2025年空分竞赛试题及答案

2025年空分竞赛试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.空分装置中，空气预处理系统的核心目标是去除以下哪类杂质？A.氮气和氩气B.水蒸气、二氧化碳及碳氢化合物C.氧气和氦气D.氖气和氪气2.膨胀机在空分流程中的主要作用是：A.压缩空气提高压力B.降低空气温度提供冷量C.分离氧气和氮气D.吸附二氧化碳3.全低压空分装置中，下塔顶部的主要组分是：A.液氧（O₂纯度99.6%）B.液氮（N₂纯度99.99%）C.污氮气（O₂含量约5%）D.氩馏分（O₂含量8%~12%）4.分子筛吸附器再生时，加热阶段的温度控制范围通常为：A.80~120℃B.150~180℃C.200~250℃D.300~350℃5.主冷凝蒸发器中，液氧蒸发与气氮冷凝的热交换主要依靠：A.温差驱动的相变传热B.压力差驱动的对流换热C.浓度差驱动的扩散传热D.辐射传热6.氩系统运行时，氩馏分中氧含量过低（<8%）可能导致：A.粗氩塔氮塞B.氩提取率提高C.液氩含氮量超标D.膨胀机效率下降7.空分装置启动阶段，积液期的关键操作是：A.快速降低主冷温度B.控制膨胀机进口温度在-100℃以下C.维持下塔压力稳定，逐步积累液体D.提前投用氩系统8.衡量空分装置能耗的核心指标是：A.单位氧气产量的电耗（kW·h/m³O₂）B.膨胀机效率（%）C.精馏塔阻力（kPa）D.分子筛吸附周期（h）9.当空分装置原料空气湿度突然增大时，最可能出现的异常是：A.分子筛吸附器出口二氧化碳超标B.主冷液氧中乙炔含量下降C.膨胀机转速自动升高D.氧气纯度显著提升10.液氧泵密封气的主要作用是：A.防止液氧外漏形成低温冻伤B.提高液氧泵扬程C.降低液氧泵电机功率D.防止空气进入泵体导致气蚀二、填空题（每空1分，共20分）1.空分装置中，空气经压缩后需先通过______降低温度，再进入分子筛吸附器。2.标准大气压下，氧气的液化温度为______℃（精确到小数点后一位）。3.全精馏无氢制氩工艺中，粗氩塔的主要作用是分离______和______。4.膨胀机的制冷量与______、______及膨胀机效率直接相关。5.主冷液氧中的乙炔含量需严格控制在______ppm以下，否则有爆炸风险。6.空分装置的精馏过程本质是利用各组分______的差异实现分离。7.分子筛吸附器的切换周期通常为______小时，切换时需进行______操作以减少压力波动。8.氩馏分的最佳抽取位置一般位于上塔______段，此处______含量约为8%~12%。9.液空节流阀（FV-1）的主要作用是控制______的流量，调节下塔______。10.空分装置的启动阶段可分为______、______、______三个主要阶段。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述分子筛吸附器的工作原理及再生步骤。2.分析上塔压力对氧氮分离效率的影响，并说明降低上塔压力的节能原理。3.列举空分装置中三种关键检测仪表及其测量参数（需说明具体位置和作用）。4.当空分装置出现“氮塞”故障时，可能的现象、原因及处理措施有哪些？5.对比内压缩流程与外压缩流程的优缺点（从安全性、能耗、投资成本三方面分析）。四、计算题（每题10分，共20分）1.某空分装置设计处理空气量为50000m³/h（标准状态），空气组分为：O₂20.95%，N₂78.08%，Ar0.93%（体积分数）。假设氧气产品纯度为99.6%（O₂），氮气产品纯度为99.99%（N₂），氩气产品纯度为99.999%（Ar），忽略其他微量组分。试计算：（1）氧气的最大理论产量（m³/h，标准状态）；（2）若实际氧气产量为10000m³/h，氮气产量为35000m³/h，计算氩气的实际提取率（%）。2.某膨胀机进口参数：压力0.5MPa（绝压），温度-120℃，流量8000m³/h；出口压力0.12MPa（绝压），温度-170℃。已知空气的定压比热容cp=1.005kJ/(kg·K)，密度ρ=1.293kg/m³（标准状态），假设膨胀过程为绝热过程，计算该膨胀机的制冷量（kW）。五、综合分析题（20分）某空分装置运行中突然出现以下现象：主冷液氧液面快速下降，氧气纯度从99.6%降至99.2%，上塔阻力由4.5kPa升至5.8kPa，膨胀机转速自动升高。请结合空分工艺流程，分析可能的故障原因，并提出具体的排查步骤和处理措施。答案一、单项选择题1.B2.B3.B4.B5.A6.A7.C8.A9.A10.A二、填空题1.