2025年深冷分離模擬考試題含參考答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.深冷分離過(guò)程中，原料氣預(yù)處理的核心目的是（）A.提高原料氣壓力B.脫除水、二氧化碳及重?zé)NC.降低原料氣溫度D.增加輕組分濃度2.工業(yè)乙烯裝置中，脫甲烷塔的操作溫度通?？刂圃冢ǎ〢.-50~-80℃B.-80~-110℃C.-110~-160℃D.-160~-190℃3.膨脹機(jī)在深冷分離中的主要作用是（）A.壓縮氣體提高壓力B.通過(guò)絕熱膨脹產(chǎn)生低溫C.分離氣液兩相D.提高精餾塔回流比4.深冷分離中常用的制冷劑不包括（）A.丙烷B.乙烯C.氮?dú)釪.氧氣5.計(jì)算精餾塔理論板數(shù)時(shí)，若物系相對(duì)揮發(fā)度α接近常數(shù)，可優(yōu)先采用（）A.逐板計(jì)算法B.Fenske方程C.簡(jiǎn)捷法（Gilliland關(guān)聯(lián)式）D.圖解法6.冷箱（ColdBox）的核心功能是（）A.儲(chǔ)存低溫液體B.實(shí)現(xiàn)多股物流的高效換熱C.分離氣液組分D.提供冷量補(bǔ)償7.原料氣中若含有微量乙炔，深冷分離前通常需通過(guò)（）工藝脫除A.加氫反應(yīng)B.吸附C.水洗D.精餾8.深冷分離系統(tǒng)中，甲烷化反應(yīng)器的作用是（）A.將甲烷轉(zhuǎn)化為二氧化碳B.脫除殘留的一氧化碳和二氧化碳C.提高甲烷純度D.降低系統(tǒng)壓力9.關(guān)于膨脹機(jī)出口溫度的影響因素，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A.入口壓力越高，出口溫度越低B.入口溫度越高，出口溫度越低C.膨脹比越大，出口溫度越低D.絕熱效率越高，出口溫度越低10.深冷分離裝置開(kāi)車(chē)時(shí)，系統(tǒng)置換的主要目的是（）A.提高系統(tǒng)壓力B.防止低溫下氧氣液化引發(fā)爆炸C.降低原料氣濕度D.增加冷量?jī)?chǔ)備二、填空題（每空1分，共20分）1.深冷分離的核心原理是利用混合氣體中各組分的______差異，通過(guò)______、______和______等過(guò)程實(shí)現(xiàn)組分分離。2.工業(yè)深冷分離流程中，前脫丙烷流程與后脫丙烷流程的主要區(qū)別在于______的位置；前加氫與后加氫的區(qū)別在于______。3.冷箱內(nèi)的換熱設(shè)備多采用______換熱器，其特點(diǎn)是______、______，適用于多股物流的______換熱。4.脫乙烷塔的主要分離任務(wù)是將______與______分離，塔頂產(chǎn)品通常為_(kāi)_____，塔底產(chǎn)品為_(kāi)_____。5.深冷分離系統(tǒng)的冷量來(lái)源包括______、______和______；其中______是最主要的冷量來(lái)源。6.膨脹機(jī)的絕熱效率η定義為_(kāi)_____與______的比值，其值通常為_(kāi)_____（范圍）。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共32分）1.簡(jiǎn)述深冷分離中“預(yù)處理-壓縮-冷卻-精餾”的完整工藝流程，并說(shuō)明各步驟的關(guān)鍵操作參數(shù)。2.比較脫甲烷塔采用高壓操作（3.0~3.5MPa）與低壓操作（0.3~0.5MPa）的優(yōu)缺點(diǎn)。3.冷箱堵塞是深冷分離的常見(jiàn)故障，分析可能的堵塞原因及對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施。4.深冷分離中，為什么需要設(shè)置多元制冷循環(huán)（如丙烯-乙烯-甲烷復(fù)疊制冷）？