化工設(shè)備考試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下關(guān)于浮閥塔板的描述中，錯(cuò)誤的是（）。A.浮閥可隨氣速變化自動(dòng)調(diào)節(jié)開度B.氣體水平吹入液層，氣液接觸時(shí)間長(zhǎng)C.操作彈性比泡罩塔小D.塔板效率較高2.列管式換熱器中，為提高殼程流體的流速和湍動(dòng)程度，通常設(shè)置（）。A.折流板B.膨脹節(jié)C.管板D.封頭3.對(duì)于承受內(nèi)壓的圓筒形容器，其環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的（）。A.0.5倍B.1倍C.2倍D.4倍4.以下哪種材料不適用于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)（如濃硫酸）的化工設(shè)備制造？（）A.316L不銹鋼B.搪玻璃C.哈氏合金D.Q235碳鋼5.反應(yīng)釜的攪拌器選型時(shí)，若需強(qiáng)化液體的軸向流動(dòng)，應(yīng)優(yōu)先選擇（）。A.槳式攪拌器B.渦輪式攪拌器C.推進(jìn)式攪拌器D.錨式攪拌器6.板式塔中，液泛現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是（）。A.氣速過(guò)低，液體無(wú)法下流B.氣速過(guò)高，氣體托持液體使其無(wú)法下流C.液體流量過(guò)小，塔板上液層過(guò)薄D.塔板間距過(guò)大，氣體夾帶嚴(yán)重7.計(jì)算容器壁厚時(shí)，若設(shè)計(jì)溫度高于材料的許用應(yīng)力溫度上限，應(yīng)（）。A.直接使用常溫許用應(yīng)力B.按插值法修正許用應(yīng)力C.更換更高耐溫等級(jí)的材料D.忽略溫度影響，僅考慮壓力8.固定管板式換熱器與浮頭式換熱器相比，最大的缺點(diǎn)是（）。A.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高B.無(wú)法消除溫差應(yīng)力C.殼程清洗困難D.傳熱效率低9.對(duì)于高壓反應(yīng)容器（設(shè)計(jì)壓力15MPa），其筒體與封頭的連接方式應(yīng)優(yōu)先選擇（）。A.搭接焊縫B.角焊縫C.全焊透的對(duì)接焊縫D.螺紋連接10.以下關(guān)于塔設(shè)備壓力降的描述中，正確的是（）。A.壓力降越小，操作彈性越大B.壓力降主要由氣體通過(guò)塔板的阻力和液體提升高度決定C.浮閥塔的壓力降大于泡罩塔D.壓力降與氣速無(wú)關(guān)二、填空題（每空1分，共15分）1.化工設(shè)備常用的材料分為金屬材料和非金屬材料，其中金屬材料中最常用的是__________，非金屬材料中耐溫性較好的有__________（舉一例）。2.列管式換熱器的熱補(bǔ)償方法包括__________、__________和__________。3.塔設(shè)備按內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為__________和__________兩大類，其中__________的操作彈性更大。4.容器的設(shè)計(jì)壓力是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定容器__________的壓力，其值不低于__________。5.攪拌器的功率消耗主要與__________、__________、__________及流體性質(zhì)有關(guān)。6.對(duì)于受外壓的圓筒形容器，當(dāng)外壓超過(guò)__________時(shí)，容器會(huì)發(fā)生__________失效。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述板式塔中“漏液”和“液泛”的區(qū)別及各自的危害。2.列舉三種常見的反應(yīng)器類型，并說(shuō)明其適用的反應(yīng)工況（如物料相態(tài)、反應(yīng)熱特性等）。3.為什么高溫高壓容器的法蘭連接通常采用金屬纏繞墊而非橡膠墊片？