2025年空分競(jìng)賽試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.空分裝置中，空氣預(yù)處理系統(tǒng)的核心目標(biāo)是去除以下哪類雜質(zhì)？A.氮?dú)夂蜌鍤釨.水蒸氣、二氧化碳及碳?xì)浠衔顲.氧氣和氦氣D.氖氣和氪氣2.膨脹機(jī)在空分流程中的主要作用是：A.壓縮空氣提高壓力B.降低空氣溫度提供冷量C.分離氧氣和氮?dú)釪.吸附二氧化碳3.全低壓空分裝置中，下塔頂部的主要組分是：A.液氧（O?純度99.6%）B.液氮（N?純度99.99%）C.污氮?dú)猓∣?含量約5%）D.氬餾分（O?含量8%~12%）4.分子篩吸附器再生時(shí)，加熱階段的溫度控制范圍通常為：A.80~120℃B.150~180℃C.200~250℃D.300~350℃5.主冷凝蒸發(fā)器中，液氧蒸發(fā)與氣氮冷凝的熱交換主要依靠：A.溫差驅(qū)動(dòng)的相變傳熱B.壓力差驅(qū)動(dòng)的對(duì)流換熱C.濃度差驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散傳熱D.輻射傳熱6.氬系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，氬餾分中氧含量過(guò)低（<8%）可能導(dǎo)致：A.粗氬塔氮塞B.氬提取率提高C.液氬含氮量超標(biāo)D.膨脹機(jī)效率下降7.空分裝置啟動(dòng)階段，積液期的關(guān)鍵操作是：A.快速降低主冷溫度B.控制膨脹機(jī)進(jìn)口溫度在-100℃以下C.維持下塔壓力穩(wěn)定，逐步積累液體D.提前投用氬系統(tǒng)8.衡量空分裝置能耗的核心指標(biāo)是：A.單位氧氣產(chǎn)量的電耗（kW·h/m3O?）B.膨脹機(jī)效率（%）C.精餾塔阻力（kPa）D.分子篩吸附周期（h）9.當(dāng)空分裝置原料空氣濕度突然增大時(shí)，最可能出現(xiàn)的異常是：A.分子篩吸附器出口二氧化碳超標(biāo)B.主冷液氧中乙炔含量下降C.膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)升高D.氧氣純度顯著提升10.液氧泵密封氣的主要作用是：A.防止液氧外漏形成低溫凍傷B.提高液氧泵揚(yáng)程C.降低液氧泵電機(jī)功率D.防止空氣進(jìn)入泵體導(dǎo)致氣蝕二、填空題（每空1分，共20分）1.空分裝置中，空氣經(jīng)壓縮后需先通過(guò)______降低溫度，再進(jìn)入分子篩吸附器。2.標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧氣的液化溫度為______℃（精確到小數(shù)點(diǎn)后一位）。3.全精餾無(wú)氫制氬工藝中，粗氬塔的主要作用是分離______和______。4.膨脹機(jī)的制冷量與______、______及膨脹機(jī)效率直接相關(guān)。5.主冷液氧中的乙炔含量需嚴(yán)格控制在______ppm以下，否則有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。6.空分裝置的精餾過(guò)程本質(zhì)是利用各組分______的差異實(shí)現(xiàn)分離。7.分子篩吸附器的切換周期通常為______小時(shí)，切換時(shí)需進(jìn)行______操作以減少壓力波動(dòng)。8.氬餾分的最佳抽取位置一般位于上塔______段，此處______含量約為8%~12%。9.液空節(jié)流閥（FV-1）的主要作用是控制______的流量，調(diào)節(jié)下塔______。10.空分裝置的啟動(dòng)階段可分為______、______、______三個(gè)主要階段。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述分子篩吸附器的工作原理及再生步驟。2.分析上塔壓力對(duì)氧氮分離效率的影響，并說(shuō)明降低上塔壓力的節(jié)能原理。3.列舉空分裝置中三種關(guān)鍵檢測(cè)儀表及其測(cè)量參數(shù)（需說(shuō)明具體位置和作用）。