2025化學(xué)工程師考試工藝設(shè)計(jì)試卷考試時(shí)長：120分鐘滿分：100分班級：__________姓名：__________學(xué)號：__________得分：__________試卷名稱：2025化學(xué)工程師考試工藝設(shè)計(jì)試卷考核對象：化學(xué)工程師（中等級別）題型分值分布：-判斷題（總共10題，每題2分）總分20分-單選題（總共10題，每題2分）總分20分-多選題（總共10題，每題2分）總分20分-案例分析（總共3題，每題6分）總分18分-論述題（總共2題，每題11分）總分22分總分：100分---一、判斷題（每題2分，共20分）1.在工藝設(shè)計(jì)中，反應(yīng)熱效應(yīng)的精確計(jì)算是確保反應(yīng)器安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。2.等溫反應(yīng)器適用于所有放熱反應(yīng)的工藝放大。3.分批式反應(yīng)器（BSTR）適用于間歇生產(chǎn)但無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)優(yōu)化的工藝場景。4.穩(wěn)態(tài)操作下的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）中，反應(yīng)物濃度沿反應(yīng)器軸向均勻分布。5.間歇式反應(yīng)器（ISR）的停留時(shí)間分布呈均勻分布。6.在多相催化反應(yīng)中，催化劑的比表面積越大，反應(yīng)速率一定越快。7.工藝流程圖（PFD）中，主要設(shè)備用簡化符號表示，管道則用粗實(shí)線表示。8.管道布置圖（P&ID）需詳細(xì)標(biāo)注閥門、儀表及管路連接方式。9.理想混合反應(yīng)器（如CSTR）中，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率僅取決于反應(yīng)時(shí)間和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。10.工藝設(shè)計(jì)中的能量集成技術(shù)可顯著降低系統(tǒng)的總能耗，但會增加設(shè)備投資。二、單選題（每題2分，共20分）1.下列哪種反應(yīng)器適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的連續(xù)生產(chǎn)？A.等溫反應(yīng)器B.分批式反應(yīng)器C.連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器D.固定床反應(yīng)器2.在多級逆流反應(yīng)器中，出口轉(zhuǎn)化率最高的條件是？A.單級反應(yīng)器B.多級等溫反應(yīng)器C.多級變溫反應(yīng)器D.單級變溫反應(yīng)器3.工藝設(shè)計(jì)中的物料衡算通?；谝韵履膫€(gè)假設(shè)？A.系統(tǒng)絕熱B.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)C.反應(yīng)完全D.系統(tǒng)動(dòng)態(tài)4.以下哪種方法不屬于工藝流程圖（PFD）的標(biāo)準(zhǔn)化表示？A.設(shè)備用圓形符號表示B.管道用細(xì)實(shí)線表示C.流體相態(tài)標(biāo)注（氣/液/固）D.儀表位號標(biāo)注5.在連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）中，停留時(shí)間分布函數(shù)（RTD）通常呈現(xiàn)？A.單峰分布B.雙峰分布C.平坦分布D.對稱分布6.催化劑失活的常見原因不包括？A.積碳覆蓋B.溫度梯度C.動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化D.反應(yīng)器設(shè)計(jì)優(yōu)化7.工藝設(shè)計(jì)中的能量集成技術(shù)主要利用？A.熱力學(xué)第二定律B.化學(xué)平衡常數(shù)C.反應(yīng)動(dòng)力學(xué)D.相平衡原理8.間歇式反應(yīng)器（ISR）的停留時(shí)間分布函數(shù)通常服從？A.指數(shù)分布B.正態(tài)分布C.對數(shù)分布D.均勻分布9.在多相反應(yīng)器中，氣液相反應(yīng)速率通常受限于？A.液相擴(kuò)散B.固體催化劑活性C.氣相分壓D.反應(yīng)熱效應(yīng)10.工藝設(shè)計(jì)中的安全分析通常采用？A.簡單物料衡算B.靈敏度分析C.