化工工艺设计复习重点难点题.docx
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化工工艺设计复习重点难点题
化工工艺设计
一、考题内容
1.填空题（20分，每空1分）
2.
选择题（每小题
2分，共20分）
3.
简答题（15分,
每题3分）
4.
计算题（20分）
5.
分析论述题（20分）
二、课程内容、重点与难点
1.化工厂设计
2.工艺流程设计
3.物料衡算与热量衡算
4.化工设备的工艺设计
5.车间布置设计与管路设计
6.工程设计概算
7.课程相关内容
1绪论
1.1现代过程工程的特点
1.2绿色化学科学与工程准则、3R原则
1.3化工工艺设计的基本内容
1.4化工设计的重要性及其工作程序
1.5化工过程计算机辅助设计
1.6工程伦理学与责任关怀准则
2化工厂设计
2.1化工设计的种类
根据项目性质分类：
根据设计性质分类：
化工新技术开发过程中要进行概念设计、中试设计和基础设计等三种设计
2.2化工设计的工作程序
工程设计可分为三段设计可以按初步设计、扩大初步设计及施工图设计三个阶段进行。
三个设计阶段的联系与区别
项目建议书包括的主要内容
可行性研究的概念
可行性研究报告的主要内容带控制点工艺流程图（施工流程图）带控制点工艺流程图应表示出全部工艺设备和物料管路、阀件等，进出设备的辅助管线和工艺及自动仪表的图例、符号。
2.3工艺包设计
2.4化工工艺设计
基础数据来源包括物料及热量计算数据、主要化工数据等。
工艺设备的工艺计算按流程编号为序进行编写，内容包括：
a.承担的工艺任务。
b.工艺计算。
包
括操作条件、数据、公式、运算结果、必要的接管尺等。
C．最终结论。
包括计算结果的论述、设计
选取。
d.材料选择。
管路布置图包括管路布置平面图和剖面图，其内容表示出全部管路、管件和阀件及其在空间的位置，简单的设备轮廓线及建、构筑物外形。
管段图表示一段管道在空间的位置的图形，也叫做空视图或单线图。
设备布置图包括平面图与剖面图，其内容应表示出全部工艺设备的安装位置和安装标高，以及建筑物、构筑物、操作台等
2.5整套设计中的全局性问题
3工艺流程设计
工艺流程设计概念
工艺流程设计是工艺设计的核心
生产方法和工艺流程选择的原则
流程设计的主要任务包括两个方面：
一个工艺流程分为四个重要部分，即原料预处理过程、反应过程、产物的后处理（分离净化）和三废的处理
过程。
简述工艺流程设计的基本方法——方案比较法工艺流程图一般有如下几种。
全厂总工艺流程图或物料平衡图
物料流程图
工艺管道及仪表流程图
离心泵的流量调节一般是采用出口节流的方法见图2-9（a），但也可以使用旁路调节方法，旁路调节耗费能
量，但调节阀的尺寸比直接节流的小是它的优点，
换热器的温度控制方案
4物料衡算
物料衡算的概念
物料衡算的基本程序与步骤
物料衡算的理论依据是质量守恒定律
简述物料衡算基准
教材例题
5热量衡算
热量衡算的概念
热量衡算的基本程序与步骤
热量衡算的理论依据是质量守恒定律
简述热量衡算基准
教材例题
第6章设备的工艺设计及化工设备图
化工设备选用及工艺设计的一般原则
化工设备从总体上分为两类：
泵的选用与设计程序
作业题6-1
简述：
管壳式换热器的设计和选用
干燥器的主要类型
气-固分离需要处理的固体颗粒直径通常有一个分布，一般可采用如下分离过程：
7车间布置设计
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。
车间布置设计的原则
车间厂房布置包括车间平面布置和立面布置，主要取决于生产规模、生产流程、生产种类、厂区面积、厂区地形和地形条件
简述设备布置应满足的基本要求
设备布置设计的图样主要包括：
8管道布置设计
