2025年化工流程模拟测试题及答案

2025年化工流程模拟测试题及答案1.（单项选择）在AspenPlusV12.1中，采用NRTL-HOC物性方法对含醋酸-水-醋酸乙烯酯三元体系进行汽液平衡计算时，若体系压力为101.3kPa，塔顶冷凝器出现分相，下列关于“Decanter”模块设置正确的是：A.仅指定水相为第二液相，无需给出VLLEK值初值B.必须同时勾选“Calculateazeotrope”与“Validphases=Vapor-Liquid-Liquid”C.需在“Properties”环境内先回归UNIQUAC二元交互参数，再返回Flowsheet运行D.将“Henrycomponents”列表中的CO2移除即可消除分相现象答案：B。三元体系在101.3kPa下存在两个液相，必须让程序识别VLLE；勾选“Calculateazeotrope”可帮助算法捕捉鞍点，防止收敛失败。2.（单项选择）某厂采用甲烷部分氧化制合成气，反应器出口900℃、30bar，碳摩尔流率100kmolh⁻¹，若后续变换反应CO+H₂O⇌CO₂+H₂需将CO摩尔分数降至2%（干基），设水气比1.2、平衡温距15℃，则最小蒸汽流量约为：A.2100kgh⁻¹B.2600kgh⁻¹C.3100kgh⁻¹D.3600kgh⁻¹答案：C。先算900℃下Kp=0.42，考虑温距后操作Kp=0.28；按干基CO2%反推需转化94%CO，需水蒸气2400kgh⁻¹，叠加1.2倍水气比裕量后≈3100kgh⁻¹。3.（单项选择）在gPROMS5.0中自定义一个滴流床加氢反应器模型，采用轴向分散与湿壁传质耦合，若催化剂有效因子η内部计算出现负值，最可能原因是：A.颗粒内扩散系数未随温度更新B.本征动力学采用幂律型，反应级数<0C.液膜传质系数关联式单位误用cP而非Pa·sD.床层孔隙率ε取值大于1答案：B。当反应级数为负，Thiele模数定义域内会出现η<0的数学伪解。4.（单项选择）用CHEMCAD7.2进行热集成，对含两股热、三股冷的系统，ΔTmin=10℃，若采用问题表法得到热公用工程目标QHmin=1.2MW、冷公用工程QCmin=0.8MW，则pinchtemperature（热端）为：A.145℃B.135℃C.125℃D.115℃答案：C。问题表累积热流量首次为零的温度区间上限为125℃。5.（单项选择）某精馏塔用PRO/II10.2进行严格校核，塔径1.8m，采用筛板，泛点率78%，若将塔板间距从0.45m增至0.60m，则泛点率变化趋势及原因是：A.升高，因气相停留时间缩短B.降低，因夹带量下降C.升高，因降液管面积占比减小D.基本不变，因塔径已定答案：B。增大板间距使液滴沉降高度增加，夹带减少，泛点率下降约4%。6.（单项选择）在UniSimDesignR500中，对于含CO₂40%（mol）的高压天然气，选用PRSV方程，若将二元交互参数kij从0.12调至0.08，则泡点温度将：A.升高0.5℃B.降低0.9℃C.升高1.3℃D.降低1.7℃答案：B。kij减小，气相逸度系数减小，泡点下移。7.（单项选择）采用DWSIM7.0模拟癸二酸二辛酯（DOS）与甲醇酯交换，反应为液相均相，动力学r=kC_AC_B，k=8×10³exp(−5500/T)m³kmol⁻¹s⁻¹，若将反应温度从140℃升至160℃，则反应速率提高倍数约为：A.1.7B.2.2C.2.8D.3.5答案：C。Arrhenius计算得k160/k140=exp[5500(1/413−1/433)]≈2.8。8.（单项选择）在SuperProDesigner11中，对某发酵过程放大100倍，若维持kLa恒定，则通气比（vvm）应：A.不变B.与线性尺度比的0.7次方成正比C.与线性尺度比的−0.3次方成正比D.与线性尺度比的−1次方成正比答案：C。kLa∝(P/V)^0.7u_s^0.3，放大后P/V∝D^−0.3，故vvm∝D^−0.3。9.（单项选择）用AspenHYSYSV12进行动态模拟，设置PID控制器时，若采用Lambda整定法，当关闭“UserobustPID”选项，则积分时间Ti与开环时间常数τ的关系为：A.Ti=τB.Ti=2τC.Ti=τ/2D.Ti=τ/K答案：B。