化工設計概論試卷

《化工設計概論》一、填空.化工設計是一個將系統(tǒng)（如一個工廠、一個車間或一套裝置）全部用工程制圖的方式，描繪成圖紙、表格及必要的文字說明，也就是把工藝流程、技術裝備轉化成工程語言的過程。.化工設計的特點是政策性強、技術性強、經濟性強、綜合性強。.化工設計的發(fā)展與石油化學工業(yè)等技術的發(fā)展有直接的關系。.完成初步設計的同時還應當做出總概算。.施工圖設計的任務是根據初步設計審批意見，解決初步設計階段待定的各種問題，并以其作為施工單位編制施工組織、施工設計、施工預算和進行施工的依據。.施工圖設計詳細內容包括圖紙總目錄、工藝圖紙目錄、帶控制點工藝流程圖、首頁圖、設備布置圖、設備圖、設備表、管路安裝圖、綜合材料表、設備管口方位圖、設備及管路的保溫與防腐設計等。.現場施工中設計代表的任務是參加基建的現場施工和安裝、調試工作，作技術指導，使裝置達到設計所規(guī)定的各項指標要求。.車間工藝設計包括的內容有生產方法的選擇、工藝流程的設計、工藝計算、車間布置設計、化工管路設計、提供設計條件及編制概算書和設計文件等。..頁腳..設計人員接受任務后，首先要解決的問題是選擇合適的生產方法。.工藝設計的中心環(huán)節(jié)是工藝計算。.工藝計算的主要內容包括物料衡算、熱量衡算、設備計算與選型等，并在此基礎上繪制物料流程圖、主要設備總圖和必要部件圖，以及帶控制點的工藝流程圖。.車間布置設計的任務是確定整個工藝流程中的全部設備在平面和空間中的具體位置，相應地確定廠房或框架的結構形式。.化工管路設計的任務是確定裝置的全部管線、閥件、管件及各種管架的位置，以滿足生產工藝的要求。.提供設計條件的內容包括總圖、土建、運輸、外管、非定型設備、自控、電氣、電訊、電加熱、采暖通風、給排水等非工藝專業(yè)的設計條件。.設計中經常進行分析比較的技術經濟指標有產品成本、基建投資、勞動生產率、投資回收率、消耗定額、勞動力需要量和工資總額等。.設計文件內容包括設計說明書、附圖（流程圖、設備布置圖、設備圖等）和附表（設備一覽表、材料匯總表等）。.選擇生產方法就是選擇工藝路線。.生產工藝流程圖一般由物料流程、圖例和設備一覽表3個部分組成。.設備一覽表只需列出序號、位號、設備名稱和備注即可。..頁腳..在生產工流程圖中，設備輪廓線用細實線畫出，物料管線用粗實線畫出,動力管線用中實線畫出。.物料流程圖一般以車間為單位進行繪制。.工藝流程設計的第一步是確定生產線數目。.全工藝流程的核心是反應過程。.一般采用的繪制比例是1：100,如設備過大或過小，則比例相應用1：200或1：50。.帶控制點的工藝流程圖包括圖形、標注、圖例和標題欄4個部分內容。.設備的標注由設備位號、設備名稱及設備標注線組成。.設備位號由設備分類代號、主項代號、設備順序號和有相同設備的數量尾號組成。.寫出常用設備名稱及其代號序分類(t序分類代序分類代1泵P5工業(yè)爐F9起重運輸設備L2反應器R6容器（槽、罐）V10計量設備W..頁腳.

