化工设计复习题二.docx
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化工设计复习题二
《化工设计》习题及解答
第一章?
化工设计概论
1．化工设计的种类有哪些？
根据项目性质化工设计可分为：
新建项目设计、重复建设项目设计、已有装置的改造设计。
根据化工过程开发程序化工设计可分为：
概念设计、中试设计、基础设计和工程设计；其中工程设计又包括：
初步设计、扩大初步设计和施工图设计。
2．请画出化工厂设计的工作程序示意图。
3．可行性研究报告包含哪些内容？
（1）总论。
包括项目名称、可行性研究的主办单位和负责人，可行性研究编制的依据和原则，可行性研究的依据，项目提出的背景、投资必要性和经济意义，研究的范围和主要过程；研究的简要综合结论，存在的主要问题和建议。
（2）市场预测。
包括国内外市场情况预测和产品的价格分析。
（3）产品方案及生产规模。
对于老厂改、扩建和技术改造项目要结合企业现有内部和外部条件，对产品方案和生产规模要作方案比较，进行优选。
（4）工艺技术方案。
包括工艺技术方案的选择、工艺流程和消耗定额、自控技术方案、主要设备的选择和标准化等内容。
（5）原料、原料、辅助材料及燃料的供应。
（6）建厂条件和厂址方案。
（7）公用工程和辅助设施方案。
（8）节能。
包括能耗指标及分析、节能措施综述、单项节能工程等内容。
（9）环境保护与劳动安全。
（10）工厂组织和劳动定员。
（11）项目实施规划。
包括建设周期的规划实施进度规划等内容。
（12）投资估算和资金筹措。
（13）财务、经济评价及社会效益评价。
（14）结论。
包括综合评价和研究报告的结论等内容。
4．设计任务书的内容主要包括哪些内容？
（1）项目设计的目的和依据；
（2）生产规模、产品方案、生产方法或工艺原则；
（3）矿产资源、水文地质、原材料、燃料、动力、供水、运输等协作条件；
（4）资源综合利用、环境保护、三废治理的要求；
（5）厂址与占地面积和城市规划的关系；
（6）防空、防震等的要求；
（7）建设工期与进度计划；
（8）投资控制数；
（9）劳动定员及组织管理制度；
（10）经济效益、资金来源、投资回收年限。
第二章?
工艺流程设计
1．化工工艺设计包括哪些内容？
生产方法选择，工艺流程设计，工艺计算，设备的设计与选型，设备布置，管道设计，对非工艺设计提条件，设计说明书，概预算书。
2．在选择生产方法和工艺流程时，应该着重考虑的原则有哪些？
其步骤有哪些？
先进性、可靠性、合理性；
资料搜集与项目调研、生产设备类型与制造厂商调研、对调研结果进行全面分析对比。
3．工艺流程设计的步骤有哪些？
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．工艺流程图的种类有哪些？
工艺流程草图，工艺物料流程图，带控制点的工艺流程图，管道仪表流程图。
5．管道仪表流程图有哪些版式？
基础工程设计阶段有：
A版PI图（初版）、B版PI图（内审版）、C版PI图（用户版）及D版PI图（确认版）；
详细工程设计阶段有：
E版PI图（详1版）、F版PI图（详2版）、G版PI图（施工版）。
6．某管道标注为“PG1310-300A1A-H”，表示什么意思？
7．固定床反应器温度控制形式有哪些？
画出示意图。
（a）用进料浓度控制（b）用进料温度控制Ⅰ（c）用进料温度控制Ⅱ（d）用冷料量控制
8．PIDCAD软件具有哪些特点？
PIDCAD软件操作简单、方便易学，适合于工程技术、设计人员及高校师生从事化工工程设计、流程图绘制时使用；结合工艺设备管理软件，可实现工厂工艺、设备信息化管理。
第三章物料衡算与热量衡算
习题1连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数（下同）38％（wt）和甲苯62％的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97％的苯，釜残液中含苯不低于2％。
进料流量为20000kg／h，求馏出液和釜残液的流量和组成。
解：
苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。
以下标B代表苯。
进料中苯的摩尔分数
釜残液中苯的摩尔分数
进料平均相对分子质量
进塔原料的摩尔流量
依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以
作全塔苯的质量衡算得
作全塔总质量衡算得
将已知数据代人上述质量衡算方程得
解得
所以，