空冷塔（或空气冷却塔）2.-183.03.氧（O₂）；氩（Ar）4.膨胀量；膨胀前后的焓差5.0.16.沸点（或饱和蒸气压）7.2；均压8.精馏；氧（O₂）9.液空；液空液位（或回流比）10.冷却阶段；积液阶段；调纯阶段三、简答题1.工作原理：分子筛通过物理吸附作用，利用其内部微孔结构选择性吸附空气中的H₂O、CO₂及CnHm（碳氢化合物），吸附顺序为H₂O＞CO₂＞CnHm。再生步骤：①加热阶段：用污氮气（或氮气）加热至150~180℃，脱附吸附质；②冷吹阶段：用未加热的污氮气冷却分子筛至≤40℃，恢复吸附能力；③均压阶段：与另一台吸附器压力平衡后切换。2.上塔压力降低，氧氮的沸点差增大（如1atm下O₂沸点-183℃，N₂-195.8℃；0.5atm下O₂-189℃，N₂-202℃），精馏效率提高；同时，空气进塔压力可降低，减少空压机功耗（空压机轴功率与入口压力成正比）。但压力过低会导致主冷温差减小（气氮冷凝温度与液氧蒸发温度差需≥1.5℃），影响换热效率。3.①在线气相色谱仪（上塔顶部、粗氩塔出口）：监测O₂、N₂、Ar含量，指导精馏工况调整；②露点仪（分子筛吸附器出口）：检测空气中H₂O含量，防止水分进入冷箱冻结；③差压变送器（上塔上下段）：测量精馏塔阻力，判断塔板堵塞或液泛故障。4.现象：粗氩塔阻力下降，氩馏分流量波动，液氩含氮量超标，主塔氧纯度下降。原因：氩馏分中氮含量过高（＞0.1%），氮气在粗氩塔冷凝器中积聚，阻碍液氩冷凝。处理措施：①降低上塔液氮回流量，减少氮组分进入氩馏分；②增大氩馏分抽取量，稀释氮含量；③若严重，暂停氩系统运行，待主塔工况稳定后重新投用。5.安全性：内压缩流程液氧泵加压，避免高压氧气管道，安全性更高；外压缩流程氧压机高压段易泄漏，风险较大。能耗：内压缩流程利用液体泵加压（电耗约为氧压机的1/3~1/2），能耗更低；外压缩流程氧压机功耗高。投资成本：内压缩流程需液氧泵、高压主换热器，设备成本高；外压缩流程设备简单，初期投资低。四、计算题1.（1）氧气最大理论产量：根据氧组分平衡，原料氧总量=产品氧总量（忽略氩中氧）。原料氧体积：50000×20.95%=10475m³/h产品氧体积（纯度99.6%）：V_O2×99.6%=10475→V_O2≈10517m³/h（2）氩气实际提取率：原料氩体积：50000×0.93%=465m³/h产品氩中氩体积（纯度99.999%）≈V_Ar氮气中氩体积：35000×(1-99.99%)=35000×0.01%=3.5m³/h氧气中氩体积：10000×(1-99.6%)=10000×0.4%=40m³/h氩损失总量=3.5+40=43.5m³/h实际提取氩量=465-43.5=421.5m³/h提取率=421.5/465×100%≈90.6%2.膨胀机制冷量计算：标准状态空气密度ρ=1.293kg/m³，实际流量转换为质量流量：m=8000×1.293/22.4×(273.15)/(273.15-120)×0.5/0.1013（注：需修正温度压力，但简化计算可直接用标准密度×流量）简化后m≈8000×1.293=10344kg/h≈2.873kg/s进口温度T1=273.15-120=153.15K，出口温度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、综合分析题可能原因：1.主冷泄漏：液氧侧与气氮侧之间的隔板或列管泄漏，液氧进入气氮通道，导致液氧液面下降；氮气混入液氧，降低氧气纯度；上塔阻力因液体分布异常升高。2.液空节流阀故障（FV-1）：阀门卡涩或开度突然增大，液空流量增加，下塔回流比减小，氮气纯度下降，进入上塔的氮组分增多，上塔精馏负荷增加，阻力上升；同时主冷液氮蒸发量不足，液氧蒸发量减少，液面下降。3.膨胀机故障：膨胀机效率下降（如喷嘴堵塞），实际制冷量不足，主冷得不到足够冷量补充，液氧蒸发量大于冷凝量，液面下降；为维持冷量平衡，膨胀机自动升速增加流量，导致转速升高。4.分子筛吸附器切换异常：切换时空气压力波动，导致空压机排气量减少，进塔空气量下降，主冷冷凝量不足，液面下降；同时精馏工况紊乱，氧纯度降低。排查步骤：①检查主冷温差（气氮冷凝温度与液氧蒸发温度差），若温差缩小或出现负值，可能泄漏；②分析液空、液氮纯度（下塔液空O₂含量应约38%，液氮N₂≥99.9%），若液氮纯度下降，可能FV-1开度异常；③监测膨胀机进出口压力、温度及实际制冷量（计算焓差），若焓差小于设计值，确认喷嘴或叶轮磨损；④查看分子筛切换