2025年化工设计竞赛题库及答案

2025年化工设计竞赛题库及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.化工设计中“概念设计”的核心任务是：A.完成设备详细尺寸计算B.确定工艺路线可行性及关键参数C.编制施工图预算D.进行安全评价报告编制答案：B2.对于气相反应A→2B，若初始体积流量为100m³/h，转化率为80%，则反应后体积流量为（假设恒温恒压）：A.140m³/hB.160m³/hC.180m³/hD.200m³/h答案：B（体积变化率δ=(21)/1=1，反应后体积流量=100×(1+1×0.8)=180？修正：正确公式为V=V₀(1+δx)，δ=(产物系数反应物系数)/反应物系数=(21)/1=1，x=0.8，故V=100×(1+1×0.8)=180m³/h，原题选项C正确。可能之前笔误，现更正答案为C。）3.以下哪种反应器更适合强放热且反应速率受传质控制的气液反应？A.固定床反应器B.鼓泡塔反应器C.间歇釜式反应器D.流化床反应器答案：B（鼓泡塔持液量大，气液接触面积大，适合传质控制的反应。）4.精馏塔设计中，若进料热状态参数q=1.5，说明进料为：A.过冷液体B.饱和液体C.气液混合物D.过热蒸汽答案：A（q>1为过冷液体，q=1为饱和液体，0<q<1为气液混合，q=0为饱和蒸汽，q<0为过热蒸汽。）5.化工工艺流程图（PFD）中，设备位号“R101”表示：A.第101台反应器B.第1系列第01台反应器C.第10单元第1台反应器D.第1车间第01台反应器答案：B（设备位号编码规则：设备类型代号+车间（系列）号+设备序号，R为反应器，101中1为系列号，01为序号。）6.以下哪项不是化工设计中“三废”治理的基本原则？A.减量化B.资源化C.无害化D.集中排放答案：D7.某换热器冷热流体均为湍流，若仅将冷流体流量提高一倍（其他条件不变），则总传热系数K的变化趋势为：A.基本不变B.增大但不超过1倍C.增大1倍以上D.减小答案：B（湍流时，传热系数与流量的0.8次方成正比，流量加倍则α≈2^0.8≈1.74，若原K由冷流体侧控制，则K增大1.74倍；若两侧热阻相近，则K增大但不超过1倍。）8.安全评价中“HAZOP分析”的全称是：A.危险与可操作性分析B.故障类型与影响分析C.安全完整性等级分析D.定量风险评价答案：A9.经济评价中，若某项目静态投资回收期为5年，行业基准为6年，则该项目：A.不可行B.可行C.需结合动态指标判断D.无法判断答案：C（静态回收期未考虑资金时间价值，需结合净现值、内部收益率等动态指标。）10.以下哪种材料不适合用于浓硫酸（98%）储存罐？A.304不锈钢B.碳钢（表面钝化）C.玻璃钢（FRP）D.哈氏合金答案：A（304不锈钢在浓硫酸中易发生晶间腐蚀，不适用。）二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.化工工艺路线选择的关键影响因素包括：A.原料来源与成本B.反应转化率与选择性C.设备投资与操作费用D.环保与安全要求答案：ABCD2.以下属于化工设计中“能量集成”手段的有：A.余热锅炉回收废热B.夹点技术优化换热网络C.采用热泵提升低品位热能D.增加精馏塔理论板数答案：ABC（D为分离效率优化，非能量集成。）3.反应器设计中需确定的关键参数包括：A.反应器体积B.操作温度与压力C.催化剂装填量（若有）D.物料停留时间答案：ABCD4.化工管道设计中，“管道材料等级表”应包含的信息有：A.管道材质（如20钢、316L不锈钢）B.管道公称压力（PN）C.管道连接方式（法兰、焊接）D.管道保温/防腐要求答案：ABCD5.安全泄放装置设计需考虑的因素有：A.最大可能泄放量B.泄放介质的物理性质（如相变、腐蚀性）C.泄放后介质的处理（如火炬、吸收塔）D.设备设计压力答案：ABCD三、填空题（每题2分，共20分）1.化工设计的三个主要阶段为：__概念设计__、__基础设计__、__详细设计__（或施工图设计）。2.物料衡算的基本方程是：__输入物料量=输出物料量+积累量__（稳态时积累量为0）。3.精馏塔最小回流比的计算方法有__芬斯克恩德伍德吉利兰法__（或直接写芬斯克方程结合恩德伍德公式）。4.固定床反应器的主要缺点是__轴向温差大（热点问题）__、__催化剂更换困难__。5.环保“三废”指__废水__、__废气__、__废渣__。6.换热器设计中，对数平均温差（ΔTₘ）的计算公式为__ΔTₘ=(ΔT₁ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)__（ΔT₁、ΔT₂为两端温差）。7.经济评价中，净现值（NPV）的计算公式为__NPV=Σ(CICO)ₜ(1+i)⁻ᵗ__（CI为现金流入，CO为现金流出，i为折现率）。8.