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1.单项选择（每题1分，共20分）1.1在ASPENPlus中，对含强电解质的水体系进行汽液平衡计算时，最适宜的物性方法是A.NRTLHOC B.ELECNRTL C.PSRK D.UNIQUAC答案：B1.2依据GB501602008，甲B类可燃液体储罐与明火地点的防火间距不应小于A.20m B.25m C.30m D.40m答案：C1.3对于放热可逆反应A⇌B，若采用多段绝热固定床，段间采用冷激，则冷激介质温度降低，将导致A.平衡转化率下降 B.平衡转化率上升 C.反应速率常数下降 D.催化剂失活答案：B1.4在精馏塔设计中，若回流比R趋近于最小回流比Rmin，则A.理论板数趋近于0 B.再沸器热负荷趋近于0 C.理论板数趋近于∞ D.塔径趋近于0答案：C1.5下列换热网络结构，哪一项一定属于夹点违规A.夹点上方引入冷却公用工程 B.夹点下方引入加热公用工程 C.夹点上方引入热流与冷流换热 D.夹点下方引入热流与冷流换热答案：A1.6依据《石油化工企业设计防火标准》，装置内消防水炮的保护半径不宜大于A.30m B.40m C.50m D.60m答案：C1.7对于离心泵，当管路系统特性曲线变陡时，工作点将A.流量增大、扬程降低 B.流量降低、扬程增大 C.流量与扬程均增大 D.不变答案：B1.8在HAZOP分析中，引导词“MORE”与参数“温度”组合，最可能得到的偏差是A.温度过低 B.温度过高 C.温度反向 D.温度部分答案：B1.9对于二元理想体系，相对挥发度αAB=2.5，则平衡时气相组成yA与液相组成xA的关系为A.yA=2.5xA/(1+1.5xA) B.yA=2.5xA/(1+2.5xA) C.yA=2.5xA D.yA=xA/2.5答案：A1.10采用严格法计算塔径时，需校核液泛分率，一般设计液泛分率取A.50% B.60% C.75% D.95%答案：C1.11在反应器体积计算公式VR=FA0X/(−rA)中，若X为最终转化率，则该公式适用于A.间歇反应器 B.全混流反应器 C.平推流反应器 D.任意反应器答案：C1.12对于气体吸收塔，若采用NaOH溶液吸收CO2，其吸收过程控制步骤通常为A.气膜控制 B.液膜控制 C.气液膜共同控制 D.化学反应控制答案：B1.13在PID图中，下列哪一项仪表功能代号表示“高报警”A.L B.H C.LL D.HH答案：B1.14对于板框过滤机，若滤饼不可压缩，过滤压差提高一倍，则过滤速率提高A.1倍 B.1.41倍 C.2倍 D.4倍答案：B1.15在精馏塔冷凝器热负荷计算中，若采用分凝器，则热负荷与全凝器相比A.更大 B.更小 C.相等 D.无法确定答案：B1.16依据API520，安全阀的设定压力应不大于设备设计压力的A.100% B.105% C.110% D.120%答案：B1.17对于管壳式换热器，若管程流体为冷却水，壳程为烃类蒸汽冷凝，则污垢系数通常A.管程>壳程 B.管程<壳程 C.相等 D.无法判断答案：A1.18在反应器放大过程中，保持“单位体积功率”不变，则工业装置与实验装置的A.搅拌雷诺数相等 B.搅拌转速相等 C.叶轮尖端线速度相等 D.混合时间相等答案：C1.19对于绝热反应器，若反应热为负，则沿床层温度变化趋势为A.升高 B.降低 C.先升后降 D.不变答案：B1.20在AspenEnergyAnalyzer中，用于自动合成最大能量回收网络的模块是A.HICase B.Targeting C.Synthesis D.Simulator答案：C2.多项选择（每题2分，共20分；每题至少有两个正确答案，多选少选均不得分）2.1下列属于本质安全设计策略的有A.强化 B.替代 C.缓和 D.简化 E.冗余答案：BCD2.2关于精馏塔灵敏板温度，下列说法正确的有A.可用于推断塔顶组成变化 B.对进料组成变化敏感 C.对回流比变化敏感 D.对塔压变化敏感 E.可用于推断塔底组成变化答案：ABCD2.3在换热网络夹点分析中，下列措施可提高能量回收率的有A.提高热流进口温度 B.降低冷流出口温度 C.增加夹点跨越换热 D.采用热泵跨越夹点 E.采用多效蒸发答案：CD2.4关于离心压缩机喘振，下列说法正确的有A.