空分竞赛试题及答案

空分竞赛试题及答案1.（单选）在空气分离装置中，若将高压空气由300K节流至120K，其焦耳-汤姆逊系数μ_JT=0.25K·kPa⁻¹，则节流后压力最接近下列哪一项？A.420kPa B.560kPa C.720kPa D.880kPa答案：C解析：ΔT=120K-300K=-180K，由μ_JT=ΔT/ΔP得ΔP=ΔT/μ_JT=-180/0.25=-720kPa，负号表示降压，故P₂=P₁-720kPa。若取典型高压P₁=1440kPa，则P₂=1440-720=720kPa。2.（单选）某空分塔采用规整填料，其等板高度HETP=0.18m，若要求氩馏分中O₂摩尔分数由0.5%降至0.1%，理论板数N=12，则所需填料层高度为A.1.6m B.2.16m C.2.6m D.3.1m答案：B解析：Z=N×HETP=12×0.18=2.16m。3.（单选）低温透平膨胀机绝热效率η_s=0.86，进口空气状态为0.6MPa、140K，出口压力0.13MPa，按理想气体γ=1.4计算，其实际出口温度最接近A.88K B.92K C.96K D.100K答案：C解析：等熵膨胀T₂s=T₁(P₂/P₁)^((γ-1)/γ)=140×(0.13/0.6)^0.286=89.4K；ΔT_s=140-89.4=50.6K；实际ΔT=η_s×ΔT_s=0.86×50.6=43.5K；T₂=140-43.5=96.5K。4.（单选）在带氩塔的三塔流程中，若主塔下塔操作压力升高，则氩塔顶部冷凝器温差将A.增大 B.减小 C.不变 D.先增后减答案：A解析：下塔压力升高→氮冷凝温度升高→氩塔冷凝器热端温度升高，而冷端（氩塔顶）温度受氩组分限制变化小，故温差增大。5.（单选）采用分子筛吸附H₂O与CO₂时，若再生气体露点由-60℃升至-40℃，则再生能耗约A.增加5% B.增加15% C.增加30% D.降低10%答案：B解析：露点升高20℃，水蒸气分压提高约3.8倍，解吸需要更多热量，经验关联能耗增加≈15%。6.（单选）空分装置冷量损失中，占比最大的通常是A.跑冷损失 B.换热不完全损失 C.液体排放损失 D.泄漏损失答案：B解析：大型装置换热端差约2-3K，对应冷量损失占总量50%以上。7.（单选）若粗氩塔回流比R=0.8，则其操作接近A.最小回流比 B.最优回流比 C.全回流 D.无法判断答案：A解析：氩-氧相对挥发度α≈1.05，最小回流比R_min=(x_D-x_F)/(x_F-x_W)×α/(α-1)≈0.75，R=0.8仅比R_min高6%，故接近最小回流比。8.（单选）在液氧泵加压流程中，为防止气蚀，必需汽蚀余量NPSH_r=2.5m，若液氧密度ρ=1140kg·m⁻³，饱和压力P_s=120kPa，则进口绝对压力至少A.148kPa B.152kPa C.158kPa D.165kPa答案：C解析：NPSH_r=(P_in-P_s)/(ρg)→P_in=P_s+ρgNPSH_r=120+1140×9.81×2.5/1000=158kPa。9.（单选）采用混合制冷剂预冷的空分流程，其比功耗较传统流程可下降A.3-5% B.8-12% C.15-20% D.25%以上答案：B解析：混合制冷剂预冷降低压缩机入口温度，轴功率下降8-12%。10.（单选）当主冷温差由1.8K降至1.2K，则装置氧提取率将A.提高0.5% B.提高1.2% C.提高2.0% D.基本不变答案：B解析：冷端温差减小→液氧纯度升高→氩馏分含氧下降→氧提取率提高约1.2%。11.（多选）下列措施可同时降低空分比功耗与提高氩提取率的有A.提高上塔压力 B.采用填料塔 C.增加粗氩塔理论板 D.降低主冷温差答案：B、C、D解析：填料塔压降小，降低压缩功耗；增加理论板降低氩损失；降低主冷温差提高氧纯度，间接提高氩回收。提高上塔压力反而增加压缩机功耗。12.（多选）造成主冷“干蒸发”异常的原因包括A.液氧液位过低 B.氮侧压力突降 C.氩塔负荷骤增 D.液氧泵气蚀答案：A、B、C解析：液位低或氮侧压力突降→液氧沸腾剧烈，液膜破裂；氩塔负荷突增→液氧大量蒸发；液氧泵气蚀与干蒸发无直接因果。13.（多选）关于液氧储罐翻滚（roll-over）的描述正确的是A.多由密度分层引起 B.可通过BOG压缩机连续回收抑制 C.与充注速率无关 D.罐底温度先降后升答案：A、B、D解析：分层后底部因漏热升温→密度减小→突然混合；连续回收可减小温差；充注过快易引发；底部温度先降后升是典型特征。14.（多选）采用两级精馏制取高纯氮（≤1ppmO₂）时，可行的方案有A.上塔增设纯氮塔 B.下塔抽馏分至纯氮塔 C.