，采用HPPO法（過氧化氫直接氧化丙烯）工藝。裝置分為四個(gè)工段：①丙烯凈化與壓縮工段；②雙氧水配制與穩(wěn)定工段；③環(huán)氧化反應(yīng)工段（管式固定床，鈦硅分子篩催化劑，反應(yīng)溫度40℃、壓力3.0MPaG）；④PO精制與溶劑回收工段（萃取劑為甲醇水混合溶劑，萃取精餾塔C401，常壓操作，塔頂溫度64℃）。項(xiàng)目環(huán)評(píng)批復(fù)要求：裝置區(qū)邊界非甲烷總烴（NMHC）小時(shí)均值≤4mg/m3；廢水CODCr≤50mg/L，丙烯腈類≤0.5mg/L；危險(xiǎn)廢物全部委托有資質(zhì)單位處置，不得出廠界。2025年3月裝置投料試車，4月5日10:30—11:30期間，DCS記錄顯示：1.循環(huán)氣壓縮機(jī)K201出口壓力由3.05MPaG降至2.78MPaG，流量由18000Nm3/h升至21200Nm3/h；2.反應(yīng)器R201床層熱點(diǎn)溫度由41.2℃升至47.8℃；3.塔C401塔頂冷凝器E401循環(huán)水出口溫度由32℃升至41℃，塔頂壓力由101.3kPaA升至108.4kPaA；4.裝置邊界NMHC在線監(jiān)測瞬時(shí)值最高達(dá)7.9mg/m3，持續(xù)12min。當(dāng)班班長按應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)二級(jí)響應(yīng)：降負(fù)荷至60%，切斷雙氧水進(jìn)料，向R201注入5wt%碳酸鈉溶液緊急淬滅，同時(shí)開啟邊界水幕。11:45各項(xiàng)參數(shù)趨穩(wěn)，12:00NMHC回落至2.8mg/m3。4月6日，企業(yè)組織自查，發(fā)現(xiàn)：a)K201入口過濾器壓差表Pdt201顯示0.12MPa，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值0.03MPa；b)R201催化劑床層上部0.5m處出現(xiàn)5cm厚結(jié)焦層，結(jié)焦物紅外光譜顯示含—CH?—CH(CN)—片段；c)E401循環(huán)水側(cè)黏泥量達(dá)3.8mL/m3，異養(yǎng)菌總數(shù)2.1×10?CFU/mL；d)雙氧水儲(chǔ)罐T301呼吸閥出口管道存在長約20cm裂紋，裂紋呈沿晶+穿晶混合形貌，金相顯示晶界有鏈狀碳化物。4月7日，園區(qū)應(yīng)急管理局下達(dá)《責(zé)令限期整改指令書》，要求15日內(nèi)完成事故隱患閉環(huán)。企業(yè)成立“4·5”事件調(diào)查組，委托第三方機(jī)構(gòu)開展HAZOP再驗(yàn)證、SIL定級(jí)復(fù)核、LOPA分析更新。二、問題與作答【案例題1】根據(jù)上述情景，指出導(dǎo)致K201出口壓力下降、流量升高的直接原因，并給出驗(yàn)證方法。答案：直接原因是入口過濾器堵塞造成壓縮機(jī)吸入阻力增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)入喘振前區(qū)，防喘振閥自動(dòng)開大，表現(xiàn)為出口壓力下降、循環(huán)氣流量升高。驗(yàn)證方法：1.停機(jī)隔離后拆檢過濾器，稱重積塵量并做SEMEDS，確認(rèn)雜質(zhì)成分；2.對(duì)比試車以來Pdt201趨勢，若壓差呈線性上升且與運(yùn)行時(shí)間相關(guān)，可排除儀表誤報(bào)；3.利用K201性能曲線，查取當(dāng)前轉(zhuǎn)速、進(jìn)口溫度下的喘振邊界，若實(shí)測點(diǎn)已逼近邊界線，即可佐證。解析：HPPO循環(huán)氣含丙烯、氮、少量CO?，若丙烯凈化工段分子篩粉化或管道銹渣脫落，易被高速氣流攜帶至過濾器。過濾器堵塞→壓縮機(jī)入口ρv2/2↓→壓頭不足→防喘振閥FV201B自動(dòng)開大→流量升高、出口壓力下降，符合離心壓縮機(jī)特性。【案例題2】試分析R201床層熱點(diǎn)溫度異常升高的根本原因，并給出三條工藝處置措施。