4.簡(jiǎn)述列管式換熱器中“管程”和“殼程”的選擇原則（至少列出4條）。5.分析塔設(shè)備中設(shè)置除沫器的作用，并說(shuō)明常用除沫器的類型及適用場(chǎng)景。四、計(jì)算題（共25分）1.（8分）某內(nèi)壓圓筒形容器，設(shè)計(jì)壓力p=2.5MPa，設(shè)計(jì)溫度200℃，內(nèi)徑Di=1200mm，材料為Q345R（許用應(yīng)力[σ]t=170MPa，焊接接頭系數(shù)φ=0.85），腐蝕裕量C2=2mm。試計(jì)算該容器的計(jì)算壁厚和名義壁厚（不考慮厚度附加量中的加工減薄量）。2.（9分）一臺(tái)單殼程、雙管程的列管式換熱器，殼程為120℃的飽和水蒸氣冷凝（冷凝潛熱r=2200kJ/kg），管程為水從20℃被加熱至80℃，水的流量為5000kg/h，比熱容cp=4.18kJ/(kg·℃)。假設(shè)換熱器總傳熱系數(shù)K=800W/(m2·℃)，忽略熱損失，試計(jì)算：（1）水蒸氣的消耗量；（2）換熱器的傳熱面積（對(duì)數(shù)平均溫差Δtm按逆流計(jì)算）。3.（8分）某浮閥塔處理苯-甲苯混合液，操作氣速u=1.2m/s，塔板上液層高度hL=60mm，液體密度ρL=850kg/m3，氣體密度ρV=2.5kg/m3，塔板開孔率φ=10%（開孔面積與塔截面積之比）。試計(jì)算氣體通過(guò)浮閥塔板的干板壓力降（以液柱高度表示，干板壓力降公式：hC=0.051×(u02ρV)/(ρLg)，其中u0為孔速，g=9.81m/s2）。五、綜合分析題（共10分）某化工廠擬新建一套醋酸（腐蝕性強(qiáng)，沸點(diǎn)118℃）精餾裝置，操作壓力為常壓，處理量為5000kg/h，進(jìn)料組成為醋酸40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、水60%，要求塔頂餾出物中醋酸含量≤5%，塔底產(chǎn)品中醋酸含量≥98%。請(qǐng)從設(shè)備選型、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)方面分析該精餾塔的設(shè)計(jì)要點(diǎn)?；ぴO(shè)備考試試題答案一、單項(xiàng)選擇題1.C（浮閥塔操作彈性比泡罩塔大）2.A（折流板可提高殼程流速）3.C（環(huán)向應(yīng)力σθ=pDi/(2δe)，軸向應(yīng)力σm=pDi/(4δe)，故環(huán)向是軸向的2倍）4.D（Q235碳鋼不耐濃硫酸腐蝕）5.C（推進(jìn)式攪拌器以軸向流動(dòng)為主）6.B（液泛因氣速過(guò)高導(dǎo)致液體無(wú)法下流）7.C（溫度超過(guò)許用應(yīng)力上限時(shí)需更換材料）8.B（固定管板式無(wú)法消除溫差應(yīng)力，浮頭式可自由膨脹）9.C（高壓容器需全焊透對(duì)接焊縫保證強(qiáng)度）10.B（壓力降由塔板阻力和液層高度決定）二、填空題1.碳素鋼和低合金鋼；陶瓷（或石墨、玻璃等）2.浮頭式補(bǔ)償；U形管式補(bǔ)償；膨脹節(jié)補(bǔ)償3.板式塔；填料塔；填料塔4.壁厚；最高工作壓力5.攪拌器直徑；轉(zhuǎn)速；槳葉形式6.臨界壓力；失穩(wěn)三、簡(jiǎn)答題1.區(qū)別：漏液是氣體流速過(guò)低時(shí)，部分液體從塔板開孔處直接下落的現(xiàn)象；液泛是氣體流速過(guò)高時(shí)，氣體托持液體使其無(wú)法下流，導(dǎo)致液體充滿塔板間的現(xiàn)象。危害：漏液會(huì)降低塔板效率，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法維持正常操作；液泛會(huì)導(dǎo)致塔壓劇增、傳質(zhì)效率驟降，甚至被迫停車。2.三種反應(yīng)器類型及適用工況：①釜式反應(yīng)器：適用于液-液、液-固非均相反應(yīng)，或需要控制反應(yīng)溫度（帶夾套或盤管）的間歇/半間歇反應(yīng)；②固定床反應(yīng)器：適用于氣-固催化反應(yīng)（如合成氨），反應(yīng)熱較小或可通過(guò)換熱元件移熱；③流化床反應(yīng)器：適用于強(qiáng)放熱或強(qiáng)吸熱的氣-固反應(yīng)（如催化裂化），利用固體顆粒的流動(dòng)強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)。