2025年化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.在化工流程模擬中，下列哪種熱力學(xué)模型最適合描述極性非電解質(zhì)體系的氣液平衡？A.PR（PengRobinson）B.NRTLC.UNIQUACD.SRK（SoaveRedlichKwong）答案：C解析：UNIQUAC模型通過組合活度系數(shù)與剩余活度系數(shù)，可準(zhǔn)確描述極性分子間的氫鍵與偶極作用，適用于極性非電解質(zhì)體系；PR與SRK為立方型狀態(tài)方程，對(duì)極性作用修正不足；NRTL雖可用于極性體系，但UNIQUAC參數(shù)更少、外推性更好。2.某廠采用萃取精餾分離甲醇丙酮共沸物，下列萃取劑中，選擇性最高的是：A.水B.乙二醇C.N甲基吡咯烷酮（NMP）D.二甲基亞砜（DMSO）答案：D解析：DMSO與甲醇形成強(qiáng)氫鍵，顯著降低甲醇揮發(fā)度，相對(duì)揮發(fā)度α_丙酮/甲醇由1.08提升至2.3，高于水（1.7）、乙二醇（1.9）及NMP（2.1）。3.在HAZOP分析中，若引導(dǎo)詞為“多（More）”，節(jié)點(diǎn)為“反應(yīng)器冷卻水進(jìn)口”，最可能對(duì)應(yīng)的偏差是：A.冷卻水流量過高B.冷卻水溫度過低C.冷卻水壓力過低D.冷卻水雜質(zhì)多答案：A解析：“多”指物理量數(shù)值高于設(shè)計(jì)值，冷卻水流量過高直接導(dǎo)致反應(yīng)器移熱過量，可能引發(fā)反應(yīng)速率下降或副產(chǎn)物增加；其余選項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)“少（Less）”“部分（Partof）”等引導(dǎo)詞。4.某固定床催化反應(yīng)器出現(xiàn)明顯熱點(diǎn)，下列措施中，不能消除熱點(diǎn)的是：A.降低入口溫度B.分段進(jìn)料冷激C.減小催化劑粒徑D.在管外增設(shè)翅片答案：C解析：減小粒徑會(huì)降低床層孔隙率，加劇徑向傳熱阻力，反而使熱點(diǎn)溫度升高；A降低反應(yīng)速率；B通過冷激氣吸收熱量；D強(qiáng)化管外傳熱，均可抑制熱點(diǎn)。5.依據(jù)GB501602021，下列關(guān)于液化烴罐區(qū)消防冷卻水供給強(qiáng)度的說法，正確的是：A.固定頂罐≥6L/(min·m2)B.浮頂罐≥4.5L/(min·m2)C.相鄰罐≥3L/(min·m2)D.以上均正確答案：D解析：規(guī)范明確固定頂罐著火罐6L/(min·m2)、浮頂罐4.5L/(min·m2)，相鄰罐冷卻強(qiáng)度3L/(min·m2)，與罐型及火災(zāi)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)。6.在AspenPlus中，若采用“DesignSpec”功能控制塔頂產(chǎn)品純度，其內(nèi)部算法本質(zhì)是：A.序貫?zāi)K法B.聯(lián)立方程法C.雙層優(yōu)化法D.牛頓拉夫遜法答案：B解析：DesignSpec將規(guī)定變量與操縱變量寫成殘差方程，通過聯(lián)立方程法同時(shí)收斂流程與規(guī)定，避免序貫迭代震蕩。7.某硫酸裝置采用“3+2”五段轉(zhuǎn)化，若進(jìn)入第四段的SO?體積分?jǐn)?shù)為3.2%，O?為6.0%，則該段平衡轉(zhuǎn)化率最高的溫度約為：A.420℃B.450℃C.480℃D.510℃答案：A解析：根據(jù)SO?氧化平衡曲線，當(dāng)SO?3.2%、O?6.0%時(shí)，420℃下平衡轉(zhuǎn)化率約98.2%，高于450℃（96.5%）及更高溫度；溫度越低，平衡轉(zhuǎn)化率越高，但需兼顧催化劑活性。8.在粉體輸送中，若出現(xiàn)“繩狀流動(dòng)（RopeFlow）”，最可能的原因是：A.氣速過高B.固氣比過低C.彎管半徑過小D.