化工總控工(高級(jí))復(fù)習(xí)題及答案一、工藝原理與計(jì)算1.某乙烯精餾塔采用常壓操作，進(jìn)料組成為乙烯（C?H?）65%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）、乙烷（C?H?）30%、丙烷（C?H?）5%，進(jìn)料量為120kmol/h，進(jìn)料狀態(tài)為泡點(diǎn)液體。已知塔頂產(chǎn)品中乙烷摩爾分?jǐn)?shù)不超過0.5%，塔底產(chǎn)品中乙烯摩爾分?jǐn)?shù)不超過1%。試計(jì)算：（1）塔頂、塔底產(chǎn)品的流量；（2）最小回流比（已知乙烯-乙烷的平均相對(duì)揮發(fā)度α=2.1，乙烷-丙烷的α=1.5，可忽略丙烷在塔頂?shù)姆植迹?。答案：?）物料平衡計(jì)算：設(shè)塔頂流量為D，塔底流量為W，D+W=120kmol/h。乙烯物料平衡：0.65×120=0.995D+0.01W（塔頂乙烯純度為1-0.005=0.995，塔底乙烯含量0.01）乙烷物料平衡：0.3×120=0.005D+0.99W（塔頂乙烷含量0.005，塔底乙烷純度為1-0.01-0.05=0.94？需修正：丙烷全部在塔底，故塔底組成為乙烯1%、乙烷x、丙烷5%，則x=1-0.01-0.05=0.94。因此乙烷在塔底的量為0.94W，塔頂乙烷量為0.005D）聯(lián)立方程：0.65×120=0.995D+0.01W→78=0.995D+0.01W0.3×120=0.005D+0.94W→36=0.005D+0.94W解方程組：將第一式乘以94，第二式乘以1，得：78×94=93.53D+0.94W36=0.005D+0.94W兩式相減：7332-36=93.525D→D=7296/93.525≈78.0kmol/h則W=120-78=42.0kmol/h（驗(yàn)證：乙烯平衡：0.995×78+0.01×42=77.61+0.42=78.03≈78，符合；乙烷平衡：0.005×78+0.94×42=0.39+39.48=39.87≈36？此處計(jì)算有誤，正確應(yīng)為丙烷全部在塔底，故塔底中丙烷的量為0.05×120=6kmol/h，因此W中丙烷含量為6/W，乙烷含量為（0.3×120-塔頂乙烷量）/W。重新設(shè)定：塔頂僅含乙烯和乙烷（丙烷可忽略），塔底含乙烷、丙烷和少量乙烯。乙烯在塔頂?shù)幕厥章?（D×乙烯純度）/(進(jìn)料乙烯量)=(D×0.995)/(0.65×120)≥0.99（假設(shè)），但更準(zhǔn)確的是按清晰分割：丙烷全部在塔底，乙烯基本在塔頂，乙烷部分在塔頂、部分在塔底。因此，塔頂D中乙烷量為d_E，塔底W中乙烷量為30-d_E（進(jìn)料乙烷總量30kmol/h），塔底丙烷量為5kmol/h（全部在塔底），塔底乙烯量為w_E=0.01W（題目要求）。總物料平衡：D+W=120乙烯平衡：0.65×120=(D-d_E)+w_E→78=D-d_E+0.01W乙烷平衡：30=d_E+(W-w_E-5)→30=d_E+W-0.01W-5→d_E=35-0.99W代入乙烯平衡式：78=D-(35-0.99W)+0.01W→78=D-35+W→D+W=113（矛盾，因D+W=120），說明假設(shè)丙烷全部在塔底正確，需調(diào)整計(jì)算。正確方法應(yīng)為：塔頂產(chǎn)品中乙烷≤0.5%，即d_E≤0.005D；塔底產(chǎn)品中乙烯≤1%，即w_E≤0.01W。進(jìn)料中乙烯總量78kmol/h，故w_E=78-(D-d_E)≤0.01W→78-D+d_E≤0.01(120-D)→78-D+d_E≤1.2-0.01D→d_E≤D-76.8+0.01D=1.01D-76.8。同時(shí)d_E≤0.005D，聯(lián)立得1.01D-76.8≤0.005D→1.005D≤76.8→D≤76.4kmol/h。取D=76.4kmol/h，則d_E=0.005×76.4=0.382kmol/h，w_E=78-(76.4-0.382)=78-76.018=1.982kmol/h，W=120-76.4=43.6kmol/h，w_E/W=1.982/43.6≈4.54%>1%，不滿足。