線性回歸分析D.靜態(tài)能量衡算三、多選題（每題2分，共20分）1.以下哪些屬于工藝設(shè)計(jì)的基本步驟？A.反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究B.設(shè)備選型與校核C.經(jīng)濟(jì)性分析D.環(huán)境影響評估2.連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）的優(yōu)缺點(diǎn)包括？A.操作靈活，可連續(xù)生產(chǎn)B.反應(yīng)器內(nèi)混合均勻，停留時(shí)間分布窄C.適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)D.設(shè)備投資高，能耗大3.工藝流程圖（PFD）中需標(biāo)注的內(nèi)容包括？A.設(shè)備名稱與規(guī)格B.管道流量與溫度C.儀表位號與功能D.物料相態(tài)與壓力4.催化劑在多相反應(yīng)中的作用包括？A.提高反應(yīng)速率B.改變反應(yīng)選擇性C.降低反應(yīng)活化能D.增加反應(yīng)熱效應(yīng)5.工藝設(shè)計(jì)中的能量集成技術(shù)可應(yīng)用于？A.熱交換網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化B.余熱回收利用C.反應(yīng)器溫控D.系統(tǒng)絕熱設(shè)計(jì)6.間歇式反應(yīng)器（ISR）的適用場景包括？A.小批量生產(chǎn)B.反應(yīng)過程復(fù)雜C.需要精確控制轉(zhuǎn)化率D.連續(xù)生產(chǎn)需求高7.工藝設(shè)計(jì)中的安全分析需考慮？A.反應(yīng)熱失控B.設(shè)備泄漏風(fēng)險(xiǎn)C.操作人員防護(hù)D.環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)8.等溫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)需考慮？A.反應(yīng)熱平衡B.溫度分布均勻性C.停留時(shí)間控制D.反應(yīng)器材質(zhì)選擇9.工藝流程圖（PFD）與管道布置圖（P&ID）的區(qū)別包括？A.PFD關(guān)注整體流程，P&ID關(guān)注細(xì)節(jié)B.PFD標(biāo)注設(shè)備，P&ID標(biāo)注儀表閥門C.PFD用于設(shè)計(jì)，P&ID用于施工D.PFD顯示物料流量，P&ID顯示管徑10.工藝設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)性分析需考慮？A.設(shè)備投資成本B.運(yùn)行能耗費(fèi)用C.原材料價(jià)格波動(dòng)D.環(huán)保合規(guī)成本四、案例分析（每題6分，共18分）案例1：某化工廠計(jì)劃生產(chǎn)一種有機(jī)中間體，采用液相催化反應(yīng)，反應(yīng)式為：\[A+B\rightarrowC\]反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)如下：-反應(yīng)活化能\(E_a=120\,\text{kJ/mol}\)-頻率因子\(A=1.2\times10^{12}\,\text{s}^{-1}\)-反應(yīng)級數(shù)\(n=1\)（對A）-熱效應(yīng)\(\DeltaH=-50\,\text{kJ/mol}\)工藝要求：-年產(chǎn)量\(5000\,\text{噸}\)-反應(yīng)溫度\(80^\circ\text{C}\)-停留時(shí)間\(2\,\text{小時(shí)}\)問題：1.若采用CSTR，計(jì)算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。2.若改為等溫反應(yīng)器，為避免熱失控，需采取哪些措施？案例2：某多相催化反應(yīng)在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)式為：\[2\text{SO}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{SO}_3\]反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)：-反應(yīng)活化能\(E_a=75\,\text{kJ/mol}\)-頻率因子\(A=5\times10^{11}\,\text{s}^{-1}\)-反應(yīng)級數(shù)\(n=1\)（對SO?）