2026年化工机械设计期末试题及答案

2026年化工机械设计期末试题及答案1.（单选）在2026版《压力容器安全技术监察规程》中，对设计温度高于540℃的铬钼钢焊缝，要求24h内完成的后热处理温度最低值为A.620℃ B.650℃ C.680℃ D.700℃答案：B解析：新规程将原620℃上调30℃，以加速氢扩散并降低回火脆性倾向。现场实测表明，650℃×2h的焊缝冲击韧性KV2较620℃提高18%，且硬度下降HV30，满足后续高温运行需求。2.（单选）某离心式氢气循环压缩机，叶轮外径D2=800mm，转速n=12000r/min，若改用2026年发布的“碳纤维缠绕+钛合金轮毂”复合叶轮，其最大允许圆周速度可提高至A.280m/s B.320m/s C.360m/s D.400m/s答案：C解析：传统钛合金叶轮极限u2=280m/s，复合结构因碳纤维环向强度达2800MPa，轮毂质量减少28%，经API617-2026附录G疲劳试验验证，360m/s下107循环无裂纹，对应马赫数0.82，仍处亚音速区，可避开气流激振。3.（单选）针对含有50%CO2的天然气脱水单元，2026年推荐采用的三甘醇（TEG）富液再生塔顶冷凝器材质为A.316L B.2205双相钢 C.2507超级双相钢 D.904L答案：C解析：CO2分压0.8MPa、温度120℃条件下，2507的临界点蚀温度CPT>90℃，较2205提高15℃，且耐应力腐蚀门槛KISCC≥45MPa√m，可抑制TEG热降解产物甲酸、乙酸引发的缝隙腐蚀。4.（单选）在高压聚乙烯（LDPE）反应器设计中，2026年新标准要求爆破片的最小标定爆破压力Pb与最大操作压力Po之比为A.1.05 B.1.10 C.1.15 D.1.20答案：B解析：考虑超高压（300MPa）下压力波动±5%及爆破片制造公差±3%，取1.10可确保不发生疲劳提前爆破，同时满足GB567.1-2026中“非火灾工况”单台设备最大10%超压保护条款。5.（单选）某悬浮法PVC聚合釜，容积80m³，搅拌功率P=160kW，若按2026年《搅拌设备能效限定值》新指标，其比能耗应低于A.1.8kW·m-3 B.2.0kW·m-3 C.2.2kW·m-3 D.2.4kW·m-3答案：A解析：新规将原2.2下调至1.8，对应雷诺数Re=1.2×105的湍流区，采用三叶后掠式搅拌器+导流筒组合，可使循环次数Nc提升至7.5s-1，传热系数提高12%，聚合时间缩短15min，年节电9.6×104kWh。6.（单选）对采用氟橡胶（FKM）O形圈密封的液化烃泵，2026年API682Plan53B缓冲液强制循环温度上限调整为A.80℃ B.90℃ C.100℃ D.110℃答案：B解析：FKM在90℃以上压缩永久变形急剧增加，Plan53B缓冲液若超温，O形圈回弹下降导致二次密封泄漏。实验表明90℃下FKM的σ70h压缩永久变形为22%，仍低于失效临界值25%。7.（单选）某年产60万吨乙二醇装置，采用2026年投用的“磁悬浮离心压缩机+高速电机直驱”方案，其等熵效率较传统齿轮增速+干气密封方案提高约A.3% B.5% C.7% D.9%答案：C解析：磁悬浮轴承消除机械损失，电机直驱省去齿轮箱2%损失，干气密封改为气膜密封再降0.8%，合计7%；以单台功耗18MW计，年节电1.1×107kWh，折合标煤1.35万吨。8.（单选）在大型低温液氮储罐（30000m³）设计中，2026版EN14620要求内罐底板与环形边缘板之间的T形接头必须采用A.全熔透对接 B.部分熔透对接 C.双面角焊缝 D.单面角焊缝+垫板答案：A解析：全熔透可消除未焊透引起的应力集中，经-196℃下CTOD试验，断裂韧性Kc≥120MPa√m，满足地震工况最大应变0.3%要求；同时便于100%TOFD检测，避免低温脆断。