与管网容量有关 B.与转速无关 C.可通过热气旁通防止 D.可通过变转速调节避免 E.喘振线左侧为稳定区答案：ACD2.5在反应器设计中，下列属于宏观混合效应的有A.返混 B.死区 C.短路 D.分子扩散 E.湍流扩散答案：ABC2.6下列属于GB315702015规定的VOCs末端治理技术有A.冷凝回收 B.吸附+冷凝 C.生物过滤 D.直接燃烧 E.火炬答案：ABCD2.7关于板波纹填料，下列说法正确的有A.比表面积大 B.压降低 C.通量高 D.抗堵性能优于散堆填料 E.造价低于散堆填料答案：ABC2.8在LNG液化工艺中，下列属于混合制冷剂循环（MRC）优点的有A.能耗低 B.流程简单 C.操作弹性大 D.制冷剂易获得 E.适合小型装置答案：ACD2.9关于粉体流动函数FF，下列说法正确的有A.FF越大流动性越好 B.FF<1时易架桥 C.与内摩擦角有关 D.与壁摩擦角无关 E.可用剪切cell测定答案：ABCE2.10在化工厂布置中，下列属于防止多米诺效应措施的有A.增加防火间距 B.设置防爆墙 C.采用抗爆建筑物 D.装置分区隔离 E.提高设备设计压力答案：ABCD3.填空题（每空1分，共20分）3.1在精馏塔McCabeThiele法中，q线方程的斜率为________，当饱和液体进料时q=________。答案：q/(q−1)；13.2依据《石油化工企业职业安全卫生设计规范》，装置内甲类气体压缩机房应设置________通风，换气次数不应少于________次/h。答案：正压；123.3对于一级反应，半衰期t1/2与速率常数k的关系为________。答案：t1/2=ln2/k3.4在管壳式换热器TEMA标准中，前端固定管板式代号________，后端浮头式代号________。答案：A；S3.5对于理想气体，绝热指数γ=________，若双原子气体在常温下γ≈________。答案：Cp/Cv；1.43.6在反应器停留时间分布测定中，示踪剂输入为脉冲法，出口浓度曲线称为________函数，其面积积分值为________。答案：C；13.7依据GB50058，爆炸性气体环境危险区域划分为________区、________区、________区。答案：0；1；23.8对于不可压缩滤饼，过滤基本方程为dV/dt=________，其中A为过滤面积，ΔP为压差，μ为滤液粘度，υ为滤饼体积比阻，c为单位体积滤液所得滤饼体积。答案：A²ΔP/(μυcV)3.9在精馏塔控制中，采用________结构可克服进料流量扰动，采用________结构可克服进料组成扰动。答案：前馈；推断3.10对于二元体系，若恒沸点处相对挥发度α=________，则该恒沸点为________恒沸。答案：1；最低4.简答题（共6题，每题10分，共60分）4.1（封闭型）说明在换热网络夹点分析中，如何确定最小公用工程用量，并给出计算步骤。答案：步骤1：提取工艺流股数据（热容流率CP、进口温度Ts、目标温度Tt）；步骤2：划分温度区间，采用ΔTmin/2进行温度位移；步骤3：构建问题表格，计算各区间热赤字或剩余热量；步骤4：从最高温度区间向下进行热量级联，记录累积热量，第一个负值即为最小加热公用工程QHmin，最后一个负值绝对值即为最小冷却公用工程QCmin；步骤5：夹点位置为累积热量为零处。4.2（开放型）某厂拟将间歇反应器改为连续化，请从安全、环保、经济三方面论述需考虑的关键因素，并给出至少两条具体措施。答案：安全：连续化降低在线量，需重新评估泄放系统，措施包括采用微反应器降低持液量、设置紧急切断阀；环保：减少开停车排放，措施包括设置在线清洗系统、密闭采样；经济：连续运行提高产能，措施包括优化换热网络回收热量、采用先进控制降低原料单耗。4.3（封闭型）写出离心泵相似定律三公式，并说明其应用限制。答案：Q1/Q2=(n1/n2)(D1/D2)³；H1/H2=(n1/n2)²(D1/D2)²；P1/P2=(n1/n3)³(D1/D2)⁵ρ1/ρ2。限制：1.雷诺数>10⁵；2.几何相似；3.流体粘度相近；4.无显著气蚀。4.4（开放型）阐述在VOCs治理中，如何依据废气特性（浓度、风量、热值）选择冷凝、吸附、燃烧三种技术的组合路线，并给出决策流程图文字描述。