顆粒粒徑過小答案：C解析：彎管半徑過小導(dǎo)致顆粒慣性分離，在管道外側(cè)形成高濃度繩狀流；氣速過高形成稀相，固氣比低為稀相輸送，粒徑小易均勻懸浮。9.某廠采用MVR（機(jī)械蒸汽再壓縮）蒸發(fā)Na?SO?溶液，若壓縮機(jī)等熵效率為82%，蒸發(fā)量為10t/h，則壓縮機(jī)軸功率約為：A.180kWB.220kWC.260kWD.300kW答案：B解析：查水蒸氣表，常壓下蒸發(fā)潛熱2257kJ/kg，壓縮機(jī)需提升飽和蒸汽從100℃至115℃（ΔT=15K），對(duì)應(yīng)等熵焓升Δh_s≈18kJ/kg，實(shí)際焓升Δh=Δh_s/0.82=22kJ/kg，功率P=10×1000/3600×22≈220kW。10.依據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ1692018），下列必須開展大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的情形是：A.涉及重大危險(xiǎn)源且最大可信事故泄漏量≥5t的SO?B.涉及一般危險(xiǎn)源且泄漏量≥10t的NH?C.涉及重大危險(xiǎn)源且泄漏量≥1t的苯D.涉及一般危險(xiǎn)源且泄漏量≥5t的CO答案：C解析：導(dǎo)則附錄B規(guī)定，苯為極高毒性物質(zhì)，重大危險(xiǎn)源閾值1t即需預(yù)測(cè)；SO?、NH?、CO閾值分別為10t、20t、200t。二、填空題（每空2分，共20分）11.在反應(yīng)器體積計(jì)算中，若采用“空時(shí)（τ）”概念，其定義式為τ=________，對(duì)于恒密度一級(jí)不可逆反應(yīng)，出口轉(zhuǎn)化率x與空時(shí)的關(guān)系為________。答案：τ=V_R/Q_0；x=1–e^(–kτ)解析：空時(shí)指物料在反應(yīng)器中的平均停留時(shí)間，恒密度下與轉(zhuǎn)化率呈指數(shù)關(guān)系。12.依據(jù)API520，安全閥有效排放面積A的計(jì)算式為A=________，其中W為質(zhì)量流量，K_d為排放系數(shù)，P_1為入口絕對(duì)壓力，K_b為背壓修正系數(shù)。答案：A=W/(K_d·K_b·C·P_1·√(M/(Z·T)))解析：C為常數(shù)，與氣體性質(zhì)及單位制有關(guān)，M為分子量，Z為壓縮因子，T為絕對(duì)溫度。13.在換熱網(wǎng)絡(luò)綜合中，若某熱流熱容流率CP_H=200kW/℃，冷流CP_C=300kW/℃，最小接近溫差ΔT_min=10℃，則該匹配的最大可交換熱量為________kW。答案：6000解析：Q_max=CP_min·(T_H,in–T_C,out–ΔT_min)=200·(300–100–10)=6000kW，此處CP_H為限制端。14.某精餾塔采用全凝器，塔頂產(chǎn)品流量D=50kmol/h，回流比R=2.5，則塔頂蒸氣流量V=________kmol/h。答案：175解析：V=D·(R+1)=50×3.5=175kmol/h。15.在離心泵選型中，若系統(tǒng)特性曲線為H_s=30+0.004Q2（Q單位m3/h），泵曲線為H_p=60–0.006Q2，則工作點(diǎn)流量為________m3/h。答案：60解析：令H_s=H_p，30+0.004Q2=60–0.006Q2，解得Q2=3000，Q≈54.77≈55m3/h（取整）。16.依據(jù)GB/T150.32011，內(nèi)壓圓筒厚度計(jì)算公式為δ=________，其中P_c為計(jì)算壓力，D_i為內(nèi)徑，[σ]^t為設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力，φ為焊接接頭系數(shù)。答案：δ=P_c·D_i/(2[σ]^t·φ–P_c)解析：基于薄壁圓筒第三強(qiáng)度理論推導(dǎo)，考慮內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力。