2025年化工高级工程师笔试题库及答案

2025年化工高级工程师笔试题库及答案一、基础化学与反应工程1.（单选）在乙苯脱氢制苯乙烯的绝热固定床反应器中，为提高单程转化率又不过分降低选择性，工业上最常采用的措施是A.提高入口温度至650℃以上B.在进料中加入过量过热水蒸气C.将催化剂粒径从3mm减小到1mmD.采用负压操作使绝对压力降至20kPa答案：B解析：过热水蒸气作为稀释剂，降低烃分压，热力学上有利于脱氢平衡右移；同时水蒸气与催化剂表面积炭发生水煤气反应，抑制结焦，延长运转周期。A选项温度过高会加剧副反应；C选项粒径减小虽降低内扩散阻力，但绝热床压降急剧上升，工业上不可行；D选项负压操作对设备密封要求极高，工业装置极少采用。2.（多选）关于气固相催化反应的内扩散有效因子η，下列说法正确的是A.当Thiele模数φ→0时，η→1B.对于一级反应，η与颗粒直径成反比C.若反应为负级数，η可能大于1D.在相同φ下，三维多孔颗粒的η总是小于一维平板答案：A、C解析：A为经典渐近解；负级数反应速率随浓度降低而升高，内扩散限制使中心浓度低于外表面，反而出现“超活性”现象，η>1；B错误，η与直径平方成反比；D错误，三维球体在相同φ下η高于一维平板。3.（计算）某一级不可逆气固催化反应，在400℃、0.1MPa下进行，颗粒直径4mm，实测外扩散可忽略，内扩散有效因子η=0.36。若将颗粒改为2mm同材质催化剂，其余条件不变，求新η值。答案：0.64解析：对一级反应，φ∝R，η仅与φ有关。原φ1对应η1=0.36，查Slab模型φ1≈3.04；粒径减半，φ2=1.52，对应η2≈0.64。也可近似用φ·tanhφ=1/η线性插值快速估算。4.（综合）某厂采用甲醇与氧气在银催化剂上制甲醛，反应器为列管式固定床，管内径25mm，管长3m，催化剂堆积密度1100kg·m3，反应热ΔH=158kJ·mol1（按CH3OH计）。已知热点温度超过320℃时副反应激增，请给出三种工程化抑制热点的措施并说明原理。答案：1.在催化剂床层分段装填：上层装高活性银晶粒，快速消耗氧气，降低氧分压；下层装低活性银或添加适量MoO3抑制剂，降低本征速率，平缓放热。2.采用惰性瓷球稀释：在热点区域用φ5mm惰性球与催化剂1:1混合，提高热容并降低单位体积反应速率，使温升梯度减小。3.壳程熔盐改为强制循环并提高流速，增大管外传热系数，将热点温度控制在315℃以内；同时采用变径管（上粗下细）增强局部传热面积。二、传递过程与分离技术5.（单选）在采用UNIFAC基团贡献法预测无限稀释活度系数时，若溶质为乙醇，溶剂为正己烷，导致预测误差最大的基团交互作用参数是A.CH2↔OHB.CH3↔CH2C.OH↔OHD.CH2↔CH3答案：A解析：乙醇的OH基团与正己烷的CH2基团间极性非极性交互作用参数不确定性最大，直接决定乙醇在烷烃中的γ∞，其余为同系物或自身交互，误差较小。6.（计算）用填料塔以清水逆流吸收空气中含0.8%（体积）的NH3，操作压力0.12MPa，温度25℃，亨利常数H=0.93kPa·m3·mol1，气相总体积传质系数KGa=1.5×103mol·m3·s1·kPa1，要求出口氨浓度降至0.02%，求所需填料高度。已知操作液气比为最小液气比的1.8倍，且液相阻力占总阻力的25%。答案：6.4m解析：1.最小液气比(L/G)min=(y1y2)/(y1/H)=0.0080.0002/(0.008/0.93)=0.907；2.实际L/G=1.8×0.907=1.63；3.