Lambda法默认Ti=2τ。10.（单项选择）某厂用离子液体[EMIM][BF₄]吸收CO₂，在MolecularDynamics模拟中，若将力场由CL&P改为OPLS-AA，预测亨利常数H下降15%，则表明：A.新力场下CO₂-离子液体相互作用增强B.新力场下CO₂-离子液体相互作用减弱C.模拟温度设置错误D.统计偏差，可忽略答案：A。H下降说明溶解度增加，相互作用增强。11.（填空）在COMSOL6.0中建立非均相催化固定床二维轴对称模型，采用“TransportofDilutedSpecies”与“FreeandPorousMediaFlow”耦合，若颗粒半径Rp=2mm，床层孔隙率ε=0.38，则Brinkman方程渗透率κ可用Ergun公式换算为________m²。（保留3位有效数字）答案：1.07×10⁻⁸。κ=ε³dp²/(150(1−ε)²)，dp=2Rp=4mm，代入得1.07×10⁻⁸m²。12.（填空）用MATLAB2023b编写脚本调用AspenPlus12.1ActiveX，若需将“FLOWsheet”中块“R-101”的反应温度改为450K，则代码行应为：________.Tree.FindNode("\Data\Blocks\R-101\Input\TEMP").Value=450;答案：AspenApplication。13.（填空）在DYNSIM4.5中，对于离心泵，若采用AffinityLaw，当转速从n1=2900rpm降至n2=2400rpm，则新工作点流量Q2与扬程H2关系为Q2/Q1=________，H2/H1=________。答案：0.828；0.686。Q∝n，H∝n²。14.（填空）某反应A→2B，液相CSTR，进料CA0=2kmolm⁻³，体积流量υ=0.5m³h⁻¹，反应速率−rA=0.1CAkmolm⁻³s⁻¹，若要求转化率达80%，则反应器体积V=________m³。（保留2位小数）答案：22.22。τ=CA0x/(−rA)=2×0.8/(0.1×2×(1−0.8))=40ks=11.11h，V=υτ=0.5×11.11=5.56m³；注意单位换算，答案修正为5.56。15.（填空）用FLUENT2023R1模拟鼓泡塔，采用Euler-Euler模型，若气含率εg=0.25，密度ρg=1.8kgm⁻³，液相密度ρl=800kgm⁻³，则混合密度ρm=________kgm⁻³。答案：601.6。ρm=εgρg+(1−εg)ρl=0.25×1.8+0.75×800=601.6。16.（填空）在AspenCustomModeler中，编写一个闪蒸罐动态模型，若液相出口采用“Pressuredriven”方式，则液相流量方程可写为：F_l=Cv________√(ρ_l(P−P_out))。答案：Cv为阀门系数，方程为F_l=Cvx_v√(ρ_l(P−P_out))，其中x_v为阀位0–1。17.（填空）用Python3.11调用DWSIM7.0开源引擎，若需读取物流“S1”的摩尔流量，则脚本语句为：flow=________.GetFlowsheet().GetObject("S1").OverallMolarFlow;答案：simulator。18.（填空）在ChemCAD7.2中，进行灵敏度分析时，若自变量为回流比RR，范围1.5–3.0，步长0.1，则共需计算________个点。答案：16。包含起点1.5与终点3.0。19.（填空）某换热器采用ε-NTU法，热容流率比Cr=0.6，若效能ε=0.75，则NTU=________。答案：2.77。ε=(1−exp(−NTU(1−Cr)))/(1−Crexp(−NTU(1−Cr)))，迭代得NTU=2.77。20.（填空）在gPROMS5.0的优化模块中，采用SQP算法，若将最大迭代次数由50改为100，则求解器日志中“Majoriterations”上限变为________。答案：100。21.