簡(jiǎn)述其工作原理。四、計(jì)算題（共20分）某乙烯裝置的脫甲烷塔進(jìn)料組成為（摩爾分?jǐn)?shù)）：CH?12%、C?H?38%、C?H?25%、C?H?15%、C?H?5%、N?5%。操作壓力為3.2MPa，塔頂溫度-145℃，塔底溫度-105℃。已知各組分在塔頂?shù)南鄬?duì)揮發(fā)度α（以C?H?為基準(zhǔn)）：CH?=5.8、N?=6.2、C?H?=1.0、C?H?=0.85；塔底的相對(duì)揮發(fā)度α（以C?H?為基準(zhǔn)）：CH?=3.5、N?=4.0、C?H?=1.0、C?H?=0.75。（1）計(jì)算塔頂、塔底的關(guān)鍵組分（輕關(guān)鍵組分LK為C?H?，重關(guān)鍵組分HK為C?H?）的相對(duì)揮發(fā)度α_LK/HK。（4分）（2）采用Fenske方程計(jì)算全回流條件下的最少理論板數(shù)N_min（包括再沸器）。（6分）（3）若實(shí)際操作回流比R=2.5，全塔效率η=0.65，采用Gilliland關(guān)聯(lián)式計(jì)算實(shí)際理論板數(shù)N（已知Gilliland關(guān)聯(lián)式：Y=0.75(1-X^0.5)，其中X=(R-R_min)/(R+1)，Y=(N-N_min)/(N+1)）。（10分）五、綜合分析題（8分）某深冷分離裝置運(yùn)行中出現(xiàn)以下異常：脫甲烷塔塔頂甲烷純度下降（目標(biāo)≥98%，實(shí)際95%），塔底乙烯損失增加（目標(biāo)≤0.5%，實(shí)際1.2%）。結(jié)合深冷分離原理，分析可能的原因及對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)措施。參考答案一、單項(xiàng)選擇題1.B（深冷分離前需脫除水、CO?等，防止低溫下凍結(jié)堵塞設(shè)備）2.C（脫甲烷塔需將甲烷與C?及以上組分分離，操作溫度通常低于-110℃）3.B（膨脹機(jī)通過(guò)絕熱膨脹對(duì)外做功，降低氣體溫度，提供冷量）4.D（氧氣沸點(diǎn)（-183℃）與部分組分接近，且可能引發(fā)燃爆，不作為常用制冷劑）5.B（Fenske方程適用于相對(duì)揮發(fā)度α為常數(shù)的物系計(jì)算最少理論板數(shù)）6.B（冷箱集成多股物流的高效換熱，實(shí)現(xiàn)熱量回收與低溫維持）7.A（乙炔需通過(guò)加氫反應(yīng)轉(zhuǎn)化為乙烯或乙烷，避免聚合堵塞設(shè)備）8.B（甲烷化反應(yīng)器中，CO、CO?與H?反應(yīng)生成CH?和H?O，脫除微量雜質(zhì)）9.B（膨脹機(jī)入口溫度越高，絕熱膨脹后溫度下降幅度大，但出口溫度未必更低，需結(jié)合膨脹比綜合判斷）10.B（置換可去除系統(tǒng)內(nèi)氧氣，防止低溫下氧氣液化與烴類(lèi)形成爆炸混合物）二、填空題1.沸點(diǎn)（或冷凝溫度）；壓縮；冷卻；精餾（或分凝）2.脫丙烷塔；加氫反應(yīng)器設(shè)置在脫除重組分前（前加氫）或后（后加氫）3.板翅式；緊湊高效；溫差?。荒媪?.C?組分（乙烯、乙烷）；C?及以上組分；C?組分；C?及以上組分5.制冷劑循環(huán)；膨脹機(jī)制冷；物料節(jié)流膨脹；制冷劑循環(huán)（或膨脹機(jī)制冷，需根據(jù)具體流程判斷，此處以復(fù)疊制冷為例）6.實(shí)際焓降；理想（等熵）焓降；0.7~0.85三、簡(jiǎn)答題1.工藝流程及關(guān)鍵參數(shù)：預(yù)處理：脫除水（露點(diǎn)≤-70℃）、CO?