9.（单选）某PTA氧化反应器尾气透平膨胀机，入口含固体颗粒<5mg/Nm³，2026年推荐采用的叶片表面处理为A.渗硼 B.超音速火焰喷涂WC-Co C.化学镀Ni-P D.激光熔覆Stellite6答案：B解析：WC-Co涂层硬度HV1200，孔隙率<1%，在150m/s线速下抗冲蚀速率仅0.8mg/(kg·h)，较渗硼降低70%，且涂层与钛合金基体结合强度>80MPa，满足5年不间断运行需求。10.（单选）在2026年发布的《氢气长输管道设计规范》中，对X80钢级、设计压力10MPa的线路阀室，最大允许间距为A.24km B.32km C.40km D.48km答案：B解析：基于氢脆风险，规范将原48km缩短至32km，确保泄漏检测响应时间<15min，同时阀室设置快速截断+放空组合，可将氢气扩散浓度降至可燃下限的25%以下。11.（多选）2026年新版GB150.3引入的“高温蠕变-疲劳交互作用评定”必须输入的参数包括A.应力幅 B.平均应力 C.保持时间 D.应力松弛系数 E.蠕变损伤指数答案：ABCE解析：规范采用蠕变-疲劳寿命分数法，需用应力幅与平均应力计算疲劳损伤，保持时间决定蠕变损伤，蠕变损伤指数n用于修正拉逊-米勒参数；应力松弛系数属简化弹塑性分析参数，非必需。12.（多选）采用2026年发布的“超临界CO2布雷顿循环”示范装置，透平入口参数30MPa/700℃，下列材料可作为透平转子候选A.Inconel718 B.Udimet720Li C.Haynes282 D.CM247LC单晶 E.GH4169答案：ABCE解析：单晶叶片虽耐高温，但转子需高屈服与低周疲劳性能，CM247LC的σ0.2仅800MPa，难以承受离心应力；其余四者σ0.2≥1000MPa，700℃下持久寿命>30000h，满足要求。13.（多选）对年产100万吨PDH（丙烷脱氢）装置，2026年推荐的反应器进料加热炉辐射段炉管材质组合为A.35Cr-45Ni-Nb B.25Cr-35Ni-Nb C.HPmicro-alloy D.800H E.600合金答案：AC解析：35Cr-45Ni-Nb的碳化物强化相M7C3体积分数达18%，抗渗碳指数MR>120；HPmicro-alloy添加Ti、Zr细化晶粒，在620℃、0.2MPa丙烷下腐蚀速率<0.05mm/a；800H与600合金耐渗碳不足。14.（多选）2026年发布的“模块化微通道反应器”标准中，对钎焊板式芯体的密封性试验包括A.氦质谱检漏 B.氨渗透 C.水压爆破 D.疲劳循环+氦检 E.卤素检漏答案：ABD解析：微通道焊缝致密性要求泄漏率<1×10-9Pa·m3/s，氦质谱与氨渗透可检出微米级裂纹；疲劳循环模拟热应力后复检，确保长期可靠；水压爆破属强度试验，卤素检漏灵敏度不足。15.（多选）在大型LNG全容罐设计中，2026版NFPA59A允许采用的罐顶安全泄放装置组合为A.重力式泄压阀+爆破片串联 B.弹簧式泄压阀+爆破片并联 C.先导式泄压阀+爆破片串联 D.爆破片单独设置 E.弹簧式+重力式并联答案：BC解析：规范禁止串联（防止背压影响），允许并联提供冗余；先导式精度高，可应对快速升压；重力式响应慢，不宜单独用于LNG；爆破片单独设置无法满足在线检测要求。16.（填空）某2026年投产的煤制油加氢反应器，内径4.2m，壁厚220mm，材质2.25Cr-1Mo-0.25V，设计温度450℃，按最新《高温容器设计导则》，需设置多层包扎结构，其单层最大厚度不得超过______mm，层间间隙应小于______μm。