2025年化工設(shè)計概論期末考試題庫及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.化工設(shè)計中，以下哪項不屬于初步設(shè)計階段的核心內(nèi)容？A.繪制帶控制點工藝流程圖（PID）B.編制設(shè)備一覽表C.進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析D.確定裝置操作彈性范圍答案：A（帶控制點工藝流程圖屬于施工圖設(shè)計階段的內(nèi)容）2.某反應(yīng)裝置設(shè)計中，選擇反應(yīng)溫度為350℃，壓力為8.5MPa，該條件下應(yīng)優(yōu)先選用的材料是？A.Q235碳鋼B.304不銹鋼C.16MnR低合金鋼D.哈氏合金C-276答案：C（16MnR適用于中溫高壓工況，304不銹鋼耐腐蝕性強(qiáng)但高溫強(qiáng)度不足，哈氏合金多用于強(qiáng)腐蝕環(huán)境）3.以下關(guān)于化工工藝流程設(shè)計的描述，錯誤的是？A.應(yīng)優(yōu)先選擇連續(xù)化、自動化程度高的流程B.需通過物料衡算驗證流程的物質(zhì)守恒C.流程中循環(huán)物料的引入會降低總轉(zhuǎn)化率D.安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計需考慮最大可能泄放量答案：C（循環(huán)物料可提高原料總轉(zhuǎn)化率，單程轉(zhuǎn)化率可能降低）4.某精餾塔設(shè)計中，進(jìn)料為含乙醇30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的水溶液，操作壓力為常壓，塔頂采用全凝器，塔底為再沸器。該塔適宜的回流比應(yīng)通過以下哪種方法確定？A.經(jīng)驗公式估算（如R=1.2~2.0Rmin）B.直接采用最小回流比C.僅考慮設(shè)備投資成本D.僅考慮操作能耗答案：A（實際回流比通常為最小回流比的1.2~2倍，需綜合投資與能耗）5.化工裝置安全設(shè)計中，以下哪項屬于“本質(zhì)安全”措施？A.在反應(yīng)釜上設(shè)置爆破片B.選用低毒替代高毒原料C.安裝可燃?xì)怏w報警儀D.配置消防水系統(tǒng)答案：B（本質(zhì)安全通過工藝改進(jìn)消除危險，而非后期防護(hù)）6.某年產(chǎn)10萬噸聚乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)評價中，已知建設(shè)投資為8億元，年經(jīng)營成本為4.5億元，年銷售收入為7.2億元，貸款利息為0.8億元，該裝置的年利潤總額為？A.7.2-4.5=2.7億元B.7.2-4.5-0.8=1.9億元C.7.2-8-4.5=-5.3億元D.7.2-（8/10）-4.5=2.9億元答案：B（利潤總額=銷售收入-經(jīng)營成本-利息支出，建設(shè)投資為一次性支出，需分?jǐn)傉叟f但題目未提折舊，故按直接計算）7.以下哪種流程圖是設(shè)計人員與工藝操作人員溝通的主要工具？A.工藝方案流程圖（PFD）B.帶控制點工藝流程圖（PID）C.設(shè)備布置圖D.管道儀表圖答案：B（PID包含控制方案、儀表符號，是操作與維護(hù)的依據(jù)）8.某換熱器設(shè)計中，熱流體入口溫度150℃，出口80℃；冷流體入口30℃，出口100℃，則對數(shù)平均溫差（逆流）為？A.（150-100）-（80-30）/ln[(150-100)/(80-30)]B.（150-30）-（80-100）/ln[(150-30)/(80-100)]C.（150-100）+（80-30）/2D.