化學(xué)工程實(shí)踐能力評估試題一、化工工藝流程設(shè)計(jì)與優(yōu)化（共40分）（一）工藝流程繪制與分析（20分）流程圖繪制某化工廠擬采用苯硝化反應(yīng)生產(chǎn)硝基苯，原料為苯和硝酸，催化劑為濃硫酸，反應(yīng)溫度50-60℃，產(chǎn)物經(jīng)水洗、堿洗、蒸餾后得到純度99.9%的硝基苯。請繪制該工藝流程的方框圖，標(biāo)注各單元設(shè)備名稱（如反應(yīng)器、分離器、換熱器等）、物料流向及關(guān)鍵工藝參數(shù)（溫度、壓力）。要求：需體現(xiàn)原料預(yù)處理、反應(yīng)、分離、精制及三廢處理單元的連接關(guān)系。工藝參數(shù)分析若反應(yīng)過程中硝酸過量10%（摩爾比），苯轉(zhuǎn)化率為95%，硝基苯選擇性為98%。（1）計(jì)算每噸硝基苯的苯理論消耗量（kg）及實(shí)際消耗量（kg）；（2）若反應(yīng)溫度升高至70℃，可能導(dǎo)致的副反應(yīng)及對產(chǎn)品質(zhì)量的影響；（3）說明濃硫酸在反應(yīng)中的作用，并分析其濃度降低對反應(yīng)速率的影響機(jī)制。（二）流程優(yōu)化與安全評估（20分）能耗優(yōu)化方案現(xiàn)有工藝中，反應(yīng)后的混合液（80℃）直接進(jìn)入冷卻器降溫至30℃，再進(jìn)行分離。已知混合液流量為1000kg/h，比熱容為2.2kJ/(kg·℃)，冷卻介質(zhì)為循環(huán)水（進(jìn)口25℃，出口35℃）。（1）計(jì)算現(xiàn)有工藝的冷卻負(fù)荷（kW）及循環(huán)水消耗量（m3/h，水密度按1000kg/m3計(jì)）；（2）提出至少兩種降低該單元能耗的措施，并說明原理（如利用余熱預(yù)熱原料、優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)等）。危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）針對苯硝化反應(yīng)單元，以“溫度偏高”為偏差，分析可能的原因（至少3項(xiàng)）、后果（對設(shè)備、人員、環(huán)境的影響）及建議措施（工藝控制、安全設(shè)施等）。二、化工設(shè)備選型與計(jì)算（共30分）（一）反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)（15分）反應(yīng)器類型選擇比較釜式反應(yīng)器（間歇操作）與管式反應(yīng)器（連續(xù)操作）在苯硝化反應(yīng)中的適用性，從反應(yīng)特性（放熱/吸熱、均相/非均相）、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模、操作靈活性等方面列表分析，并給出選型建議及理由。攪拌釜反應(yīng)器計(jì)算某攪拌釜反應(yīng)器直徑2.5m，高徑比（H/D）1.8，攪拌槳為六葉渦輪式，槳徑與釜徑比（d/D）0.3，轉(zhuǎn)速200rpm。反應(yīng)液密度1100kg/m3，黏度0.001Pa·s。（1）計(jì)算攪拌雷諾數(shù)（Re），判斷流型（層流/過渡流/湍流）；（2）若要求攪拌功率為5kW，計(jì)算所需攪拌槳的功率準(zhǔn)數(shù)（Np），并說明該值是否合理（已知湍流區(qū)渦輪槳的Np約為5.7）。（二）分離設(shè)備計(jì)算（15分）蒸餾塔設(shè)計(jì)參數(shù)采用連續(xù)精餾塔分離乙醇-水混合液（含乙醇30%，摩爾分?jǐn)?shù)），進(jìn)料量100kmol/h，要求塔頂產(chǎn)品含乙醇95%（摩爾分?jǐn)?shù)），塔底殘液含乙醇≤0.5%（摩爾分?jǐn)?shù)）。操作條件下，乙醇-水的平均相對揮發(fā)度為2.5。（1）按恒摩爾流假設(shè)，計(jì)算最小回流比（Rmin）及實(shí)際回流比（取R=1.5Rmin）下的理論塔板數(shù)（用芬斯克方程，塔頂采用全凝器，泡點(diǎn)回流）；（2）若進(jìn)料狀態(tài)為氣液混合物（氣液比1:1），計(jì)算q值及進(jìn)料板位置（用吉利蘭圖估算）。換熱器選型某列管式換熱器用120℃飽和蒸汽加熱原油，蒸汽走殼程，冷凝為同溫度飽和水排出；原油走管程，流量50m3/h，進(jìn)口溫度20℃，出口溫度60℃，原油密度850kg/m3，比熱容2.0kJ/(kg·℃)。