（體積分?jǐn)?shù)≤50ppm）、硫（≤1ppm）等雜質(zhì)，防止低溫凍結(jié)或腐蝕；壓縮：原料氣經(jīng)多級(jí)壓縮至3.0~3.5MPa（高壓流程）或0.3~0.5MPa（低壓流程），關(guān)鍵參數(shù)為出口壓力與溫度（≤40℃）；冷卻：通過(guò)冷箱與制冷劑（如乙烯、甲烷）換熱，逐步降溫至-100~-160℃，關(guān)鍵參數(shù)為各股物流的換熱溫差（通?！?℃）；精餾：脫甲烷塔（頂溫-140~-160℃，壓力3.2MPa）分離甲烷與C?+，脫乙烷塔（頂溫-30~-40℃，壓力1.8MPa）分離C?與C?+，關(guān)鍵參數(shù)為塔板數(shù)、回流比（R=2~4）、塔頂/底溫度。2.高壓與低壓脫甲烷塔比較：高壓優(yōu)點(diǎn)：操作壓力高，氣體密度大，設(shè)備體積??；塔頂溫度較高（-140℃vs低壓-160℃），冷量需求低；高壓缺點(diǎn)：相對(duì)揮發(fā)度α降低（高壓下組分沸點(diǎn)接近），分離難度增加，理論板數(shù)增多；低壓優(yōu)點(diǎn)：α增大，分離效率高，理論板數(shù)少；低壓缺點(diǎn)：塔頂溫度低（需更深度制冷），冷量消耗大；設(shè)備體積大（氣體密度低）。3.冷箱堵塞原因及預(yù)防：原因：①預(yù)處理不徹底，水、CO?凍結(jié)（冰或干冰）；②炔烴、二烯烴聚合形成固體聚合物；③潤(rùn)滑油或密封油泄漏，低溫下凝結(jié)；④分子篩吸附劑粉末進(jìn)入冷箱。預(yù)防措施：①?lài)?yán)格控制預(yù)處理指標(biāo)（水露點(diǎn)≤-70℃，CO?≤50ppm）；②增設(shè)加氫反應(yīng)器脫除炔烴；③優(yōu)化壓縮機(jī)密封，防止?jié)櫥托孤虎芏ㄆ诟鼡Q分子篩并設(shè)置過(guò)濾裝置。4.多元制冷循環(huán)的必要性及原理：必要性：?jiǎn)我恢评鋭ㄈ绫┲荒芨采w較窄的溫度范圍（-40~5℃），無(wú)法滿(mǎn)足深冷分離（-160℃）的需求；多元復(fù)疊制冷通過(guò)不同沸點(diǎn)制冷劑（丙烯：-40~5℃；乙烯：-100~-40℃；甲烷：-160~-100℃）逐級(jí)降溫，高效提供寬溫區(qū)冷量。原理：高溫級(jí)（丙烯）制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量汽化，經(jīng)壓縮機(jī)升壓后在冷凝器中被冷卻水冷凝；低溫級(jí)（乙烯）制冷劑的冷凝器與高溫級(jí)蒸發(fā)器耦合，利用丙烯的蒸發(fā)提供冷量；甲烷循環(huán)則與乙烯循環(huán)耦合，最終實(shí)現(xiàn)-160℃的低溫。四、計(jì)算題（1）關(guān)鍵組分相對(duì)揮發(fā)度α_LK/HK=α(C?H?)/α(C?H?)：塔頂：α_LK/HK=1.0/0.85≈1.176；塔底：α_LK/HK=1.0/0.75≈1.333；取塔頂、塔底的幾何平均α_m=√(1.176×1.333)=√1.568≈1.252。（2）Fenske方程：N_min+1=log[(x_LK,D/x_HK,D)(x_HK,W/x_LK,W)]/logα_m假設(shè)塔頂輕關(guān)鍵組分（C?H?）幾乎全在塔頂，重關(guān)鍵組分（C?H?）幾乎全在塔底，即x_LK,D≈0.95（假設(shè)塔頂C?H?純度），x_HK,D≈0.02（塔頂C?H?殘留）；塔底x_HK,W≈0.90（塔底C?H?純度），x_LK,W≈0.05（塔底C?H?損失）。代入得：(x_LK,D/x_HK,D)=0.95/0.02=47.5；(x_HK,W/x_LK,W)=0.90/0.05=18；分子=log(47.5×18)=log(855)=2.932；分母=log1.252≈0.0977；N_min+1=2.932/0.0977≈30.0；故N_min=29（塊，包括再沸器）。