2025年化学工程与工艺(化学工艺与工程设计)试卷及答案

2025年化学工程与工艺(化学工艺与工程设计)试卷及答案一、单项选择题（每题1分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在乙烯裂解装置中，为提高乙烯收率，通常采用的工艺条件是（）A.高温短停留时间B.低温长停留时间C.高压长停留时间D.低压长停留时间答案：A2.对苯二甲酸（PTA）装置氧化单元中，主要副产物是（）A.苯甲酸B.对甲基苯甲酸C.对羧基苯甲醛D.间苯二甲酸答案：C3.在甲醇合成反应器中，合成气H2/CO摩尔比的最佳范围是（）A.0.5~1.0B.1.0~1.5C.2.0~2.5D.3.0~3.5答案：C4.某精馏塔进料为饱和液体，若将进料位置下移，则塔顶产品纯度将（）A.升高B.降低C.不变D.先升后降答案：B5.在氨合成回路中，惰性气体（CH4+Ar）含量升高会导致（）A.合成塔入口氨浓度升高B.回路压力降低C.单程转化率升高D.循环比增大答案：D6.对于放热可逆反应，采用多段绝热固定床反应器并设置段间冷激的主要目的是（）A.降低压降B.抑制副反应C.控制温升，提高平衡转化率D.减少催化剂用量答案：C7.在乙二醇装置环氧乙烷水合工段，水合比（水/环氧乙烷摩尔比）提高，则产品分布（）A.乙二醇选择性升高，二乙二醇降低B.乙二醇选择性降低，二乙二醇升高C.二者均升高D.二者均降低答案：A8.某反应器出口物料经冷凝后气液两相平衡，若系统压力升高，则气相中轻组分摩尔分数（）A.升高B.降低C.不变D.无法判断答案：B9.在催化裂化装置中，提升管出口快速分离器的作用是（）A.降低催化剂损耗B.减少热裂化反应C.提高汽油辛烷值D.降低再生器负荷答案：B10.对于气体吸收塔，若采用纯溶剂，操作线斜率m与平衡线斜率m的关系为（）A.m>mB.m<mC.m=mD.无固定关系答案：A11.在苯乙烯装置中，乙苯脱氢反应器出口设置多级废热锅炉的主要目的是（）A.回收高温位热能B.降低产物聚合损失C.提高苯乙烯选择性D.减少压缩机功耗答案：A12.某换热器中，热流体由150°C降至90°C，冷流体由30°C升至80°C，则对数平均温差为（）A.60°CB.65°CC.70°CD.75°C答案：B13.在尿素装置高压甲铵冷凝器中，冷凝液NH3/CO2摩尔比偏离2.0会导致（）A.高压系统腐蚀加剧B.合成塔转化率升高C.低压系统负荷降低D.汽提塔出液温度降低答案：A14.对于可压缩滤饼，提高过滤压力，过滤速率（）A.线性增加B.线性减小C.先快后慢D.基本不变答案：C15.在天然气蒸汽转化制氢装置中，水碳比（H2O/C）提高，则（）A.甲烷泄漏量升高B.转化炉管壁温降低C.变换反应CO转化率降低D.氢气产率降低答案：B16.某离心泵在额定流量下工作，若关小出口阀，则泵的轴功率（）A.升高B.降低C.不变D.先升后降答案：B17.在聚氯乙烯（悬浮法）生产中，分散剂的主要作用是（）A.控制分子量B.控制颗粒形态C.提高聚合速率D.降低反应热答案：B18.对于一级不可逆反应，若反应器体积相同，全混流反应器与活塞流反应器相比，转化率（）A.前者高B.后者高C.相同D.无法比较答案：B19.在常减压蒸馏装置中，减压塔顶采用蒸汽喷射泵的目的是（）A.提高拔出率B.降低塔顶温度C.减少塔顶腐蚀D.维持真空度答案：D20.某装置采用热虹吸式再沸器，若塔釜液位过高，会导致（）A.再沸器传热系数升高B.循环量增大C.再沸器结焦D.塔压降降低答案：C二、多项选择题（每题2分，共20分。每题有两个或两个以上正确答案，请将所有正确选项字母填入括号内，漏选、错选均不得分）21.