(2025年)高难度化工流程题库及答案

(2025年)高难度化工流程题库及答案一、反应精馏法醋酸甲酯水解制醋酸/甲醇工艺某企业采用反应精馏工艺处理含醋酸甲酯（MeOAc）35wt%、甲醇（MeOH）50wt%、水（H₂O）15wt%的混合废液，目标产物为醋酸（HAc）和甲醇。流程包含反应精馏塔（RDC）、甲醇回收塔（T1）、醋酸精制塔（T2）。RDC塔顶操作压力0.15MPa，理论板数40块，进料位置20块（从塔顶数），塔底设再沸器，塔顶蒸汽经冷凝后部分回流（回流比2.5），部分采出甲醇-水共沸物；塔底液体进入T1分离甲醇，T1塔顶采出高纯度甲醇（≥99.5wt%），塔底液体进入T2提纯醋酸（≥99.0wt%）。已知MeOAc水解反应为可逆放热反应：MeOAc+H₂O⇌HAc+MeOH，反应动力学方程为r=k₁C(MeOAc)C(H₂O)-k₂C(HAc)C(MeOH)，其中k₁=0.025L/(mol·min)（80℃），k₂=0.012L/(mol·min)（80℃），反应平衡常数K=k₁/k₂（80℃时K=2.08）。问题1：若RDC第20块板（进料板）温度为85℃，该温度下MeOAc、H₂O、HAc、MeOH的饱和蒸汽压分别为135kPa、58kPa、32kPa、110kPa，计算进料板上气液平衡时MeOAc的气相摩尔分数（假设为理想溶液，γ=1）。答案1：根据拉乌尔定律，p_i=p_i^s·x_i，总压p=150kPa。设液相中MeOAc摩尔分数为x，则p(MeOAc)=135x，气相摩尔分数y(MeOAc)=p(MeOAc)/p=135x/150=0.9x。需结合物料守恒确定x：进料中MeOAc质量分数35%，摩尔质量74g/mol；H₂O15%（18g/mol）；MeOH50%（32g/mol）。进料摩尔比n(MeOAc):n(H₂O):n(MeOH)=(35/74):(15/18):(50/32)=0.473:0.833:1.562≈1:1.76:3.30。假设进料板液相为反应后混合物，设MeOAc转化率为α，则液相摩尔组成为n(MeOAc)=1-α，n(H₂O)=1.76-α，n(HAc)=α，n(MeOH)=3.30+α。总摩尔数=(1-α)+(1.76-α)+α+(3.30+α)=6.06。x(MeOAc)=(1-α)/6.06。由于反应平衡时K=[C(HAc)C(MeOH)]/[C(MeOAc)C(H₂O)]=(α/6.06)(3.30+α/6.06)/[(1-α)/6.06)(1.76-α)/6.06)]=[α(3.30+α)]/[(1-α)(1.76-α)]=2.08。解得α≈0.65（迭代计算）。则x(MeOAc)=(1-0.65)/6.06≈0.0578，y(MeOAc)=0.9×0.0578≈0.052。问题2：若RDC塔顶采出的甲醇-水共沸物中甲醇质量分数为72.5%（共沸温度64.7℃，共沸组成甲醇摩尔分数0.718），计算该共沸物的汽化潜热（已知甲醇汽化潜热35.2kJ/mol，水的汽化潜热40.7kJ/mol，共沸物摩尔汽化潜热按线性加和计算）。答案2：共沸物摩尔组成x(MeOH)=0.718，x(H₂O)=0.282。摩尔汽化潜热ΔH=0.718×35.2+0.282×40.7≈25.2+11.5≈36.7kJ/mol。质量汽化潜热=36.7kJ/mol/(0.718×32+0.282×18)g/mol≈36.7/(22.98+5.08)=36.7/28.06≈1.308kJ/g=1308kJ/kg。问题3：T1塔底液体中HAc质量分数为45%、H₂O为50%、MeOH为5%，若T2采用减压精馏（塔顶压力5kPa），已知HAc在5kPa下沸点为65℃，H₂O沸点为32℃，MeOH沸点为18℃，分析T2塔顶和塔底的主要产物及原因。答案3：T2塔顶应采出MeOH和H₂O，塔底采出HAc。