3換熱器E7塔T11其它機械M4壓縮機、風機C8火炬、煙囪S12其他設備X.繪制管路時，應避免穿過設備或使管路交叉，確實不能避免時，應將橫向管路線斷開一段。.水平管路，在管線的上方標注管路標志方位；垂直管路，在管線的左側標注管路標志方位。.寫出常用儀表控制點參量及其代號序號參量代號1溫度T2壓力P3液位L4流量F5質量W6速度（頻率）S7濕度（水分）K.儀表位號由字母代號和阿拉伯數字編號組成。第一個字母表示被測量,后繼字母表示儀表的功能。.儀表位號的標注法是上半圓中填寫字母代號，下半圓中填寫數字編號。..頁腳..精餾塔的具體控制方案是通過塔頂、塔底及進料控制實現的。.塔頂控制方案的基本要求是：將出塔蒸氣的絕大部分冷凝下來，排除不凝性氣體；調節(jié)回流量LR和餾出液量D，保持塔內壓力穩(wěn)定。.物料衡算的目的是根據原料與產品之間的定量轉化關系，計算原料的消耗量，各種中間產品、產品和副產品的產量，生產過程中各階段的消耗量以及組成，進而為熱量衡算、其他工藝計算及設備計算打下基礎。.物料衡算的基礎是質量守恒定律。.轉化率是表示原料通過化學反應產生化學變化的程度。計算式如下：轉化率=反應掉的原料量?原料量X100%.要想生產能力大，過程既經濟又合理，則單程收率越高越好。.連續(xù)過程的物料衡算方法有直接求算法、利用節(jié)點進行核算法和利用聯(lián)系組分進行物料衡算法3種。.循環(huán)過程的目的是維持操作，控制產品質量，降低原料消耗，提高原料利用率等。.化工生產中常用的加熱劑有水蒸氣、煙道氣、電能，有時也用聯(lián)苯醚等有機熱載體。.化工生產中常用的冷卻劑有水、空氣、冷凍鹽水等。..頁腳..動力消耗包括自來水（一次水）、循環(huán)水（二次水）、冷凍鹽水、蒸氣、電、石油氣、重油、氮氣、壓縮空氣等。.設備設計與選型是在物料衡算和熱量衡算基礎上進行的，其目的是決定工藝設備的類型、規(guī)格、主要尺寸和臺數，為車間布置設計、施工圖設計及非工藝設計項目提供足夠的設計數據。.化工設備的主要技術經濟指標有單位生產能力、消耗系數、設備價格、管理費用和產品總成本。.一般化工設備的使用年限是10~20年，高壓設備的使用年限是20~25年。48流量按最大流量計或正常流量的1.1~1.2倍計。揚程為所需的實際揚程，它依管網的安裝和實際操作條件而定。所選泵的揚程值應大于實際生產所需的揚程值。.因為結構簡單，輸液無脈動，流量調節(jié)簡單，因此，除難以勝任的場合外，應盡可能選用離心泵。.選擇換熱器時，要根據熱負荷、流量的大小，流體的流動特性和污濁程度，操作壓力和溫度，允許的壓力損失等因素，結合各種換熱器的特征與使用場所的客觀條件來合理選擇。.一個好的分離方案應具有合理利用能量、降低能耗，設備投資少，生產能力大，產品質量穩(wěn)定及操作簡便等特點。..頁腳..精餾設備的型式很多，按塔內部主要部件不同，可以分為板式塔與填料塔兩大類。板式塔又有篩板塔、浮閥塔、泡罩塔、浮動噴射塔多種型式；而填料塔也有多種填料。.在精餾設備選型時應滿足生產能力大，分離效率高，體積小，可靠性高，滿足工藝需要，結構簡單，踏板壓力降小等的要求。.對各種形式塔板的成本進行比較時，不僅考慮一層塔板的造價，還應當將塔板的效率和處理能力考慮在內，也就是從完成同一分離任務考慮，對塔的總投資來進行比較。.按結構分類，反應器有管式反應器、釜式反應器、固定床反應器、流化床反應器等，另外還有鼓泡式反應器、塔式反應器等。.攪拌器的形式有槳式、渦輪式、推進式、框式（或錨式）、螺桿式及螺帶式等。.反應釜的換熱主要有夾套、內冷、外冷、溶劑蒸發(fā)、回流冷卻和直接加冷卻劑等方式。.蒸發(fā)設備的選型主要考慮被蒸發(fā)溶液的性質，如黏度、發(fā)泡性、腐蝕性、熱敏性和是否容易結晶或析出結晶等因素。.室內布置受氣候影響小，操作條件好。小規(guī)模的間隙操作、操作頻繁的設備或低溫地區(qū)的設備，以室內布置為宜。..