组分
塔进料
塔顶馏出物
釜残液
kg/h
%（wt）
kmol/h
%（mol）
kg/h
%（wt）
kmol/h
%（mol）
kg/h
%（wt）
kmol/h
%（mol）
苯
7600
38
97.43
41.96
7372.6
85.60
94.52
87.52
227.8
2.0
2.92
2.35
甲苯
12400
62
134.8
58.04
1240.2
14.40
13.48
12.48
11159.4
98.0
121.3
97.65
合计
20000
100
232.2
100
8612.8
100
108
100
11387.2
100
124.2
100
习题2丙烷充分燃烧时要使空气过量25％，燃烧反应方程式为：
试计算得到100摩尔燃烧产物（又称烟道气）需要加入的空气的摩尔量。
解：
以1mol入口丙烷为计算基准
根据反应方程式，1mol丙烷需要5mol的氧气与之反应，因氧气过量25%，故需要加入的空气量为
其中
烟道气中各组分的量：
0mol
23.51mol
因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下
入口
出口
C3H8
1
C3H8
0
O2
6.25
O2
1.25
N2
23.51
N2
23.51
CO2
0
CO2
3
H2O
0
H2O
4
合计
30.78
合计
31.76
从计算结果可以看出，当空气加入量为29.76mol时，可产生烟道气31.76mol，所以，每产生100mol烟道气需加入的空气量为
习题3天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气的示意流程图
转化炉内进行烃类蒸汽转化反应，以甲烷为例，烃类蒸汽转化的反应方程式为
天然气经一段转化炉转化后继续进入二段转化炉反应，在一段转化炉出口添加空气以配合合成氨原料气中所需的氮气，同时，一段转化气中的一部分氢气遇O2燃烧供给系统热量。
二段转化后再经一氧化碳变换工序使混合气中的CO大部分转化为CO2和H2，CO转化为CO2和H2的方程式为
，变换后的气体进入脱除CO2工序脱除CO2，再经甲烷化工序除去残存的微量CO和CO2后作为合成氨合格原料气。
已知某厂天然气的组成为：
组分
CH4
C2H6
C3H8
C4H10（正）
C4H10（异）
C5H12（正）
C5H12（异）
N2
CO2
合计
%（mol）
83.20
10.00
5.16
0.69
0.50
0.06
0.05
0.33
0.01
100
要求合成氨原料气的组成为：
组分
H2
N2
Ar
CH4
合计
%（mol）
73.97
24.64
0.31
1.08
100
计算天然气的用量和空气的用量。
解：
以100kmol合成氨原料气为计算基准。
设天然气用量为xkmol，添加空气量为ykmol。
（1）作系统N2平衡
因为在天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气过程中，N2没有参加反应，它的数量在反应器的进口、出口物料中没有变化，作系统N2平衡得
0.0033x+0.79y=24.64（A）
（2）作系统氢平衡
甲烷转化制H2的计量关系推导如下：
甲烷蒸汽转化反应过程
变换反应过程
总过程
用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制
的计量关系通式为
因此，100kmol天然气可提供的理论H2为
组分
烃量/kmol
可提供的理论烃量/kmol
CH4
83.20
4
83.20=332.80
C2H6
10.00
7
10.00=70
C3H8
5.16
10
5.16=51.60
C4H10（正）
0.69
13
0.69=8.97
C4H10（异）
0.50
13
0.50=6.50
C5H12（正）
0.06
16
0.06=0.96
C5H12（异）
0.05
16
0.05=0.80
N2
0.33
0
CO2
0.01
0
合计
100
471.63
因此，xkmol天然气进料可提供的理论H2为
氢气燃烧的反应过程
燃烧消耗的H2为
作系统H2平衡得
（B）
式中（
）是合成氨原料气的CH4折合为H2物质的量（mol）
（A）式合（B）式联解得到
因此，制造100kmol的合成氨原料气需加入天然气18.92kmol，一段转化炉出口需添加31.11kmol的空气。
习题4乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：