答案：根本原因是雙氧水局部過量導(dǎo)致劇烈分解，釋放O?與反應(yīng)熱；分解誘因系循環(huán)氣中帶入含氮有機(jī)物（丙烯腈類），在鈦硅分子篩酸性位上引發(fā)自由基鏈反應(yīng)。三條工藝處置：1.在線拉曼檢測雙氧水濃度，設(shè)置≥8.5wt%時(shí)聯(lián)鎖切斷H?O?進(jìn)料泵P301A/B；2.在R201入口增設(shè)活性炭纖維罐，吸附脫除≧0.1μmol/mol的丙烯腈類；3.將反應(yīng)器分段注冷，原單點(diǎn)注冷改為三段3℃溫差逐級(jí)取熱，降低熱點(diǎn)峰值。解析：HPPO反應(yīng)為放熱（ΔH≈?210kJ/kgPO），催化劑骨架Ti??易催化H?O?分解。含氮有機(jī)物通過形成R—N·自由基，加速H?O?→H?O+?O?↑，O?進(jìn)一步氧化丙烯生成醛、酸，放熱量疊加。三段注冷可把軸向熱點(diǎn)由47.8℃降至＜42℃，確保ΔT＜5℃?！景咐}3】針對(duì)C401塔頂超壓，繪制故障樹（FTA）并求最小割集；假設(shè)各底事件概率均為0.01，求塔頂安全閥PSV401誤動(dòng)概率。答案：故障樹頂事件“C401塔頂超壓”分三支：A.冷凝能力不足（E401換熱面積不足或循環(huán)水溫度高）；B.塔頂餾出線堵塞（聚合物、水合物）；C.儀表誤指示導(dǎo)致操作失誤。A再分：A1循環(huán)水溫度高、A2循環(huán)水量低、A3E401結(jié)垢；B再分：B1聚合物堵塞、B2水合物堵塞；C再分：C1壓力變送器漂移、C2操作人員誤判。最小割集：{A1,A2,A3}、{B1,B2}、{C1,C2}。誤動(dòng)概率：PSV401為1oo1結(jié)構(gòu)，其誤動(dòng)僅考慮C1+C2分支，設(shè)C1、C2獨(dú)立，則P=(0.01+0.01?0.01×0.01)=0.0199。解析：FTA自上而下，用布爾代數(shù)化簡得三階最小割集。PSV誤動(dòng)概率取并集，忽略共同原因失效，結(jié)果0.0199滿足ISO4126可接受值＜0.01要求，需增設(shè)2oo3壓力表決?！景咐}4】試計(jì)算4月5日10:30—11:30期間裝置邊界NMHC超標(biāo)排放量（kg）。已知：裝置區(qū)邊界長×寬×高=280m×180m×12m，平均風(fēng)速2.1m/s，大氣穩(wěn)定度D類，在線監(jiān)測儀位于下風(fēng)向35m處，瞬時(shí)值7.9mg/m3持續(xù)12min，其余48min平均3.2mg/m3。答案：采用SCREEN3估算模式，把邊界視為面源，排放速率Q=Cm×u×σz/(2.15×σy)。D類下σy=0.08x(1+0.0001x)^??=0.08×35×0.999≈2.8m；σz=0.06x(1+0.0015x)^??≈2.1m。則Q=7.9×2.1×2.1/(2.15×2.8)=5.75mg/m2·s；12min排放量=5.75×10?3×280×180×12×60=21.0kg。48min平均3.2mg/m3，對(duì)應(yīng)Q=2.33mg/m2·s，排放量=2.33×10?3×280×180×48×60=34.1kg。總排放量=21.0+34.1=55.1kg。解析：面源模式忽略橫向擴(kuò)散修正，保守估算。實(shí)際園區(qū)后續(xù)委托LDAR檢測，組件泄漏總量僅3.7kg，差異部分源于在線監(jiān)測儀位于下風(fēng)向渦流區(qū)，受建筑尾流影響，監(jiān)測值偏高?！景咐}5】對(duì)T301呼吸閥出口管道裂紋，應(yīng)開展哪些材料檢驗(yàn)與失效分析項(xiàng)目？給出檢驗(yàn)流程圖。答案：1.現(xiàn)場復(fù)膜金相——判斷裂紋沿晶/穿晶比例；2.取樣做SEM——測量裂紋尖端二次裂紋長度，計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子KI；3.EDS能譜——檢測晶界是否富集S、P、Cl；4.取樣做XRD——鑒定碳化物類型（M23C6或M7C3）；5.