化工车间管道布置设计的任务
化工车间管道布置设计的要求
管道和管架的平面、立面布置原则
典型设备的管道布置
容器的管道布置
换热器的管道布置
塔的管道布置
9工程设计概算
工程概算费用的分类
工程概算项目的划分
10设计示例
三、重点内容
1-155为重点掌握内容
1、现代过程工程的特点：
技术密集、资金密集、人员密集。
2、化工生产过程的特点：
温度、压力、连续生产、易燃易爆、剧毒。
3、绿色化学科学与工程是指：
减少和消除有害物质对人类健康和环境的威胁所做的化学过程与产品设
计、开发和生产。
4、3R原则：
减量化再利用资源化--（循环经济）
5、美国化学工程师协会倡导的工程伦理学主要指：
诚实无私、忠于雇主、客户与大众；努力提高专业胜任和能力声望；推进工程专业的廉正、荣誉和尊严
6、20世纪80年代以来，国内外企业将责任关怀作为自己的企业理念，是企业与职工的自律行为，主要
体现在：
环保、安全、健康与可持续发展。
7、化工新技术开发过程中要进行概念设计、中试设计和基础设计等三种设计。
8、可行性研究是以拟建项目进行全面分析及多方面比较，对其是否应该建设及如何建设作出论证和评价，
为上级机关投资决策和编制、审批设计任务书提供可靠的依据。
9、工艺技术方案包括工艺技术方案的选择、物料平衡和消耗定额、主要设备的选择、工艺和设备拟采用标准化的情况等内容。
10、化工计算包括工艺设计中的物料衡算、能量衡算以及设备选型和计算三个内容。
11、管路配置设计的任务是确定装置的全部管线、阀件、管件及各种管架的位置，以满足工艺生产的要求。
12、产品方案①产品名称和性质；②产品质量规格；③产品规模（吨/年）；④副产品数量（吨/年）；⑤产品包装方式。
13、带控制点工艺流程图应表示出全部工艺设备、物料管线、阀件、设备的辅助管路以及工艺和自控仪表图例、符号。
14、公用工程
（1）供电
（2）供排水（3）各种蒸汽用量及规格等（4）冷冻与空压。
15、产品成本计算①原料和动力单耗费用（见表1-14）。
②折旧、工资、维修、管理费用及其他费
用。
③产品工厂成本。
16、设备布置图设备布置图包括平面图与剖面图，其内容应表示出全部工艺设备的安装位置和安装标高，以及建筑物、构筑物、操作台等。
17、管段图管段图表示一段管道在空间的位置的图形，也叫做空视图或单线图。
18、管路布置图包括管路布置平面图和剖面图，其内容表示出全部管路、管件和阀件及其在空间的位置，简单的设备轮廓线及建、构筑物外形。
19、工艺流程设计是化工设计中非常重要的环节，是工艺设计的核心。
工艺流程设计动手最早，而往往又结束最晚。
20、生产方法和工艺流程选择的原则1．先进性先进性主要指技术上的先进和经济上的合理可行2．可靠性是指所选择的生产方法和工艺流程是否成熟可靠。
3．结合国情不能单纯从技术观点考虑问题，应从中国的具体情况出发考虑各种具体问题。
21、流程设计的主要任务包括两个方面：
一是确定生产流程中各个生产过程的具体内容、顺序和组合方式，达到由原料制得所需产品的目的；二是绘制工艺流程图，要求以图解的形式表示生产过程中，当原料经过各个单元操作过程制得产品时，物料和能量发生的变化及其流向，以及采用了哪些化工过程和设备，再进一步通过图解形式表示出化工管道流程和计量控制流程。
22、一个工艺流程分为四个重要部分，即原料预处理过程、反应过程、产物的后处理（分离净化）和三废的处理过程。
23、下列情况之一的场合均应保温。
1）i凡设备或管道表面区温度超过50'C,需要减少热损失；
2）ii设备内或输送管道内的介质要求不结晶、不凝结；
3）iii制冷系统的设备和管道中介质输送要求保冷；
4）iv介质的温度低于周围空气露点温度，要求保冷；
24、工艺流程图一般有如下几种：