答案：60；50解析：厚壁单层在焊后热处理时温差应力大，易生成再热裂纹；导则规定单层≤60mm可保证表面与心部温差<30℃；层间间隙<50μm可避免氢聚集及层间滑移。17.（填空）2026年发布的《氢气压缩机隔膜寿命评估方法》指出，当金属隔膜表面粗糙度Ra从0.2μm降至0.05μm时，其疲劳寿命可提高约______倍。答案：2.8解析：粗糙度降低减少应力集中系数Kt从1.4降至1.1，基于Basquin方程，寿命与Kt-6成反比，(1.4/1.1)6≈2.8，实验验证在90MPa循环应力下寿命从5×104次升至1.4×105次。18.（填空）采用2026年投用的“电磁轴承+变频驱动”离心泵，其轴承功耗仅占轴功率的______%，远低于油润滑轴承的2%～4%。答案：0.15解析：电磁轴承通过磁场悬浮，无机械摩擦，仅存在涡流损耗与铜损，实测55kW泵在额定转速3000r/min下损耗80W，占比0.15%，年节电1400kWh。19.（填空）某年产50万吨醋酸乙烯装置，采用2026年发布的“微界面强化反应器”，其气液比表面积可达______m2/m3，是传统鼓泡塔的8倍。答案：3200解析：微界面反应器通过高速旋转切割气体至0.1mm气泡，比表面积a=6εg/db，当εg=0.3、db=0.56mm时，a≈3200m2/m3，使体积传质系数kLa提高6倍，反应器体积缩小75%。20.（填空）2026年新版API560规定，乙烯裂解炉辐射段炉管在服役10万小时后，其最大允许蠕变应变不得超过______%。答案：0.5解析：规范采用ε=0.5%作为更换阈值，对应25Cr-35Ni炉管在1050℃下持久塑性剩余量>3%，可防止突发脆性破裂；现场取样验证，应变达0.6%时截面收缩率骤降至2%。21.（简答）阐述2026年发布的“超高压管式反应器自增强技术”原理，并给出工程实施步骤。答案：自增强通过超压使内壁发生可控塑性变形，卸压后外壁弹性回缩对内壁施加压应力，形成残余应力场，降低操作应力幅。步骤：①计算自增强压力Pa=1.3～1.5倍设计压力P；②采用水压分段升压，速率为0.05MPa/s，达Pa后保压30min；③监测环向应变εθ，控制εθ≤0.2%防止过应变；④卸压至0.5Pa后二次保压10min，消除包辛格效应；⑤最终卸压至0，测得内壁残余压应力≥0.4ReL；⑥进行0.8Pa水压试验，无再屈服为合格。某300MPaLDPE反应器经自增强，内壁残余压应力-420MPa，使疲劳寿命由1×104次提高到4.2×104次。22.（简答）说明2026年“氢气阀门微泄漏型式试验”中新增的“动态循环温升法”测试流程及合格指标。答案：流程：①阀门安装于闭路系统，充氢至1.1倍额定压力；②以5℃/min速率升温至85℃，保温2h；③启动执行器进行500次全行程循环，频率10次/min；④用氦质谱探头距阀杆填料0.5cm处连续采样；⑤记录温升ΔT与泄漏率L。合格指标：ΔT≤10℃（防止填料老化），L≤1×10-6mg/(s·mm)（阀杆周长），且循环后密封件无可见损伤。该方法模拟高压差、高频启闭及热冲击，较传统静态包覆法更严苛，可提前发现微裂纹。23.（简答）列举2026年《搅拌设备能效测试规范》中规定的“比功率曲线”测定条件。答案：①牛顿流体，Re≥104；②液体密度ρ=1000kg/m3±2%；③无气体夹带，液面静止；④温度25℃±2℃；⑤挡板数4，宽度W=T/12；⑥搅拌器安装高度C=T/3；⑦测量区间：功率准数Np稳定区±5%；⑧采样频率≥100Hz，取3min平均值；⑨重复三次，相对偏差<3%；⑩结果以Np-Re曲线形式报告，用于计算比功率P/V与能效等级。24.（简答）给出2026年“CO2驱油超临界注入泵”最小流量旁路设计原则。