17.在粉體休止角測(cè)定中，若漏斗高度固定為20cm，粉體自然堆積半徑r=8cm，則休止角θ=________°。答案：68解析：tanθ=h/r=20/8=2.5，θ=arctan(2.5)≈68°。18.某裝置年操作時(shí)間8000h，設(shè)計(jì)產(chǎn)能20萬t/a，若實(shí)際年產(chǎn)量18萬t，則產(chǎn)能利用率為________%。答案：90解析：利用率=18/20×100%=90%。19.在PID圖中，若儀表位號(hào)為“PIC201”，則字母“I”表示________功能。答案：指示（Indicating）解析：PID圖例字母首位P為壓力，I為指示，C為控制。20.依據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB50160），液化烴儲(chǔ)罐與明火地點(diǎn)的防火間距不應(yīng)小于________m。答案：55解析：表4.1.9規(guī)定，≥1000m3液化烴儲(chǔ)罐與明火地點(diǎn)55m，與工藝裝置40m。三、簡(jiǎn)答題（每題10分，共30分）21.某廠擬采用二甲醚（DME）羰基化制醋酸甲酯，再水解制醋酸，反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)如下：①CH?OCH?+CO→CH?COOCH?k?=1.2×10?exp(–7200/T)s?1②CH?COOCH?+H?O→CH?COOH+CH?OHk?=4.5×10?exp(–6500/T)s?1③副反應(yīng)：CH?COOCH?+CH?OH→(CH?COOCH?)?k?=2.0×10?exp(–8000/T)s?1若目標(biāo)產(chǎn)物為醋酸，試從反應(yīng)工程角度提出提高選擇性的三條措施，并說明理由。答案與解析：措施1：采用膜反應(yīng)器及時(shí)移走產(chǎn)物CH?OH，抑制副反應(yīng)③。依據(jù)勒夏特列原理，降低CH?OH濃度使平衡左移，減少二聚體生成，實(shí)驗(yàn)表明選擇性可提高8–12%。措施2：在反應(yīng)器前段設(shè)置低溫（180℃）預(yù)反應(yīng)區(qū)，使動(dòng)力學(xué)控制的主反應(yīng)①優(yōu)先進(jìn)行，后段升溫至220℃加速水解②，避免高溫下副反應(yīng)③速率指數(shù)上升。措施3：采用過量水蒸氣，水酯摩爾比≥4:1，既推動(dòng)水解反應(yīng)②平衡向右，又稀釋CH?COOCH?濃度，降低副反應(yīng)③速率，工業(yè)數(shù)據(jù)顯示選擇性由85%提升至93%。22.某大型低溫甲醇洗裝置（Rectisol）再生塔頂冷凝器采用40℃丙烯制冷，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)塔壓持續(xù)升高，分析可能原因并提出診斷步驟。答案與解析：原因1：冷凝器傳熱面結(jié)蠟。低溫下石蠟、水合物沉積，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降50%以上，冷凝量減少，塔頂氣體累積升壓。原因2：丙烯制冷劑中不凝氣（N?、CH?）累積，冷凝器殼程氣阻增大，有效溫差降低。原因3：塔頂甲醇攜帶大量CO?，在冷凝器內(nèi)形成干冰堵塞。診斷步驟：①讀取DCS趨勢(shì)，若冷卻丙烯溫度、壓力正常而塔頂溫度升高，可排除制冷機(jī)問題；②取樣分析塔頂氣體組成，若N?+CH?>5mol%，判定不凝氣累積；③停車檢修打開冷凝器，若管壁附著白色固體，經(jīng)FTIR確認(rèn)為CO?干冰；若為蠟狀固體，確認(rèn)為石蠟；④在線注入甲醇+乙二醇混合溶劑（30℃）沖洗，若壓差下降，驗(yàn)證為結(jié)蠟；⑤對(duì)丙烯系統(tǒng)增設(shè)不凝氣排放罐，連續(xù)排放≤2%氣量，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。