（简答）阐述在AspenPlusV12.1中利用“DesignSpec”与“Calculator”联动实现“塔顶产品纯度≥99.5%同时再沸器能耗最小”的完整步骤，并给出关键变量与收敛次序。答案：1.在“DesignSpec”中创建DS-1，设定塔顶主组分摩尔分数≥0.995，操纵变量为回流比RR，范围1–5，容差1×10⁻⁴。2.创建“Calculator”块CALC-1，在每次流程收敛后读取再沸器负荷QR，写入全局变量QR_last。3.在“Optimization”中定义目标函数OBJ=QR，约束为DS-1满足，操纵变量仍为RR，采用SQP算法，梯度有限差分。4.收敛次序：内层RadFrac→外层DS-1→优化器更新RR→循环直至OBJ最小且DS-1满足。关键变量：RR、QR、塔顶纯度xD。通过“Executeafterconvergence”保证QR读取时机正确，防止竞态。22.（简答）说明在CHEMCAD7.2中对含固体颗粒（粒径200μm，密度1.8gcm⁻³）的气流输送进行压降计算时，应如何选择模型参数并验证其适用性。答案：1.在“Pipe”模块勾选“Solidparticleflow”，选择“Densephase”或“Dilutephase”依据ρs/ρg>200且μ<15。2.输入粒径、形状因子0.85、固体质量流量，选择GeldartD类。3.压降模型采用Klinzing关联式，需给定气体速度≥盐化速度1.5倍，通过“Calculatesaltationvelocity”校验。4.验证：将计算压降与现场实测值对比，误差<10%视为可用；若>10%，调整颗粒-壁摩擦系数λs，或改用Weber模型，并重新拟合。23.（简答）描述在UniSimDesignR500中建立“反应-分离-循环”闭环动态模型的注意事项，尤其针对压缩机防喘振与反应器热点控制。答案：1.反应器采用“CSTR”动态，添加“Temperaturecontroller”操纵冷却水阀，死区0.5℃，防积分饱和。2.压缩机采用“Centrifugalcompressor”模型，设置喘振线SL=0.8×设计流量，配置防喘振阀FV-101，PID为P=2、I=5s、D=0，阀线性。3.循环物流需设置“Recycle”逻辑，采用Wegstein加速，收敛容差1×10⁻⁴，防止代数环震荡。4.热点控制：在反应器轴向添加“Profile”监测，若ΔT>10℃，触发联锁降低进料温度5℃。5.压力-流量耦合：采用“Pressureflowsolver”，步长1s，刚性模式启用BDF，保证数值稳定。24.（简答）给出在Python3.11中利用DWSIM7.0开源接口实现“自动扫描进料硫含量0–500ppm对加氢脱硫反应器出口硫浓度的影响”并绘制曲线的完整代码框架。答案：```pythonimportclr,os,matplotlib.pyplotaspltclr.AddReference(os.path.join(os.getcwd(),'DWSIM.dll'))fromDWSIMimportInterfaces,Automationsim=Automation.Automation2()sim.LoadFile(r"HDS.dwxmz")sulfur_in=[]sulfur_out=[]forppminrange(0,510,10):sim.GetFlowsheet().GetObject("FEED").Compounds["H2S"].MolarFlow=ppm1e-6sim.SolveFlowsheet()outlet=sim.GetFlowsheet().GetObject("PRODUCT")s_out=outlet.Compounds["H2S"].MolarFlow1e6sulfur_in.append(ppm)sulfur_out.append(s_out)plt.plot(sulfur_in,sulfur_out)plt.xlabel("Feedsulfur/ppm")plt.ylabel("Productsulfur/ppm")plt.show()```25.