常溫拉伸與?20℃沖擊——驗(yàn)證材料韌性退化；6.雙回路動(dòng)電位再活化（DLEPR）——量化晶間腐蝕敏感性；7.有限元模擬——計(jì)算呼吸閥啟閉循環(huán)熱應(yīng)力幅。流程圖：現(xiàn)場目視→PT滲透→復(fù)膜金相→切割取樣→SEM/EDS→XRD→力學(xué)性能→DLEPR→FEA→出具失效分析報(bào)告。解析：該管道材質(zhì)316L，運(yùn)行溫度?10℃～45℃，呼吸閥年均啟閉1.2×10?次。裂紋呈沿晶+穿晶，系Cl?環(huán)境下疲勞晶間腐蝕協(xié)同。檢驗(yàn)需閉環(huán)，F(xiàn)EA得出最大應(yīng)力幅185MPa，低于材料疲勞極限215MPa，但晶間腐蝕使實(shí)際門檻值降至160MPa，故開裂?！景咐}6】依據(jù)《化工過程安全管理導(dǎo)則》（AQ/T3034—2022），為“4·5”事件編制一份安全警示卡，要求包含事件描述、直接原因、潛在后果、整改措施、經(jīng)驗(yàn)分享五要素，字?jǐn)?shù)不超過200字。答案：事件：2025040510:30，HPPO裝置循環(huán)氣過濾器堵塞，壓縮機(jī)喘振前區(qū)，反應(yīng)器熱點(diǎn)升高7℃，邊界NMHC超標(biāo)7.9mg/m3。直接原因：過濾器堵塞+含氮有機(jī)物致雙氧水分解。潛在后果：若未切料，可能引發(fā)反應(yīng)器爆破片動(dòng)作，PO泄漏，VCE風(fēng)險(xiǎn)。整改：①更換過濾精度10μm濾芯，②增設(shè)活性炭纖維罐，③SIL2聯(lián)鎖雙氧水濃度。經(jīng)驗(yàn)：過濾器壓差納入DCS趨勢報(bào)警，≥0.05MPa自動(dòng)切換備臺(tái)?！景咐}7】若企業(yè)擬將廢水CODCr由現(xiàn)狀80mg/L降至≤50mg/L，現(xiàn)有“絮凝+臭氧BAC”工藝，設(shè)計(jì)流量200m3/h，臭氧投加量45mg/L，BAC空床接觸時(shí)間30min。試校核臭氧投加量是否足夠，并給出優(yōu)化方案。答案：現(xiàn)狀COD去除率=(80?50)/80=37.5%。臭氧氧化段COD去除按一級(jí)動(dòng)力學(xué)?dC/dt=kC，k=0.18min?1，t=15min（有效接觸），則C/C0=exp(?0.18×15)=0.067，去除率93.3%，遠(yuǎn)＞37.5%，故臭氧投加量足夠。但實(shí)測BAC出水中丙烯腈類0.7mg/L，高于排放限值0.5mg/L，需增設(shè)PAC吸附段。優(yōu)化：在BAC前投加粉末活性炭30mg/L，吸附時(shí)間20min，丙烯腈類可降至0.3mg/L，COD同步降至42mg/L，滿足要求。解析：臭氧對(duì)丙烯腈類去除率僅40%，PAC對(duì)其吸附容量120mg/g，投加30mg/L可去除3.6mg/L丙烯腈類，完全覆蓋現(xiàn)狀0.7mg/L，冗余度高?！景咐}8】對(duì)危險(xiǎn)廢物“結(jié)焦催化劑HW5026115650”，企業(yè)計(jì)劃采用“熱相分離+催化復(fù)活”技術(shù)，需論證其可行性。給出技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選指標(biāo)及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。答案：指標(biāo)：1.復(fù)活后催化劑PO選擇性相對(duì)值（權(quán)重30%），≥98%得滿分；2.復(fù)活率（重量，20%），≥92%得滿分；3.能耗（kWh/kg廢劑，15%），≤1.2得滿分；4.尾氣VOCs（mg/Nm3，10%），≤20得滿分；5.投資回收期（年，10%），≤3得滿分；6.政策符合性（是否屬清潔生產(chǎn)目錄，10%），是得滿分；7.操作安全性（5%），無高溫高壓得滿分。評(píng)分：滿分100，≥80可行，60—79改進(jìn)后可行，＜79不可行。經(jīng)中試，該技術(shù)得分86，結(jié)論可行。