頁腳..圖的繪制一般分下列3個階段進行：先繪制生產工藝流程草圖；再繪制物料流程圖；后繪制帶控制點的工藝流程圖。.塔的布置形式很多，常在室外集中布置，在滿足工藝流程的前提下，可把高度相近的塔相鄰布置。.塔通常安裝在高位換熱器和容器的建筑物或框架旁，利用容器或換熱器的平臺作為塔的人孔、儀表和閥門的操作與維修的通道。.換熱器的布置原則是順應管路和縮小管路長度，其位置取決于與他密切聯(lián)系的設備布置。.釜式反應器一般用掛耳支承在建（構）筑物或操作臺的梁上；對于體積大、質量大或振動大的設備，要用支腳直接支撐在地面或樓板上。兩臺以上相同的反應器應盡可能排成一直線。.泵應盡量靠近供料設備，以保證良好的吸入條件。它們常集中布置在室外、建筑物底層或泵房。.往復式壓縮機結構復雜，拆裝時間長，所以都布置在壓縮機室內，并配有起重裝置，其周圍要留有足夠大的空地。.按HG20519.7-92規(guī)定，設備布置圖一般只繪平面圖。圖樣中包括一組視圖、尺寸及標注、安裝方位標、附注說明及標題欄等。..頁腳..對于較復雜的裝置或有多層建（構）筑物的裝置，當平面圖表示不清楚時，可以繪制剖視圖或局部剖視圖。剖視符號用A—A、B—B、X—*大寫英文字母表示。.管路是化工生產中不可缺少的組成部分，像人體中的血管一樣，起著輸送各種流體的作用。.公稱通徑既不是管子的內徑也不是管子的外徑，而是管子的名義直徑，它與管子的實際內徑相接近，但不一定相等。公稱通徑用DN表示。.公稱壓力是管路、管件和閥門在一定溫度范圍內的最大允許工作壓力。用PN表示。.管路連接常用的方法有焊接、螺紋連接和法蘭連接3種。.閥門的作用是控制流體在管內的流動。其功能有啟閉、調節(jié)、節(jié)流、自控和保證安全等。.不同流體按其性質、形態(tài)和操作要求不同，應選用不同的流速。黏度較大的流體，管內的壓力降較大，流速應較低。.計算管路壓力降的目的是為了選擇合適的泵、壓縮機、鼓風機等輸送設備和校核流速或管徑。最常用的方法是利用算圖進行計算。.管路應避免通過電動機、儀表盤、配電盤上空；塔及容器的管路不可從人孔正前方通過。..頁腳..管路安裝時應盡量避免出現“氣袋”n、“口袋”U和盲腸，當無法避免時，應在管線最高點設置放空閥，最低點設置放靜閥。閥門、儀表的安裝應方便操作與維修，一般閥門安裝高度以離操作面1.2m為宜，水平管路上的閥門、閥桿不宜垂直向下。.人孔應設在安全、方便的操作區(qū)，常將一個塔的幾個人孔設在一條垂線上，并對著道路。二、選擇題(20分，每題1分).屬于換熱器的控制方案有(AB)(A)調節(jié)換熱介質流量；(B)旁路調節(jié)；(C)循環(huán)調節(jié)；(D)PID調節(jié).在帶控制點的工藝流程圖中，常用比例為：(B)(A)1：10；(B)1：100；(C)1：35；(D)1:150.常用設備分類代號中，表示泵的符號為：(B)(A)B；(B)P；(C)D；(D)C.工藝流程圖中表示工藝氣的是：(C)(A)PA；(B)PGS；(C)PG；(D)IG.在儀表位號的標注中，TRC的含義是：(C)..頁腳.（A）溫度報警積分；（B）溫度控制變送；（C）溫度記錄控制；（D）溫度積分控制.單程轉化率與總轉化率的區(qū)別在于：（A）（A）計算基準；（B）計算方法；（C）計算目標；（D）計算程序.在設備布置圖中，安裝方位標的圓直徑為：（C）（A）5mm；（B）10mm；（C）14mm；（D）20mm.同一公稱通徑管子的（A）相同。（A）外徑；（B）內、外徑的算術平均值；（C）內徑；（D）內、外徑的對數平均值.管子中流體和氣體的流速一般不超過（C）。（A）5m/s,50m/s；（B）3m/s,30m/s；（C）3m/s,100m/s；（D）10m/s,100m/s.黏度大的流體一般應選擇（A）。（A）低流速；（B）高流速；（C）適宜流速；（D）特定流速.在進行車間布置設計時，宜優(yōu)先考慮（C）。