（计算）某厂采用甲醇气相羰基化制醋酸，反应CH₃OH+CO⇌CH₃COOH，催化剂为Rh-I，反应温度185℃，压力25bar，动力学r=kP_CO^0.7P_MeOH^0.3，k=2.5×10⁻³kmolkg⁻¹s⁻¹bar⁻¹，催化剂堆积密度550kgm⁻³，进料CO与甲醇摩尔比1.05:1，甲醇转化率目标92%，若采用PFR，求所需空时τ。（列出积分式并给出数值解）答案：设CO过量，甲醇为关键组分，分压P_MeOH=Py_MeOH，y_MeOH=y0(1−X)/(1+y0−X)，y0=0.4878。速率式r=kP^0.7y_CO^0.7y_MeOH^0.3。积分式τ=∫₀^X(C_A0dX)/r，C_A0=P/(RT)y0=0.4878×25/(8.314×458.15)=3.2×10⁻³kmolm⁻³。数值积分（Simpson100段）得τ=18.7s。考虑堆积密度，空时τ_bed=18.7×550/3600=2.86h。26.（计算）用AspenPlusV12.1对含苯-甲苯-二甲苯的精馏塔进行调优，塔顶苯纯度要求≥99.9%，塔底甲苯回收≥99%，进料100kmolh⁻¹（苯45%、甲苯35%、二甲苯20%），泡点进料，常压。已知理论板42块，进料板20，回流比2.8时苯纯度99.85%，求最小回流比Rmin与理论板数Nmin，并用Gillland关联估算达到99.9%所需实际回流比。（给出详细步骤）答案：1.用Underwood方程，θ=1.735，Rmin=1.28。2.Fenske方程得Nmin=12.3（含再沸器）。3.Gillland：X=(R−Rmin)/(R+1)=0.34，Y=(N−Nmin)/(N+1)=0.39，解得N=22.8，取23块。4.实际回流比R=2.1即可满足，较原2.8下降25%，节能约12%。27.（计算）在gPROMS5.0中建立CO₂捕集膜分离模型，采用cross-flow，聚酰亚胺膜，CO₂渗透系数PCO₂=120Barrer，CH₄渗透系数PCH₄=4Barrer，进料CO₂20%，压力10bar，渗透侧1bar，膜面积100m²，厚度0.2μm，温度30℃，求CO₂回收率与CH₄损失率。（写出微分方程并数值求解）答案：建立局部物料衡算：d(u_fy)/dA=−J_CO₂/ntot，J_CO₂=(PCO₂/l)(p_fy−p_py_p)，同理J_CH₄。边界条件：A=0，y=0.2；A=100，u_f=u_out。离散100段，Newton求解，得CO₂回收率=78%，CH₄损失率=3.1%。28.（计算）某换热网络含两股热、三股冷，数据如下：H1200→80℃，CP=3kW℃⁻¹；H2150→50℃，CP=2kW℃⁻¹；C130→180℃，CP=2.5kW℃⁻¹；C260→120℃，CP=3kW℃⁻¹；C390→140℃，CP=2kW℃⁻¹。ΔTmin=10℃，用问题表法求pinch温度、QHmin、QCmin，并绘制GCC图。（给出完整表格与坐标）答案：pinch=90℃（热端），QHmin=45kW，QCmin=35kW。GCC折点：(90,0)、(120,30)、(150,60)、(200,45)、(80,−35)、(50,−75)。29.（综合设计）某厂拟新建年产30万吨双氧水（100%计）的蒽醌法装置，工作液为重芳烃-磷酸三辛酯混合溶剂，氢化效率7gL⁻¹，氢化度50%，氧化收率98%，萃取塔双氧水质量分数35%，要求设计一稳态模拟流程，需包含：氢化塔、氧化塔、萃取塔、工作液再生塔、浓缩塔，请给出：1.总物料平衡简表；2.关键设备操作参数；3.采用何种热集成方案可回收≥70%低温余热；4.用AspenPlusV12.1模拟时物性方法选择与验证要点。答案：1.总物料：氢气1850kgh⁻¹，空气28000kgh⁻¹，纯水21500kgh⁻¹，产品35%H₂O₂85700kgh⁻¹。2.氢化塔：鼓泡床，35℃，0.25MPa，停留12min；氧化塔：筛板，45℃，0.2MPa，5段，段间冷却；萃取塔：筛板，40℃，水相比O/A=1:25，理论板8；再生塔：减压闪蒸+汽提，1