因此需增大D，使w_E≤0.01W。設(shè)w_E=0.01W，則78=(D-d_E)+0.01W→D-d_E=78-0.01W=78-0.01(120-D)=78-1.2+0.01D→D-0.01D-d_E=76.8→0.99D-d_E=76.8。又d_E≤0.005D，代入得0.99D-0.005D≥76.8→0.985D≥76.8→D≥78kmol/h。取D=78kmol/h，則d_E=0.005×78=0.39kmol/h，w_E=78-(78-0.39)=0.39kmol/h，W=120-78=42kmol/h，w_E/W=0.39/42≈0.93%≤1%，符合。因此塔頂D=78kmol/h，塔底W=42kmol/h。（2）最小回流比計(jì)算：對(duì)于雙組分體系（乙烯-乙烷），進(jìn)料為泡點(diǎn)液體（q=1），q線為垂直線。相平衡方程y=αx/(1+(α-1)x)，α=2.1。進(jìn)料中輕關(guān)鍵組分（乙烯）的摩爾分?jǐn)?shù)x_F=0.65/（0.65+0.3）=0.684（僅考慮乙烯和乙烷）。塔頂x_D=0.995（乙烯純度），塔底x_W=0.39/42=0.0093（乙烯在塔底的摩爾分?jǐn)?shù)，僅考慮乙烯和乙烷時(shí)為0.0093/(0.0093+(42-0.39-5)/42)=0.0093/(0.0093+36.61/42)=0.0093/0.873≈0.0106）。最小回流比R_min=(x_D-y_q)/(y_q-x_q)，q=1時(shí)x_q=x_F=0.684，y_q=αx_q/(1+(α-1)x_q)=2.1×0.684/(1+1.1×0.684)=1.436/1.752≈0.820。則R_min=(0.995-0.820)/(0.820-0.684)=0.175/0.136≈1.29。二、設(shè)備操作與維護(hù)2.某合成氨裝置中，一段轉(zhuǎn)化爐原料氣（主要成分為CH?、H?O、N?）經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入爐管，管內(nèi)裝填鎳基催化劑，反應(yīng)CH?+H?O→CO+3H?（吸熱）。近期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐出口CH?含量由2.5%升至4.2%，同時(shí)爐管管壁溫度局部超溫（正?！?50℃，現(xiàn)達(dá)900℃）。分析可能原因及處理措施。答案：可能原因：（1）催化劑失活：鎳基催化劑易因硫中毒（原料氣脫硫效果下降）、積碳（水碳比過低，CH?裂解生成C）或燒結(jié)（超溫導(dǎo)致晶粒長大）失活，活性下降導(dǎo)致CH?轉(zhuǎn)化率降低；（2）原料氣分布不均：爐管入口分配器堵塞或設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致部分爐管氣量不足，反應(yīng)熱需求減少，管壁因燃?xì)馊紵艧嵛幢患皶r(shí)帶走而超溫，同時(shí)氣量少的爐管CH?未充分反應(yīng)；（3）水碳比降低：水蒸汽流量減少或原料氣流量增加，導(dǎo)致H?O/CH?（體積比）低于設(shè)計(jì)值（通常3.5-4.5），抑制CH?轉(zhuǎn)化并加劇積碳；（4）燃燒工況惡化：燒嘴堵塞或燃料氣組成變化（如H?含量降低），導(dǎo)致爐內(nèi)溫度分布不均，局部高溫區(qū)爐管受熱過度，而其他區(qū)域溫度不足，影響反應(yīng)；（5）爐管內(nèi)結(jié)焦：積碳附著在催化劑表面或爐管內(nèi)壁，阻礙傳質(zhì)傳熱，降低反應(yīng)效率并導(dǎo)致局部過熱。處理措施：（1）檢測原料氣硫含量（正?！?.1ppm），若超標(biāo)則檢查脫硫劑（如氧化鋅、鈷鉬催化劑）性能，必要時(shí)更換；（2）校核水碳比，調(diào)整蒸汽流量或原料氣流量，確保H?O/CH?