（150-30）+（80-100）/2答案：A（逆流溫差計算：ΔT1=150-100=50℃，ΔT2=80-30=50℃，ΔTm=（ΔT1-ΔT2）/ln(ΔT1/ΔT2)=50℃）9.化工設(shè)計中，“三廢”處理方案應(yīng)在哪個階段完成？A.項目建議書階段B.可行性研究階段C.初步設(shè)計階段D.施工圖設(shè)計階段答案：B（可行性研究需論證環(huán)保措施的可行性）10.以下關(guān)于設(shè)備選型的描述，正確的是？A.反應(yīng)器選型時，僅需考慮反應(yīng)動力學(xué)特性B.泵的選型應(yīng)使工作點位于高效區(qū)C.換熱器選型時，壓力降越小越好D.塔設(shè)備選型時，填料塔一定優(yōu)于板式塔答案：B（泵的工作點需在高效區(qū)以降低能耗，其他選項均忽略多因素影響）二、填空題（每題2分，共20分）1.化工設(shè)計按項目性質(zhì)分為新建項目設(shè)計、（擴(kuò)建項目設(shè)計）和（技術(shù)改造項目設(shè)計）。2.工藝流程圖中，儀表位號“TI-105”表示（105號溫度指示儀表）。3.物料衡算的基本依據(jù)是（質(zhì)量守恒定律），熱量衡算的基本依據(jù)是（能量守恒定律）。4.反應(yīng)釜的安全泄放裝置通常包括（安全閥）和（爆破片），其中（爆破片）適用于介質(zhì)易結(jié)晶或粘稠的工況。5.經(jīng)濟(jì)評價中，靜態(tài)指標(biāo)包括（投資回收期）和（投資利潤率），動態(tài)指標(biāo)包括（凈現(xiàn)值）和（內(nèi)部收益率）。6.管道設(shè)計中，公稱直徑DN100表示（管道的名義內(nèi)徑為100mm），壓力等級PN16表示（公稱壓力為1.6MPa）。7.精餾塔設(shè)計中，理論板數(shù)的計算方法主要有（逐板計算法）和（圖解法（McCabe-Thiele法））。8.化工裝置布置的基本原則包括（流程順暢）、（安全間距）、（操作檢修方便）和（節(jié)約用地）。9.環(huán)保設(shè)計中，廢水處理的“三級處理”分別為（一級處理（物理法））、（二級處理（生物法））和（三級處理（深度化學(xué)/物理法））。10.設(shè)備材料選擇時，需考慮（介質(zhì)腐蝕性）、（操作溫度壓力）、（加工性能）和（經(jīng)濟(jì)性）等因素。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述化工工藝流程設(shè)計的主要步驟。答：①確定工藝路線：根據(jù)原料特性、反應(yīng)原理、產(chǎn)品要求，選擇技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)合理的工藝流程；②繪制工藝方案流程圖（PFD）：標(biāo)注主要設(shè)備、物料流向、關(guān)鍵工藝參數(shù)（溫度、壓力、組成）；③進(jìn)行物料衡算：計算各物流的質(zhì)量流量、組成，驗證物料守恒；④進(jìn)行熱量衡算：計算各設(shè)備的熱負(fù)荷，確定加熱/冷卻介質(zhì)用量；⑤繪制帶控制點工藝流程圖（PID）：補(bǔ)充控制方案（如流量、溫度、壓力控制回路）、儀表符號、安全聯(lián)鎖；⑥編制工藝操作手冊：明確開停車步驟、正常操作參數(shù)、異常處理措施。2.說明反應(yīng)器選型時需考慮的主要因素。