液氮回流比提高至1.5 D.采用液氮洗涤塔答案：A、B、D解析：增设纯氮塔或洗涤塔可深度脱氧；下塔抽馏分提供低氧原料；提高回流比效果有限，且能耗高。15.（多选）对于氩-氧-氮三元系统，当操作压力升高时A.氩-氧相对挥发度减小 B.氩-氮相对挥发度增大 C.最小回流比增大 D.氩塔塔径可减小答案：A、C、D解析：压力升高→α_Ar-O₂减小→分离难度增加→R_min增大；塔径因气相密度增大可减小；α_Ar-N₂亦减小，B错误。16.（判断）在低温甲醇洗脱除CO₂流程中，甲醇再生采用氮气气提比减压闪蒸更节能。答案：错误解析：氮气气提需额外压缩功，减压闪蒸利用压力能，能耗更低。17.（判断）空分装置采用全液体膨胀机代替节流阀，可产生约5%的附加冷量。答案：正确解析：膨胀机等熵效率80%时，比节流多回收冷量≈5%。18.（判断）氩塔顶部冷凝器采用液空作冷源时，其传热系数通常低于液氧作冷源。答案：正确解析：液空侧因含氧氮两相，传热阻力大，K值低10-20%。19.（判断）对于同一套空分装置，夏季比冬季的氧气放散率通常更高。答案：正确解析：夏季冷却水温高，压缩机排量下降，而用户负荷常恒定，导致放散。20.（判断）液氧泵采用变频调节比出口节流调节节能约15-25%。答案：正确解析：变频降低泵扬程浪费，节能量与管路特性相关，15-25%为经验值。21.（填空）某空分装置加工空气量q=180000Nm³·h⁻¹，氧纯度99.6%，氮纯度≤10ppmO₂，若氧提取率η_O₂=93%，则副产液氧流量______t·d⁻¹。（液氧密度1.14t·m⁻³）答案：184解析：氧产量=180000×0.21×0.93/0.996=35400Nm³·h⁻¹=35400/22.4×32=50600kg·h⁻¹=1214t·d⁻¹；液氧比例按15%计，1214×0.15=182t·d⁻¹，取整184。22.（填空）若粗氩塔进料含Ar8%、O₂0.5%、N₂91.5%，塔顶要求Ar≥98%、O₂≤1ppm，则最小回流比R_min=______。（α_Ar-O₂=1.05，α_Ar-N₂=1.40）答案：0.75解析：按二元简化Ar-O₂，x_D=0.98，x_F=0.08，x_W=0.001ppm≈0，R_min=(x_D/x_F-1)/(α-1)=(0.98/0.08-1)/0.05=0.75。23.（填空）某膨胀机进口焓h₁=320kJ·kg⁻¹，出口等熵焓h₂s=220kJ·kg⁻¹，实际出口焓h₂=235kJ·kg⁻¹，则其绝热效率η_s=______%。答案：81.8解析：η_s=(h₁-h₂)/(h₁-h₂s)=(320-235)/(320-220)=85/100=0.818。24.（填空）若主冷总传热系数K=850W·m⁻²·K⁻¹，热负荷Q=18MW，对数平均温差ΔT_m=2.0K，则所需传热面积A=______m²。答案：10588解析：A=Q/(KΔT_m)=18×10⁶/(850×2)=10588m²。25.（填空）采用氮气循环增压输送液氧时，若槽车压力由0.15MPa升至0.25MPa，对应液氧饱和温度升高约______K。（dp/dT≈3.5kPa·K⁻¹）答案：2.9解析：ΔP=100kPa，ΔT=ΔP/(dp/dT)=100/3.5=28.6K·MPa⁻¹×0.1=2.9K。26.（简答）说明空分装置采用“泵-内压缩”流程相比“外压缩”流程在安全性与能耗方面的优劣。答案：泵-内压缩将液氧加压至所需压力后再汽化，避免高压氧压缩机，消除烃类聚集风险，安全性高；但液氧泵电耗及高压换热器温差损失使比功耗增加2-4%。外压缩需大型氧压机，维护复杂，存在烃爆隐患，但无高压换热不可逆损失，能耗略低。大型装置倾向内压缩，小型装置可选外压缩。27.（简答）阐述氩塔“富氩区”概念及其对操作优化的意义。答案：富氩区指上塔提馏段氩摩尔分数>5%的区间，其位置与宽度决定氩回收潜力。通过调节氩馏分抽取量，使富氩区稳定在最佳板位，可兼顾氧纯度与氩产量；若富氩区下移，氧纯度下降，上移则氩损失增大。在线氩谱仪与动态模拟结合，实现富氩区闭环优化，可提高氩提取率1-1.5%。28.（简答）分析空分装置在快速降负荷（50%→30%）过程中，如何防止主冷液位剧烈波动。解析：提前10min逐步降低膨胀机转速，减小冷量输入；同步降低氧氮产品抽出量，保持物料平衡；微调上塔压力，使液氧蒸发速率平稳；采用液位-流量串级控制，增益调低30%，避免振荡；若液位仍下降，可短暂开启液氧回流阀，补充液氧。29.（简答）说明采用“多股流交叉换热”在大型空分中的技术难点与解决措施。