答案：浓度>5000mg/m³且风量<1000Nm³/h：优先冷凝回收，尾气再吸附达标；浓度1000–5000mg/m³：直接吸附浓缩+催化燃烧；浓度<1000mg/m³且风量大：转轮吸附浓缩+热力燃烧；热值>16MJ/Nm³：可自持燃烧，选RTO；含卤素：选吸收+吸附，避免燃烧生成二噁英。4.5（封闭型）说明在反应器放大时，如何保持“相同转化率”下确定工业反应器体积，并给出平推流与全混流两种情况下的放大公式。答案：平推流：VR,工业/VR,实验=(FA0,工业/FA0,实验)；全混流：VR,工业/VR,实验=(FA0,工业/FA0,实验)·(−rA,实验/−rA,工业)，需验证工业装置−rA与实验一致，可通过保持相同温度、压力、催化剂粒径、内扩散消除。4.6（开放型）某装置产生含盐高COD废水，盐浓度8%，COD50000mg/L，要求出水COD<500mg/L、盐<0.5%，请提出一条完整处理路线，并说明各单元作用及盐回收方式。答案：路线：调节池→MVR预浓缩→结晶离心（NaCl回收）→母液→高级氧化（臭氧+双氧水）→MBR→RO→回用。MVR降低水量并回收盐；臭氧氧化断链提高可生化性；MBR去除大部分COD；RO保障出水盐与COD双达标；结晶盐经洗涤干燥得工业盐产品。5.计算题（共5题，每题12分，共60分）5.1精馏塔设计某二元理想体系，进料100kmol/h，xF=0.4，饱和液体，要求xD=0.95，xB=0.05，相对挥发度α=2.5，R=1.3Rmin。求：(1)最小回流比Rmin；(2)理论板数N（采用Gilliland关联，X=(R−Rmin)/(R+1)=0.3，Y=(N−Nmin)/(N+1)=0.37）；(3)塔顶冷凝器热负荷QC（塔顶蒸汽温度80℃，汽化潜热400kJ/kmol）。答案：(1)q线x=0.4，平衡线y=2.5x/(1+1.5x)，交点y=0.625，Rmin=(xD−y)/(y−xF)=0.95−0.625)/(0.625−0.4)=1.44；(2)R=1.3×1.44=1.87，X=0.3，Y=0.37，Nmin=ln[(0.95/0.05)/(0.05/0.95)]/ln2.5=7.0，解得N=12.3→13块；(3)塔顶蒸汽V=R+1)D，D=F(xF−xB)/(xD−xB)=100(0.4−0.05)/(0.95−0.05)=38.9kmol/h，V=2.87×38.9=111.6kmol/h，QC=111.6×400=44640kJ/h=12.4kW。5.2反应器体积一级液相反应A→B，k=0.5min⁻¹，CA0=2mol/L，要求转化率x=0.9，处理量Q0=10m³/h。求：(1)平推流反应器体积VPFR；(2)全混流反应器体积VCSTR；(3)若采用2个体积相等的CSTR串联，求总体积V2。答案：(1)VPFR=Q0/k·ln(1/(1−x))=(10/60)/0.5·ln10=0.768m³；(2)VCSTR=Q0x/(k(1−x))=(10/60)×0.9/(0.5×0.1)=3m³；(3)单级转化率x1，1−x1=1/(1+τk)²，解得x1=0.684，τ=1.368min，单釜体积V=Q0τ=10/60×1.368=0.228m³，V2=2×0.228=0.456m³。5.3换热器面积某热流从150℃降温到70℃，CP=200kW/℃，冷流从30℃升温到100℃，CP=250kW/℃，总传热系数U=400W/(m²·℃)，ΔTmin=10℃。求：(1)最小热公用工程QHmin；(2)最小冷公用工程QCmin；(3)最大热回收QRmax；(4)所需换热面积A。答案：夹点温度：热流150→70，冷流30→100，位移后夹点热流80℃，冷流70℃；QRmax=200(150−80)=14000kW；QHmin=250(100−70)−14000=7500kW；QCmin=200(70−30)−250(70−30)=−2000kW→0，实际QCmin=200(70−30)=8000kW；LMTD=(80−30)−(70−70)=∞，需分段：高温段150→80与70→100，LMTD1=((150−100)−(80−70))/ln(50/10)=24.85℃，A1=7000×1000/(400×24.85)=704m²；低温段80→70与30→70，LMTD2=((80−70)−(70−30))/ln(10/40)=18.2℃，A2=2000×1000/(400×18.2)=275m²，A=979m²。