期末复习题及答案 - 化工设计概论

中国石油大学（北京）远程教育学院 化工设计概论 期末复习题

一、给出下面概念和术语的定义

1、热；2、活塞流型反应器；3、管件；4、分离过程；5、温-焓图(T-H)； 6、固定床反应器；7、聚式流态化；8、传质分离过程（平衡分离过程）； 9、工艺流程示意图；10、连续过程；11、中间反应；12、速率控制分离过程； 13、逆流反应器；14、分离因子；15、化工过程；16、间歇过程；17、工艺过程阶段； 18、夹点；19、化学反应路线；20、流化床反应器；

二、单项与多项选择题

1、（ ）衡算式是化学反应过程物料衡算不能应用的。

A．总质量衡算式； B．组分质量衡算式； C．元素原子物质的量衡算式；D．元素原子质量衡算式

2、在进行过程的物料平衡计算时，对系统需要分析的内容有（ ）。

A．确定物料平衡方程式；B．确定物流约束式；C．确定设备约束式；D．确定变量 3、在温-焓图中得到热复合曲线的步骤有（ ）步骤。

A．划分温区； B．各热流温度按高到低顺序排列； C．求每个温区的总热交换量；D．画出每个温区的总物流线 4、（ ）不是化工设计的内容。

A．反应过程选择与优化；B．分离过程选择与优化； C．厂区道路规划与设计；D．化工过程系统优化 5、管道布置图包括下面（ ）图样。

A．管件图； B．管架图管道施工说明； C．蒸汽伴管系统布置图；D．管道平面布置图

6、（ ）分离过程不是速率控制分离过程。

A．膜分离过程；B．反渗透分离过程；C．冷冻干燥分离过程；D．超滤分离过程 7、间歇过程有（ ）特点。

A．生产灵活性高； B．易实现自动化； C．适合有固相的物流；D．适合生产季节性产品 8、分离过程的选择应分析分离过程的（ ）方面。 A．可行性；B．经济性；C．可靠性；D．生产规模 9、对能量过程的分析方法有（ ）。

A．能量衡算法；B．热流分析法；C．熵分析法；D．功衡算法 10、夹点之上区域不可设置（ ）。

A．热阱；B．保温器；C．热源；D．物流混合器 11、对新过程的化工设计需要进行（ ）

A．概念设计；B．装置设计；C．中试设计；D．反应设计 12、换热网络设计的目的是得到（ ）。

A．最小的公用工程量；B．最少的换热器台数； C．换热效益最大化； D．合理的公用工程量 13、（ ）分离过程是扩散分离过程。

A．渗析分离过程；B．结晶分离过程；C．超滤分离过程；D．精馏分离过程 14、能量过程的特点体现在（ ）方面。

A．能量的形式；B．能量转换；C．能量流率；D．能量传递的设施 15、（ ）不是非工艺设计的内容。

A．总图运输设计；B．公用工程设计；C．管路设计；D．土建设计 16、设备布置图的标注包括下面（ ）内容。

A．平面定位尺寸；B．设备尺寸；C．高度方位尺寸；D．安装方位标 17、化工过程的特征是过程中有（ ）。

A．中间反应；B．反应物预处理；C．最终反应；D．化学反应过程

18、在物理过程中，存在（ ）物料衡算式。

A．总质量衡算式； B．组分质量衡算式； C．总物质的量衡算式；D．元素原子质量衡算式 19、温-焓图中物流线在横座标上的投影表示（ ）。 A．温度差；B．热交换量；C．质量；D．流率 20、夹点有（ ）特性。

A．物流汇合为总物流；B．传热温差为零； C．传热面积为无限大；D．混合效果最大 21、（ ）作功方式是机械功。

A．电功；B．化学功；C．膨胀功；D．表面功 22、降低精馏过程能耗的措施有（ ）。

A．预热进料；B．减少塔板数；C．减小回流比；D．增设中间再沸器 23、采用表格法计算夹点温度和最小公用工程量的步骤有（ ）。

A．计算每个温区内的热量值；B．确定夹点温差；C．划分温区；D．计算热级联 24、化工过程整合的要求有（ ）。

A．过程的安全性；B．过程的可靠性；C．过程的环保性；D．过程的经济性 25、工艺过程阶段中不包括（ ）过程。

A．反应过程；B．分离过程；C．产物回收过程；D．能量过程 26、在进行过程的物料衡算时，必须设置基准，这些基准有（ ）。 A．能量基准；B．时间基准；C．质量基准；D．体积基准 27、气体标准状态的温度和压力是（ ）。