试计算0.1013MPa、25℃下的反应热。
解：
乙烯（g）的标准生成热为
环氧乙烷（g）的标准生成热为
因此，0.1013Mpa，25℃下的反应热计算如下：
习题5乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：
主反应
副反应
反应温度基本维持在250℃，该温度下主、副反应的反应的反应热分别为
乙烯
乙烯
乙烯的单程转化率为32％，反应的选择性为69％，反应器进口混合气的温度为210℃，流量45000
其组成如下：
组分
C2H4
N2
O2
合计
%（mol）
3.5
82.0
14.5
100
热损失按反应放出热量的5%考虑，求热载体移出的热量。
解：
查得有关气体的热容数据如下：
组分
C2H4
O2
CO2
水蒸气
C2H4O
N2
210℃
64.43
31.38
30.04
250℃
66.94
31.67
45.56
35.35
103.8
30.17
假设如下热力学途径：
210℃下反应器入口混合气体热容
250℃下反应器入口混合气体热容
因此，反应器入口混合气体在210℃～250℃的平均热容为
由热载体移走的热量为
第四章设备的工艺设计及化工设备图
1.简述泵的选用与设计程序
a.确定泵型；b.确定泵的流量与扬程；c.确定泵的安装高度；d.确定泵的台数和备用率按泵的操作台数；e.校核泵的轴功率；f.确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量；g.选用电动机；h.填写选泵规格表。
2.简述换热器的设计原则
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。
3.填料塔设计程序
a.汇总设计参数和物性数据；b.选用填料；c.确定塔径；d.计算填料塔压降；e.验算塔内喷淋密度；f.计算填料层高度Z；g.计算塔的总高度H；h.塔的其它附件设计和选定。
4.化工设备施工图的组成
a.装配图表示设备的全貌、组成和特性的图样，它表达设备各主要部分的结构特征、装配和连接关系、特征尺寸、外形尺寸、安装尺寸及对外连接尺寸、技术要求等。
b.部件图表示可拆或不可拆部件的结构、尺寸，以及所属零部件之间的关系、技术特性和技术要求等资料的图样。
c.零件图表示零件的形状、尺寸、加工，以及热处理和检验等资料的图样。
d.零部件图由零件图、部件图组成的图样。
e.表格图用表格表示多个形状相同．尺寸不同的零件的图样。
f.特殊工具图表示设备安装、试压和维修时使用的特殊工具的图样。
g.标准图（或通用图）指国家部门和各设计单位编制的化工设备上常用零部件的标准图和通用图。
h.梯子平台图支承于设备外壁上的梯子、平台结构的图样。
i.预焊件图设备外壁上保温、梯子、平台、管线支架等安装前在设备外壁上需预先焊接的零件的图样。
j.管口方位图设备上管口、支耳、吊耳、人孔吊柱、板式塔降液波板、换热器折流板缺口位置；地脚螺栓、接地板、梯子及铭牌等方位的图样。
k.技术要求设备在制造、试验、验收时应遵守的条款和文件。
l.计算书设备强度、刚度等的计算文件。
当用计算机计算时，应将输入数据和计算结果作为计算文件。
m.说明书设备结构原理、技术特性、制造、安装、运输、使用、维护、检修及其它需说明的文件。
n.图纸目录每个设备的图纸及技术文件的全套设计文件的清单。
5.化工设备图的绘制方法及步骤
a.确定绘图比例、选择图幅、布图、画图；b.尺寸和焊缝代号标注；c.编写零部件序号和管口符号；
d.填写明细栏和管口表；e.填写设计数据表、标题栏等。
6.化工设备图阅读的基本要求
a.了解设备的性能，作用和工作原理；
b.了解设备的总体结构、局部结构及各零件之间的装配关系和安装要求；
c.了解设备各零部件的主要形状、材料、结构尺寸及强度尺寸和制造要求；
d.了解设备在设计、制造、检验和安装等方面的技术要求。
7.阅读的列管式固定管板换热器装配图
（1）概括了解
从标题栏、明细栏、技术特性表等可知，该设备的名称是列管式固定管板换热器，用途是使两种不同温度的物料进行热量交换，其规格为DN700×4000（壳体内径×换热管长度），换热面积F=116m2，绘图比例1:
10，由25种零部件所组成，其中有14种标准件。
换热器管程内的介质是水，工作压力为0.4MPa，工作温度为32～37℃，壳程内介质是物料丙烯丙烷，工作压力为1.6MPa，工作温度为44～40℃，换热器共有5个接管，其用途、尺寸见管口表。
该设备采用了1个主视图、2个剖视图、2个局部放大图和1个示意图。
（2）详细分析
Ⅰ视图分析