5.4吸收塔高度用清水逆流吸收低浓度NH3，y1=0.03，y2=0.001，x2=0，L/G=1.2(L/G)min，平衡y=1.2x，Kya=0.4kmol/(m³·s)，G=20kmol/(m²·h)。求填料高度Z。答案：(L/G)min=(y1−y2)/(y1/1.2−0)=0.029/0.025=1.16，L/G=1.2×1.16=1.39，x1=(y1−y2)/(L/G)=0.029/1.39=0.0209，NOG=∫dy/(y−y)=ln[(y1−y1)/(y2−y2)]/(1−1/A)，A=1.2/1.39=0.863，NOG=ln[(0.03−1.2×0.0209)/(0.001−0)]/(1−0.863)=7.2，HOG=G/Kya=(20/3600)/0.4=0.0139m，Z=HOG·NOG=0.1m→实际取0.12m。5.5安全阀泄放面积丙烷储罐，设计压力1.8MPa，火灾工况，暴露面积50m²，保温导热系数0.05W/(m·K)，厚度50mm，环境温度20℃，泄放温度60℃，汽化潜热360kJ/kg，Z=0.85，M=44，C=0.039√(k(2/(k+1))^((k+1)/(k−1)))，k=1.13。求泄放面积A。答案：Q=43200×F×A^0.82，F=1.0（无保温修正），Q=43200×50=2.16×10⁶W，W=Q/ΔH=2.16×10⁶/360000=6kg/s，P=1.8×10⁶+0.1×10⁶=1.9×10⁶Pa，C=0.039√(1.13(2/2.13)^(2.13/0.13))=0.039×0.68=0.0265，A=W/(C·K·P·√(M/(Z·T)))=6/(0.0265×1×1.9×10⁶×√(44/(0.85×333)))=6/(0.0265×1.9×10⁶×0.396)=3.0×10⁻⁴m²=300mm²，选DN25全启式。6.综合应用题（共2题，每题20分，共40分）6.1某企业拟建设年产30万吨聚合级丙烯腈装置，采用丙烯氨氧化工艺，反应式C3H6+NH3+1.5O2→C3H3N+3H2O，单程转化率80%，选择性75%，副产HCN和乙腈。原料：丙烯纯度95%，氨100%，空气氧21%。要求：(1)列出物料平衡（kg/h）；(2)设计一套反应器吸收精馏流程，画出方块图并说明关键塔操作条件；(3)给出废液焚烧炉设计热负荷（废液热值18MJ/kg，流量2000kg/h，助燃燃料天然气热值35MJ/m³，效率85%，需完全燃烧温度1100℃，烟气比热1.4kJ/(kg·℃)，烟气量12kg/kg废液，升温900℃）。答案：(1)丙烯腈产量300000/8000=37500kg/h，分子量53，705kmol/h；需丙烯705/0.75/0.8=1175kmol/h=49350kg/h，原料丙烯49350/0.95=51950kg/h；NH31175kmol/h=19975kg/h；O21.5×1175=1762kmol/h=56400kg/h，空气56400/0.21=268570kg/h；出料：丙烯腈37500kg/h，未反应丙烯0.2×49350=9870kg/h，HCN705×0.15×27=2855kg/h，乙腈705×0.05×41=1445kg/h，水705×3×18=38070kg/h，氮气268570×0.79=212170kg/h，过量氧56400−0.8×1.5×1175×32=56400−45120=11280kg/h；(2)流程：反应器（流化床，440℃，0.2MPa）→急冷塔（水冷，70℃，吸收有机物）→吸收塔（水逆流，回收丙烯腈）→萃取精馏塔（含乙腈分离，塔顶丙烯腈99.5%，塔底乙腈）→脱氢氰酸塔（真空，塔顶HCN）→产品塔；关键：萃取剂水，塔顶温度77℃，塔底105℃，回流比3；(3)废液热=2000×18=36000MJ/h，烟气升温热=12×2000×1.4×900/1000=30240MJ/h，总需热=66240MJ/h，燃料量=66240/(35×0.85)=2227m³/h，选焚烧炉热负荷66240MJ/h，即18.4MW。6.2