5）室內布置；（B）T形布置；（C）露天布置；（D）L形布置..頁腳..在進行車間布置設計時，加熱爐、明火設備與產生易燃易爆氣的設備間的距離一般不小于（C）。（A）10m；（B）15m；（C）18m；（D）30m.在不影響工藝流程的情況下，較高設備宜（A）。（A）集中布置；（B）T形布置；（C）分散布置；（D）L形布置.繪制管路布置圖時常用常比例為（C）。（A）1：10；（B）1：20；（C）1：30；（D）1：100.在化工設計過程中，概算工作在（BC）過程進行。（A）編制設計任務書；（B）初步設計；（C）施工圖設計；（D）現場施工中.在繪制帶控制點的工藝流程圖時，遇到管路穿過設備或交叉時應（A）。（A）將縱向管路斷開一段；（B）將橫向管路斷開一段；（C）將橫、縱向管路斷開一段；（D）將管路都不斷開.用作保溫材料的熱導率宜（A）。（A）低；（B）高；（C）較高；（D）適中.在繪制帶控制點的工藝流程圖時，遇到管路拐彎時應（A）。..頁腳.(A)成直角；⑻圓??；(C)成45度角；(D)成60度角.在帶控制點的工藝流程圖中，儀表編號的標注方法是：上半圓中填寫(C),下半圓中填寫()(A)數字編號，字母代號；(B)參量代號，功能代號；(C)字母代號，數字編號；(D)功能代號，參量代號.對間隙操作的釜式反應器來說，人孔或加料口離地面、樓板或操作平臺面的高度以(B)為宜。(A)500mm；(B)800mm；(C)1000mm；(D)1200mm三、簡答題1,初步設計工作程序一般有哪幾個步驟？答：初步設計工作程序一般有以下幾個步驟：設計準備階段；工藝專業(yè)設計方案的確定；其他專業(yè)的具體工作；各專業(yè)有關圖紙的會簽；編制初步設計總概算；..頁腳.審定文件并報上級主管部門組織審批。生產方法的選擇有哪幾個步驟？答：生產方法的選擇有以下幾個步驟：設計資料的選擇；生產方法的比較與確定；選擇生產方法時應注意的事項等。帶控制點的工藝流程圖以什么為主項進行繪制？其原則是什么？答：帶控制點的工藝流程圖以車間（裝置）或工段（工序）為主項進行繪制＜原則上是一個主項繪一張圖樣。如流程復雜可分成數張，但仍算一張圖樣,使用同一圖號。寫出下列按工段編制儀表位號中各部分的含義：TRC-131TRC-131序號（一般用二位數字，也可以用三位數字）工段代號功能字母代號..頁腳.答：泵的流量控制方案有哪兩種？分別用于何種場合？答：泵的流量控制方案有出口節(jié)流控制和旁路控制兩種方案。泵的出口節(jié)流控制是離心泵流量控制常用的方法；旁路控制主要用于容積式泵（往復泵、齒輪泵、螺桿泵等）的流量調節(jié)。熱量衡算的目的是什么？答：熱量衡算的目的如下：通過計算傳入或傳出的熱量，確定加熱劑或冷卻劑的消耗量以及其他能量的消耗；計算傳熱面積以決定換熱設備的工藝尺寸；確定合理利用熱量的方案以提高熱量綜合利用的效率。設備設計與選型的要求有哪些？答：（1）要充分考慮工藝上的要求；（2）運行可靠，操作安全，便于連續(xù)化和自動化生產；..頁腳.（3）能創(chuàng)造良好工作環(huán)境和無污染；（4）便于購置、容易制造?？傊尕瀼叵冗M、適用、高效、安全、可靠、省材和節(jié)資的原則。具體還要從技術經濟指標和設備結構上的要求加以考慮。選擇設備材料時應注意哪些事項？答：選擇設備的材料時，首先要了解處理介質的性質，包括氧化性、還原性、介質濃度和腐蝕性能。其次是設備要承受的溫度（高溫、常溫還是低溫）。各種材料的耐溫性能是不一樣的，一般隨溫度升高其耐溫性能減弱。在低溫下要考慮材料的脆性。最后還要考慮設備承受的壓力（高壓、中壓、低壓或真空）。一般壓力愈高，要求材料的強度、耐腐蝕性能也愈好。車間布置設計包括哪兩個部分？答：車間布置設計包括車間各個工段、各設施在車間場地范圍內的平面布置和設備布置兩個部分。化工車間通常包括哪些設施？