公司有机合成工实操技能考核试卷及答案

公司有机合成工实操技能考核试卷及答案一、合成路线设计与工艺优化1.题目：某新药中间体（代号X）需由邻硝基甲苯经三步反应合成，要求总收率≥55%，单步收率≥80%，且不得使用Pd、Pt等贵金属催化剂。请写出完整合成路线（含试剂、条件），并计算每步理论收率。答案：第一步：邻硝基甲苯→邻硝基苯甲酸试剂：KMnO₄，Na₂CO₃，H₂O；条件：90℃，3h，pH=8.5；收率82%。第二步：邻硝基苯甲酸→邻氨基苯甲酸试剂：Na₂S₂O₄，NaOH，H₂O；条件：65℃，N₂保护，1.5h；收率85%。第三步：邻氨基苯甲酸→X（环合得苯并噁唑2羧酸）试剂：HCOOH，H₂O₂，FeCl₃·6H₂O（0.05eq）；条件：40℃，2h；收率81%。总收率=0.82×0.85×0.81=56.4%。解析：第一步控制pH防止苯环过度氧化；第二步保险粉还原避免Zn/HCl产生铁泥；第三步用FeCl₃催化环合替代贵金属，H₂O₂作为绿色氧化剂，反应温和。2.题目：在放大100倍时，第三步出现放热峰（ΔT=18℃），请给出工艺安全改进方案并计算所需冷却功率（物料比热容2.1kJkg⁻¹K⁻¹，密度1.15kgL⁻¹，投料量500L）。答案：改进方案：(1)采用梯度加料，H₂O₂分三批，每批间隔30min；(2)增设外循环冷却，冷却介质为5℃乙二醇，换热面积≥4m²；(3)设置2℃min⁻¹升温切断联锁。冷却功率Q=2.1×1.15×500×18=21.7MJ；峰值热流=21.7MJ/0.5h=12kW，故冷却系统需≥15kW冗余。解析：梯度加料可降低瞬时放热；外循环比夹套传热系数高3倍；联锁确保超温时自动停料。二、单元操作与现场控制3.题目：在500L搪玻璃反应釜中进行硝化反应，需将混酸（HNO₃65%，H₂SO₄98%）降温至5℃后滴加苯甲醚。现场无低温冷冻机，仅有盐水冷却（15℃）。请计算滴加时间并给出搅拌参数，确保体系温度≤0℃。已知：反应放热180kJmol⁻¹，苯甲醚投料50mol，传热系数K=220Wm⁻²K⁻¹，夹套面积3.2m²，ΔT=15K。答案：最大允许热流Q=K·A·ΔT=220×3.2×15=10.56kW；总放热=50×180=9000kJ；最短滴加时间t=9000/10.56=852s≈14.3min；为留20%安全余量，实际滴加时间≥18min；搅拌转速设定为120rpm，雷诺数Re>10⁴，确保宏观混合时间<20s。解析：若滴加过快，瞬时热流超过冷却能力，造成“飞温”；120rpm为搪玻璃釜临界悬浮转速的1.5倍，可防止局部过热。4.题目：上述硝化毕，需淬灭至pH=7。现场有15%氨水（ρ=0.93kgL⁻¹）和固体NaHCO₃。要求：(1)选择淬灭剂并计算用量；(2)控制温升≤5℃；(3)避免乳化。答案：(1)选NaHCO₃，理论量：剩余H₂SO₄约6mol，需NaHCO₃12mol=1.01kg；加1.3倍过量，即1.31kg；(2)分三批加入，每批间隔10min，外循环冷却，控制T≤5℃；(3)加入0.05%PEG4000作破乳剂，搅拌降至80rpm，防止剪切乳化。解析：氨水易形成硝酸铵乳浊液，分液困难；NaHCO₃产CO₂，需缓慢泄压；PEG4000可改变界面张力，30s内破乳。三、分离纯化与过程分析5.题目：从反应液中分离苯并噁唑2羧酸（pKa=3.8，mp=198℃），含杂质邻氨基苯甲酸（pKa=4.8）及少量焦油。请设计一套“萃取结晶干燥”流程，并给出每步收率及纯度数据。答案：(1)萃取：用乙酸乙酯调pH=2.0，相比O/A=1:3，25℃，两级错流，产物分配系数K=4.5，萃取率=1(1/1+4.5/3)²=91%；(2)结晶：浓缩至原体积1/5，加3%活性炭脱色，热滤后降温至5℃，养晶2h，结晶收率78%，HPLC纯度99.2%；(3)干燥：60℃，0.09MPa，6h，失重≤0.3%，总收率=0.91×0.78=71%。解析：pH=2.0时产物分子态>95%，邻氨基苯甲酸仍带电荷，留在水相；低温结晶抑制焦油共沉淀；真空干燥避免羧酸脱羧。6.题目：用HPLC监测结晶母液中产物浓度，色谱条件：C18柱，流动相乙腈0.1%磷酸（60:40），流速1.0mLmin⁻¹，λ=280nm。已知标准曲线y=14536x+120（x=gL⁻¹），测得母液峰面积A=6824。请计算母液损失量（总体积12L），并评估是否需要二次回收。答案：x=(6824120)/14536=0.461gL⁻¹；母液损失=0.461×12=5.53g；占总投料量（100g）5.5%，低于经济回收阈值8%，无需二次回收。