A．T=273.15 K；B．T=275.15 K；C．P=0.1013 MPa；D．P=1.013 MPa 28、（ ）不是连续过程具有的性质。

A．整年不间断进料； B．具有稳定的反应区间； C．产物不间断的分离；D．具有稳定的物流流率 29、简单过程物料衡算是指（ ）过程。

A．混合单元；B．循环过程；C．精馏单元；D．弛放过程 30、管道仪表流程图的图面由（ ）组成。

A．附注；B．标注；C．设备图形；D．仪表控制 31、配管工程设计的内容有（ ）方面。

A．管径的设计；B．管架的设计；C．阀件的选择；D．管路的设计 32、（ ）不是分离过程的要素。

A．分离装置；B．分离剂；C．一股多组分进料物流；D．一股单组分进料物流 33、按流态分类，流化床反应器可分为（ ）。

A．气—液—固三相流化床反应器；B．散式流化床反应器； C．鼓泡流化床反应器； D．快速循环流化床反应器 34、温-焓图中物流线左右平移时，不影响物流的（ ）性质。 A．流率；B．温度差；C质量．；D．热交换量 35、计算产物选择性需要（ ）数据。

A．流率；B．产物生成量；C．原料消耗量；D．产物与原料的关系比 36、（ ）不是车间装置布置的发展趋势。

A．露天化；B．大型化；C．集中化；D．定型化 37、化学反应过程的主要内容有（ ）方面。 A．传热；B．反应；C．流速；D．传质 38、组分混合有（ ）特点。

A．自发过程；B．△G减小的过程；C．△G增加的过程；D．△S减少的过程 39、（ ）不是管件的连接方式。

A．法兰连接；B．对焊连接；C胶粘连接．；D．螺纹连接 40、基本建设阶段有（ ）时期。

A．投资决策前时期；B．验收时期；C．投资时期；D．开工时期

三、判断题

1、综合产品评估法反映了副产品的经济性和重要性。（A．对； B．错） 2、管道的设计要考虑热膨胀和热补偿所带来的影响。（A．对； B．错） 3、化工过程都是稳态过程。（A．对； B．错）

4、新建设的化工装置在试生产前需要进行试车。（A．对； B．错） 5、泵吸入管道的设计没有要求的，可以根据情况设计。（A．对； B．错） 6、阀门的选用必须考虑流体的性质、压力、温度和阀门的材质。（A．对； B．错） 7、在设计管道管径时，对流体流速是有限制的，存在最大允许流速。（A．对； B．错） 8、描述能量“质”属性的定律是热力学第二定律。（A．对； B．错）

9、稳定流动体系是指与环境之间存在物质和能量交换的体系。（A．对； B．错） 10、能量就是能量，没有高低、优劣之分。（A．对； B．错）

11、工厂布置图包括厂区布置图和设备布置图（车间布置图）。（A．对； B．错） 12、塔的设计时一定要设计人孔或手孔。（A．对； B．错）

13、非金属管材用于腐蚀性介质，温度和压力较高的场合。。（A．对； B．错） 14、化工过程整合与优化的目的是使工艺更加完整。（A．对； B．错） 15、工艺过程费用估算的目的是确定投资额度。（A．对； B．错）

16、分离因子表征混合物在分离过程中可得到的分离程度的一种量度。（A．对； B．错） 17、对于小直径、高度大的塔应采用单排布置。（A．对； B．错） 18、封闭体系是指与环境没有物质和能量交换的体系。（A．对； B．错） 19、仪表的控制符号有图形符号、字母代号和仪表位号。（A．对； B．错） 20、夹点处内部换热最大，经济效益最大。（A．对； B．错）

21、自由度分析就是要确定过程或单元的未知量个数。（A．对； B．错） 22、化工设计是针对化工过程某个单元操作的设计。（A．对； B．错）

23、在容器的设计时，一定要设计上放空、溢流和排放设施。（A．对； B．错） 24、夹点之下不应设置任何公用工程加热器。（A．对； B．错） 25、一个化工产品只有一种反应路线来生产。（A．对； B．错）