≥設(shè)計(jì)值；（3）通過紅外熱成像或爐管表面溫度監(jiān)測系統(tǒng)，定位超溫爐管，檢查入口分配器是否堵塞，必要時(shí)停車清理；（4）分析催化劑活性，若積碳嚴(yán)重，可通入蒸汽進(jìn)行燒碳再生（400-600℃，蒸汽+少量空氣）；（5）優(yōu)化燃燒調(diào)整，檢查燒嘴運(yùn)行狀態(tài)，確保燃料氣與空氣配比合理，爐內(nèi)溫度均勻；（6）若催化劑失活無法恢復(fù)，需停車更換催化劑。三、異常工況分析與處理3.某苯乙烯裝置乙苯脫氫單元，反應(yīng)器為絕熱式固定床，進(jìn)料為乙苯（EB）與水蒸汽（H?O），反應(yīng)EB→苯乙烯（ST）+H?（吸熱），主反應(yīng)選擇性92%，副反應(yīng)生成苯（Bz）、甲苯（Tol）等。某日DCS顯示反應(yīng)器入口溫度（T1）10:00為620℃（正常615-625℃），10:30升至635℃，11:00達(dá)645℃，同時(shí)出口溫度（T2）從580℃降至565℃，乙苯轉(zhuǎn)化率由68%降至55%，分析原因并列出應(yīng)急處理步驟。答案：原因分析：（1）水蒸汽流量下降：水蒸汽作為稀釋劑和熱載體，流量減少導(dǎo)致帶入反應(yīng)器的熱量不足，雖入口溫度被迫提高（T1上升），但總熱量仍不足，反應(yīng)吸熱無法滿足，出口溫度（T2）下降，轉(zhuǎn)化率降低；（2）原料乙苯流量突增：進(jìn)料量增加導(dǎo)致空速（單位時(shí)間物料量/催化劑體積）增大，物料與催化劑接觸時(shí)間縮短，轉(zhuǎn)化率下降；同時(shí)為維持入口溫度，需提高加熱爐負(fù)荷，導(dǎo)致T1上升，但熱量不足以支撐更多物料反應(yīng)，T2下降；（3）催化劑活性下降：若催化劑因結(jié)焦（乙苯高溫裂解或副反應(yīng)積碳）、中毒（原料中含硫、氯等雜質(zhì)）失活，反應(yīng)速率降低，相同溫度下轉(zhuǎn)化率下降，為維持生產(chǎn)可能提高入口溫度（T1），但反應(yīng)吸熱量減少（活性低，反應(yīng)量少），導(dǎo)致T2下降；（4）儀表故障：T1測溫點(diǎn)故障（如熱偶短路）顯示假高，實(shí)際入口溫度未變，而T2真實(shí)下降，需排查儀表信號(hào)；（5）反應(yīng)器內(nèi)氣體分布不均：催化劑床層局部塌陷或結(jié)焦，形成溝流，部分物料未充分反應(yīng)，整體轉(zhuǎn)化率下降，同時(shí)未反應(yīng)物料帶走熱量，導(dǎo)致T2降低，為補(bǔ)償熱量輸入，T1被迫升高。應(yīng)急處理步驟：（1）立即檢查水蒸汽流量（設(shè)計(jì)值EB:H?O=1:1.5-2.0質(zhì)量比），若蒸汽流量低，確認(rèn)蒸汽管網(wǎng)壓力是否波動(dòng)，開大蒸汽調(diào)節(jié)閥或啟動(dòng)備用蒸汽線；（2）核對(duì)乙苯進(jìn)料流量計(jì)（如科氏力流量計(jì)），若流量突增，降低進(jìn)料泵頻率或關(guān)小入口閥，維持設(shè)計(jì)空速（通常0.5-1.0h?1）；（3）觀察反應(yīng)器壓差（正常0.05-0.1MPa），若壓差升高（>0.15MPa），可能床層結(jié)焦，可適當(dāng)提高蒸汽量進(jìn)行吹焦；（4）取樣分析原料乙苯雜質(zhì)（S≤1ppm，Cl≤0.5ppm），若超標(biāo)，切換至合格原料罐；（5）聯(lián)系儀表人員校驗(yàn)T1、T2熱偶，排除信號(hào)干擾；（6）若上述措施無效，逐步降低進(jìn)料量，維持反應(yīng)器溫度穩(wěn)定，防止超溫?fù)p壞催化劑；（7）若轉(zhuǎn)化率持續(xù)下降，且催化劑再生（通蒸汽+空氣燒碳）無效，計(jì)劃停車更換催化劑。四、安全與環(huán)保4.某環(huán)氧乙烷（EO）裝置氧化反應(yīng)器（列管式，殼程為循環(huán)水）內(nèi)進(jìn)行乙烯（C?H?）與O?反應(yīng)生成EO（C?H?O），副反應(yīng)生成CO?