解析：熱相分離在550℃、N?保護(hù)下使結(jié)焦物裂解，再經(jīng)5%H?/Ar400℃還原30min，催化劑比表面積由142m2/g恢復(fù)至178m2/g，復(fù)活率94%，PO選擇性99%，滿足要求?！景咐}9】依據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)特殊作業(yè)安全規(guī)范》（GB30871—2022），為T301呼吸閥管道裂紋維修辦理動(dòng)火票，列出能量隔離清單及盲板規(guī)格。答案：能量隔離：1.雙氧水進(jìn)料泵P301A/B斷電上鎖；2.關(guān)閉T301氣相出口閥HV301，加盲板BL1；3.關(guān)閉氮?dú)獗洪yPV302，加盲板BL2；4.切斷呼吸閥阻火器下游管線，加盲板BL3；5.開啟T301人孔，強(qiáng)制通風(fēng)，測氧＞20%、H?O?蒸氣＜1ppm。盲板規(guī)格：BL1DN150PN16316L，BL2DN50PN16316L，BL3DN200PN16316L，全部按HG/T20592RF突面，厚度經(jīng)計(jì)算≥12mm，滿足3.0MPaG隔離要求。解析：雙氧水在金屬裂紋處可分解產(chǎn)氧，動(dòng)火前需確保氧含量不超標(biāo)。盲板厚度按GB150計(jì)算，取設(shè)計(jì)壓力1.5倍，316L許用應(yīng)力137MPa，得最小厚度10.8mm，圓整12mm。【案例題10】試建立HPPO裝置反應(yīng)器R201的SIL定級(jí)回路，確定其安全功能、要求時(shí)的失效概率（PFD）目標(biāo)及驗(yàn)證計(jì)算。答案：安全功能：SIF1“當(dāng)R201床層熱點(diǎn)溫度≥45℃時(shí)，切斷雙氧水進(jìn)料”。SIL等級(jí)：依據(jù)LOPA，剩余風(fēng)險(xiǎn)需降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，定級(jí)SIL2，PFD目標(biāo)1×10?2～1×10?3。驗(yàn)證：采用2oo3溫度變送器（λDU=1.2×10??h?1），電磁閥（λDU=2.5×10??h?1），切斷閥（λDU=3.0×10??h?1），共因β=5%，MTTR=8h，TI=8760h。PFDavg=β×λDU×TI/2+(1?β)×[(λDU×TI)3/4]=0.05×1.2×10??×8760/2+0.95×[(1.2×10??×8760)3/4]=2.63×10??+1.8×10??≈2.6×10??，滿足SIL2。解析：2oo3架構(gòu)將危險(xiǎn)失效概率降低三個(gè)數(shù)量級(jí)，β取5%保守。計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于1×10?2，滿足風(fēng)險(xiǎn)降低要求?！景咐}11】試編寫一段Python代碼，用于讀取DCS導(dǎo)出的CSV文件（時(shí)間、熱點(diǎn)溫度、雙氧水流量、NMHC濃度），自動(dòng)判斷是否存在“熱點(diǎn)溫度≥45℃且持續(xù)≥2min”事件，并輸出事件起止時(shí)間、峰值溫度。答案：```pythonimportpandasaspddf=pd.read_csv('dcs_log.csv',parse_dates=['time'])df['hot']=(df['hotspot_T']>=45)df['grp']=(df['hot']!=df['hot'].shift()).cumsum()events=df[df['hot']].groupby('grp').agg(start=('time','min'),end=('time','max'),peak=('hotspot_T','max'),duration=('time',lambdax:(x.max()x.min()).seconds)).reset_index(drop=True)flag=events[events['d