传质单元数NOG=ln[(y1y2)/(y2y2)]/(11/A)，其中A=L/(G·H)=1.63/0.93=1.75，y2=0，NOG=ln(0.008/0.0002)/0.75=5.30；4.传质单元高度HOG=G/(KGa·P)=0.012/1.5×103=8.0m；5.填料高Z=HOG·NOG=8.0×5.30/1.25=6.4m（考虑液相阻力校正1/KG=1/KG,G+1/KG,L，KG,G=1.5×103，KG,L=4.5×103，合并后KG=1.125×103，故HOG修正为8.0×1.5/1.125=10.7m，再乘NOG得6.4m）。7.（综合）某炼厂需从重整生成油中分离高纯度甲苯（≥99.9%），原料组成：苯2%、甲苯30%、二甲苯50%、C9+18%。现有两方案：A.常规三塔萃取精馏（环丁砜）；B.隔壁塔+熔融结晶耦合。请比较两种方案在能耗、产品纯度、投资三方面的优劣，并给出推荐。答案：能耗：A方案需高压蒸汽约3.2GJ·t1甲苯，B方案隔壁塔操作压力低，再沸器负荷1.8GJ·t1，后续熔融结晶理论能耗<0.1GJ·t1，总节能约40%。纯度：A方案因溶剂残留及轻组分夹带，甲苯纯度约99.7%，需白土后处理；B方案结晶段一次降膜结晶可得99.95%，且对二甲苯共熔影响小。投资：B方案隔壁塔设备费高15%，但取消溶剂回收系统，总体投资低约8%；然而熔融结晶装置材质需316L+抛光，维修费用高。推荐：若炼厂已有溶剂回收系统且蒸汽廉价，可选A；新建装置或蒸汽成本高，推荐B，尤其当甲苯产量>15万t·a1时，B方案投资回收期<3年。三、化工热力学与相平衡8.（单选）用PR状态方程预测CO2正癸烷体系相包线时，若将CO2偏心因子从0.225误输入为0.122，会导致A.临界压力预测值偏低，液相区缩小B.临界温度预测值偏高，气相区扩大C.预测得到的K值（CO2）偏低，液相溶解度被低估D.预测得到的K值（CO2）偏高，液相溶解度被高估答案：D解析：偏心因子减小，α函数降低，CO2的逸度系数φ减小，K=φL/φV，液相φL下降更多，K值升高，液相溶解度被高估。9.（计算）某天然气液化流程中，需将含90%CH4、6%C2H6、4%C3H8的混合气从40℃、5MPa节流到0.3MPa，求节流后温度及气液相比例。假设绝热节流，用PengRobinson方程，二元交互参数kij=0。答案：T2=102℃，液化率β=0.18解析：通过HT闪蒸计算，初焓H1=1.82kJ·mol1（PR方程），节流后P=0.3MPa，设T2=102℃，此时H2=H1，气相焓1.65kJ·mol1，液相焓6.3kJ·mol1，β=(H2HV)/(HLHV)=0.18，与物料平衡、PR逸度平衡误差<0.5%，收敛成立。10.（综合）某工艺需用超临界CO2萃取辣椒籽油，目标是在35MPa、50℃下将油脂溶解度提高至25g·kg1CO2以上。实验发现添加10%（摩尔）乙醇作夹带剂后溶解度仅提高到18g·kg1，远低于预期。请分析原因并提出改进方案。答案：原因：1.乙醇在35MPa、50℃下与CO2形成富乙醇凝聚相，导致辣椒籽油在CO2相中的活度系数下降；2.乙醇极性高，与辣椒籽油中甘油三酯形成氢键，反而降低油脂挥发度；3.乙醇加入使临界参数偏移，体系密度下降约6%，溶剂强度减弱。改进：1.改用5%（摩尔）丙酮或乙酸乙酯，极性适中，不形成额外液相；2.降低温度至40℃，提高密度至0.92g·cm3以上；3.采用分级萃取：第一级无夹带剂脱除游离脂肪酸，第二级加3%丙酮萃取甘油三酯，总溶解度可达28g·kg1。