下列措施中，可有效降低精馏塔能耗的有（）A.设置中间再沸器B.采用热泵精馏C.提高回流比D.进料预热答案：A、B、D22.在环氧丙烷装置氯醇法工艺中，皂化塔顶冷凝液含有（）A.环氧丙烷B.二氯丙烷C.丙二醇D.氯丙醇答案：A、C23.导致固定床催化剂失活的原因包括（）A.积碳B.中毒C.烧结D.磨损答案：A、B、C24.对于气液固三相流化床，下列参数可用于判断流化质量的有（）A.床层压降波动B.局部温度分布C.床层膨胀比D.气体停留时间分布答案：A、B、C、D25.在硫酸装置两转两吸流程中，第一次转化后设置中间吸收塔的目的有（）A.降低SO2排放B.提高最终转化率C.降低酸雾生成D.减少催化剂用量答案：A、B26.下列属于非牛顿流体的有（）A.聚丙烯酰胺水溶液B.番茄酱C.甘油水溶液D.原油答案：A、B、D27.在裂解汽油加氢装置中，一段加氢催化剂需具备的性能包括（）A.高加氢活性B.抗硫中毒C.低芳烃饱和活性D.高机械强度答案：A、B、D28.对于板式塔，下列操作可导致液泛的有（）A.气相负荷过高B.液相负荷过高C.降液管面积过小D.塔板开孔率过大答案：A、B、C29.在煤制油装置费托合成单元，下列因素可提高C5+选择性的有（）A.降低反应温度B.提高H2/CO比C.采用钴基催化剂D.提高反应压力答案：A、C、D30.某装置采用分子筛吸附脱水，再生气体可选用（）A.干气B.净化干气加热后C.氮气D.湿净化气答案：B、C三、填空题（每空1分，共20分）31.在乙苯脱氢制苯乙烯反应中，水蒸气与乙苯摩尔比通常控制在________，其作用是________和________。答案：8~12；提供热量；降低分压抑制副反应32.某精馏塔理论板数为20，进料板为第10块，若改用热力学效率0.6的实际填料，则所需填料高度约为________倍理论板当量高度。答案：20/0.6=33.333.对于反应A→B，速率方程为(rA)=kCA，若CA0=2molL1，k=0.5min1，在活塞流反应器中达到转化率0.9所需空时为________min。答案：ln(1/(10.9))/0.5=4.60534.在天然气胺法脱碳装置中，常用的活化剂为________，其作用是________。答案：哌嗪；提高CO2吸收速率35.某换热器总传热系数为500Wm2K1，传热面积为100m2，温差50°C，则热负荷为________kW。答案：500×100×50/1000=250036.在聚丙烯环管工艺中，聚合温度控制在________°C，压力控制在________MPa。答案：70~80；3~437.对于离心压缩机，当入口气体分子量增大时，喘振线向________移动。答案：右38.某装置采用真空转鼓过滤机，若滤饼厚度增加一倍，则生产能力与原始值之比为________（假设滤饼不可压缩，过滤介质阻力忽略）。答案：1/√2=0.70739.在苯酚丙酮装置异丙苯氧化单元，氧化液中CHP浓度控制在________wt%，其目的是________。答案：25~30；防止CHP剧烈分解40.某反应器采用夹套冷却，若冷却水入口温度升高5°C，其他条件不变，则反应器稳定操作温度将升高约________°C。答案：5四、简答题（共30分）41.（6分）简述乙烯装置急冷系统结垢原因及抑制措施。答案：结垢原因：1.裂解气中不饱和烃在高温下聚合生成胶质；2.苯乙烯、茚等易聚合组分在240~300°C区间聚合；3.急冷油中沥青质、胶质浓缩沉积。抑制措施：1.控制急冷油循环温度<280°C；2.注入阻聚剂（如DNBP）10~20ppm；3.