1．全厂总工艺流程图或物料平衡图；2．物料流程图；3．工艺管道及仪表流程图。
25、离心泵的流量调节一般是采用出口节流的方法见图2-9（a），但也可以使用旁路调节方法。
26、换热器的温度控制方案。
（1）调节换热介质流量如图2-14（a），用流体1的流量作调节参数来控制流体
2的出口温度。
这是一种应用最广的调节方案，有无相变均可使用，但流体1的流量必须是可以改变
的。
（2）调节传热面积如图2-14（b），适用于蒸汽冷凝换热器，调节阀装在凝液管路上。
液体1的温度高于给定值时，调节阀大小使凝液积聚，有效冷凝面积减小，传热量随之减小，直至平衡为止。
反之亦然。
这种方案滞后大，而且还要有较大的传热面积余量。
但这种方法传热量的变化比较缓和，可以防止局部过热，对热敏性介质有好处。
（3）分流调节如图2—14（c），在用工艺流体作载热体回收热量时或冷却水流量不允许改变时，两个流量都不能调节。
此时可利用三通阀使其中一个流体走分路，使部分流体走旁路。
然后与换热器出来的部分互相混合以调节温度。
三通阀可装在换热器的进口处，用分流阀；也可装在换热器的出口处，用合流阀。
这个方案很迅速及时，但传热面要有余量。
27、化工过程的物料衡算，是利用物理与化学的基本定律，对化工过程单元及化工过程单元系统的物料平衡进行定量的计算
28、物料衡算的理论依据是质量守恒定律。
29、物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。
所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实际需要人为地选定。
体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程。
30、进行物料衡算时，必须选择一计算基准
（1）时间基准对于连续操作过程，选用单位时间作为基准是很自然的，单位时间可取ld、lh或ls
等等。
此时得到的物料流量可以直接与设备或管道尺寸相联系。
（2）批量基准对于间歇操作过程，按投入一批物料的数量为基准，最为方便。
（3）质量基准例如，可取某一基准物流的质量为100kg，然后计算其他物流的质量。
至于取哪一个
物流为基准，可以是产品，可以是原料，也可以是任何一个中间物流。
一般情况下，取某一已知变量
最多（或未知变量最少）的物流作为基准最为合适。
（4）物质的量基准对于有化学反应的过程，由于化学反应是按摩尔进行的，因此用物质的量基准更为方便
31、化工过程的热量衡算，是利用物理与化学的基本定律，对化工过程单元及化工过程单元系统的能量平衡进行定量的计算。
32、热量衡算由于衡算对象已经确定，只须确定衡算范围和衡算基准即可。
但热量衡算的基准有其特点，它包含数量基准、温度基准和相态基准。
33、热量衡算的理论依据是能量守恒定律
34、化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。
或者将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。
间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作
35、化工设备从总体上分为两类：
一类称标准设备或定型设备，是成批成系列生产的设备，可以现成买到；一类称非标准设备或非定型设备，是化工过程中需要专门设计的特殊设备。
36、化工设备选用及工艺设计的一般原则
（1）合理性即设备必须满足工艺一般要求，设备与工艺流程、生产规模、工艺操作条件、工艺控制水平相适应，又能充分发挥设备的能力。
（2）先进性要求设备的运转可靠性、自控水平、生产能力、转化率、收率、效率要尽可能达到先进水平。
