2026年化工工艺学工艺流程设计模拟试题卷及答案

2026年化工工艺学工艺流程设计模拟试题卷及答案1.（单选）在乙苯脱氢制苯乙烯的负压绝热径向反应器设计中，下列哪一项参数对催化剂床层压降影响最显著？A.催化剂当量直径B.反应器长径比C.入口扩散段角度D.出口收集环缝隙宽度答案：A解析：压降ΔP∝(1/dp)·(μ·u·L)，其中dp为当量直径，其一次方反比关系使A成为主控因素；其余选项仅改变局部阻力系数或流场均匀性，对总压降为次要贡献。2.（单选）对于放热可逆反应A⇌R，若采用多段冷激式固定床，段间冷激气量最小化目标函数应选：A.各段出口温度相等B.各段转化率相等C.各段净反应速率对温度导数为零D.各段冷激温差相等答案：C解析：最小冷激量对应最大热力学推动力，即(d(-rA)/dT)=0，此时再增加温度对速率已无增益，冷激需求最低。3.（单选）在甲醇制烯烃（MTO）流化床再生器设计中，下列哪项措施最能抑制催化剂“热崩塌”？A.提高再生密相床高度B.采用分段燃烧管C.降低再生压力D.增加催化剂循环量答案：B解析：分段燃烧管可将CO燃烧区与催化剂烧焦区分隔，避免局部超温；热崩塌本质是局部热点>850℃引发骨架铝脱除，分段燃烧可降低峰值温度60℃以上。4.（单选）某裂解气深冷分离装置，脱甲烷塔顶冷凝器采用-100℃乙烯冷剂，若塔顶不凝气中H2摩尔分数从25%升至35%，则最小理论塔板数将：A.增加B.减少C.不变D.先增后减答案：A解析：不凝气增加导致塔顶气相负荷上升，相对挥发度αC1/H2下降，需更多理论板维持相同回收率；McCabe-Thiele图解中平衡线靠近对角线，阶梯数增加。5.（单选）在离子液体催化烷基化工艺中，为提高酸强度函数H0<-12，下列哪种阴离子最有效？A.[NTf2]⁻B.[AlCl4]⁻C.[BF4]⁻D.[PF6]⁻答案：B解析：[AlCl4]⁻可与微量HCl形成H[Al2Cl7]超强酸，H0≈-14；其余阴离子配位饱和，无质子超酸效应。6.（单选）某年产30万吨PDH装置采用Oleflex连续再生工艺，若催化剂失活系数kd=0.035d⁻¹，则循环量与新鲜催化剂补充量质量比约为：A.120:1B.200:1C.300:1D.400:1答案：C解析：连续再生系统稳态时Ffresh/Fcirc=kd·τ，τ为单程寿命，Oleflexτ≈8.6d，故比值≈0.035×8.6≈0.3，即循环量/补充量≈1/0.3≈300。7.（单选）在CO2捕集MEA吸收塔设计中，若液气比L/G降至最低允许值，此时再沸器热负荷主要受哪段平衡制约？A.塔顶CO2分压B.富液胺浓度C.塔底温度D.贫液CO2负荷答案：D解析：L/G下限由“贫液CO2负荷↔塔顶平衡CO2分压”决定，当贫液负荷接近平衡值，推动力趋零，需无限高塔，故再沸器热负荷被迫升高以再生更低负荷贫液。8.（单选）对于甘油氢解制1,3-丙二醇，若采用Cu/SiO2催化剂，下列哪种助剂可抑制C–C键断裂副反应？A.ZnOB.ZrO2C.La2O3D.MoO3答案：C解析：La2O3为碱性助剂，可中和SiO2表面强Lewis酸位，抑制脱水-加氢路径生成的羟基丙酮进一步C–C断裂；ZnO促进脱氢，ZrO2中性，MoO3促进C–O断裂。9.（单选）某厂苯酚丙酮装置异丙苯氧化塔尾气O2含量从4%提至6%，则尾气处理系统RTO天然气消耗将：A.增加>15%B.增加5–10%C.基本不变D.减少答案：D解析：O2升高意味着氧化深度下降，尾气中有机负荷（异丙苯、CHP等）减少，RTO需补充的天然气随之下降；经验上O2每升1%，天然气耗降约6%。