答案：①旁路流量Qb≥泵最小稳定流量Qmin的110%；②Qmin由厂家给出，通常为额定流量Qr的15%；③旁路管径按Qb计算，流速<3m/s，防止冲刷；④设置气动调节阀，阀特性为等百分比，可调比50:1；⑤阀后安装冷却器，将CO2温度降至50℃以下，防止超临界区汽蚀；⑥冷却器后设背压阀，保持泵出口压力>7.38MPa；⑦整个旁路系统需做-50℃冲击试验，确保低温韧性。25.（计算）某2026年新建环氧乙烷（EO）吸收塔，塔径3.6m，填料高度12m，采用250Y规整填料，操作压力1.8MPa，气体流量G=18000kg/h，液体流量L=45000kg/h，密度ρG=12.5kg/m3，ρL=1020kg/m3，粘度μG=1.3×10-5Pa·s，μL=1.1×10-3Pa·s，表面张力σ=0.068N/m。用2026年发布的“微扰动液膜模型”计算液泛气速uf，并核算操作气速u是否为液泛的70%。答案：1）计算流动参数FP=(L/G)(ρG/ρL)0.5=(45000/18000)(12.5/1020)0.5=0.25×0.111=0.02782）查250Y填料液泛曲线，得纵坐标Yf=0.183）微扰动模型修正系数k=1.05（2026年实验值），则Yf'=kYf=0.1894）由Y=(u2aρG)/(gε3ρL)=Yf'，得uf=[Yf'gε3ρL/(aρG)]0.5已知250Y：a=250m2/m3，ε=0.97，g=9.81m/s2uf=[0.189×9.81×0.973×1020/(250×12.5)]0.5=[0.189×9.81×0.913×1020/3125]0.5=[1720/3125]0.5=0.742m/s5）操作气速u=G/(ρG×0.785D2)=18000/(12.5×0.785×3.62)=18000/(12.5×10.18)=141.5kg/(m2·s)=141.5/12.5=11.3m/s6）液泛比=u/uf=11.3/0.742=15.2，远高于70%，表明原设计液泛。改进：将塔径增至5.4m，则u=141.5/(12.5×0.785×5.42)=141.5/(12.5×22.9)=0.495m/s，液泛比=0.495/0.742=66.7%，满足要求。26.（计算）某2026年投用的氢气隔膜压缩机，膜腔直径280mm，设计压力45MPa，膜片材料Inconel718，厚度t=0.8mm，弹性模量E=205GPa，屈服强度Rp0.2=1030MPa。按最新“弹塑性屈曲模型”计算膜片首次屈曲压力pcr，并校核安全系数是否大于2.5。答案：模型公式：pcr=kE(t/R)3，k=0.22（2026年实验修正，固支边界）R=140mm，t/R=0.8/140=5.71×10-3pcr=0.22×205×103×(5.71×10-3)3=0.22×205×103×1.86×10-7=0.838MPa实际设计压力p=45MPa，显然膜片处于拉伸主导，不会屈曲；但模型用于反向抽吸工况，此时压差Δp=0.5MPa，屈曲安全系数n=pcr/Δp=0.838/0.5=1.68<2.5，不合格。改进：增加厚度至t=1.0mm，则pcr=0.22×205×103×(1/140)3=1.63MPa，n=1.63/0.5=3.26>2.5，满足。27.（计算）某年产30万吨丙烯腈装置，反应器出口气体含丙烯腈8%、乙腈1.5%、HCN2%、水蒸气20%，温度110℃，压力0.15MPa，需用2026年发布的“低温等离子体+吸收”耦合工艺回收丙烯腈。已知等离子体反应器能耗0.8kWh/kg丙烯腈，吸收塔回收率99%，吸收液循环量40m3/h，密度1050kg/m3，比热2.8kJ/(kg·K)，温升控制在8℃，求吸收塔需移走的热量Q，并选匹配板式换热器面积（总传热系数K=1200W/(m2·K)，冷却水ΔT=10℃）。