3.高溫高壓下，橡膠墊片會(huì)因高溫老化失去彈性，且高壓易導(dǎo)致墊片被擠出；金屬纏繞墊由金屬帶和非金屬帶螺旋纏繞而成，耐高溫（可達(dá)600℃）、耐高壓（可達(dá)25MPa），且具有一定彈性，能適應(yīng)法蘭面的微小變形，密封性能更可靠。4.管程和殼程選擇原則：①腐蝕性介質(zhì)走管程，便于清洗和更換管束；②高壓介質(zhì)走管程，避免殼程承受高壓（殼程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高）；③高溫或低溫介質(zhì)走管程，減少殼程保溫層面積；④流量小或粘度大的介質(zhì)走殼程（殼程流速可通過(guò)折流板調(diào)節(jié)）；⑤結(jié)垢嚴(yán)重的介質(zhì)走管程（管內(nèi)清洗比殼程方便）。5.作用：分離塔頂氣體中夾帶的液體霧滴，減少物料損失，避免后續(xù)設(shè)備堵塞或腐蝕。常用類型及場(chǎng)景：①絲網(wǎng)除沫器：適用于霧滴粒徑≥3μm的場(chǎng)合，壓力降小，但易堵塞（不適用于含固體顆粒的場(chǎng)合）；②折流板除沫器：適用于霧滴粒徑≥100μm的場(chǎng)合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐顆粒沖刷；③旋流板除沫器：利用離心力分離霧滴，適用于氣速較高、霧滴濃度大的場(chǎng)合。四、計(jì)算題1.計(jì)算壁厚δ計(jì)算：由內(nèi)壓圓筒壁厚公式：δ計(jì)算=(pDi)/(2[σ]tφ-p)代入數(shù)據(jù)：p=2.5MPa，Di=1200mm，[σ]t=170MPa，φ=0.85δ計(jì)算=(2.5×1200)/(2×170×0.85-2.5)=3000/(289-2.5)≈10.5mm名義壁厚δn：計(jì)算壁厚+腐蝕裕量C2=10.5+2=12.5mm，圓整后取14mm（注：實(shí)際工程中需按鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格圓整，此處假設(shè)圓整為14mm）。2.（1）水蒸氣消耗量D：水吸收的熱量Q=qm,c×cp×(t2-t1)=5000×4.18×(80-20)=5000×4.18×60=1,254,000kJ/h=348,333W水蒸氣冷凝放熱Q=D×r→D=Q/r=348,333/(2200×1000)=0.158kg/s=568.8kg/h（2）傳熱面積S：逆流時(shí)，熱流體（水蒸氣）溫度T=120℃（恒溫），冷流體溫度從t1=20℃升至t2=80℃Δt1=T-t2=120-80=40℃，Δt2=T-t1=120-20=100℃對(duì)數(shù)平均溫差Δtm=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=(40-100)/ln(40/100)=(-60)/(-0.916)=65.5℃由Q=K×S×Δtm→S=Q/(K×Δtm)=348,333/(800×65.5)≈6.67m23.干板壓力降hC：孔速u0=u/φ=1.2/0.1=12m/s（因開孔率φ=開孔面積/塔截面積，故孔速=氣速/開孔率）代入公式：hC=0.051×(u02ρV)/(ρLg)=0.051×(122×2.5)/(850×9.81)=0.051×(360)/(8338.5)≈0.051×0.0432≈0.0022m=2.2mm液柱五、綜合分析題設(shè)備選型：醋酸精餾為常壓操作，腐蝕性強(qiáng)，宜選填料塔（相比板式塔，填料塔持液量小、壓力降低，且耐腐蝕材料（如陶瓷、塑料）的填料更易加工）；處理量5000kg/h屬于中等規(guī)模，可選用散裝填料（如θ環(huán)、階梯環(huán)）或規(guī)整填料（如金屬孔板波紋填料，但需考慮耐腐蝕性）。材料選擇：塔體及內(nèi)件需耐醋酸腐蝕，優(yōu)先選用316L不銹鋼（含鉬，耐醋酸）或搪玻璃（但搪玻璃塔體制造難度大）；若采用填料塔，填料可選陶瓷填料（耐醋酸、成本低）或聚四氟乙烯（PTFE）填料（