侧线采出重质燃料油，降低沥青质浓度；4.设置过滤器，脱除>50μm颗粒；5.定期水洗或在线清焦。42.（6分）说明煤制甲醇装置中合成气“氢碳比”调节手段。答案：1.水煤气变换：通过变换炉将部分CO转化为H2，调节H2/CO至2.0~2.2；2.膜分离：采用聚酰亚胺膜回收H2，提高H2/CO；3.PSA：从变换后气体提取纯H2，补充至合成回路；4.CO2脱除：低温甲醇洗脱除过量CO2，避免H2/CO虚高；5.部分氧化：通过非催化部分氧化将重质烃转化为CO+H2，灵活调节比例。43.（6分）比较浮阀塔与筛板塔的传质性能与操作弹性。答案：浮阀塔：1.传质效率较高，单板效率可达70~80%；2.操作弹性大，负荷30~110%稳定操作；3.压降稍高，约400~600Pa/板；4.适用于负荷波动大、产品纯度要求高的场合。筛板塔：1.传质效率60~70%；2.操作弹性窄，负荷70~100%；3.压降低，约250~400Pa/板；4.结构简单，造价低，适用于稳定大负荷工况。44.（6分）阐述PTA装置加氢精制单元催化剂失活机理及再生方法。答案：失活机理：1.对羧基苯甲醛（4CBA）加氢副产有机物覆盖活性中心；2.微量硫、氮化合物化学吸附中毒；3.钯晶粒烧结，分散度下降；4.无机盐（Na、Fe）沉积堵塞孔道。再生方法：1.碱洗：2wt%Na2CO3，80°C循环4h，溶解有机物；2.酸洗：0.5wt%HCl，60°C，2h，脱除无机盐；3.氧化：0.5wt%H2O2，常温，1h，氧化残炭；4.氢气还原：200°C，2h，恢复钯活性；5.每3~6个月在线再生一次，3年后更换。45.（6分）某厂苯抽提装置环丁砜损耗偏高，列出可能原因及解决措施。答案：原因：1.抽提塔顶冷凝器泄漏，环丁砜随非芳烃带走；2.汽提塔底温度过高，环丁砜热降解；3.溶剂回收塔真空系统泄漏，环丁砜氧化；4.白土塔操作温度高，溶剂分解；5.系统水含量>1wt%，环丁砜水解。措施：1.冷凝器试压检漏，堵管或更换；2.控制汽提塔底温度<175°C；3.真空系统氧含量<0.1vol%；4.白土塔温度<140°C；5.增设分子筛干燥，水含量<0.3wt%。五、计算与综合应用题（共60分）46.（12分）某甲醇精馏三塔流程，预塔进料100th1，含甲醇85wt%，水14.5wt%，轻组分0.5wt%。预塔顶出轻组分0.5th1，塔底含水甲醇送至加压塔。加压塔顶出精甲醇60th1，塔底液入常压塔。常压塔顶出精甲醇30th1，塔底废水含甲醇0.1wt%。求：(1)预塔底含水甲醇流量及组成；(2)常压塔底废水流量；(3)全装置甲醇回收率。解：(1)预塔总物料平衡：F=D+W，100=0.5+W，W=99.5th1甲醇平衡：100×0.85=0.5×0.8+99.5×x，x=0.852水：100×0.145=0.5×0.2+99.5×y，y=0.145答：预塔底含水甲醇99.5th1，甲醇85.2wt%，水14.8wt%。(2)设常压塔底废水Pth1，甲醇0.1wt%加压塔底甲醇：99.5×0.85260=24.774th1常压塔甲醇平衡：24.774=30+P×0.001，P=(24.77430)/0.001不合理，改：常压塔进料=加压塔底=99.560=39.5th1甲醇：39.5×0.85230=3.654th13.654=0.001P，P=3654th1过大，重新核算：精甲醇总量=60+30=90th1进料甲醇=85th1损失=8590=5矛盾，发现预塔顶甲醇应几乎全水。修正：预塔顶0.5th1含甲醇10wt%，则甲醇损失0.05th1预塔底甲醇=850.05=84.95th1加压塔底甲醇=84.9560=24.95th1常压塔底甲醇=24.9530=5.05仍负，说明30th1过高。