10.（单选）在聚烯烃浆液环管反应器中，若固体体积分数>45%，最易发生的异常现象是：A.轴流泵汽蚀B.传热系数骤降C.反应器顶部结块D.产品熔指漂移答案：B解析：高固含率下浆液粘度呈指数上升，近壁面处出现“固体滑移层”，有效导热系数λeff下降50%以上，导致传热系数骤降；泵汽蚀需入口饱和蒸气压条件，顶部结块与静电相关，熔指漂移由H2浓度波动引起。11.（多选）关于乙烷裂解炉辐射段炉管渗碳失效，下列说法正确的是：A.渗碳层导热系数低于基体B.渗碳优先在奥氏体晶界发生C.提高Cr含量至35%可完全抑制D.采用内衬SiC套管可延缓E.渗碳速率与C2H6分压平方成正比答案：ABD解析：渗碳层为Cr23C6等碳化物，λ≈15Wm⁻¹K⁻¹，低于HP45合金的28Wm⁻¹K⁻¹；晶界Cr扩散快，碳化物易析出；Cr>30%仅能降低速率，无法完全抑制；SiC套管可阻隔碳活度；渗碳速率∝aC·√(pC2H6)，非平方关系。12.（多选）在己内酰胺氨肟化工艺中，下列措施可提高环己酮转化率并降低过氧化氢分解率的是：A.采用微通道反应器B.将TS-1催化剂粒径从200μm降至20μmC.加入0.1%wtNa2CO3D.提高反应温度至120℃E.采用分段进料H2O2答案：ABE解析：微通道强化传质，降低H2O2局部过剩；小粒径缩短扩散路径，减少内扩散导致的H2O2无效分解；分段进料维持低过氧化物浓度；Na2CO3中和酸性会加速H2O2分解；高温使H2O2自分解指数上升。13.（多选）关于合成气发酵制乙醇的Clostridiumcarboxidivorans连续搅拌釜-膜分离耦合系统，下列说法正确的是：A.膜通量>70Lm⁻²h⁻¹时易出现菌体污染层B.CO抑制常数KI=0.08molL⁻¹C.乙醇/乙酸选择性随pH升高而升高D.膜截留分子量应<1000DaE.菌体对H2耐受阈值>CO答案：ABC解析：高通量下剪切不足，菌体易在膜面沉积；文献KI值0.08；pH升高使酸解离，乙酸以Ac⁻形式透过膜，乙醇保持中性，表观选择性上升；截留分子量需>3000Da以保证乙醇透过；H2抑制常数KI,H2≈0.15，高于CO。14.（多选）在天然气液化混合制冷剂（MRC）循环优化中，采用N2-CH4-C2H4-C3H8四元工质，若降低N2含量，则：A.压缩机排气温度下降B.冷箱㶲损失降低C.高压分离器液相C3H8增加D.单位液化功耗下降E.低温段温差曲线更平滑答案：BCE解析：N2减少使高温段制冷量不足，需增加C2H4/C3H8补偿，冷箱温差曲线更平滑，㶲损降低；高压分离器温度升高，C3H8更多冷凝；排气温度因质量流量减少而略升；功耗因换热改善而下降。15.（多选）关于锂电池正极材料前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2连续搅拌釜-管式串联结晶系统，下列说法正确的是：A.管式段Peclet数>50可抑制二次成核B.釜段pH=11.5时一次颗粒粒径D50最小C.氨络合剂浓度升高使晶习由片状变球状D.过渡金属总浓度>2.5molL⁻¹时易出现胶体E.采用超声雾化加料可降低团聚指数30%答案：ACDE解析：高Pe数降低返混，减少二次成核；pH=11.5时过饱和度最大，粒径反而小；氨浓度升高使生长面由(001)变为(101)，球状化；高浓度下离子强度大，胶体稳定性下降；超声雾化降低局部过饱和，团聚减少。16.（填空）某丙烯腈装置反应器出口气体含丙烯腈7.2%vol、HCN1.1%、NH30.8%，经急冷塔用硫酸铵溶液循环冷却，若控制急冷塔顶温度45℃，则塔顶水蒸气分压为________kPa，已知该温度下饱和蒸气压9.59kPa，溶液中硫酸铵质量分数40%，其水活度系数0.685。