化工过程设计复习题

化工设计复习题

1过滤机的选型原则有哪些？

答滤浆的过滤特性、滤浆的物性、生产规模。

2反应器的设计要点是什么？

答：保证物料转化率和反应时间；满足反应的热传递要求；设计适当的搅拌器或类似作用的机构；注意材质选用和机械加工要求。

3工艺流程设计的基本方法有哪些？

答：确定整个流程的组成，确定每个过程或工序的组成，确定工艺操作条件，确定控制方案，原料与能量的合理利用，制定“三废”处理方案，制定安全生产措施。4对于带循环和旁路4过程的物料衡算，在不知道循环量时应如何处理？

答：在不知道循环量的情况下，可采用以下两种计算：（1）试差法：估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点，将估计值与计算值进行比较，并重新假设一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。（2）代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环流量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。

5如何从工艺角度进行流程设计？

答：一般可将工艺流程分为以下四大部分：原料预处理过程、反应过程、产物的后处理（分离净化）和三废的处理过程。

6换热器设计的一般原则有哪些？

答：a换热器设计要满足工艺操作条件，长期运转，安全可靠，不泄漏，维修清洗方便，较高的传热效率，流体阻力尽量小，安装尺寸符合要求。b确定介质流程 c确定终端温差d确定流速、流向和压力降e确定传热系数和污垢系数f选用标准系列化的换热器。

7什么是化工计算？其主要内容有哪些？

答：化工计算主要是应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。主要内容包括：化工过程；化工工艺流程；化工过程开发；化工过程基本参数—温度、压力、流量、化学组成等基本概念。

8什么是化工过程？答：化工过程：是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。

9、简述车间平面布置的内容和要求

答：内容：一个较大的化工车间（装置）通常包括下列组成。（1）生产设施（2）生产辅助设施（3）生活行政设施。（4）其他特殊用室。

要求：（1）适合全厂的总图布置，与其他车间、公用工程系统、运输系统等结合成一个有机整体。（2）保证经济效益，尽量做到占地少、基建和安装费用少、生产成本低。（3）便于生产管理、物料运输，操作维修要方便。（4）生产要安全，并妥善解决防火、防毒、防爆等问题，必须符合国家的各项有关规定和标准。（5）要考虑将来扩建、增建和改建和余地。

10流程图绘制时图面绘制要求有哪些？

11流程图绘制时物料管道和辅助管道的绘制方法有哪些？

答：主要物料管道采用粗实线单线画出，其它管道用中粗实线画出。大直径或重要管道，可用中粗实线双线绘制，其包括管道连接方式的画法、管道转折的画法、管道交叉与重叠的画法

12化工过程的开发有哪些步骤？

答：没有固定模式，一般大致分为探索研究、过程研究和过程开发三个相互关联的阶段

13简要说明选择压缩机应注意的问题。

答：一是应考虑排气压力的高低和排气量大小；二是要考虑用气场合和条件；三是要考虑压缩空气质量；四是要考虑压缩机运行的安全性。

14设备布置图内容：一组视图；尺寸及标注；安装方位标；说明与附注；设备一览表；标题栏。

15何谓间歇操作、连续操作以及半连续操作？

答：间歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。

连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。

半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。

16离心式压缩机的优点与缺点有哪些。

答：优点:1.在相同冷量的情况下，特别在大容量时，与螺杆压缩机组相比，省去了庞大的油分装置，机组的重量及尺寸较小，占地面积小；2.离心式压缩机结构简单紧凑，运动件少，工作可靠经久耐用，运行费用低；3.容易实现多级压缩和多种蒸发温度，容易实现中间冷却，使得耗功较低；离心机组中混入的润滑油极少，对换热器的传热效果影响较小，机组具有较高的效率。

缺点：1.转子转速较高, 为了保证叶轮一定的宽度，必须用于大中流量场合，不适合于小流量场合；2.单级压比低，为了得到较高压比须采用多级叶轮，一般还要用增速齿轮；3.喘振是离心式压缩机固有的缺点，机组须添加防喘振系统；4.同一台机组工况不能有大的变动，适用的范围较窄。

17物料衡算的程序有哪些？

答：确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图；确定计算任务，明确哪些是已知项，哪些是待求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便；确定过程所涉及的组分；对物流流股进行编号，并注明物料变量；收集数据资料：设计任务书中已知条件；物理化学参数；依据是质量守恒定律列出物料衡算方程；列出过程的全部独立的物料衡算方程式及其他相关约束式，化学反应方程式，明确反应前后物料组成和各个组分之间的定量关系、转化率、选择性；选择计算基准；统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计变量；整理计算结果，并根据需要列成原材料消耗表；绘制物料流程图。