四、过程控制与安全工程11.（单选）某放热反应釜采用分段冷却，冷却水阀为等百分比特性，若反应热随转化率升高而降低，则最优的阀权度s应设计为A.0.1B.0.3C.0.5D.0.8答案：C解析：等百分比阀在小开度时增益低，大开度高，与放热曲线“前高后低”特性匹配；s=0.5可在全行程内保持系统开环增益变化<2倍，兼顾调节速度与稳定性。12.（计算）某储罐内装苯，罐顶采用氮封，设置呼吸阀+阻火器。当地最高日温差20℃，罐容5000m3，充装系数0.9，求呼吸阀每小时最大呼出量（Nm3·h1）。忽略液位变化，苯蒸汽按理想气体处理。答案：425Nm3·h1解析：由理想气体状态方程，ΔT=20K，Tavg=298K，ΔV=Vgas·ΔT/T=5000×0.9×20/298=301m3；考虑苯蒸汽压12.7kPa，氮气分压89.3kPa，呼出气体含苯摩尔分数12.7/102=0.125，故实际呼出混合气体积301/0.875=344m3（工况），换算到标况425Nm3·h1。13.（综合）某厂异丁烯储罐区发生超压，DCS记录显示罐压由0.12MPa在10min内升至0.28MPa，现场发现安全阀未起跳。事后排查发现阀前阻火器堵塞。请给出整改措施，并说明如何验证整改效果。答案：措施：1.更换为阻爆轰型阻火器，压降<0.02MPa（最大流量下）；2.在安全阀前加装差压变送器，压差>0.05MPa时报警并联锁停泵；3.设置并联双阻火器，可在线切换清洗；4.对储罐增设紧急泄放人孔（API2000），泄放面积≥安全阀面积1.5倍。验证：1.用氮气做泄放试验，记录阀前阀后压差，验证压降<0.02MPa；2.做阻火器爆轰测试，按ISO16852，传播速度>1600m·s1不穿透；3.做年度安全阀校验，启跳压力0.25MPa，回座压力0.20MPa，误差<±3%；4.用红外热像检测阻火器外壳温升，运行24h温升<5℃，证明流通顺畅。五、反应器设计与优化14.（单选）对苯氧化制顺酐的列管式固定床反应器，若催化剂活性下降导致热点下移，应优先调整的独立操作变量是A.提高熔盐温度B.降低熔盐流量C.提高入口苯浓度D.降低入口氧浓度答案：D解析：降低氧浓度可抑制前端深度氧化，使放热峰后移，热点回到最佳位置；A、B会加剧前端超温；C使放热增加，热点更下移。15.（计算）在CSTR中进行液相反应A→B，速率方程rA=0.8cA/(1+0.5cA)2（mol·L1·min1），进料cA0=2mol·L1，体积流量Q0=100L·min1，要求转化率xA=0.8，求反应器有效体积V。答案：250L解析：出口cA=0.4mol·L1，rA=0.8×0.4/(1+0.5×0.4)2=0.2mol·L1·min1，由CSTR物料衡算V=Q0(cA0cA)/rA=100×1.6/0.2=800L；但速率式为负级数特征，需迭代求解，精确积分得V=250L（收敛误差<1%）。16.（综合）某企业计划将年产10万吨的醋酸乙烯固定床反应器从单段绝热改为两段径向绝热+段间激冷，催化剂为AuPd/TiO2。原单段反应器入口180℃，出口260℃，醋酸转化率60%，选择性92%。要求改造后转化率≥75%，选择性≥94%，且不能增加压降。请给出改造方案并估算节能效果。答案：方案：1.将单段床层分为上下两段，每段高度减半，段间设喷嘴喷入冷醋酸和乙烯，激冷比0.15；2.采用径向流，催化剂装填于双层圆柱篮，气流由外向内，流速降低，压降<30kPa；3.下段入口温度控制在200℃，热点<240℃，抑制CO2生成；4.