题意应为：加压塔顶60th1，常压塔顶“另外”30th1，总量90th1则损失甲醇=0.05+(0.001P)85=90+0.05+0.001P，P=5.05/0.001负，不合理。重新设定：常压塔顶30th1为“侧线”产品，总量仍90th1则损失仅预塔顶0.05th1+废水0.001P85=90+0.05+0.001P，P=5.05/0.001仍负。结论：题目数据矛盾，常压塔顶30th1不可行。修正：常压塔顶25th1则85=85+0.001P，P=0，损失仅0.05th1答：常压塔底废水≈0，回收率=84.95/85=99.94%（阅卷以逻辑正确给分）47.（12分）某一级不可逆液相反应A→B，速率常数k=0.2min1。采用两等体积全混流反应器串联，总体积2m3，进料流量Q=1m3min1，CA0=2kmolm3。求：(1)单台全混流反应器达到相同转化率所需体积；(2)两串联反应器出口转化率；(3)若改为活塞流反应器，所需体积。解：(1)单台CSTR：τ=V/Q，X=kτ/(1+kτ)设X=0.6667，则0.6667=0.2τ/(1+0.2τ)，τ=10min，V=10m3(2)两串联CSTR，每台τ=1min第一台：X1=0.2×1/(1+0.2×1)=0.1667第二台：CA1=2(10.1667)=1.6664X2X1=k(1X2)τ，X2=0.1667+0.2(1X2)×1X2=0.1667+0.20.2X2，1.2X2=0.3667，X2=0.3056(3)活塞流：τ=(1/k)ln(1/(1X))=10min，V=10m3答：(1)10m3；(2)30.6%；(3)10m348.（12分）某厂采用逆流填料塔用纯水吸收尾气中氨，入口氨y1=0.02molmol1，出口y2=0.001，液气比L/G=1.2，平衡关系y=1.2x，KGa=0.05kmolm3s1，气体流量G=1kmols1。求：(1)出口液相浓度x1；(2)传质单元数NOG；(3)填料高度H。解：(1)G(y1y2)=L(x1x2)，x2=01(0.020.001)=1.2(x10)，x1=0.01583(2)平衡线与操作线斜率均为1.2，平行，NOG=(y1y2)/(yy)m(yy)1=0.021.2×0.01583=0.001(yy)2=0.0010=0.001Δym=0.001，NOG=(0.020.001)/0.001=19(3)HOG=G/(KGa)=1/0.05=20mH=NOG×HOG=19×20=380m（注：平行线导致NOG趋大，实际应调L/G>1.2或降低x2，此处按题计算）49.（12分）某换热网络含两热流、两冷流，数据如下：热流H1：CP=2kWK1，Tin=180°C，Tout=80°C热流H2：CP=3kWK1，Tin=150°C，Tout=50°C冷流C1：CP=2.5kWK1，Tin=30°C，Tout=160°C冷流C2：CP=2kWK1，Tin=60°C，Tout=140°C最小允许温差ΔTmin=10°C。用问题表法求：(1)最小热公用工程QH,min；(2)最小冷公用工程QC,min；(3)夹点温度。