18塔型选择基本原则有哪些？

答：①生产能力大，弹性好。②满足工艺要求，分离效率高。③运转可靠性高，操作、维修方便。④结构简单，加工方便，造价较低。⑤塔压降小。

19何谓稳定状态操作和不稳定状态操作？

答：（1）整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过程，或称稳定过程。

（2）如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作多在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作20设备布置图中对设备尺寸基准的选取原则有哪些。

卧式容器定位以容器的中心线和靠近柱轴线一端的支座为基准。立式反应器、塔，槽、罐和换热器以中心线为基准。卧式换热器以换热器的中心线和靠近柱轴线一端的支座为基准。板

式换热器以中心线和某一出口法兰端面为基准、泵以中心线和出口法兰中心线为基准如。压缩机以制造厂的基准线和出口法兰中心线为基准。

21物料衡算的目的有哪些？

答：确定原材料的消耗定额，判断是否达到设计要求。确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成表示方法。作为热量计算的依据。根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材料选择，仪表及自动控制等

22物料衡算的依据有哪些？

答：（1）设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时间及操作方法。（2）建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及试验室试验或中试等数据，主要有：化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能（爆炸上下限）等。原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配比。特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。

23物料衡算的基准有：时间基准；质量基准；体积基准；干湿基准。

24泵的选择步骤有哪些。

答：（1）列出基础数据；(2)确定选泵的流量和扬程；(3)确定泵的安装高度；(4)确定泵的台数和备用率；（5）校核泵的轴功率；（6）确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量；（7）选用电动机；（8）填写选泵规格表。

25车间布置设计的内容有哪些？

答：车间布置设计的内容可分为车间厂房布置和车间设备布置。车间厂房布置是对整个车间各工段、各设施在车间场地范围内，按照它们在生产中和生活中所起的作用进行合理的平面和立面布置。设备布置是根据生产流程情况及各种有关因素，把各种工艺设备在一定的区域内进行排列。在设备布置中又分为初步设计和施工图设计两个阶段，每一个设计阶段均要求平面和剖面布置。

26热量衡算的基本方法（步骤）有哪些？

答：热量衡算的基本步骤：a建立以单位时间为基准的物料流程图（或平衡表），也可以100mol 或100kmol原料为基准，但前者更常用。b在物料流程框图上标明已知温度、压力、相态等条件，并查出或计算出每个物料组分的焓值，于图上注明。c选择基准d列出热量衡算式，利用数学方法求解未知值。e当产生过程及物料组成较复杂时，可以列出热量衡算表。

27试述设备布置图的绘图方法与步骤：（1)确定视图配置。(2)选定比例与图幅。(3)绘制平面图。（4）绘制剖视图(5)绘制方位标。(6)绘制设备一览表。(7)注出有关说明，填写标题栏。

(8)检查，校核，完成全图

28试述车间平面布置方案。

答：a直通管廊长条布置，适合于小型车间（装置），是露天布置的基本方案。外部管道可由管廊的一端或两端进出，工艺区与贮罐区用一根中心布置的管廊连接起来，流程畅通。

b T形与L形布置适合于较复杂车间，管道可由二个或三个方向进出车间。

c 组合型布置适合于复杂车间，其车间平面就是由直线形、T形和L形组合而成。

28试述车间设备布置的内容。

答：（1）确定各个工艺设备在车间平面和立面的位置;（2）确定某个在工艺流程图中一般不予表达的辅助设备或公用设备的位置;（3）确定供安装、操作与维修所用的通道系统的位置与尺寸;（4）在上述各项的基础上确定建筑物与场地的尺寸;（5）其他。设备布置的最终结果表现是设备布置图。

29试述设备布置图中车间设备布置的方法与步骤。

答①根据工艺的要求与土建专业共同拟订各车间的结构形式、柱距、跨度、层高、间隔等初

步方案，并画成1:50或1:100比例的车间建筑平面图。

②认真考虑设备布置的原则，应满足各方面的要求。

③将确定的设备按其数量的多少及最大的外形尺寸剪成相同比例的硬纸块（一般为1:50或1:100），并标明设备的名称。

④将这些设备的硬纸块按工艺流程布置在相同比例的车间建筑平面图上，布置形式可多种多样，一般2-3个方案，以便加以比较。经过多方面的比较，选择一个最佳方案，绘成平、立面草图。