（3）安全性要求安全可靠、操作稳定、弹性好、无事故隐患。
对工艺和建筑、地基、厂房等无苛刻要求；劳动强度小，尽量避免高温高压高空作业，尽量不用有毒有害的设备附件附料。
（4）经济性设备投资省，易于加工、维修、更新，没有特殊维护要求，运行费用减少。
引进先进设备，应反复对比报价，考察设备性能，考虑国内消化吸收和改进利用
37、传热系数传热面两侧的传热膜系数a1、a2如相差很大时，a值较小的一侧将成为控制传热效果的主要因素，设计换热器时，应设法增大该侧的传热膜系数。
38、计算传热面积时，常以a小的一侧为准。
增加a值的方法通常是：
1缩通道截面积，以增大流速；
2增设挡板或促进产生湍流的插入物；
3管壁上加翅片，提高湍流程度也增大了传热面积；
4糙化传热表面，用沟槽或多孔表面，对于冷凝、沸腾等有相变化的传热过程来说，可获得大的膜系数。
39、管壳式换热器的设计和选用
（1）汇总设计数据、分析设计任务根据工艺衡算和工艺物料的要求、特性，获得物料流量、温度、压力和化学性质、物性参数，取得有关设备的负荷、流程中的地位与流程中其它设备的关系等数据。
（2）设计换热流程在换热设计时，应将换热的工艺流程仔细探讨，以利于充分利用热量，充分利用热源。
（3）选择换热器的材质根据介质的腐蚀性能和其他有关性能,按照操作压力,温度,材料规格和制
造价格，综合选择。
（4）选择换热器类型根据热负荷和选用的换热器材料，选定某一种类型。
（5）确定换热器中冷热流体的流向据热载体的性质，换热任务和换热器的结构，决定采用并流，逆流或错流折流等。
⑹确定和计算平均温差厶tm确定终端温差根据化学工程有关公式，算出平均温差。
（7）计算热负荷Q流体给热系数a可用粗略估计的方法，估算管内和管间流体的给热系数a1、
a2
（8）估计污垢热阻系数并初算出传热系数K利用现有各种工艺算图，将公式和经验汇集在一起，可以方便地求取K。
在许多设计工作中，K常常选取一些经验值，作为粗算或试算的依据，许多手册书籍
中都罗列出各种条件下的K的经验值。
但经验值所列的数据范围较宽，应作试算，并与K值的计算公
式结果参照比较。
（9）算出总传热面积A。
（10）调整温度差，再算一次传热面积。
在工艺的允许范围内，调整介质的进出口温度，或者考虑到生产的特殊情况，重新计算△tm。
并重新计算A值。
40、塔设备的结构设计
1）将塔器当作容器，按设计压力求其壁厚；
2）寻找危险截面，分析其危险因素；
3）将各危险因素叠加起来，进行强度和稳定性校核，对拉应力进行强度校核，对压应力，应同时满足强度和稳定条件；
4）校核地脚螺栓的个数及其直径
41、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。
42、按照国内目前的作法，化工工艺设计主要有流程设计、工艺计算（物料与热量衡算）、设备的工艺设计、车间布置和管道布置五个部分，都由工艺设计人员进行。
43、车间设备布置的要求：
设备布置设计应做到:
经济合理、节约投资、操作维修方便安全、设备排列简洁、紧凑、整齐、美观。
要做到上述各点必须充分与正确地利用有关国家标准与设计规范，
44、当管架下方为通道时，管底距车行道路路面的距离要大于4.5m；道路为主干道时要大于6m；是人行道
时要大于2.2m;管廊下有泵时要大于4m
45、
（2）通常使同方向的两层管道的标高相差1.0〜1.6m，从总管上引出的支管比总管高或低0.5〜0.8m。
在管道改变方向时要同时改变标高。
大口径管道需要在水平面上转向时，要将它布置在管架最外侧。
46、在工程设计中，对概算项目的划分是按工程性质的类别进行的，这样可便于考核工程建设投资的效果。
我国设计概算项目的划分分以下四个部分。
第一部分：
工程费用系指直接构成固定资产项目的费用。