答案：6.57解析：pH2O=γw·p*=0.685×9.59=6.57kPa。17.（填空）在己二酸绿色合成路线中，以环己烯为底物，H2O2为氧化剂，【NaWO4/【CH3(n-C8H17)3N】HSO4】为相转移催化剂，若反应器体积1m³，环己烯初始浓度2.5kmolm⁻³，H2O2与环己烯摩尔比4:1，反应温度90℃，实验测得速率方程-rA=0.85·CA0.7·CB0.5molL⁻¹min⁻¹，其中CB为H2O2浓度，则达到95%转化率所需空时为________min。答案：47.3解析：代入速率方程积分得τ=∫(1/(-rA))dX=∫0X(1/(0.85·CA0.7·CB0.5))dX，令CA=CA0(1-X)，CB=CB0-4CA0X，换算单位后数值积分得47.3min。18.（填空）某煤制天然气项目采用甲烷化串并联工艺，原料气组成CO20%、CO28%、H268%，目标产品CH4>97%，若采用三段绝热甲烷化，段间换热，则第一段出口CO转化率需控制在________%以内，才能保证热点温度<700℃，已知催化剂允许最高温度700℃，反应热ΔH=-206kJmol⁻¹，气体平均热容36Jmol⁻¹K⁻¹。答案：62.4解析：绝热温升ΔTad=(-ΔX·ΔH)/(Cp·n总)，令ΔTad≤(700-280)K，解得ΔX≤62.4%。19.（填空）在环氧丙烷HPPO法工艺中，若丙烯与H2O2摩尔比2.5:1，TS-1催化剂选择性92%，则每生产1t环氧丙烷副产________kg丙二醇单甲醚。答案：86解析：按反应式C3H6+H2O2→PO+H2O，副反应PO+CH3OH→1-甲氧基-2-丙醇，选择性损失8%，1tPO需副产0.08×76/58×1000=86kg。20.（填空）某聚酯装置缩聚反应器采用圆盘转子强化表面更新，若熔体粘度从200Pa·s升至400Pa·s，则相同转速下体积传质系数kLa将下降________%，已知kLa∝(μ^-0.6)。答案：31.5解析：(400/200)^-0.6=2^-0.6=0.660，下降1-0.660=34.0%，考虑圆盘边缘湍流修正，实际下降约31.5%。21.（流程设计）某企业拟建年产50万吨PDH装置，采用丙烷脱氢-选择氢化-烯烃分离方案。请完成下列任务：（1）画出包含主要设备、热交换网络、压缩机制冷剂循环的方块流程图（文字描述即可）；（2）给出反应部分物料平衡（以100kmolh⁻¹丙烷进料为基准），单程转化率45%，选择性89%，循环丙烷纯度96%；（3）计算反应器出口气体冷却至40℃所需冷却负荷，已知出口气含C3H855kmol、C3H640kmol、H240kmol、CH42kmol，入口温度580℃，平均热容46Jmol⁻¹K⁻¹；（4）若采用燃气透平驱动压缩机，透平效率38%，燃料气低热值50MJkg⁻¹，求单位产品能耗（kg燃料/t丙烯）。答案与解析：（1）流程：丙烷预热→径向绝热反应器→废热锅炉（产10MPa蒸汽）→三级选择氢化（Pd/Al2O3）→干燥→三塔烯烃分离（脱乙烷-脱丙烷-丙烯精馏）→冷箱回收H2；热交换网络：反应器出口-进料换热器、蒸汽过热器、透平凝汽回热；制冷：丙烯-丙烷复叠制冷，-40℃、-15℃两级。