⑤根据设备布置草图，考虑以下因素加以修改。考虑总管排列的位置，做到管路短而顺；

⑥检查各设备基础大小，设备安装、起重、检修的可能性；考虑设备支架的外形、结构、常用设备的安全距离；考虑外管及上、下水管进、出车间的位置；考虑操作平台、局部平台的位置大小等。设备草图经修改后，要广泛征求各有关专业部门的意见，集思广益，做必要的调整，提交建筑人员设计建筑图。

⑦工艺设计人员在取得建筑设计图后，根据布置草图绘制成正式的设备平立面布置图。

30试述泵和压缩机的布置方案。

答：泵应尽量靠近供料设备以保证良好的吸入条件。它们常集中布置在室外、建筑底层或泵房，小功率的泵（7kW以下）可布置在楼面或框架上。室内的泵沿墙布置能节省面积，如将工艺罐放在墙外，管道穿过墙与泵相连则空间更省，操作亦甚为方便。

离心压缩机体积小、排量大、结构简单、能利用多种动力有利于装置的能量利用，特别是背压式蒸汽透平能提高热效率，应用最广。离心压缩机的布置原理与离心泵相似，但它较为庞大与复杂，特别是一些附属设备（如润滑油、密封油、泵等）要占据很大的空间。

往复压缩机的作用原理与往复泵相似，但机器要复杂得多，振动及噪声都很大。往复压缩机结构复杂，拆修时间长，所以都布置在压缩机室内并配有起重装置，其周围要留有足够大的空地。

31试述换热器的布置方案。

答：列管式换热器与再沸器已有定型的系列图可供选用，设备布置的主要任务是将它们布置在适当的位置，决定支座等安装结构、管口方位等。必要时在不影响工艺要求的条件下，可以调整原换热器的尺寸和安装方式（立或卧）。塔的换热器近塔布置，再沸器及冷凝器则与塔以大口径的管道连接，故应取近塔布置，通常将它们分别布置在塔的两侧。一般，从传热的角度考虑，细而长的换热器较有利。卧式换热器换成立式的以节约面积；而立式的也可换成卧式的以降低高度，可根据具体情况各取其长。

换热器间的间距，换热器与其他设备的间距至少要留出lm的水平距离，位置受限制时，最少也不得小于0.6m.

32试述塔的布置方案。

答：塔的布置形式很多，常在室外集中布置，在满足工艺流程的前提下，可把高度相近的塔相邻布置。单塔或特别高大的塔可采用独立布置，利用塔身设操作平台，供进出入孔、操作、维修仪表及阀门之用。塔或塔群常布置在设备区外侧，其操作侧面对道路，配管侧面对管廊，以便于施工安装、维修与配管。

将几个塔的中心排成一条直线，并将高度格近的塔相邻布置，通过适当调整安装高度和操作点（适当改变塔板距、内部管道布置及塔裙高度）就可采用联合平台，既方便操作，投资又省。

数量不多、结构与大小相似的塔可成组布置，利用操作台集中布置。如果塔的高度不同，只要求将第一层操作平台取齐，其他各层可另行考虑。这样，几个塔组成一个空间体系，增加了塔群的刚度，塔的壁厚就可以降低。

33视图包括平面图、立面图、剖面图、详图等

设计反应器、塔或容器底部抽出管道吹扫示意图。

设计输送固体物料的管道的吹扫示意图。

安全阀的设计原则有哪些？

安全阀一般设置在哪些场合。

按国家有关标准规定，在不正常条件下，哪些可能超压的设备应设安全阀？

答：根据有关规范规定,可能超压的下列设备及管道应设安全阀： (1)顶部操作压力大于 0.07MPA 的压力容器; (2)顶部操作压力大于 0.03MPA 的蒸馏塔、蒸发塔和汽提塔 (汽提塔顶蒸汽直接通入另一蒸馏塔者除外) ； (3 )与鼓风机、离心式压缩机、离心泵或蒸汽往复泵出口连接的设备不能承受其最高压力时，上述机泵的出口;(4 )可燃气体或液体受热膨胀时，可能超过设计压力的设备及管道。 爆破片的特点有哪些。