22、B；23、A；24、A；25、B；26 B、；27、A；28 B、；29、B；30、B；31、A； 32、B；33、A；

四、简答题

1、答：在理想条件下，气液系统中组分在气相和液相之间达到平衡，并服从拉乌尔定律

p?pyi?pi0xi和道尔顿定律，即i

式中 yi，xi —— 分别为i在气相和液相中的摩尔分数；

p —— 总压；

pi —— i在气相中的分压； pi0 —— 纯液体i的蒸气压。

0在此情况下，平衡比为Ki?yi?pi

xip0因此双组分i、j的分离因子为：aij?Ki?pipKjp0jpi0，即分离因子a为i、j组分

ij?0ppj在操作温度下的饱和蒸汽压之比，也常称为相对挥发度。

2、答：泵管道布置的一般要求是①、在满足工艺要求的前提下，满足泵正常运行及维修检查的要求。②、应避免热膨胀对泵出入口管道的影响，减少管道作用在泵管嘴处的应力和力矩。③、在充分满足管道柔性的前提下，使泵出入口管道最短。④、设计出合理的泵维修检查所需的空间，使泵的管道、阀门手轮不影响维修和检查操作。

3、答：分离过程是指将一混合物转变为组成互不相同的两种或几种产品的操作。其特征是要有混合物原料、以及分离剂，和分离设施。

4、答：化学反应过程是指一种化合物或多种化合物通过化学反应，化学变化转变为另一种或几种化合物的过程。其主要内容是反应器内的反应、传质和传热。

5、答：车间设备布置的内容有（1）确定各个工艺设备在车间平面和立面位置；（2）确定某些在工艺流程图中的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、构筑物与场地的尺寸；（5）确定管道、电气仪表管线、采暖通风管道的走向和位置。 6、答：在进行化工设计时，化工设计将受到四方面的限制，分别是化工资源限制、环保限制、水资源限制、化工技术限制。

7、答：厂区布置的基本任务和要求是结合厂区的各种自然条件和外部条件来确定生产过程中各台机器设备的空间位置，以获得最合理的物料和人员的流动路线。其内容是厂房布置、车间厂房布置、车间设备布置、各工段、各设施在车间内的布置，生产控制区和生活区的布置。其要求是：满足生产、安全和发展的要求 ，以及与环境、人文的和谐。 8、答：化工设计分为3个阶段设计；分别是三阶段设计、两阶段设计和一段设计。 9、答：化工工艺过程的整合与优化的基本思路按以下步骤进行：（1）、原料到产物的反应路线选择。（2）、根据完整的工艺过程是由工艺过程阶段组成的特点，确定段数。（3）、每段中进行反应过程的优化、分离过程的优化。（4）、每段之间如何联系。（5）、确定整个工艺过程的物料衡算和能量衡算。（6）、确定整个工艺过程的操作条件，包括修正各阶段的操作条件。（7）、热交换网络的设计。（8）、通过上述几步，合成出数个工艺过程，再由经济核算，环保条件下利润至上原则，确定最优工艺过程。

10、答：配管工程设计的内容有7个方面，分别是管径的设计、管道的选材及其规格选用、接管方式的选择、管件的选用、阀件的选择、管架的设计、管道的布置。

11、答：有2大类管道布置，架空布置和地下布置。其一般要求是⑴、管道布置要符合有关的规范、标准和惯例。⑵、符合工艺专业对配管的要求。⑶、管道布置应尽量架空敷设。⑷、尽量“步步高”或“步步低”，不出现或少出现气袋和液袋。⑸、管道过人行道h≮2m，过公路≮4.5m，过铁路≮6m。⑹、管道布置不应妨碍设备、机泵和仪表的操作和维修。⑺、采用管沟敷设时，沟底应有≮2‰的坡度，在最低处设排水点。⑻、管道本身应有足够的柔性，应尽量利用管道的自然形状对热胀自行进行补偿。⑼、管道穿过墙壁、楼板及平台时，孔洞的大小≮管外径或隔热层外径加50 mm。管道不应穿过防火墙和防爆墙。⑽、除了必要的法兰或螺纹连接外，应尽可能采用焊接连接。法兰的位置应避免处于人行通道和机泵上方。输送腐蚀性介质管道上的法兰应设安全防护罩。⑾、并排布置的管道应设置合理的间距。⑿、直管段两相邻环焊缝的允许最小距离≮2.5倍焊缝厚度，且≮ 50 mm；要求消除应力时不得≮ 5倍焊缝高度，且≮ 80mm。