（2）基准100kmolh⁻¹丙烷，单程反应45kmol，生成丙烯40kmol、副产CH42kmol、C2H41kmol、C2H62kmol；分离后循环丙烷55kmol，纯度96%，需排放5kmol丙烷以除惰性；新鲜丙烷补充=反应消耗+排放=45+5=50kmolh⁻¹；年产50万吨需新鲜丙烷=50×10⁴/(40×0.089)=1.40×10⁵ta⁻¹。（3）冷却负荷Q=Σn·Cp·ΔT=(55+40+40+2)×46×(580-40)=137×46×540=3.40×10⁶kJh⁻¹=944kW。（4）压缩机轴功率：丙烯压缩+循环氢+制冷，合计约1.85MW；透平燃料耗=1.85/0.38=4.87MW；燃料气耗=4.87/50=0.0974kgs⁻¹=350kgh⁻¹；单位产品能耗=350/40=8.75kg燃料/t丙烯。22.（设备计算）某厂新建一座直径3.6m的乙苯/苯乙烯精馏塔，采用规整填料Y250，理论板当量高度0.28m，全塔共需60块理论板，塔顶压力6kPa，塔底压力14kPa，塔顶温度65℃，塔底温度105℃。请计算：（1）填料层总高度；（2）若塔顶气相负荷3600m³h⁻¹，操作液气比1.2，计算泛点率（已知Y250在6kPa下液泛因子Fmax=1.8ms⁻¹(kgm⁻³)^0.5）；（3）塔底再沸器采用10bar饱和蒸汽，若传热系数U=1200Wm⁻²K⁻¹，温差30℃，求所需面积；（4）若改用降膜再沸器，传热系数可提至2500Wm⁻²K⁻¹，面积减少多少百分比？答案与解析：（1）总高=60×0.28=16.8m，分三段安装，每段5.6m。（2）气相密度ρV=PM/RT=6×106/(8.314×338)=0.226kgm⁻³；液相密度ρL≈840kgm⁻³；气相负荷3600/3600=1m³s⁻¹；塔截面积A=0.785×3.6²=10.18m²；F因子=F/(ρV^0.5)=1/(0.226^0.5)=2.10；泛点率=2.10/1.8=1.17，超限17%，需降负荷或换填料。（3）再沸热负荷Q=蒸汽冷凝潜热=3600×ρV×λ=3600×0.226×380=3.09×10⁵kJh⁻¹=85.8kW；面积A=Q/(UΔT)=85800/(1200×30)=2.38m²。（4）新面积A’=85800/(2500×30)=1.14m²；减少百分比=(2.38-1.14)/2.38=52%。23.（安全与HAZOP）针对上述PDH反应器，进行节点“反应器出口-废热锅炉连接管线”HAZOP分析，引导词“无流量”，请列出可能原因、后果及现有防护措施，并补充建议。答案：原因：①反应器飞温导致催化剂烧结，床层堵塞；②出口大阀误关；③废热锅炉管爆裂，紧急切断阀ESDV关闭。后果：①反应器压力骤升，Rupturedisc爆破，高温烃泄放→火灾爆炸；②压缩机喘振停机；③循环氢中断，后续加氢系统超压。现有措施：①双路压差变送器联锁2oo3；②ESD阀带限位开关，DCS报警；③爆破片+火炬系统。建议：增加①反应器出口快速旁路泄压阀（3s全开），②在线激光粒度仪监测催化剂粉尘，③增设红外热像仪监测飞温早期热点。24.（节能优化）某环氧氯丙烷装置丙烯高温氯化反应器原用冷却水移热，现拟采用有机朗肯循环（ORC）回收反应热，反应温度420℃，放热15MW，冷却水侧可降至200℃。请：（1）选择合适ORC工质并说明理由；（2）估算净发电功率（热源15MW，冷源40℃，膨胀等熵效率85%，泵效率75%，换热器夹点20℃）；（3）计算年运行8000h的CO2减排量（电网排放因子0.85kgkWh⁻¹）。答案：（1）选甲苯：临界温度319℃，临界压力4.1MPa，420℃下热稳定，蒸发潜热大，饱和蒸气压适中，不易分解，环保ODP=0。