解：划分温度区间：热端180→50，冷端30→160，ΔTmin=10shifted温度：热流5，冷流+5H1:175→75H2:145→45C1:35→165C2:65→145排序：175,165,145,75,65,45,35计算区间净热：175165:(2+32.52)×10=0.5×10=5165145:(2+32.5)×20=2.5×20=5014575:(2+32.5)×70=2.5×70=1757565:(32.5)×10=0.5×10=56545:(32.52)×20=1.5×20=304535:(32)×10=1×10=10累积热流：0,5,45,220,225,195,205最小热公用工程=|最小负值|=0夹点位于145°C（热）/135°C（冷）QH,min=0QC,min=205kW答：(1)0kW；(2)205kW；(3)145°C（热）50.（12分）某年产30万吨乙烯装置裂解炉辐射段出口温度（COT）控制方案如图（略），采用HoneywellDCS串级控制：主回路为COTTC，副回路为燃料气流量FC。正常COT=840°C，燃料气热值45MJkg1，辐射段热负荷60MW。某日操作员发现：(1)COT下降至830°C，燃料气流量指示不变；(2)燃料气压力由4.0bar降至3.8bar；(3)烟气氧含量由3%升至5%。分析故障原因，给出诊断步骤与处理措施。答案：原因：燃料气热值下降，可能掺入惰性气体（氮气）或轻组分（CO2）。诊断：1.取样色谱分析燃料气组成，确认CH4含量下降，N2或CO2升高；2.检查燃料气界区，确认上游装置是否误操作；3.检查热值仪指示是否异常；4.核对流量孔板计算书，确认密度补偿是否正确。处理：1.手动提高燃料气流量设定，恢复COT至840°C；2.通知调度协调上游装置，切断低热值气源；3.若热值无法恢复，切换至备用高热值液化气；4.重新标定DCS热值补偿模块；5.加强燃料气在线热值仪维护，增设低热值报警联锁。六、设计综合题（共50分）51.（25分）某拟建50万吨/年乙二醇装置（环氧乙烷水合工艺），要求：(1)确定工艺路线，给出流程简图（文字描述）；(2)计算环氧乙烷（EO）年需求量（按选择性90%，收率98%）；(3)水合反应器选型（管式或塔式）并说明理由；(4)列出关键设备材质选择及腐蚀控制措施；(5)给出废水处理方案，使COD<50mgL1。答案：(1)工艺路线：乙烯→（氧化）→环氧乙烷→（水合）→乙二醇。流程：乙烯与循环气入列管式氧化反应器，银催化剂，反应器出口气体经多级冷却、吸收得EO水溶液，经脱除轻组分后进入水合反应器，水合液经多效蒸发、脱水、精制得纤维级乙二醇。(2)乙二醇产量=50×104ta1=50×108kga1分子量62gmol1，n=50×108/62=8.06×108kmola1EO分子量44，理论需EO=8.06×108kmol考虑收率98%，需EO=8.06×108/0.98=8.23×108kmol=3.62×1010kga1=362万吨(3)水合反应器选型：管式绝热反应器。理由：1.水合比高（20~25:1），反应热大，管式便于段间冷却；2.活塞流特性好，减少副产二乙二醇；3.设备简单，无搅拌密封问题；4.材质易解决。(4)材质：EO反应器壳体304L+内衬不锈钢，水合反应器316L，高温段2205双相钢；腐蚀控制：水合系统水含量>90wt%，控制pH6~8，注入吗啉中和剂；EO系统氧含量<0.1vol%，防止醛酸腐蚀。(5)废水：含乙二醇0.5wt%，二乙二醇0.1wt%，COD约15000mgL1。处理：1.多效蒸发回收二醇，浓缩液回用；2.出水COD~1000mgL1，进入厌氧UASB，COD降至200mgL1；3.好氧MBR，COD<50mgL1；4.反渗透浓水蒸发结晶，零排放。52.（25分）某炼厂拟对常减压装置换热网络进行节能改造，原油处理量500th1，比热容2.5kJkg1K1，初馏塔进料要求由常温（20°C）升至330°C。现有热流：常一线