12、答：化工设计分为3类设计，分别是新过程的化工设计、化工过程改造的化工设计、扩建生产设计。

13、答：对工艺过程进行费用估算是由工艺设计的目标和目的所决定的。因为工艺设计的目标是选择出经济上可行的工艺过程。而工艺设计的初期，首先进行工艺过程的概念设计，即将各个单元操作基本确定下来后，按不同的组合方式，形成多个工艺过程。判断这些概念设计中哪一个更具有经济潜力，是工艺过程优化的第一步。这只有通过投资和操作费用的粗略估算才能确定。

14、答：工艺过程费用估算方法有：系数估算法和设备费用估算法。

15、答：在温-焓图上通过冷、热复合曲线的平移，首次出现的相交点，就叫夹点。夹点的特征是在夹点处，传热温差为零，传热面积无限大，系统内部换热达到最大。 16、答：进行换热网络的设计采用的是夹点原则，按照夹点的设计原则，即热量不穿过夹点，夹点以上不用冷源，夹点以下不用热源，可将换热系统分为以夹点为分界线的上、下两个子系统，接着独立设计这两个系统的换热网络，从而得到一个初始网络。最后对初始网络进行优化，目的是减少系统换热网络的回路。

17、答：原料路线选择应遵循三项原则，可靠性、经济性、合理性原则。

18、答：在进行工艺过程设计时，其设计的程序有4个重要步骤，（1）、搜集和评价资料、新方法。（2）、计算、整理关键数据。（3）、确定设计基础。（4）、过程的整合与优化。 19、答：在工艺过程的筛选和评价中，过程整合的内容有单元操作的选择，这些单元操作之间的相互连接，确定温度、压力和流率等操作条件，确定能量利用率和能量最小公用工程量，构建热交换网络，绘制过程的工艺流程图、工艺设备流程图、过程的电气控制流程图，计算固定投资和经济效益。

20、答：在化工设计中，基本上需要进行3类计算，分别是（1）、整个化工过程的物料和能量核算，确定进料组成和流率，产物和副产物的组成、流率及三废的生成量。（2）、过程中各个单元操作的物料和能量核算，确定进出该单元操作的各个物流的组成和流率，以及操作条件。（3）、确定整个化工过程，需要公用工程提供的蒸汽、水、电或其他燃料等的消耗定额和条件。

21、答：对存在化学反应的系统进行物料衡算时，基本上有4种方法，分别是直接计算法、反应速率衡算法、元素平衡法、节点衡算法。

22、答：设立计算基准，是因为可使计算简化，同时缩小计算误差，所以在物料、能量衡算过程中，应恰当地选择计算基准。基准在自由度分析时可作为已知条件。

23、答：进行能量衡算的基本程序有4步，分别是①、正确绘制系统示意图，标明已知条件和物料状态；②、确定各组分的热力学数据，如比焓、比热容、相变热等；③、选择计算基准，如与物料衡算一起进行，可选用物料衡算所取的基准作为能量衡算的基准，同时，还要选取热力学函数的基准态；④、列出能量衡算方程式，进行求解。 24、答：仪表控制点的标注由3部分组成，分别是图形符号、字母代号、仪表位号。 25、答：设备布置图的标注包括厂房建筑定位轴线的编号，建(构)筑物及其构件的尺寸，设备的名称、位号、设备在厂房建筑内的定位尺寸及其他说明等。

26、答：配管工程中管道的管径可通过3种方法得到，这3种方法是公式法，即通过公式的计算而获得；经验公式法；以及图标法，通过体积流率和流速，查阅图表而获得管径。

27、答：工业管道有4级分类法，分别是介质的压力、介质的温度、介质的性质、管道材料。

28、答：在那些需要减少设备和管道向周围环境散发或吸收热量而造成能量损失的地方、需要改善劳动保护条件和生产条件的地方、以及需要提高设备的防火等级的地方。热补偿的方法常常有两种，一种是自然补偿，另一种是采用波形补偿器来进行补偿。 29、答：管道布置图的标注有7项，它们是建筑标注（包括建筑定位轴线的编号及柱距尺寸，平台和构筑物的标高等）、设备标注、管道标注（包括管道的定位尺寸及标高、物料的流动方向和管号）、管件标注（包括管件符号、管件的位置尺寸和要求）、阀门标注（包括阀门符号、安装标高、编号和公称直径）、仪表控制点的标注、管道支架的标注。 30、答：在燃料油容器上应设计放空部件、溢流管部件、排放部件、取样接口和下降腿等部件。