4.當(dāng)空分裝置出現(xiàn)“氮塞”故障時(shí)，可能的現(xiàn)象、原因及處理措施有哪些？5.對(duì)比內(nèi)壓縮流程與外壓縮流程的優(yōu)缺點(diǎn)（從安全性、能耗、投資成本三方面分析）。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某空分裝置設(shè)計(jì)處理空氣量為50000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），空氣組分為：O?20.95%，N?78.08%，Ar0.93%（體積分?jǐn)?shù)）。假設(shè)氧氣產(chǎn)品純度為99.6%（O?），氮?dú)猱a(chǎn)品純度為99.99%（N?），氬氣產(chǎn)品純度為99.999%（Ar），忽略其他微量組分。試計(jì)算：（1）氧氣的最大理論產(chǎn)量（m3/h，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；（2）若實(shí)際氧氣產(chǎn)量為10000m3/h，氮?dú)猱a(chǎn)量為35000m3/h，計(jì)算氬氣的實(shí)際提取率（%）。2.某膨脹機(jī)進(jìn)口參數(shù)：壓力0.5MPa（絕壓），溫度-120℃，流量8000m3/h；出口壓力0.12MPa（絕壓），溫度-170℃。已知空氣的定壓比熱容cp=1.005kJ/(kg·K)，密度ρ=1.293kg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），假設(shè)膨脹過(guò)程為絕熱過(guò)程，計(jì)算該膨脹機(jī)的制冷量（kW）。五、綜合分析題（20分）某空分裝置運(yùn)行中突然出現(xiàn)以下現(xiàn)象：主冷液氧液面快速下降，氧氣純度從99.6%降至99.2%，上塔阻力由4.5kPa升至5.8kPa，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)升高。請(qǐng)結(jié)合空分工藝流程，分析可能的故障原因，并提出具體的排查步驟和處理措施。答案一、單項(xiàng)選擇題1.B2.B3.B4.B5.A6.A7.C8.A9.A10.A二、填空題1.空冷塔（或空氣冷卻塔）2.-183.03.氧（O?）；氬（Ar）4.膨脹量；膨脹前后的焓差5.0.16.沸點(diǎn)（或飽和蒸氣壓）7.2；均壓8.精餾；氧（O?）9.液空；液空液位（或回流比）10.冷卻階段；積液階段；調(diào)純階段三、簡(jiǎn)答題1.工作原理：分子篩通過(guò)物理吸附作用，利用其內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)選擇性吸附空氣中的H?O、CO?及CnHm（碳?xì)浠衔铮?，吸附順序?yàn)镠?O＞CO?＞CnHm。再生步驟：①加熱階段：用污氮?dú)猓ɑ虻獨(dú)猓┘訜嶂?50~180℃，脫附吸附質(zhì)；②冷吹階段：用未加熱的污氮?dú)饫鋮s分子篩至≤40℃，恢復(fù)吸附能力；③均壓階段：與另一臺(tái)吸附器壓力平衡后切換。2.上塔壓力降低，氧氮的沸點(diǎn)差增大（如1atm下O?沸點(diǎn)-183℃，N?-195.8℃；0.5atm下O?-189℃，N?-202℃），精餾效率提高；同時(shí)，空氣進(jìn)塔壓力可降低，減少空壓機(jī)功耗（空壓機(jī)軸功率與入口壓力成正比）。但壓力過(guò)低會(huì)導(dǎo)致主冷溫差減?。獾淠郎囟扰c液氧蒸發(fā)溫度差需≥1.5℃），影響換熱效率。3.①在線氣相色譜儀（上塔頂部、粗氬塔出口）：監(jiān)測(cè)O?、N?、Ar含量，指導(dǎo)精餾工況調(diào)整；②露點(diǎn)儀（分子篩吸附器出口）：檢測(cè)空氣中H?O含量，防止水分進(jìn)入冷箱凍結(jié)；③差壓變送器（上塔上下段）：測(cè)量精餾塔阻力，判斷塔板堵塞或液泛故障。4.現(xiàn)象：粗氬塔阻力下降，氬餾分流量波動(dòng)，液氬含氮量超標(biāo)，主塔氧純度下降。