（3）首先計(jì)算最小回流比R_min：采用Underwood公式（假設(shè)q=1，泡點(diǎn)進(jìn)料）：∑(α_ix_Fi)/(α_i-θ)=1-q=0（q=1）進(jìn)料中關(guān)鍵組分C?H?（α=1.0）、C?H?（α=0.85），非關(guān)鍵組分CH?（α=5.8）、N?（6.2）、C?H?（0.4）、C?H?（0.3）。θ介于α_HK（0.85）和α_LK（1.0）之間，試算θ=0.9：∑=(5.8×0.12)/(5.8-0.9)+(6.2×0.05)/(6.2-0.9)+(1.0×0.38)/(1.0-0.9)+(0.85×0.25)/(0.85-0.9)+(0.4×0.15)/(0.4-0.9)+(0.3×0.05)/(0.3-0.9)=(0.696/4.9)+(0.31/5.3)+(0.38/0.1)+(0.2125/-0.05)+(0.06/-0.5)+(0.015/-0.6)≈0.142+0.058+3.8-4.25-0.12-0.025≈-0.395（小于0）試算θ=0.88：∑=(0.696/4.92)+(0.31/5.32)+(0.38/0.12)+(0.2125/-0.03)+(0.06/-0.48)+(0.015/-0.58)≈0.141+0.058+3.167-7.083-0.125-0.026≈-3.868（仍?。?，說(shuō)明需調(diào)整假設(shè)（可能進(jìn)料中C?H?為輕關(guān)鍵，實(shí)際輕關(guān)鍵應(yīng)為甲烷？題目中可能存在設(shè)定錯(cuò)誤，此處假設(shè)輕關(guān)鍵為甲烷，重關(guān)鍵為C?H?，重新計(jì)算）。（注：原題中“輕關(guān)鍵組分LK為C?H?，重關(guān)鍵組分HK為C?H?”不符合實(shí)際，脫甲烷塔的輕關(guān)鍵應(yīng)為甲烷，重關(guān)鍵為乙烷或乙烯。修正后）：輕關(guān)鍵LK=CH?（α=5.8），重關(guān)鍵HK=C?H?（α=1.0），則α_m=√(5.8×3.5)=√20.3≈4.506。Fenske方程：N_min+1=log[(x_CH4,D/x_C2H4,D)(x_C2H4,W/x_CH4,W)]/logα_m假設(shè)塔頂x_CH4,D=0.98，x_C2H4,D=0.02；塔底x_C2H4,W=0.95，x_CH4,W=0.05；則(x_CH4,D/x_C2H4,D)=49，(x_C2H4,W/x_CH4,W)=19；分子=log(49×19)=log(931)=2.969；分母=log4.506≈0.654；N_min+1=2.969/0.654≈4.54；N_min=3.54≈4塊（包括再沸器）。（因原題設(shè)定可能有誤，此處以修正后邏輯計(jì)算）Gilliland關(guān)聯(lián)式：假設(shè)R_min=1.2（實(shí)際需通過(guò)Underwood計(jì)算，此處簡(jiǎn)化），則X=(2.5-1.2)/(2.5+1)=1.3/3.5≈0.371；Y=0.75(1-0.371^0.5)=0.75(1-0.609)=0.75×0.391≈0.293；Y=(N-N_min)/(N+1)=0.293→N-4=0.293(N+1)→N-0.293N=4+0.293→0.707N=4.293→N≈6.07塊（理論板數(shù)）；實(shí)際板數(shù)=6.07/0.65≈9.34≈10塊。（注：因題目關(guān)鍵組分設(shè)定可能偏離實(shí)際，最終計(jì)算結(jié)果需根據(jù)合理假設(shè)調(diào)整）五、綜合分析題可能原因：1.回流比不足：回流比降低導(dǎo)致塔頂輕組分（甲烷）純度下降，塔底重組分（乙烯）損失增加；2.進(jìn)料組成變化：進(jìn)料中甲烷含量升高或C?+含量降低，超出塔的分離能力；3.塔板效率下降：塔板堵塞、液泛或漏液導(dǎo)致傳質(zhì)效率降低；4.操作溫度波動(dòng)：塔頂溫度升高（冷量