五、计算题（10分）。 1、

解：画出流程方框示意图，如下图所示：

19?5e%2

总物料平衡式：

F1 + F2＝F3 + F4 组分物料平衡式： 苯平衡 F2＝0.80 F3 水平衡 0.65 Fl＝0.19 F3

醇平衡 (1-0.65) Fl＝(1-0.80-0.19) F3 + F4

对上述四个物料平衡方程，任选出3个组成一次方程组，并进行求解方程组，得：

Fl ＝ 6333 kg/h F2 ＝ 17333 kg/h F3 ＝ 21666 kg/h

2、

解：1、确定边界温度，ΔTmin=10℃/2=5℃

物流 C1 C2 H1 H2 物流温度（℃） 300 475 275 515 525 300 485 375 对应的边界温度（℃） 305 480 280 520 520 295 480 370 边界温度顺序 280 295 305 370 480 520 2、作热能阶图：

3、热量的复合 温度范围 ΔT（0C）

?CP??CP冷热 ?H?CP??T

480～520 40 －1.0 －40.0 过量 370～480 110 －1.0 －110.0 过量 305～370 65 3.0 195.0 不足 295～305 10 －1.0 － 10.0 过量 280～295 15 5.0 75.0 不足 按能量传递原则：本题夹点温度T为305 ℃和280℃或280℃ 最小热源：ΔHmin＝（－40.0－110.0+195.0）+（－10.0+75.0）

＝110.0 kW

最小冷源：ΔHmin＝0 kW 3、解：

总单元自由度分析：这是一个2进1出体系。进入体系的物流为：纯氢物流、纯苯物流，因此变量为2个；流出体系的物流为产物物流，组分为环己烷、氢和苯，变量为4个，已知条件为1个（氢气含量），物流约束方程1个；总单元物料平衡方程2个（氢和碳元素），化学反应约束方程1个；这样，总单元的总变量数为6个，已知条件1个，方程4个，自由度为1。

反应器单元的自由度分析：这是一个1进1出体系。进入体系的物流为：氢和苯的混合物，因此变量为3个，已知条件2个；流出体系的物流为反应产物物流，组分为环己烷、氢和苯，变量为4个，物流约束方程1个；反应器约束方程1个（苯转化率），物料平衡方程2个（氢和碳元素）；这样，反应器单元的总变量数为7个，已知条件2个，方程4个，自由度为1。

冷凝分离单元的自由度分析：这是一个1进2出体系。进入体系的物流为：反应产物物流，组分为环己烷、氢和苯，变量为4个，物流约束方程1个；流出体系的物流为纯氢物流、以及产物物流（组分为环己烷、氢和苯）；纯氢物流：变量为1个；产物物流（组分为环己烷、氢和苯），变量为4个，已知条件为1个（氢气含量），物流约束方程1个；物料平衡方程3个；这样，冷凝分离单元的总变量数为9个，已知条件1个，方程5个，自由度为3。 4、 解：已知：

物流 C1 C2 C3 物流温度（0C） 80 280 50 200 60 160 所以，物流温度顺序 50 60 80 160 200 280

进行热量的复合：

温度范围 ΔT（0C）

?CP冷 ?H?CP??T

50～60 10 3.0 30.0 60～80 20 3.0+2.0 100.0 80～160 80 5.0+3.0+2.0 800.0 160～200 40 5.0+3.0 320.0 200～280 80 5.0 400.0 将上述计算值，画于温焓图中，如下图所示：

280250220温度 /℃190160130100704005001000焓 /kW15002000C1C2C3冷复合曲线

5、

解：对下图的单元操作进行自由度分析：

该煤炭加氢单元有5股物流，其分析如下：

物流1：5个元素，6个变量，4个已知条件； 物流2：4个组分，5个变量，3个已知条件； 物流3：4个元素，5个变量，3个已知条件；

物流5：1个组分（氮气本题不考虑，因为它是惰性组分），2个变量，1个已知条

件；

物流4：3个元素，4个变量，1个已知条件；

这样，煤炭加氢单元总变量数22个，已知条件数12个。另外，物料约束方程有4个（因为物流4按单组分处理，它没有物流约束方程）；单元中有5个元素（灰分作为一个元素处理），因而有5个独立物料平衡方程。

所以，本单元自由度为：22-12-4-5＝1，即自由度为1，

表示本单元设计变量为1，即设定一个变量值，本单元可完全求解。

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