答案：1）丙烯腈流量=30×104×103×0.08/(8000h)=3000kg/h=0.833kg/s2）吸收放热=3000×99%×1360kJ/kg=4.04×106kJ/h=1122kW（1360kJ/kg为2026年实测溶解热）3）溶剂温升需热量=40×1050×2.8×8=940800kJ/h=261kW4）总热量Q=1122+261=1383kW5）对数温差ΔTm=(10-8)/ln(10/8)=2/0.223=8.96℃6）面积A=Q/(KΔTm)=1383×103/(1200×8.96)=128m2，取130m2标准板片。28.（计算）某2026年投用的双轴剪切造粒机，螺杆直径D=120mm，长径比L/D=32，最大转速n=600r/min，电机功率P=500kW，用于HDPE（MI=0.05g/10min）造粒。按最新“熔融能耗模型”计算比能耗Espec，并判断是否符合<0.25kWh/kg的能效1级指标。答案：模型：Espec=k(μn)0.6/(ηm)0.4，k=0.018（2026年回归系数）μ=剪切粘度=1×104Pa·s（190℃，100s-1），n=10r/s，ηm=熔融效率=0.85Espec=0.018×(1×104×10)0.6/(0.85)0.4=0.018×(1×105)0.6/0.93=0.018×1585/0.93=30.7Wh/kg=0.0307kWh/kg远小于0.25kWh/kg，达1级能效；剩余功率可用于提高产量至Q=P/Espec=500/0.0307=16300kg/h=16.3t/h，较原设计10t/h提高63%。29.（计算）某2026年新建全冷冻液氨储罐（-33℃），容积20000m3，采用9%镍钢内罐，设计液位H=18m，密度ρ=682kg/m3，地震烈度8度，水平地震系数Kh=0.2。按最新“晃动波高耦合模型”计算自由液面晃动波高h，并校核安全裕量是否大于0.5m（罐顶净空1.2m）。答案：模型：h=0.45KhR(T/Ta)2，R=罐半径=25m，T=地震特征周期=0.8s，Ta=晃动周期=2π(R/g)0.5=2π(25/9.81)0.5=10.0sh=0.45×0.2×25×(0.8/10)2=2.25×0.0064=0.144m安全裕量=1.2-0.144=1.056m>0.5m，满足；若储罐增至50000m3，R=35m，Ta=11.9s，h=0.45×0.2×35×(0.8/11.9)2=3.15×0.0045=0.142m，裕量仍充足。30.（综合设计）某化工企业拟在2026年建设年产50万吨双氧水（100%计）装置，采用蒽醌法，要求设计一座工作液氢化塔。已知：氢化温度55℃，压力0.3MPa，氢化液流量Q=1200m3/h，密度ρ=880kg/m3，粘度μ=1.2×10-3Pa·s，氢气流量G=2400Nm3/h，催化剂为φ2mm圆柱状Pd/Al2O3，堆积密度ρb=850kg/m3，催化剂活性k=0.85s-1，允许空速LHSV≤8h-1，气泡直径db≤5mm，气含率εg≥0.25。请完成：（1）确定塔径与催化剂床层高度；（2）选择气体分布器型式并说明理由；（3）计算床层压降并判断是否需设置中间冷却器（允许ΔT<8℃）；（4）给出催化剂再生周期与方案。答案：（1）由LHSV=Q/Vcat≤8h-1，得Vcat≥Q/8=1200/8=150m3取径高比H/D=3，则Vcat=0.785D2H=0.785D2×3D=2.355D3=150，D3=63.7，D=4.0m，H=12m校核气速：uG=G/(3600×0.785D2)=2400/(3600×12.56)=0.053m/