工藝條件：-反應(yīng)溫度\(450^\circ\text{C}\)-壓力\(2\,\text{MPa}\)-催化劑比表面積\(100\,\text{m}^2/\text{g}\)問題：1.若反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率為80%，計(jì)算反應(yīng)器體積。2.若催化劑積碳導(dǎo)致活性下降50%，為維持轉(zhuǎn)化率，需采取哪些措施？案例3：某工廠生產(chǎn)某化工產(chǎn)品，采用間歇式反應(yīng)器（ISR），反應(yīng)式為：\[\text{P}\rightarrow\text{S}+\text{R}\]反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)：-反應(yīng)活化能\(E_a=90\,\text{kJ/mol}\)-頻率因子\(A=8\times10^{10}\,\text{s}^{-1}\)-反應(yīng)級數(shù)\(n=0\)工藝條件：-反應(yīng)溫度\(60^\circ\text{C}\)-停留時(shí)間分布呈指數(shù)分布，均值為3小時(shí)。問題：1.若目標(biāo)轉(zhuǎn)化率為90%，計(jì)算理論反應(yīng)時(shí)間。2.若改為連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR），為達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率，需調(diào)整哪些參數(shù)？五、論述題（每題11分，共22分）1.論述工藝流程圖（PFD）與管道布置圖（P&ID）在化工設(shè)計(jì)中的作用及區(qū)別，并舉例說明如何通過P&ID優(yōu)化反應(yīng)器操作。2.結(jié)合實(shí)際案例，論述催化劑失活對工藝設(shè)計(jì)的影響，并提出預(yù)防措施。---標(biāo)準(zhǔn)答案及解析一、判斷題1.√2.×（等溫反應(yīng)器需精確控溫，強(qiáng)放熱反應(yīng)易失控）3.√4.×（CSTR內(nèi)混合均勻，但軸向濃度梯度可能存在）5.×（ISR呈指數(shù)分布）6.×（比表面積需結(jié)合反應(yīng)機(jī)理判斷）7.√8.√9.√10.√二、單選題1.C2.B3.B4.D5.A6.C7.A8.A9.A10.B三、多選題1.ABCD2.ABCD3.ABCD4.ABCD5.ABCD6.ABCD7.ABCD8.ABCD9.ABCD10.ABCD四、案例分析案例1：1.CSTR轉(zhuǎn)化率計(jì)算：-反應(yīng)速率\(r_A=kC_A\)，\(k=A\cdote^{-E_a/RT}\)-\(k=1.2\times10^{12}\cdote^{-120000/(8.314\cdot353)}=1.05\times10^{-3}\,\text{s}^{-1}\)-轉(zhuǎn)化率\(X=1-e^{-kt}=1-e^{-1.05\times10^{-3}\cdot7200}\approx0.99\)2.等溫反應(yīng)器熱失控措施：-采用分段反應(yīng)器降低溫升速率；-加強(qiáng)夾套冷卻；-引入中間換熱器控制反應(yīng)熱。案例2：1.反應(yīng)器體積計(jì)算：-\(V=\frac{F_{A0}X_A}{kC_A}\)，\(C_A=\frac{F_{A0}(1-X_A)}{V}\)-\(V=\frac{5000\,\text{噸/年}\cdot3600\,\text{s/天}\cdot365\,\text{天/年}}{k\cdot80\%}=1.2\times10^5\,\text{m}^3\)2.活性下降措施：-增加反應(yīng)器體積；-定期再生催化劑；-優(yōu)化操作溫度。案例3：1.理論反應(yīng)時(shí)間：-\(X=1-e^{-kt}\)，\(k=A\cdote^{-E_a/RT}=8\times10^{10}\cdote^{-90000/(8.314\cdot333)}=2.1\times10^{-3}\,\text{s}^{-1}\)-\(t=\frac{\ln(1/(1-0.9))}{k}=3.3\,\text{小時(shí)}\)2.CSTR參數(shù)調(diào)整：-增加停留時(shí)間至4小時(shí)；-提高反應(yīng)溫度至70°C；-優(yōu)化混合效率。五、論述題1.PFD與P&ID的作用及區(qū)別：-PFD展示整體工藝流程，標(biāo)注主要設(shè)備、管道及物料流量，用于概念設(shè)計(jì)；-P&ID細(xì)化PFD，標(biāo)注閥門、儀表、管徑等細(xì)節(jié)，用