化工设备图中，“技术特性表”需列出__设计压力__、__设计温度__、__介质__、__容积__等参数。9.危险化学品储存的“五双”制度是指__双人保管__、__双把锁__、__双本账__、__双人收发__、__双人使用__。10.泵的性能曲线主要包括__流量扬程（QH）__、__流量效率（Qη）__、__流量轴功率（QN）__三条曲线。四、简答题（每题6分，共30分）1.简述化工工艺路线选择的主要步骤。答案：①收集候选工艺路线（文献调研、专利分析）；②筛选可行路线（技术可行性、原料可得性）；③关键指标对比（转化率、选择性、能耗、“三废”量）；④经济初步评价（投资、成本）；⑤安全环保评估（风险等级、治理难度）；⑥确定最优路线（综合技术、经济、安全因素）。2.说明夹点技术在换热网络优化中的核心作用及应用步骤。答案：核心作用：通过识别系统中最小传热温差（夹点），将换热网络划分为夹点以上（热阱）和夹点以下（热源）两部分，避免跨夹点传热，从而最小化公用工程消耗（加热/冷却负荷）。应用步骤：①收集物流数据（流量、热容、进出口温度）；②绘制复合曲线（热物流冷却曲线、冷物流加热曲线）；③确定夹点位置（两曲线最小垂直距离）；④设计换热网络（夹点以上仅用热物流加热冷物流，夹点以下仅用冷物流冷却热物流，不足部分由公用工程补充）；⑤优化换热面积与投资。3.固定床反应器与流化床反应器在设计上的主要区别有哪些？答案：①流动特性：固定床中催化剂固定，流体流经颗粒间隙；流化床中流体流速足够大，催化剂颗粒悬浮流动。②传热性能：固定床轴向温差大（可能形成热点）；流化床混合剧烈，温度均匀。③催化剂损耗：固定床催化剂磨损小；流化床因颗粒碰撞，催化剂损耗大。④适用反应：固定床适合慢反应、强放热（需多段冷却）；流化床适合强放热、快速反应（如催化裂化）。⑤结构设计：固定床需考虑床层压降、支撑格栅；流化床需设计分布板、旋风分离器（回收催化剂）。4.简述精馏塔设计中“全塔效率”的定义及影响因素。答案：全塔效率（Eₜ）是实际塔板数（Nₚ）与理论塔板数（Nₜ）的比值，即Eₜ=Nₜ/Nₚ。影响因素：①物系性质（相对挥发度、粘度、表面张力）；②操作条件（温度、压力、气液负荷）；③塔板类型（筛板、浮阀、泡罩）；④塔径与板间距（影响雾沫夹带和液泛）。例如，物系粘度大时，传质阻力增加，全塔效率降低；气速过高导致雾沫夹带，效率下降。5.化工设计中如何进行安全风险控制？请列举至少4种措施。答案：①本质安全设计：选择低毒、低燃爆性原料，简化工艺流程（减少中间储存）。②工艺参数控制：设置温度、压力、液位联锁（如超温时自动切断进料）。③安全设施设计：安装安全阀、爆破片（泄放超压）、紧急停车系统（ESD）、可燃气体检测器。④防护措施：设备防爆等级（如ExdIIBT4）、操作人员防护装备（防毒面具、防静电服）。⑤事故应急设计：设置事故水池（收集泄漏物料）、火炬系统（处理可燃气体）、消防水系统。五、计算分析题（共25分）1.精馏塔物料衡算（10分）某甲醇水混合液进料量为1000kg/h，甲醇质量分数为30%（密度0.85kg/L），要求塔顶甲醇质量分数≥99%，塔底甲醇质量分数≤1%。假设甲醇回收率（塔顶甲醇量/进料甲醇量）为98%，计算：（1）塔顶产品流量D（kg/h）；（2）塔底产品流量W（kg/h）；（3）塔底产品中水的质量分数（保留2位小数）。答案：（1）进料中甲醇量=1000×30%=300kg/h；塔顶甲醇量=300×98%=294kg/h；塔顶产品流量D=294/99%≈296.97kg/h；（2）塔底产品流量W=1000D=1000296.97=703.03kg/h；（3）塔底甲醇量=300294=6kg/h；塔底水量=703.036=697.03kg/h；水的质量分数=697.03/703.03≈99.15%。2.全混流反应器（CSTR）体积计算（8分）某液相一级不可逆反应A→B，反应速率方程为rₐ=kCₐ，k=0.5h⁻¹（50℃）。进料流量v₀=10m³/h，进料浓度Cₐ₀=2kmol/m³，要求转化率xₐ=80%，计算CSTR的体积V（m³）。答案：全混流反应器体积公式：V=(v₀Cₐ₀xₐ)/(kCₐ₀(1xₐ))=(v₀xₐ)/(k(1xₐ))；代入数据：V=(10×0.8)/(0.5×(10.8))=8/(0.1)=80m³。3.列管式换热器换热面积计算（7分）某换热器用120℃饱和蒸汽加热20℃的水，水流量为5000kg/h，出口温度60℃。蒸汽冷凝潜热r=2200kJ/kg，总传热系数K=2000W/(m²·℃)，假设蒸汽侧温度恒定为120℃，计算所需换热面积A（m²）。（水的比热容cₚ=4.18kJ/(kg·℃)）答案：（1）水吸收的热量Q=qₘcₚΔT=5000×4.18×(6020)=5000×4.18×40=836000kJ/h=232222W；（2）对数平均温差ΔTₘ：热流体（蒸汽）温度