23.某年產(chǎn)30萬t乙烯裝置急冷塔頂汽油餾分（C?–C?）需脫除二烯烴與硫醇，擬采用選擇性加氫+纖維液膜萃取工藝。請(qǐng)給出原則流程，并說明纖維液膜萃取相比傳統(tǒng)堿洗的優(yōu)勢(shì)。答案與解析：原則流程：①汽油先經(jīng)選擇性加氫反應(yīng)器（Pd/Al?O?催化劑，60℃，1.2MPa），將二烯烴轉(zhuǎn)化為單烯烴，硫醇部分加氫為H?S；②反應(yīng)產(chǎn)物冷卻至40℃進(jìn)入纖維液膜萃取器，以15wt%NaOH為萃取相，纖維采用聚丙烯中空纖維膜（孔徑0.2μm），油相走殼程，堿相走管程；③萃取后堿液經(jīng)空氣氧化再生，生成二硫化物后進(jìn)入分離罐，循環(huán)堿液含硫<50ppm；④脫臭汽油經(jīng)水洗、鹽濾后送出。優(yōu)勢(shì)：a.纖維膜提供穩(wěn)定液液界面，相比傳統(tǒng)堿洗塔，體積傳質(zhì)系數(shù)提高3–5倍，設(shè)備體積減小60%；b.堿液包裹在纖維內(nèi)側(cè)，無分散相，杜絕乳化，堿耗降低40%；c.操作彈性大，可在30–120%負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，無液泛；d.出口硫醇可降至5ppm以下，滿足下游醚化裝置要求。四、計(jì)算題（共30分）24.（15分）某放熱氣固相催化反應(yīng)A→B，在管殼式固定床中進(jìn)行，管內(nèi)徑25mm，管長(zhǎng)4m，催化劑粒徑3mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ_p=0.45W/(m·K)，反應(yīng)熱ΔH=–180kJ/mol，入口溫度T_0=380℃，入口A濃度C_A0=2.5mol/m3，表觀速率常數(shù)k=5×10?exp(–8000/T)s?1，有效擴(kuò)散系數(shù)D_e=8×10??m2/s，外擴(kuò)散可忽略。（1）判斷該反應(yīng)是否受內(nèi)擴(kuò)散影響，并計(jì)算有效因子η；（2）若管壁溫度恒為380℃，給熱系數(shù)h=120W/(m2·K)，求最大允許管徑（保持熱點(diǎn)溫升≤10K）。答案與解析：（1）Thiele模數(shù)φ=R_p·√(k/D_e)=1.5×10?3·√(5×10?exp(–8000/653)/8×10??)=1.5×10?3·√(6.2×10?3/8×10??)=1.5×10?3·27.8=0.0417，φ<0.4，內(nèi)擴(kuò)散影響可忽略，η≈1。（2）熱點(diǎn)溫升ΔT_max=(–ΔH)·D_e·C_A0/(λ_p·(1+β))，其中β=(–ΔH)·D_e·C_A0/(λ_p·T_w)=180×103×8×10??×2.5/(0.45×653)=0.0122，ΔT_max=180×103×8×10??×2.5/(0.45×(1+0.0122))=7.9K<10K，故當(dāng)前25mm管徑滿足要求；若要求ΔT_max=10K，反算R_p_max=√(10·λ_p/(–ΔH)·D_e·C_A0)=√(10×0.45/(180×103×8×10??×2.5))=0.035m=35mm，即最大內(nèi)徑70mm。25.（15分）某甲醇水精餾塔，進(jìn)料F=100kmol/h，x_F=0.45，飽和液體進(jìn)料，塔頂x_D=0.98，塔底x_W=0.02，回流比R=1.3R_min，相對(duì)揮發(fā)度α=4.2。（1）用Underwood法求R_min；（2）求理論板數(shù)N（采用Gilliland關(guān)聯(lián)）；（3）若改用熱耦合萃取精餾，以乙二醇為萃取劑，測(cè)得α’_甲醇/水=8.5，回流比降至原工藝的45%，求再沸器熱負(fù)荷下降百分比（假設(shè)潛熱不變）。答案與解析：（1）Underwood方程：Σ(α_i·x_Fi)/(α_i–θ)=1–q，q=1，甲醇：4.2×0.45/(4.2–θ)+0.55×1/