答：①反應(yīng)類型與動力學(xué)特性：如均相/非均相反應(yīng)、反應(yīng)級數(shù)、速率控制步驟（動力學(xué)控制或擴(kuò)散控制）；②操作方式：間歇或連續(xù)（連續(xù)操作效率高，適合大規(guī)模生產(chǎn)）；③物料特性：腐蝕性、粘度、是否易結(jié)焦（腐蝕性介質(zhì)需選耐腐蝕材料，高粘度物料需強(qiáng)攪拌）；④溫度壓力條件：高溫高壓需選厚壁、高強(qiáng)度材料，同時考慮密封性能；⑤產(chǎn)品質(zhì)量要求：如反應(yīng)選擇性（固定床反應(yīng)器利于提高選擇性，流化床利于傳熱）；⑥經(jīng)濟(jì)性：投資成本（如固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，流化床需旋風(fēng)分離設(shè)備）與操作成本（能耗、催化劑消耗）。3.分析化工裝置安全設(shè)計中“泄放系統(tǒng)”的設(shè)計要點。答：①確定最大可能泄放量（MPDSR）：需考慮火災(zāi)、失控反應(yīng)、閥門故障等工況下的最大物料釋放速率；②選擇泄放裝置類型：安全閥適用于清潔、非粘稠介質(zhì)（可重復(fù)使用），爆破片適用于易結(jié)晶、高壓或需快速泄放的工況（一次性），可組合使用（安全閥前加爆破片保護(hù)）；③泄放管道設(shè)計：管道直徑需滿足泄放流量要求，避免彎頭過多（減少壓力降），出口方向需遠(yuǎn)離操作區(qū)（如向上排放）；④泄放介質(zhì)處理：可燃?xì)怏w需引入火炬系統(tǒng)，有毒氣體需經(jīng)吸收塔處理，液體需收集至事故池；⑤校核泄放能力：通過API520/521等標(biāo)準(zhǔn)計算泄放面積，確保裝置超壓時能及時泄壓至安全范圍。4.簡述化工項目經(jīng)濟(jì)評價中“總成本費用”的構(gòu)成。答：總成本費用=生產(chǎn)成本+期間費用。生產(chǎn)成本包括：①直接材料（原料、輔助材料、燃料動力）；②直接人工（生產(chǎn)工人工資及福利）；③制造費用（設(shè)備折舊、車間管理費用、維修費用）。期間費用包括：①管理費用（企業(yè)管理費、研發(fā)費、咨詢費）；②銷售費用（廣告費、運輸費、銷售人員工資）；③財務(wù)費用（貸款利息、匯兌損失）。需注意折舊、攤銷費（無形資產(chǎn)）屬于非付現(xiàn)成本，雖計入總成本但不產(chǎn)生現(xiàn)金流出。5.對比分析板式塔與填料塔的適用場景。答：板式塔：①適用于大液體負(fù)荷（液氣比高），因塔板可提供較大的持液量；②操作彈性大（負(fù)荷變化±50%仍能穩(wěn)定運行）；③易堵塞物料（如含固體顆粒）時，塔板可設(shè)計為大孔徑（如篩孔塔板）；④清洗檢修方便（塔板可拆換）；⑤適合高壓工況（塔板結(jié)構(gòu)緊湊，承壓能力強(qiáng)）。填料塔：①適用于小液體負(fù)荷或真空操作（填料壓降小，真空下能耗低）；②分離效率高（新型規(guī)整填料理論板數(shù)可達(dá)10~20塊/m）；③腐蝕性介質(zhì)（可選用陶瓷、塑料填料）；④熱敏性物料（低停留時間，減少分解）；⑤需降低投資時（相同處理量下，填料塔直徑可能更?。Ｋ?、計算題（每題10分，共20分）1.某甲醇合成裝置，原料氣組成為：CO25%、H265%、CO25%、N25%（體積分?jǐn)?shù)），CO單程轉(zhuǎn)化率為70%，CO2單程轉(zhuǎn)化率為60%。反應(yīng)方程式為：CO+2H2→CH3OHCO2+3H2→CH3OH+H2O假設(shè)反應(yīng)后氣體中無未反應(yīng)的甲醇（全部冷凝分離），計算每1000m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）原料氣生成的甲醇量（kg）。