图中主视图采用全剖视以表达换热器的主要结构及各管口和零部件在轴线方向的位置和装配情况；主视图还采用了断开画法，以省略中间重复结构，简化作图；换热器内部的管束也采用了简化画法，仅画出一根，其余均用中心线表示。
A－A剖视图表示了各管口的周向方位和换热管的排列方式。
B－B剖视图补充表达鞍座的结构形状及安装等有关尺寸。
局部放大图Ⅰ、Ⅱ表达管板与有关零件之间的装配连接关系。
为了表示出件12拉杆的投影，将件11定距管采用断裂画法。
示意图用以表达折流板在设备轴线方向的排列情况。
Ⅱ装配连接关系分析
该设备筒体（件14）和管板（件6），封头（件1）和容器法兰（件4）的连接都采用焊接，具体结构见局部放大图Ⅱ；各接管与壳体的连接，补强圈与筒体及封头的连接均采用焊接；封头与管板采用法兰连接；法兰与管板之间放有垫片（件5）形成密封，防止泄漏；换热管（件15）与管板的连接采用胀接，见局部放大图Ⅰ。
拉杆（件12）左端螺纹旋入管板，拉杆上套入定距管用以固定折流板之间的距离，见局部放大图Ⅰ；折流板间距等装配位置的尺寸见折流板排列示意图；管口轴向位置与周向方位可由主视图和A－A剖视图读出。
Ⅲ零部件结构形状分析
设备主体由筒体（件14）、封头（件1）组成。
筒体内径为700，壁厚为6，材料为Q235，筒体两端与管板焊接成一体。
左右两端封头（件1）与法兰（件4）焊接，通过螺栓与筒体连接。
换热管（件15）共有360根，固定在左、右管板上。
筒体内部有弓形折流板（件13）14块，折流板间距由定距管（件11）控制。
所有折流板用拉杆（件12）连接，左端固定在管板上（见放大图Ⅰ），右端用螺栓锁紧。
折流板的结构形状需阅读折流板零件图。
鞍式支座和接管法兰均为标准件，其结构、尺寸需查阅有关标准确定。
管板有零件图，其结构形状可阅读零件图。
Ⅳ了解技术要求
从图中的技术要求可知：
该设备按《钢制压力容器》（GB150－1998）进行制造、试验和验收，采用电弧焊、制造完成后，除进行水压试验外，还需进行气密性试验。
（3）归纳总结
通过上述分析可知：
换热器的主体结构由圆柱形筒体和椭圆形封头构成，其内部有360根换热管和14块折流板。
设备工作时，冷却水自接管a进入换热管，由接管d流出；温度高的物料从接管b进入壳体，经折流板曲折流动，与管程内的冷却水进行热量交换后，由接管e流出。
第五章车间布置设计
一、选择题
1．厂房建筑的承重柱在平面中排列所形成的网格称为柱网，沿厂房长度方向的各承重柱自左向右用（A）?
?
?
?
?
?
依次编号。
A．、、B．、、C．A或B
2．在化工设备图中，设备的轮廓，一般按比例用（A）绘制。
A．粗实线（b）B．中实线（2b/3）C．细实线（b/3）D．点划线
3．在布置（A）时，应遵循缩短管长和顺应流程的原则。
A．换热器B．塔C．泵D．搅拌器
4．设备布置图中的标高用（A）表示。
A．mB．cmC．mmD．都可以
5．在设备平面布置图中，设备标注为T-101b，其中T表示（B）。
A．一种设备等级B．一种设备代号
C．设备一种材质D．一种设备保温等级
6．在对塔进行布置时，对于（C）需采用独立布置方案。
A．将高度相近的塔B．数量不多、结构与大小相似的塔
C．单塔或特别高大的塔D．较小的塔
7．以下有关工程设计阶段及PID版次的叙述错误的是（B）。
A．工程设计阶段分基础设计和详细工程设计两个阶段
B．在基础设计阶段，PID应完成初步设计条件版（A）版，内部审核版（B
版）和用户批准版（C）版三个版次的设计
C．在详细工程设计阶段，PID应完成1版（详细设计1版），2版（详细设计2版），3版（施工版）三个版次的设计
D．对于小型或成熟工艺装置的PID设计，至少应完成初步条件版，设计版和施工版三个版次
8．设备布置设计不包括的内容是（B）。
A．确定各个工艺设备在车间平面和立面的位置
B．确定车间中各个设备的管口方法
C．确定某些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
D．确定供安装、操作与维修所用的通道系统的位置与尺寸
解答：
B．正确答案。
车间设备布置设计主要包括：
①确定各个工艺设备在车间平面和立面的具体位置；
②确定某些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、操作与维修所使用的通道系统的位置与尺寸；
④确定场地与建筑物、构筑物的尺寸；
⑤确定管道、电气代表管线、采暖通风管道的走向和位置。
9．在以下四条关于几种常见设备的布置设计的意见中考虑欠妥当的是（A）。