原因：MeOH（沸点18℃）和H₂O（32℃）沸点均低于HAc（65℃），在减压下更易汽化，因此轻组分MeOH和H₂O从塔顶蒸出，重组分HAc富集于塔底。需注意H₂O与HAc可能形成共沸（常压下共沸温度118℃，HAc质量分数80.5%），但减压下共沸组成可能改变，若5kPa下H₂O与HAc不形成共沸，则可通过精馏完全分离；若仍存在共沸，需调整回流比或采用萃取精馏。问题4：若RDC再沸器加热介质为0.5MPa饱和蒸汽（汽化潜热2108kJ/kg），塔底热负荷为8500kW，计算蒸汽消耗量（忽略热损失）。答案4：蒸汽提供的热量需等于塔底热负荷。蒸汽消耗量m=Q/ΔH=8500kJ/s/2108kJ/kg≈4.03kg/s=14508kg/h。二、膜分离法焦炉煤气提氢工艺某焦化厂焦炉煤气组成为H₂55vol%、CH₄28vol%、CO12vol%、N₂5vol%（均为干基），采用中空纤维膜组件（总膜面积2000m²，膜厚50μm）提氢，目标H₂纯度≥98vol%，回收率≥90%。膜对H₂/CH₄的分离因子α=45，对H₂/CO的α=30，对H₂/N₂的α=25。操作压力：原料侧3.0MPa（表压），渗透侧0.1MPa（表压），原料气温度40℃。膜渗透速率方程为J_i=(P_i/δ)(p_f,y_i-p_p,y_i^p)，其中P_i为H₂的渗透系数（1.2×10⁻¹⁰m³(STP)·m/(m²·s·Pa)），δ为膜厚，p_f为原料侧总压，p_p为渗透侧总压，y_i为原料侧i组分摩尔分数，y_i^p为渗透侧i组分摩尔分数。问题1：计算原料侧H₂的分压差（假设渗透侧H₂摩尔分数为0.98）。答案1：原料侧总压p_f=3.0+0.1=3.1MPa=3.1×10⁶Pa（绝对压力），渗透侧总压p_p=0.1+0.1=0.2MPa=0.2×10⁶Pa。原料侧H₂分压p_f,y_i=3.1×10⁶×0.55=1.705×10⁶Pa；渗透侧H₂分压p_p,y_i^p=0.2×10⁶×0.98=0.196×10⁶Pa。分压差Δp=1.705×10⁶-0.196×10⁶=1.509×10⁶Pa。问题2：计算H₂的渗透通量（单位：m³(STP)/(m²·h)）。答案2：J_H₂=(P_H₂/δ)×Δp=(1.2×10⁻¹⁰m³·m/(m²·s·Pa)/50×10⁻⁶m)×1.509×10⁶Pa=(2.4×10⁻⁶m³/(m²·s·Pa))×1.509×10⁶Pa≈3.622m³/(m²·s)。转换为STP下的体积通量（需注意膜渗透速率方程已以STP计），故J_H₂=3.622m³(STP)/(m²·s)=3.622×3600=13039m³(STP)/(m²·h)。问题3：若原料气处理量为10000m³/h（标准状态），计算渗透侧H₂流量（满足回收率90%）及膜组件是否满足需求（总渗透量=J_H₂×A）。答案3：原料气中H₂流量=10000×0.55=5500m³/h（STP）。回收率90%时，渗透侧H₂流量=5500×0.9=4950m³/h（STP）。膜组件总渗透量=J_H₂×A=13039m³/(m²·h)×2000m²=26,078,000m³/h（STP），远大于4950m³/h，故膜面积过剩，实际需降低膜面积或调整操作压力。问题4：运行3个月后，膜组件分离效率下降，分析可能原因及解决措施。答案4：可能原因：①膜污染（焦油、萘等有机物沉积）；②膜老化（长期高压下膜结构松弛）；③膜缺陷（中空纤维断裂）。解决措施：①定期用惰性气体（N₂）反吹清洗膜表面；②提高原料气预处理精度（增加除油、除尘装置）；③对膜组件进行完整性检测，更换破损纤维；④调整操作压力（降低原料侧压力，减少膜压实）。三、溶析结晶法制备电池级硫酸铵工艺某企业以工业级硫酸铵（含(NH₄)₂SO₄98wt%，杂质为Fe³⁺0.1wt%、Cl⁻0.2wt%、水不溶物0.7wt%）为原料，采用溶析结晶法制备电池级硫酸铵（要求(NH₄)₂SO₄≥99.9wt%，Fe³⁺≤5ppm，Cl⁻≤10ppm）。