（甲醇摩爾質(zhì)量32g/mol，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)1mol=22.4L）解：①原料氣各組分物質(zhì)的量（n總=1000/22.4≈44.64mol）：n(CO)=44.64×25%≈11.16mol；n(H2)=44.64×65%≈29.01mol；n(CO2)=44.64×5%≈2.23mol；n(N2)=44.64×5%≈2.23mol。②反應(yīng)消耗的CO和CO2：Δn(CO)=11.16×70%≈7.81mol；Δn(CO2)=2.23×60%≈1.34mol。③生成的甲醇量：由CO生成：n1=Δn(CO)=7.81mol；由CO2生成：n2=Δn(CO2)=1.34mol；總甲醇量n=7.81+1.34=9.15mol。④甲醇質(zhì)量：m=9.15×32=292.8g≈0.293kg。（注：實際工業(yè)中需考慮循環(huán)氣，但本題按單程計算）2.某列管式換熱器用于加熱原油，熱介質(zhì)為150℃的飽和水蒸氣（汽化潛熱2114kJ/kg），原油入口溫度30℃，出口80℃，流量為5000kg/h（比熱容2.2kJ/(kg·℃)）。假設(shè)換熱器熱損失為5%，求水蒸氣消耗量（kg/h）。解：①原油吸收的熱量Q1=5000×2.2×(80-30)=5000×2.2×50=550,000kJ/h。②考慮熱損失，水蒸氣需提供的總熱量Q2=Q1/(1-5%)≈550,000/0.95≈578,947kJ/h。③水蒸氣消耗量m=Q2/汽化潛熱=578,947/2114≈274kg/h。五、綜合題（20分）某企業(yè)擬建設(shè)年產(chǎn)10萬噸醋酸乙酯的生產(chǎn)裝置，原料為乙醇（95wt%）和醋酸（98wt%），采用濃硫酸催化的可逆酯化反應(yīng)（CH3COOH+C2H5OH?CH3COOC2H5+H2O）。請從工藝流程設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備選型、安全環(huán)保措施三方面，闡述該裝置的設(shè)計要點。答：1.工藝流程設(shè)計要點：①反應(yīng)工段：采用連續(xù)酯化工藝，原料乙醇、醋酸按摩爾比1.1:1（乙醇稍過量，提高醋酸轉(zhuǎn)化率）預(yù)熱至70℃后進(jìn)入反應(yīng)釜，加入0.5%（質(zhì)量）濃硫酸作催化劑，控制反應(yīng)溫度110℃（接近醋酸乙酯沸點77℃，利于產(chǎn)物蒸出），停留時間2h，單程轉(zhuǎn)化率約65%。②分離工段：反應(yīng)產(chǎn)物（含醋酸乙酯、水、未反應(yīng)的乙醇/醋酸、硫酸）進(jìn)入精餾塔，塔頂采出醋酸乙酯（99wt%），塔底殘液（含硫酸、醋酸、水）經(jīng)萃取回收醋酸后循環(huán)至反應(yīng)釜。③精餾塔設(shè)計：采用板式塔（浮閥塔），操作壓力常壓，回流比2.5，理論板數(shù)25塊（通過Aspen模擬驗證），塔頂全凝器，塔底再沸器（蒸汽加熱）。2.關(guān)鍵設(shè)備選型：①反應(yīng)釜：選用帶攪拌的搪玻璃反應(yīng)釜（耐硫酸腐蝕），容積20m3（根據(jù)物料流量和停留時間計算：體積=流量×停留時間=（乙醇+醋酸總質(zhì)量/密度）×2h），配備夾套加熱（蒸汽）和內(nèi)盤管冷卻（循環(huán)水），確保溫度控制。②精餾塔：直徑2.2m（根據(jù)空塔氣速1.2m/s計算），塔高30m（板間距0.6m×25塊板+裙座），浮閥塔板（處理量大、操作彈性好），塔內(nèi)件材質(zhì)316L不銹鋼（耐醋酸腐蝕）。③換熱器：原料預(yù)熱器選用管殼式換熱器（乙醇/醋酸走管程，蒸汽走殼程），傳熱面積50m2（通過熱量衡算：Q=質(zhì)量流量×比熱容×溫差，K=300W/(m2·℃)，ΔTm=（150-70）-（150-30）/ln[(150-70)/(150-30)]≈80-120/ln(80/120)=10