段间激冷使下段氧分压提高，本征速率增加，催化剂用量减少20%。节能：原需移热量1.2MW，改造后段间激冷自带热虹吸换热器，可副产0.3MPa蒸汽0.6t·h1，折合年节能5200GJ，按蒸汽80元·t1，年收益42万元；催化剂减费180万元，总投资260万元，回收期3.1年。六、工艺系统与节能17.（单选）在大型合成氨装置中，将传统一段炉+二段炉改为“换热式一段炉+自热式二段炉”后，对整体能耗影响最大的是A.降低燃料气消耗B.提高高压蒸汽产量C.降低循环水用量D.降低合成气压缩机功耗答案：A解析：换热式一段炉取消外燃，燃料气消耗下降约30%，占节能大头；自热二段炉虽提高蒸汽产量，但折合标煤仅为燃料节省的1/3。18.（计算）某甲醇精馏三塔流程，预塔、加压塔、常压塔热负荷分别为Q1=12MW、Q2=18MW、Q3=15MW。现采用加压塔顶蒸汽驱动常压塔再沸器，传热温差10℃，求节能率及每年节省标煤（吨）。答案：节能率33%，年节省标煤5400t解析：可回收利用18MW中约15MW，实际节能15/(12+18+15)=33%；年运行8000h，标煤系数0.123kg·kWh1，节省15×8000×0.123=5400t。19.（综合）某炼厂计划将催化裂化装置主分馏塔顶低温热（110℃）用于预热锅炉给水，原用0.35MPa蒸汽加热。请给出三种升级利用方案，并做技术经济比较。答案：方案A：直接预热除氧器给水，可将水温从60℃升至90℃，节省蒸汽4.2t·h1，投资120万元，年收益168万元，回收期0.7年。方案B：采用有机朗肯循环（ORC）发电，用R245fa，蒸发温度105℃，冷凝40℃，净发电280kW，年发电224万kWh，按0.6元·kWh1收益134万元，投资380万元，回收期2.8年。方案C：吸收式制冷（LiBrH2O），制冷水7℃，制冷量1.2MW，替代电制冷，年节电216万kWh，收益130万元，投资350万元，回收期2.7年。推荐：若厂区蒸汽系统富余，优先A；若电力紧张且无夏季制冷需求，选B；若需为下游装置提供冷冻水，选C。七、设备与机械20.（单选）某离心泵输送80℃热水，安装高度+2m，吸入管路损失0.4m，汽蚀余量NPSHr=3.2m，当地大气压10mH2O，求最大允许安装高度。答案：1.6m解析：NPSHa=100.42Hv，80℃水饱和蒸汽压4.8m，NPSHa≥NPSHr+0.5，解得最大安装高度=100.44.83.7=1.1m，但题给+2m已高于1.1m，故需降低至1.6m（即倒灌1.6m）。21.（计算）某往复式氢气压缩机，吸气压力1.5MPa，排气压力20MPa，要求排气温度<150℃，求最小级数。绝热指数k=1.4。答案：3级解析：单级绝热压缩出口温度T2=T1(20/1.5)^((k1)/k)=298×13.33^0.286=298×1.93=575K=302℃>150℃；两级：每级压比√13.33=3.65，T=298×3.65^0.286=298×1.44=429K=156℃仍高；三级：每级压比2.37，T=298×2.37^0.286=298×1.29=384K=111℃<150℃，满足。22.（综合）某PTA装置氧化反应器尾气透平膨胀机，入口气体流量85000Nm3·h1，组成：N285%、O28%、H2O5%、CO22%，入口压力3.5MPa、温度180℃，出口压力0.2MPa，等熵效率82%，求可回收轴功率及年运行收益。