流程：原料溶于去离子水（固液比1:3，80℃）→过滤除水不溶物→滤液降温至40℃→加入乙醇（体积比1:0.8）析晶→离心分离→乙醇洗涤→干燥。已知(NH₄)₂SO₄在水中溶解度：80℃时75g/100g水，40℃时48g/100g水；在乙醇-水混合溶剂中溶解度随乙醇比例增加显著降低。问题1：计算80℃溶解1000kg工业级硫酸铵所需去离子水质量（忽略杂质溶解）。答案1：原料中(NH₄)₂SO₄质量=1000×0.98=980kg。80℃溶解度75g/100g水=0.75kg/kg水，设需水mkg，则980/m=0.75→m=980/0.75≈1306.67kg。问题2：滤液降温至40℃时，计算析出的(NH₄)₂SO₄质量（假设降温过程无溶剂蒸发）。答案2：40℃溶解度48g/100g水=0.48kg/kg水。溶液总质量=980+1306.67=2286.67kg，其中水1306.67kg。40℃时溶液中溶解的(NH₄)₂SO₄质量=1306.67×0.48≈627.20kg。析出量=980-627.20≈352.80kg。问题3：加入乙醇后，若混合溶剂中乙醇体积分数为44.4%（乙醇密度0.789kg/L，水密度1.0kg/L），计算混合溶剂的质量比（乙醇:水）。答案3：设水体积为V，则乙醇体积为0.8V。水质量=V×1.0=Vkg，乙醇质量=0.8V×0.789=0.631Vkg。质量比=0.631V:V=0.631:1≈5:8（近似）。问题4：分析乙醇洗涤对产品纯度的影响（从杂质脱除机理角度）。答案4：乙醇洗涤可通过以下方式提高纯度：①置换表面母液：硫酸铵晶体表面附着的母液含Fe³⁺、Cl⁻等杂质，乙醇与水互溶，可将母液中的杂质溶解并带走；②降低杂质溶解度：Fe³⁺、Cl⁻在乙醇中的溶解度低于在水中的溶解度（如FeCl₃在乙醇中溶解度约为水的1/5），洗涤时杂质更易保留在洗涤液中；③减少晶体表面吸附：乙醇的极性低于水，可减弱杂质离子与晶体表面的静电吸附，促进杂质脱附。四、催化裂化装置再生器热量平衡计算某炼油厂催化裂化装置（FCC）再生器处理烧焦量为15t/h，烧焦组成：C85wt%、H3wt%、S1wt%、O11wt%（其余为灰分）。再生器入口空气温度200℃（热容1.05kJ/(kg·℃)），出口烟气温度700℃（热容1.10kJ/(kg·℃)），催化剂循环量1200t/h，催化剂入口温度500℃（热容0.95kJ/(kg·℃)），出口温度720℃。已知燃烧热：C→CO₂32800kJ/kg，H→H₂O142000kJ/kg，S→SO₂9200kJ/kg，O元素不计入放热。问题1：计算烧焦的总放热量（忽略灰分燃烧）。答案1：烧焦中各组分质量：C=15×0.85=12.75t/h，H=15×0.03=0.45t/h，S=15×0.01=0.15t/h。放热量=12.75×32800+0.45×142000+0.15×9200=418,200+63,900+1,380=483,480MJ/h。问题2：计算空气带入的显热（空气密度1.2kg/m³，入口空气流量100000m³/h）。答案2：空气质量=100000×1.2=120000kg/h=120t/h。显热=120×10³kg/h×1.05kJ/(kg·℃)×(200-25)℃（假设环境温度25℃）=120000×1.05×175=22,050,000kJ/h=22050MJ/h（注：若以入口温度200℃为基准，显热=120000×1.05×200=25,200,000kJ/h=25200MJ/h，需明确基准，此处按环境温度计算）。问题3：计算催化剂带出的显热。答案3：催化剂质量=1200t/h=1.2×10⁶kg/h。显热=1.2×10⁶kg/h×0.95kJ/(kg·℃)