和H?O（強(qiáng)放熱）。某日巡檢發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器殼程循環(huán)水pH值由7.2降至5.8，電導(dǎo)由50μS/cm升至150μS/cm，同時(shí)反應(yīng)器出口EO濃度由2.8%降至2.2%，分析可能風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施。答案：可能風(fēng)險(xiǎn)：（1）反應(yīng)管泄漏：EO或副產(chǎn)物（如CO?）泄漏至殼程循環(huán)水，CO?溶于水生成H?CO?，導(dǎo)致pH下降；泄漏的有機(jī)物（EO、C?H?）分解或反應(yīng)生成有機(jī)酸（如甲酸、乙酸），進(jìn)一步降低pH；泄漏還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物料損失，EO收率下降；（2）循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕：低pH和高電導(dǎo)（離子濃度增加）加劇碳鋼設(shè)備腐蝕，可能引發(fā)換熱器、管道穿孔，擴(kuò)大泄漏；（3）EO泄漏遇高溫（循環(huán)水溫度90-100℃）可能自聚（EO易聚合放熱，生成聚乙二醇），堵塞管道或引發(fā)局部超溫；（4）若泄漏量增大，殼程中EO濃度超過爆炸極限（3-100%vol），遇點(diǎn)火源（如腐蝕產(chǎn)生的火花）可能爆炸。應(yīng)對(duì)措施：（1）立即采樣分析循環(huán)水中有機(jī)物（EO、C?H?）含量（正常<50ppm），使用氣相色譜或便攜式EO檢測儀（量程0-1000ppm）；（2）通過反應(yīng)器進(jìn)出口物料平衡計(jì)算泄漏量（進(jìn)料乙烯量-出口乙烯量-生成EO/CO?消耗的乙烯量=泄漏量）；（3）若確認(rèn)反應(yīng)管泄漏，逐步降低反應(yīng)器負(fù)荷（減少乙烯、氧氣進(jìn)料），避免泄漏量增大；（4）向循環(huán)水中添加緩蝕劑（如磷酸鹽+鋅鹽）和pH調(diào)節(jié)劑（NaOH溶液），維持pH6.5-8.0，控制電導(dǎo)<100μS/cm；（5）對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行水壓試驗(yàn)（殼程升壓至1.2MPa，保壓30min），定位泄漏管束，堵管或更換泄漏管（單臺(tái)反應(yīng)器堵管數(shù)≤10%可維持運(yùn)行）；（6）加強(qiáng)現(xiàn)場可燃?xì)怏w報(bào)警（EO爆炸下限3%），禁止無關(guān)人員進(jìn)入，消除明火、靜電；（7）若泄漏無法控制，緊急停車：切斷乙烯、氧氣進(jìn)料，通入氮?dú)庵脫Q反應(yīng)器，殼程循環(huán)水繼續(xù)運(yùn)行至溫度降至50℃以下。五、儀表與自動(dòng)化控制5.某PTA（精對(duì)苯二甲酸）裝置氧化單元，反應(yīng)器溫度（TIC-101）采用串級(jí)控制，主回路為反應(yīng)器溫度（T1），副回路為加熱蒸汽流量（FIC-102）。某日操作人員發(fā)現(xiàn)T1顯示值波動(dòng)加?。ā?℃→±15℃），而FIC-102輸出頻繁大幅調(diào)整（0-100%），但蒸汽流量實(shí)際波動(dòng)較?。ā?%）。分析可能原因及處理方法。答案：可能原因：（1）主回路測量滯后：T1測溫點(diǎn)位于反應(yīng)器底部，而反應(yīng)放熱集中在中上部，熱偶插入深度不足或套管結(jié)垢（PTA漿料易附著）導(dǎo)致溫度信號(hào)滯后，控制器無法及時(shí)響應(yīng)真實(shí)溫度變化，產(chǎn)生超調(diào)；（2）副回路閥門特性異常：蒸汽調(diào)節(jié)閥（FV-102）為氣開式，若閥芯磨損、閥座泄漏或定位器故障（如反饋桿松動(dòng)），導(dǎo)致輸出信號(hào)（4-20