答案：难点：流道布置复杂，易出现温度交叉与热应力不均；通道泄漏检测困难；制造精度高。措施：采用真空钎焊铝板翅式，分区模块化设计；设置中间隔板与膨胀节吸收热应力；每通道设温度监测，采用氦质谱检漏；CFD优化流道，使温差<0.5K。30.（简答）解释为何在高原（0.08MPa环境）建设空分时，需特别考虑压缩机修正。答案：高原大气压低，压缩机入口密度减小，容积流量不变但质量流量下降，需加大叶轮直径或提高转速；压比升高，末级排气温度高，需增强冷却；同时电机功率因电流密度限制需增容约15-20%。制造厂需提供高原修正曲线，重新标定喘振线与性能图。31.（计算）某空分装置空气进料温度305K，经三级压缩、级间冷却至305K，最终压力0.6MPa，若每级等熵效率η_s=0.82，求总功耗W_comp。（空气c_p=1.005kJ·kg⁻¹·K⁻¹，γ=1.4，质量流量m=50kg·s⁻¹）答案：W_comp=50×1.005×305×[(6^(0.286)-1)/0.82]×3=50×1.005×305×0.668×3=30.6MW。解析：每级压比β=6^(1/3)=1.817，单级温升ΔT_s=T₁(β^(0.286)-1)=305×0.219=66.8K，实际ΔT=66.8/0.82=81.5K，单级功W_s=mc_pΔT=50×1.005×81.5=4.1MW，三级总功12.3MW；但上述为单级理想功，正确算法：总等熵功W_s=mc_pT₁[(P₂/P₁)^((γ-1)/γ)-1]=50×1.005×305×0.668=10.2MW，实际W=W_s/η_s=10.2/0.82=12.4MW。原答案30.6MW误乘3，修正为12.4MW。32.（计算）若粗氩塔进料1000kmol·h⁻¹，含Ar8%，塔顶采出纯氩流量D，塔底含Ar0.1%，求D与Ar回收率。答案：全塔Ar平衡：1000×0.08=D×0.98+(1000-D)×0.001→80=0.98D+1-0.001D→D=81kmol·h⁻¹；回收率=81×0.98/(1000×0.08)=99.2%。33.（计算）某液氧储罐容积500m³，日蒸发率0.15%，若BOG压缩机排量200Nm³·h⁻¹（标态），求罐压维持上限。（液氧蒸发热213kJ·kg⁻¹，气氧密度1.43kg·m⁻³）答案：日蒸发量=500×1.14×0.0015=0.855t·d⁻¹=35.6kg·h⁻¹；对应气量35.6/1.43=24.9Nm³·h⁻¹<200，故罐压可维持常压，上限由安全阀定，通常0.25MPa。34.（计算）膨胀机进口空气流量m=25kg·s⁻¹，h₁=320kJ·kg⁻¹，h₂s=220kJ·kg⁻¹，η_s=0.85，求输出轴功率与冷量增量。答案：轴功率P=m(h₁-h₂s)η_s=25×100×0.85=2125kW；冷量增量ΔQ=m(h₁-h₂s)(1-η_s)=25×100×0.15=375kW。35.（计算）主冷温差ΔT=1.5K，传热面积A=10000m²，K=800W·m⁻²·K⁻¹，若氧产量提高5%，需冷量增加3%，求新ΔT。答案：原Q=KAΔT=800×10000×1.5=12MW；新Q=12×1.03=12.36MW；新ΔT=12.36×10⁶/(800×10000)=1.545K。36.（综合设计）某180000Nm³·h⁻¹空分项目，要求氧纯度99.8%、氮纯度≤5ppmO₂，同时提取粗氩≥90%，液体比例20%，海拔50m，夏季冷却水温度32℃。请给出流程配置、关键参数与比功耗估算。答案：流程：分子筛预净化，增压透平膨胀，双塔精馏，设粗氩塔与纯氩塔，液氧泵内压缩至8.5MPa，氮气高压机出口10MPa。关键参数：下塔0.58MPa，上塔0.048MPa，主冷温差1.3K，氩塔理论板80，回流比0.9，膨胀机入口0.6MPa、140K，绝热效率86%。比功耗：氧产量37800Nm³·h⁻¹，总功耗≈78MW，比功耗78/3.78=20.6MJ·Nm⁻³O₂，优于行业平均22MJ。37.（综合设计）说明如何利用装置副产0.3MPa低压氮气驱动有机朗肯循环（ORC）发电，并估算发电量。答案：低压氮气流量80000Nm³·h⁻¹，温度295K，采用R245faORC，蒸发温度280K，冷凝温度300K，氮气放热至285K，释放热量Q=mc_pΔT=80000/22.4×29×10×1/3600=8.7MW；ORC热效率η=7%，发电量=8.7×0.07=0.61MW，年运行8000h，发电4.9GWh。38.（综合设计）给出一种基于“磁致冷”预冷的空分概念流程，并评估其技术可行性。答案：磁致冷采用Gd-Si-Ge合金，居里区间270