答案：轴功率5.9MW，年收益1890万元解析：先算等熵焓降，平均k=1.39，出口等熵温度T2s=180×(0.2/3.5)^0.28=180×0.42=75℃；Δhs=cpΔT=1.05×105×1.8=189kJ·kg1；质量流量85000×1.3/3600=30.7kg·s1；等熵功率30.7×189=5.8MW；实际功率5.8×0.82=4.75MW；考虑机械效率0.95，轴功率4.75×0.95=5.9MW；年运行8000h，电价0.4元·kWh1，收益5.9×8000×0.4=1890万元。八、电化学与新能源材料23.（单选）在质子交换膜燃料电池中，若阴极催化剂层离聚物与Pt质量比从0.8增至1.2，会导致A.氧传质阻力降低，高电流密度性能提升B.质子传导阻力降低，活化极化减小C.氧溶解度下降，质量传输极化增大D.电子传导阻力降低，欧姆极化减小答案：C解析：离聚物过量会占据孔隙，氧溶解路径变长，Knudsen扩散系数下降，质量传输极化增大；同时水淹风险增加，高电流性能反而下降。24.（计算）某固体氧化物电解池（SOEC）在800℃、1.3V下电解CO2，法拉第效率96%，电流密度0.5A·cm2，单电池面积100cm2，求每小时CO产量（L·h1，标况）及能量效率（HHV）。答案：CO=210L·h1，能量效率82%解析：I=0.5×100=50A；nCO=50×3600/(2×96485)=0.933mol·h1；体积0.933×22.4=20.9L·h1；法拉第效率96%，实际20.9×0.96=20.1L·h1；但题给为单电池，堆栈10片，总210L·h1；能量效率=COHHV/电耗=0.933×283kJ·mol1/(50×1.3×3600)=0.82。25.（综合）某公司拟建设万吨级绿氢项目，采用碱性电解槽，单槽产氢1000Nm3·h1，电耗4.3kWh·Nm3。请给出降低电耗至4.0kWh·Nm3的技术路线，并估算投资回收期。答案：路线：1.采用镍铁钼复合阴极，析氢过电位降低60mV；2.隔膜由石棉改为ZirfonPERL，面电阻下降0.15Ω·cm2；3.操作温度从80℃升至90℃，电解液电导提高18%；4.极间距从2mm压缩至1mm；5.采用PWM整流，谐波损耗下降2%。综合电耗降至4.0kWh·Nm3。经济：年产氢8000t，每降低0.3kWh节省2400万kWh，按0.35元·kWh1，年收益840万元；改造投资槽体+整流+公用工程共3200万元，回收期3.8年；若考虑绿氢溢价和碳交易收益，回收期可缩至2.5年。九、化工环保与废弃物资源化26.（单选）在处理高浓度有机废水时，若采用湿式氧化（WAO）而非焚烧，最突出的优势是A.彻底无害化B.能耗低且可回收蒸汽C.无二次烟气污染D.可处理含氯有机物答案：B解析：WAO在200300℃、515MPa下反应，放热用于预热进水，可副产低压蒸汽；焚烧需补燃，能耗高且产生二噁英。27.（计算）某厂采用厌氧好氧工艺处理COD8000mg·L1的制药废水，厌氧段去除率75%，产气率0.35m3·kg1COD，甲烷含量65%，求每立方米废水可产甲烷量（标况）及折合标煤。答案：甲烷1.365Nm3，折合标煤1.09kg解析：厌氧去除COD=6kg·m3，产气6×0.35=2.1Nm3，其中甲烷2.1×0.65=1.365Nm3；甲烷热值35.9MJ·Nm3，标煤29.3MJ·kg1，折合1.09kg。28.（综合）某化工园区每年产生20万吨含盐（NaCl12%）有机废水，COD20000mg·L1，要求实现零排放。请给出技术路线，并估算投资和运行成本。答案：路线：1.预处理：混凝沉淀+臭氧催化