已知總傳熱系數(shù)K=300W/(m2·℃)，忽略熱損失。（1）計(jì)算蒸汽消耗量（kg/h，蒸汽潛熱按2200kJ/kg計(jì)）；（2）計(jì)算換熱器的傳熱面積（m2），采用逆流操作，對數(shù)平均溫差（Δtm）公式為：[\Deltat_m=\frac{(T_1-t_2)-(T_2-t_1)}{\ln\left(\frac{T_1-t_2}{T_2-t_1}\right)}]（其中T1、T2為熱流體進(jìn)出口溫度，t1、t2為冷流體進(jìn)出口溫度）三、化工過程控制與安全（共25分）（一）過程控制方案設(shè)計(jì)（15分）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為苯硝化反應(yīng)的溫度控制設(shè)計(jì)一個單回路反饋控制系統(tǒng)：（1）確定被控變量、操縱變量及測量變送元件類型（如熱電偶、熱電阻）；（2）選擇控制器的控制規(guī)律（P、PI、PD或PID），并說明理由；（3）繪制控制系統(tǒng)方框圖，標(biāo)注各環(huán)節(jié)（被控對象、控制器、執(zhí)行器、測量變送）。故障診斷與處理若反應(yīng)溫度突然持續(xù)升高，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)溫度變送器輸出信號正常，但控制閥開度未變化。列出可能的故障原因（至少4項(xiàng)，如執(zhí)行器故障、控制器參數(shù)設(shè)置錯誤等），并說明排查步驟。（二）化工安全與環(huán)保（10分）三廢處理技術(shù)針對硝基苯生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的酸性廢水（含HNO?、H?SO?，pH=1.5，COD=800mg/L），設(shè)計(jì)處理工藝流程，要求說明各處理單元的作用（如中和、氧化、吸附等）及主要化學(xué)反應(yīng)方程式（如中和反應(yīng)）。應(yīng)急處理措施若苯儲罐發(fā)生泄漏（苯密度0.879g/cm3，沸點(diǎn)80.1℃，閃點(diǎn)-11℃，爆炸極限1.2%-8.0%），現(xiàn)場應(yīng)采取哪些應(yīng)急措施？從人員疏散、泄漏控制、火災(zāi)預(yù)防三個方面簡述。四、化工實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析（共20分）（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作（10分）離心泵性能測定實(shí)驗(yàn)?zāi)硨?shí)驗(yàn)需測定離心泵在不同流量下的揚(yáng)程（H）、軸功率（N）及效率（η）。（1）寫出測定H所需的直接測量參數(shù)（如壓力表讀數(shù)、真空表讀數(shù)等）及計(jì)算式（H=ΔP/(ρg)+ΔZ+Δu2/(2g)，忽略動能變化時簡化公式）；（2）實(shí)驗(yàn)過程中，若出口閥門開度減小，離心泵的流量、揚(yáng)程、功率如何變化？為什么？萃取實(shí)驗(yàn)操作用甲基異丁基酮（MIBK）從廢水中萃取苯酚，實(shí)驗(yàn)裝置為分液漏斗。簡述實(shí)驗(yàn)操作步驟（從加料、振蕩、分層到取樣分析），并說明如何判斷萃取達(dá)到平衡。（二）數(shù)據(jù)處理與誤差分析（10分）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合測定某反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度T的關(guān)系，得到如下數(shù)據(jù)：|T/K|300|310|320|330|340||-----|-----|-----|-----|-----|-----||k/(L·mol?1·min?1)|0.05|0.12|0.28|0.65|1.50|（1）用阿累尼烏斯方程k=Ae^(-Ea/(RT))擬合數(shù)據(jù)，計(jì)算活化能Ea（kJ/mol）及指前因子A（R=8.314J/(mol·K)，需列出線性化公式及擬合過程）；（2）計(jì)算325K時的k值。誤差分析在套管換熱器傳熱實(shí)驗(yàn)中，通過測定冷流體進(jìn)出口溫度（t1、t2）及流量（qV）計(jì)算傳熱速率Q=ρ