原因：氬餾分中氮含量過(guò)高（＞0.1%），氮?dú)庠诖謿逅淠髦蟹e聚，阻礙液氬冷凝。處理措施：①降低上塔液氮回流量，減少氮組分進(jìn)入氬餾分；②增大氬餾分抽取量，稀釋氮含量；③若嚴(yán)重，暫停氬系統(tǒng)運(yùn)行，待主塔工況穩(wěn)定后重新投用。5.安全性：內(nèi)壓縮流程液氧泵加壓，避免高壓氧氣管道，安全性更高；外壓縮流程氧壓機(jī)高壓段易泄漏，風(fēng)險(xiǎn)較大。能耗：內(nèi)壓縮流程利用液體泵加壓（電耗約為氧壓機(jī)的1/3~1/2），能耗更低；外壓縮流程氧壓機(jī)功耗高。投資成本：內(nèi)壓縮流程需液氧泵、高壓主換熱器，設(shè)備成本高；外壓縮流程設(shè)備簡(jiǎn)單，初期投資低。四、計(jì)算題1.（1）氧氣最大理論產(chǎn)量：根據(jù)氧組分平衡，原料氧總量=產(chǎn)品氧總量（忽略氬中氧）。原料氧體積：50000×20.95%=10475m3/h產(chǎn)品氧體積（純度99.6%）：V_O2×99.6%=10475→V_O2≈10517m3/h（2）氬氣實(shí)際提取率：原料氬體積：50000×0.93%=465m3/h產(chǎn)品氬中氬體積（純度99.999%）≈V_Ar氮?dú)庵袣弩w積：35000×(1-99.99%)=35000×0.01%=3.5m3/h氧氣中氬體積：10000×(1-99.6%)=10000×0.4%=40m3/h氬損失總量=3.5+40=43.5m3/h實(shí)際提取氬量=465-43.5=421.5m3/h提取率=421.5/465×100%≈90.6%2.膨脹機(jī)制冷量計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣密度ρ=1.293kg/m3，實(shí)際流量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量：m=8000×1.293/22.4×(273.15)/(273.15-120)×0.5/0.1013（注：需修正溫度壓力，但簡(jiǎn)化計(jì)算可直接用標(biāo)準(zhǔn)密度×流量）簡(jiǎn)化后m≈8000×1.293=10344kg/h≈2.873kg/s進(jìn)口溫度T1=273.15-120=153.15K，出口溫度T2=273.15-170=103.15K制冷量Q=m×cp×(T1-T2)=2.873×1.005×(153.15-103.15)=2.873×1.005×50≈144.1kW五、綜合分析題可能原因：1.主冷泄漏：液氧側(cè)與氣氮側(cè)之間的隔板或列管泄漏，液氧進(jìn)入氣氮通道，導(dǎo)致液氧液面下降；氮?dú)饣烊胍貉酰档脱鯕饧兌?；上塔阻力因液體分布異常升高。2.液空節(jié)流閥故障（FV-1）：閥門卡澀或開度突然增大，液空流量增加，下塔回流比減小，氮?dú)饧兌认陆?，進(jìn)入上塔的氮組分增多，上塔精餾負(fù)荷增加，阻力上升；同時(shí)主冷液氮蒸發(fā)量不足，液氧蒸發(fā)量減少，液面下降。3.膨脹機(jī)故障：膨脹機(jī)效率下降（如噴嘴堵塞），實(shí)際制冷量不足，主冷得不到足夠冷量補(bǔ)充，液氧蒸發(fā)量大于冷凝量，液面下降；為維持冷量平衡，膨脹機(jī)自動(dòng)升速增加流量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速升高。4.分子篩吸附器切換異常：切換時(shí)空氣壓力波動(dòng)，導(dǎo)致空壓機(jī)排氣量減少，進(jìn)塔空氣量下降，主冷冷凝量不足，液面下降；同時(shí)精餾工況紊亂，氧純度降低。排查步驟：①檢查主冷溫差（氣氮冷凝溫度與液氧蒸發(fā)溫度差），若溫差縮小或出現(xiàn)負(fù)值，可能泄漏；②分析液空、液氮純度（下塔液空O?含量應(yīng)約38%，液氮N?≥99.9%），若液氮純度下降，可能FV-1開度異常；③監(jiān)測(cè)膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力、溫度及實(shí)際制冷量（計(jì)算焓差），若焓差小于設(shè)計(jì)值，確認(rèn)噴嘴或葉輪磨損；④查看分子篩切換