第二部分：
其他费用系指工程费用以外的建设项目必须支付的费用。
第三部分：
总预备费包括基本预备费和涨价预备费两项。
第四部分：
专项费用
47、工程概算费用的分类1．设备购置费2．安装工程费3．建筑工程费4．其他费用
48、化工设备的选型和设计计算
物料输送设备：
液体输送设备，气体输送、压缩设备，固体搬运及粉碎设备，输送设备选择贮罐：
贮罐系列，贮罐设计
换热设备：
化工生产中的换热设备，管壳式换热器设计分离设备：
液固分离设备，气固分离设备传质设备：
板式塔和填料塔，干燥设备
化学反应器：
反应器的选型，搅拌釜式反应器
49、运用计算软件进行化工工艺计算：
概述，模拟软件的应用
50、设计任务书的内容主要包括：
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。
51、工程设计通常包括初步设计、扩大初步设计、施工图设计
52、通常干燥器选型应考虑下列因素:
（1）
产品质量
（2）
物料的特性
（3）
生产能力
（4）
劳动条件
（5）
经济性
（6）
其他要求
53.气-固分离
气-固分离需要处理的固体颗粒直径通常有一个分布，一般可采用如下分离过程：
1•利用重力沉降除去50卩m以上的粗大颗粒。
重力沉降设备投资及操作费用低，颗粒浓度越大，除尘效率越高。
常用于含尘气体的预分离，以降低颗粒浓度，有利于后续分离过程。
2•利用旋风分离器出去5卩m以上的颗粒。
旋风分离器结构简单、操作容易、价格低廉，设备适当时，除尘效率可达90%以上，但对5卩m以下颗粒的分离效率仍较低，适用于中等捕集要求、非粘性非纤维状固体的除尘操作。
3.5卩m以下颗粒的分离可选用电除尘器、袋滤器或湿式除尘器。
54•澄清液体可米用如下方法：
（1）利用连续沉降槽、过滤机、过滤离心机或沉降离心机分离不同大小的颗粒，还可加入絮凝剂或助滤剂。
55.车间布置设计的原则
1最大限度地满足工艺生产包括设备维修的要求。
2有效地利用车间建筑面积（包括空间）和土地。
3要为车间的技术经济指标先进合理以及节能等要求创造条件。
4考虑其他专业对本车间布置的要求。
5要考虑车间的发展和厂房的扩建。
6车间中所采取的劳动保护、防腐、防火、防毒、防爆及安全卫生等措施是否符合要求。
⑦本车间与其他车间在总平面图上的位置合理，力求使它们之间输送管线最短，联系最快
8考虑建设地区的气象、地质、水文等条件。
9人流物流不能交错。
56.在设备布置设计中，一般应提供以下图样。
a）设备布置图
b）首页图
c）设备安装详图
d）管口方位图
57.设备布置图的绘制步骤
（1）考虑设备布置图的视图配置。
（2）选定绘图比例。
（3）确定图纸幅面。
（4）绘制平面图。
从底层平面起逐层绘制：
5）绘制剖视图。
绘制步骤同平面图。
（6）绘制方位标。
（7）编制设备一览表，注写有关说明，填写标题栏。
58.列物料衡算式时应注意，物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量（摩尔数）平衡
59.化工车间管道布置设计的任务
（1）确定车间中各个设备的管口方位和与之相连接的管段的接口位置
（2）确定管道的安装连接和铺设、支承方式。
（3）确定各管段（包括管道、管件、阀门及控制仪表）在空间的位置。
（4）画出管道布置图，表示出车间中所有管道在平面、立面的空间位置，作为管道安装的依据。
（5）编制管道综合材料表，包括管道、管件、阀门、型钢等的材质、规格和数量。
60.计算题（每小题10分）
1）在一热交换器中用压强为136kpa的饱和蒸汽（281K焓值：
2690KJ/kg，冷凝水281K焓值452.9KJ/kg）
加热298k的空气，空气流量为1kg/s，蒸汽的流量为0.01kg/s，冷凝水在饱和温度381K下排出。