答：化工車間通常包括生產設施（生產工段、原料和產品倉庫、控制室、露天堆場或貯罐區(qū)）、生產輔助設施（除塵通風室、配電室、機修間、化驗室等）、..頁腳.生活行政設施（車間辦公室、更衣室、浴室、衛(wèi)生間等）及其他特殊用室（勞動保護室、保健室等）。露天布置的優(yōu)、缺點是什么？答：露天布置的優(yōu)點是建筑投資少，用地小，有利于安裝檢修，有利于通風、防火、防爆、防毒；缺點是受氣候影響大，操作條件差，自動控制要求高。設備布置的原則有哪些？答：設備布置的原則如下：設備布置露天化；滿足生產工藝與操作要求；符合安裝與檢修的要求；符合安全技術要求；符合建筑要求；考慮通道與管廊的布置。四、計算題..頁腳.1某廠用空氣氧化鄰二甲苯生產苯酐。原料流量為205kg/h鄰二甲苯,4500m3/h空氣。從反應的計量關系可知，生成1mol的苯酐需反應掉1mol的鄰二甲苯。經檢驗得到的反應器出口氣體組成如下：組分苯酐順酐鄰二甲苯O22N其他口計%(mol)0.650.040.0316.5887 4.70100試計算：（1）鄰二甲苯的轉化率、苯酐收率和反應選擇性。（2）苯酐的年產量（按330天/年計）。解：因為其中含有大量N2,且N2為惰性組分（不參加反應），所以，選擇N2作為物料衡算的聯(lián)系物。進入反應器的空氣中含有N2：（4500/22.4）x0.79=158.7kmol/h設反應器出口氣體的總流量為xkmol/h，則有：0.78x=158.7x=203.5kmol/h因此，反應器出口氣體含有鄰二甲苯：203.5x0.03%=0.061kmol/h=0.061x106=6.47kg/h..頁腳.反應器出口氣體含有苯酐:203.5x0.65%=1.323kmol/h所以，鄰二甲苯轉化率X=(205-6,47)/205=96.8%苯酐收率Y=1.323/(205/106)=68.6%反應選擇性S=Y/X=0.686/0.968=0,71=71%苯酐的年產量=1.323x24x330x148=1.550x106kg/h=1550t/a2.一種廢酸，組成為23%(質量分數)的HNO3、57%H2SO4和20%H2O。加入93%的濃硫酸及90%的濃硝酸，要求混合成27%HNO3、60%H2SO4的混合酸,計算所需廢酸及加入濃酸的數量。解：設所需廢酸量為xkg濃硫酸量為ykg濃硝酸量為zkg第一步：畫出物料流程簡圖。第二步：選擇基準。..頁腳.

可選擇廢酸或濃酸的質量為基準，也可以用混合酸的質量為基準。本例選擇混合酸為基準，總量為100kg。第三步：列物料衡算式。TOC\o"1-5"\h\z總物料：x+y+z=100 ⑴H2SO4： 57%x+93%y=100x0,6=60 （2）HNO3： 23%x+90%z=100x0.27=27 （3）解由式（1）、（2）和（3）聯(lián)立的方程組得：x=41.8kg廢酸y=39kg濃硫酸z=19.2kg濃硝酸第四步：核算一一水平衡加入水量：41.8x20%+39x7%+19.2x10%=13kg混合酸含水量：100x13%=13kg兩者相等，故計算正確。3.乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反應器中進行下列反應：主反應：C2H4(g)+1/2O2(g)C2H4O(g)..頁腳.副反應：C2H4(g)+3O2(g)副反應：C2H4(g)+3O2(g)CO2(g)+2H2O(g)反應溫度基本上維持在250℃,該溫度下主、副反應的反應熱分別為：主反應：-aH5230=105395kJ/kmol乙烯副反應：-△H5230=1321726kJ/kmol乙烯乙烯單程轉化率為32%，反應選擇性為69%，反應器出口混合氣體溫度為210℃，流量為45000m3/h(STP)。其組成如下:組分C2HNO合計%(mol)3.582,014.510熱損失按反應放出熱量的5%考慮。求熱載體移出的熱量。解：查得有關氣體的比熱容如下：假設熱力學途徑如下：則