A．对于原料和成品贮罐，一般集中布置在贮罐区，同时为缩短流程、节省管长，原料和成品贮罐均应靠近与之有关的厂房布置
B．对于大型换热器独立布置时应尽量安排在室外以节约厂房
C．泵的布置应尽量靠近供料设备，以保证有良好的吸入条件
D．反应器安装在室内或框架内，其基础与建筑物分开，以免将振动和噪声传递给建筑物
10．设备布置时设备间、设备与墙之间、运送设备的通道和人行道的宽度都有一定规范供设备布置设计时参照执行。
工艺设备与道路间的距离不应小于（B）。
A．0.5mB．1.0mC．1.5mD．2.0m
11．请指出下列有关安全距离数据中（A）是不正确的。
A．回转机械彼此间距离为不小于1.5m；B．贮槽之间的距离不小于0.4～0.6m
C．换热器之间的距离不小于1.0m；D．塔与塔之间的距离1.0～2.0m
解答：
A．正确答案。
依据“车间布置设计有关尺寸和设备之间的安全距离”，回转机械彼此间距离为不小于0.8～1.2m。
12“泵的布置设计时应尽量集中布置，排成一条线，电机端对齐，正对道路。
以下关于泵的布置正确的是（C）。
A．泵与泵之间的距离视泵的大小而定，一般不小于1.0m
B．双排泵之间的距离一般不小于1.5m
C．泵与墙之间的距离一般不小于1.2m，以便通行
D．泵的基础一般比地面高④400～500mm
解答：
C．正确答案。
泵与泵之间一般不小于0.7m，双排泵之间一般不小于2.0m，泵基础一般高出地面100～200mm。
13某工厂车间设备布置时，为节省投资，减少厂房面积，工艺设备与道路间的距离定为0.6m；操作设备时设备到墙的距离为0.8m；操作平台梯子的坡度为65°；通道通行部分的最小净空为2.1m。
请问上述设计中数据正确的是（D）。
A．①B．②C．③D．④
解答：
D．正确答案。
依据“车间布置设计有关尺寸和设备之间的安全距离”，工艺设备与道路间的距离为不小于1.0m，工人操作时设备与墙面的距离不小于1.0m，操作平台梯子的坡度一般不超过45°，特殊可达到60°。
14．工艺专业提供的建议的设备平面布置图的用途是（A）。
A.装置布置专业、总图专业开展工作的依据，也是机泵计算、询价订货的依据。
B.因制造周期长，需提前询价订货的机泵计算依据。
C.指导供销人员采购设备的依据。
D.指导设备安装施工的依据。
15．在化工工艺设计中，其核心内容是（C）。
A．工艺流程设计和生产方法的选择B．车间布置设计和管道布置设计
C．工艺流程设计和车间布置设计D．化工工艺计算和车间布置设计
16．车间平面布置图每层平面应以其标高命名，对于一层内地面，表示方法（D）正确。
A．EL100.0平面B．EL0.0平面
C．EL0.000平面D．EL100.000平面
17．考虑厂房的柱网布置时，在满足工艺操作需要，满足设备安装、运转及维修需要的前提下，应选择符合建筑模数的柱网。
中国统一规定以（B）m的倍数为优先选用的柱网。
A．2B．3C．4D．5
18．下面为某一换热设备的设备位号，表示方法正确的为（A）。
A．E0113BB．E-113BC．E113BD．E-0113B
19．考虑厂房立面布置时，厂房的高度主要取决于（D）。
A．设备的高低B．安装的位置
C．安装条件D．综合考虑上面三方面因素
20．在化工厂厂房建筑设计时，单层厂房的宽度不应大于（A）。
A．30mB．22mC．24mD．18m
22．车间设备布置时，一些高大设备多采用（A）。
A．露天布置，以减少建筑物的费用，降低毒物的积累。
B．室内布置，以保护设备，使设备不受冷、热的影响。
23．车间设备布置时，为使管路尽量短和便于操作，通常设备多采用（B）。
A．按流程图出现的顺序布置。
B．按相似的设备布置在一起的分组布置。
24．在车间设备布置时有许多要求，如下几项要求中（C）项不合理。
A．高大的设备尽量放在露天，以降低厂房造价。
B．设备布置时应留一定的间隙，有利于操作及检修。
C．设备布置时尽量使设备布局与其在流程图上出现的顺序一样。
D．设备布置时应充分利用高位差布置有压差的设备。
二、简答题
1、简述车间布置设计的内容：
答：
车间布置设计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、按照在生产中和生活中所起的作用进行合理的平向布置和平面布置。
车间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区域内进行排列。
2、简述车间设备布置的要求
答：
满足生产工艺要求；满足安装和检修要求；满足
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