（2）甲苯在200→420℃吸热，平均Cp=1.8kJkg⁻¹K⁻¹，流量m=15000/(1.8×220)=37.9kgs⁻¹；蒸发段200→318℃，吸热Qeva=37.9×1.8×118=8.05MW；过热段318→420℃，吸热6.95MW；膨胀出口40℃饱和气，h3=720kJkg⁻¹，h4s=540，ηs=0.85，h4=720-0.85×(720-540)=567；功率Wexp=m(h3-h4)=37.9×153=5.80MW；泵耗Wpp=m(h2s-h1)/0.75=37.9×(280-200)/0.75=4.04MW；净发电=5.80-4.04=1.76MW。（3）年发电1.76×8000=14080MWh；减排14080×0.85=11968tCO2。25.（综合设计）某沿海园区规划以100万吨/年甲醇为原料，通过MTO-烯烃裂解（OCP）-聚烯烃一体化路线，生产80万吨聚乙烯、40万吨聚丙烯，副产氢气8万吨。请给出：（1）总流程框图（文字描述）；（2）关键设备清单（≥10台，含规格参数）；（3）年CO2排放估算（含工艺、公用工程）；（4）碳减排技术路径（至少3条，量化效果）。答案：（1）流程：甲醇→DMTO流化床（5000td⁻¹）-急冷-压缩-脱甲烷-脱乙烷-OCP提升管-烯烃分离-乙烯精馏（99.9%）-气相法PE（Unipol）-丙烯精馏-液相法PP（Spheripol）-氢气PSA-燃料气管网。（2）关键设备：①DMTO反应器φ10m×40m，催化剂75t，再生循环800th⁻¹；②乙烯压缩机三段离心，流量180th⁻¹，功率28MW；③OCP提升管φ1.8m×35m，出口620℃；④PE流化床反应器φ5m×25m，树脂停留3.5h；⑤PP环管反应器双环φ0.6m×120m，压力35bar；⑥冷箱-185℃，板翅式，铝合金；⑦丙烯制冷压缩机，-40℃，功率12MW；⑧氢气PSA，10塔，回收率87%，纯度99.999%；⑨MEG再生塔φ3.2m×50m，填料250Y；⑩CO2捕集膜系统，Polyactive膜，面积12万m²，捕集率70%。（3）排放：工艺CO2=甲醇原料碳-产品碳=100×0.375-120×0.856=-52.2万t（负碳），但公用工程：蒸汽900万t，耗煤120万t，排放CO2280万t；电力60万MWh，排放51万t；合计331万ta⁻¹。（4）减排路径：①电解水制氢替代煤制氢，绿氢8万吨，减排72万t；②ORC回收PE反应热20MW，发电1.4万MWh，减排1.2万t；③CO2捕集-尿素，捕集100万t，减排100万t；④光伏自备电厂200MW，年供电16亿kWh，减排136万t；合计减排309万t，剩余22万t可通过生物甲醇原料中和，实现净零。26.（计算证明）证明：对于一级不可逆反应A→B，在n段冷激式绝热固定床中，若每段出口温度相同且为最优温度Top，则总催化剂用量最小，并给出Top表达式（已知速率常数k=k0exp(-E/RT)，平衡常数K=exp(ΔS/R-ΔH/RT)）。答案：证明：设第i段转化率Xi-1→Xi，绝热操作线T=Ti0+λ(X-Xi-1)，λ=(-ΔH)FA0/(ΣFiCpi)。目标函数minΣWi=minΣ(FA0(Xi-Xi-1))/(k(Ti)(1-Xi))。构造Lagrange函数，引入等温约束Ti=Top，对Xi求导并令∂L/∂Xi=0，得k(Top)(1-Xi)=k(Top)(1-Xi+1)，即各段出口速率相等；再对Top求导，得dk/dT(1-X)=0，即dlnk/dT=0，亦即E/(RTop