解析：若损失>8%，可用大孔树脂SP207吸附，丙酮解吸，浓缩后回套至结晶，回收率可达70%。四、设备维护与故障排除7.题目：500L搪玻璃釜在碱洗后出现“鳞爆”现象，请分析原因并给出修复及预防措施。答案：原因：碱液浓度>15%，温度>90℃，玻璃釉层中的SiOSi键被OH⁻攻击，生成可溶性硅酸盐，形成微裂纹，随后水蒸气进入，遇热膨胀爆裂。修复：(1)喷砂除锈，露出碳钢本体；(2)用硼硅酸盐玻璃釉重新搪烧，820℃，保温30min；(3)电火花检测，漏点<2个m⁻²。预防：碱洗浓度≤5%，温度≤60℃，时间≤30min；加0.5%Na₂SiO₃缓蚀剂；每年测釉层厚度，<0.8mm时停用。解析：鳞爆属于应力腐蚀，与碱浓度、温度呈指数关系；缓蚀剂可优先吸附裂纹尖端，降低OH⁻扩散系数。8.题目：离心泵输送硝化废酸（含30%H₂SO₄，5%HNO₃，温度50℃），运行3个月后叶轮出现刀口状冲刷，泵效率下降12%。请诊断失效模式并给出材料升级方案。答案：失效模式：湍流腐蚀+空蚀，酸液中NO₃⁻加速钝化膜破坏，局部产生氢气微泡，气泡溃灭产生冲击波。材料升级：(1)叶轮由CF8M（316）改为CD4MCu双相钢，抗点蚀指数PREN≥34；(2)泵壳内衬PTFE，厚度3mm；(3)降低转速自1450rpm降至960rpm，NPSH余量增加1.2m；(4)入口加40目过滤器，防止固体颗粒诱发空蚀。解析：双相钢屈服强度提高2倍，可降低冲刷速率；PTFE内衬避免金属与酸直接接触；降低转速使气泡溃灭能量下降60%。五、质量管理与偏差处理9.题目：某批苯并噁唑2羧酸成品HPLC纯度99.1%，但炽灼残渣0.15%，超出内控（≤0.1%）。请进行偏差调查并给出CAPA。答案：调查：(1)追溯批记录，发现活性炭过滤后未测铁离子；(2)取留样用ICPOES测Fe=85ppm，来源于活性炭储罐锈蚀；(3)残渣灰分呈红棕色，证实为Fe₂O₃。CAPA：(1)立即更换316L过滤器，停用碳钢储罐；(2)增加铁离子检测≤10ppm，放行前检测；(3)对受影响批次重溶、加0.5%EDTA络合，再结晶，残渣降至0.06%；(4)修订SOP，活性炭系统每季度钝化一次。解析：铁离子在酸性条件下催化羧酸氧化，生成焦油包裹无机盐；EDTA络合重结晶可同步去除金属与色素。10.题目：验证方案要求连续三批收率RSD≤5%，实际三批收率分别为71.2%、68.9%、74.5%。请计算RSD，并评估是否合格；若不合格，给出统计改进措施。答案：均值=71.53%，标准差σ=2.81%，RSD=3.93%，≤5%，合格。解析：若RSD>5%，可采用BoxBehnken实验设计，筛选结晶温度、养晶时间、搅拌速度三因素，降低随机波动；同时增加中控点，将萃取终点pH控制在±0.05，可将RSD降至2.8%。六、安全环保与应急响应11.题目：硝化岗位突然断电，DCS显示釜温骤升至85℃，夹套冷却水停止。请写出应急处置卡（≤10条），并计算最大绝热温升，评估是否超临界。答案：应急处置卡：(1)立即启动手动泄压阀，将釜内压力降至0.05MPa；(2)开启应急冷却水罐（5℃，2m³）重力注入；(3)投加淬灭剂NaHCO₃50kg，分批，防喷溅；(4)穿戴A级防化服，两人操作，保持通讯；(5)关闭硝化酸进料阀，启动双隔膜泵转移物料至应急釜；(6)用红外测温每30s记录，T<50℃停止外冷却；(7)开启局部通风，碱液喷淋吸收NOx；(8)封锁半径50m，禁止金属工具；(9)断电后30min内完成，否则启动全厂紧急停车；(10)事后送样GCMS，确认无残留硝酸酯。绝热温升ΔT_ad=Q/Cp·m=180×50×0.16/2.1×115=59.7℃；初始5℃，理论最高54.7℃，实际已85℃，说明局部累积，进入临界；应急冷却后可将温升控制在+10℃以内，避免二次分解。解析：硝化物料分解温度约120℃，一旦超过80℃，分解速率每升高10℃翻倍，需在30min内降温至60℃以下，否则将触发链式反应。12.题目：厂区VOCs在线监测显示非甲烷总烃瞬时浓度1200mgm⁻³，超过地标（80mgm⁻³）15倍。请排查泄漏源并给出修复技术路线。答案：排查：(1)LDAR检测，发现离心机下料口法兰泄漏值32000ppm；(2)真空泵密封水循环槽呼吸阀失效，排放浓度8500ppm；(3)废水池加盖密封条老化，泄漏点12处。修复路线：(1)更换离心机法兰为PTFE双唇密封，泄漏降至<100ppm；(2)真空泵改为干式螺杆泵，配0.05MPa冷凝回收，排放<