一般情况下哪些场所适用爆破片

29绘制无相变的管壳式换热器自控流程。

（1）当热流体温差（T 1—T 2）小于冷流体温差（t 2—t 1）

时，冷流体流量的变化会引起热流体出口温度T 2的显

著变化，调节冷流体效果较好。

（2）当热流体温差（T 1—T 2）大于冷流体温差（t 2—t 1）时，

热流体流量的变化会引起冷流体出口温度t 2的显著变化，调

节热流体效果较好。

（3）当热流体进出口温差大于150℃时，三通调节阀，可采

用两个两通调节阀，一个气开，一个气关。

31反应器、塔或容器底部抽出管道吹扫示意图。

绘制釜式反应器的温度控制方案。

输送固体物料的管道的吹扫示意图。

画出压差式取样流程。

设计一个气封系统管道的工艺流程。

画出气相强制循环式导热油加热系统流程。

画出自然强制循环式导热油加热系统流程。

绘制采用反应温度与夹套温度串级控制方案的釜式反应器温度控制工艺流程。

绘制采用反应温度与载热流体串级控制方案的釜式反应器温度控制工艺流程。

设计精馏塔塔顶温度控制流程。

塔顶温度调节方案

答：再沸器温度控制。热载体为气体时，安装在进口。可

设计精馏塔进料量的控制流程。

设计精馏塔回流量的控制流程。

对人体有害的气体或油气，宜采用压差式循环流程，试绘制此流程。

高温高压气体，如加氢精制的再生烟气，宜采用压差式非循环流程，试绘制此流程。设计有害的液体或油品，但含有蜡油选用直接取样时的直接取样流程。

设计一侧有相变的管壳式换热器（蒸汽冷凝供热的加热器）的自控流程。

设计一侧有相变的管壳式换热器（再沸器）的自控流程。

30某加热炉为两股物流进料，单股物流出料，试绘制加热炉出炉温度控制的流程。（加热炉出炉温度控制可采用被加热介质的出炉温度与炉膛烟气温度串级调节，试绘制此工艺流程。）

设计馏出物中含有少量不凝性气体时，精馏塔顶压力控制流程。

计算题

1有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、30%甲苯和20%（mol%）二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。计算蒸馏1000 mol/h原料所得个流股的量及进塔II物料的组分。

2一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。画物料流程简图并对过程进行物料衡算。

工业上，合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去，如图所示。在反应器1中大部分转化，在反应器2中完全脱去。原料气是由发生炉煤气（78%N2，20%CO，2%CO2）和水煤气（50%H2，50%CO）混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸气发生反应：CO＋

H2O CO2＋H2 最后得到物流中H2与N2之比为3：1，假定水蒸气流率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器1中，CO的转化率为80%，试计算中间物流（4）的组成。作年产300t对-硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯纯度95%，硝化混酸为：HNO3 32%，H2SO4 56%，H2O 12%。粗乙苯与混酸质量比1:1.855。对硝基乙苯收率50%，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例：对：邻：间＝0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料：H2SO4 93%，HNO3 96% 及H2O，年工作日300天，假设转化率为100%，间歇生产。

工业上，合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去，如图所示。在反应器1中大部分转

化，在反应器2中完全脱去。原料气是由发生炉煤气（78%N2，20%CO，2%CO2）和水煤气（50%H2，50%CO）混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸气发生反应：CO＋

H2O CO2＋H2 最后得到物流中H2与N2之比为3：1，假定水蒸气流率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器1中，CO的转化率为80%，试计算中间物流（4）的组成。K2CrO4从水溶液重结晶处理工艺是将每小时4500mol含33.33%（mol）的K2CrO4新鲜溶液和另一股含36.36% （mol）K2CrO4的循环液合并加入至一台蒸发器中，蒸发温度为120℃，用0.3MPa的蒸汽加热。从蒸发器放出的浓缩料液含49.4%（mol）K2CrO4进入结晶槽，在结晶槽被冷却至40 ℃，用冷却水冷却（冷却水进出口温差5 ℃）。然后过滤，获得含K2CrO4结晶的滤饼和36.36 %（mol）K2CrO4的滤液（这部分滤液即为循环液），滤饼中的K2CrO4占滤饼总物质的量的95%。K2CrO4的分子量为195。试计算：（1）蒸发器中蒸发出水的量；（2）K2CrO4结晶的产率；（3）循环液（mol）/新鲜液（mol）的比率；（4）蒸发器和结晶器的投料比（mol）

某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图所示，要求有已知的资料，列出各物流的流率（kg/h），以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。