若取空气的平均比热为1.005kJ/kgk，试计算空气出口温度（热损失忽略不计）。
2）在一热交换器中用压强为136kpa的饱和蒸汽（281K焓值：
2690KJ/kg，冷凝水281K焓值452.9KJ/kg）
加热298k的空气，空气流量为1kg/s，蒸汽的流量为0.01kg/s，冷凝水在饱和温度381K下排出。
若取空
136kpa的饱和蒸汽，其焓H蒸汽.281K
气的平均比热为1.005kJ/kgk，试计算空气出口温度（压强为=2690KJ/kg，H冷凝水281K=452.9KJ/kg
热损失忽略不计）。
3）如下图所示，浓度为20%（质量百分数，下同）的KNO3水溶液以1000kg/hr流量送入蒸发器，在某温度下蒸出一部分水而得到浓度为50%的KNO3水溶液，再送入结晶器冷却析出含有4%水分的KNO3晶体
并不断取走。
浓度为37.5%的KNO3饱和母液则返回蒸发器循环处理，该过程为连续稳定过程，试求：
（1）结晶产品量P，水分蒸发量W；
（2）循环母液量R,浓缩量So
4
F=；OOOJ^/hrI_5超加
科奉'驶器含20%$0%
|
37.5%
61综合分析题或论述题（20分）
近年来，化工工艺工程已经发生了巨大变化，主要体现在两个方面：
开发新观念（如单元操作和热交换网络）
和新的分析及优化方法。
通过对化学工业的动态分析，可以看岀要进行工艺过程的变革常常会遇到很大阻力，
主要原因是化学工业具有资本密集型的特性，一旦工艺失败将造成巨大的资金损失。
因为装置费用大，常常要
运转多年。
现在许多装置都已经拥有50年的寿命，将它们进行改造、扩大能力、解决薄弱环节要比新建一
套装置便宜得多。
按此趋势分析，2020年销售的产品中约有3/4将仍由1999年运转的装置生产，但是必须改进装置性能、扩大产能和减少污染。
当然，也会有一些主要的工艺过程岀现革命性的变革，对化工生产有重
大影响，但也须经过较长时间，一般10〜20年。
因此，对2020年化工生产技术和经济起重大影响的新开发成果在今后5年内应当出现。
请结合现代过程工程的特点与化工生产过程的特点，阐述化工工艺设计新方向和化工工艺设计中必须注意的几个问题。
答题要点：
1）现代过程工程的特点：
技术密集、资金密集、人员密集。
2）化工生产过程的特点：
温度、压力、连续生产、易燃易爆、剧毒。
3）化工工艺设计新方向：
：
①降低原材料费用；②降低基本
a）建设投资；③降低能耗；④提高工艺过程灵活性和
b）降低库存；⑤不断加强工艺过程的安全性；⑥不断提高对质量的重视；⑦改善环境行为。
4）化工工艺设计中必须注意的几个问题
a）标准与规范：
概述，设计规范内容示例
b）化工过程设计优化：
优化的概念，解决优化问题的几种途径
c）安全生产：
化学物质的毒性，腐蚀性，燃烧与爆炸，噪声
d）环境保护，工业卫生，节能
62.工程施工图设计按国际常规做法分为：
工艺设计，基础设计，详细设计
63.化学工业的发展方向：
化工产品精细化和功能化；生产装置微型化和柔性化；生产过程绿色化，企业
经营信息化和国际化
64.化工工艺设计中设计环境保护的主要内容包括：
工业污染源、污染分类和排放标准，废气的主要污染源、污染分类和排放标准，废水的净化和利用，废气的净化和利用，固体废物的净化和利用，绿色化学工艺的研究和开发等。
65.厂址选择的原则是什么？
66.工厂设计需要考虑的主要指标是什么？
（1）拟建工厂的产品方案和规模；
（2）工艺流程和生产特性；
（3）工厂的项目构成；
（4）所需原材料、燃料的品种和数量，供应及运输情况；
（5）全厂年运输量；
（6）全厂职工人数；
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