化工开发设计

第1页共37页化工设计简答及论述题绪论+第一章1.现代过程工程主要包括哪些内容？①过程开发：实验室研究成果→工业化；②过程设计：提供建设过程所需要的文件及图纸；③过程改善(或优化)：对已建成的过程进行优化挖潜.2.什么是化工过程开发？化工过程开发→从实验室成果到工业生产装置的成功开车和运转主要包括→过程研究，工程研究，工程设计及建设过程研究：小型工艺实验，大型冷模实验，中间实验工程研究：概念设计，经济评价，基础设计化工过程开发方法→逐级经验放大，数学模型放大3.什么是化工设计？化工设计就是将一个化工新产品、新工艺、新技术或对旧工艺的改造付诸于工业实践。提供建立化工过程所需要的全部文件和图纸。通过化工过程设计建起的化工装置，应以最经济和安全的途径，生产符合一定质量要求的产品。化工设计的内容包括：工艺流程的选择，物料及热量衡算，设备选型及尺寸计算，投资估算等等4.简述绿色化工过程工程遵循的3R原则减量化原则→Reduce；再使用原则→Reuse；再循环原则→Recycle减量化原则(Reduce)要求用较少的原料和能源投入来达到既定的生产目的或消费目的，进而到从经济活动的源头就注意节约资源和减少污染。减量化有几种不同的表现。在生产中，减量化原则常常表现为要求产品小型化和轻型化。此外，减量化原则要求产品的包装应该追求简单朴实而不是豪华浪费，从而达到减少废物排放的目的。再使用原则(Reuse)要求制造产品和包装容器能够以初始的形式被反复使用。再使用原则要求抵制当今世界一次性用品的泛滥，生产者应该将制品及其包装当作一种日常生活器具来设计，使其像餐具和背包一样可以被再三使用。再使用原则还要求制造商应该尽量延长产品的使用期，而不是非常快地更新换代。再循环原则(Recycle)要求生产出的物品在完成其使用功能后能重新变成可以利用的资源，而不是不可恢复的垃圾。按照循环经济的思想，再循环有两种情况：一种是原级再循环，即废品被循环用来产生同种类型的新产品，例如报纸再生报纸、易拉罐再生易拉罐等；另一种是次级再循环，即将废物资源转化成其它产品的原料。原级再循环在减少原材料消耗上面达到的效率要比次级再循环高得多，是循环经济追求的理想境界。第2页共37页5．化工过程开发的环节有哪些？为了解决实验室中难以解决的工业化生产过程中问题，过程开发应该主要包括下列环节：(1)资料收集：用工程观点收集和整理与过程有关的技术情报资料；(2)概念设计：进行预设计；(3)过程评价：对过程进行技术和经济评价；(4)中试：进行模拟实验和中间实验；(5)整理资料：按照工程设计的观点整理情报资料和实验结果；(6)基础设计。#什么是化工过程开发？请分析进行化工过程开发所需的环节。6.说明从实验室开发放大到工业反应过程中存在放大效应的原因。在进行开发时，主要着眼于把生产“设想”变为生产“现实”，这单靠在实验阶段取得的情报资料是不够的，因为：(1)热力学数据和反应动力学数据大多还不足以解决从小规模装置过渡到大规模的工业生产装置的所有问题；(2)副产物对反应过程和最终产品性质的影响还不够清楚；(3)在实验室里得到的产品的样品，往往是经过最有利的操作步骤而制得的，反应物也往往是采用试剂级来实验的，因此关于最终产品的特性尚不能最后定论；(4)实验室一般是在操作参数有限的范围内进行的，因此，如流体分布、温度分布等问题尚须进一步确定；(5)实验所用的材料、设备和物料与工业生产并非完全相同，而且实验时间相对较短，在实验室里一般不必考虑使用设备材料的腐蚀和产品污染的问题。基于以上原因，在实验室中虽然对过程已有一定的认识，而且有了一个设想，但对这种工艺方法放大到在工业生产规模时，技术上能否实现、装置的各部分的尺寸如何确定、构件的组成如何等问题还需进一步研究。7.中试的必要性、主要任务及中试装置设计应注意的问题必要性基础研究是原理性试验,规模小,涉及的影响因素少;而工业过程的规模大，涉及的因素多，过程复杂。通过中试可以验证放大模型或设计结果的可靠性。中试装置的主要任务(1)验证基础研究得到的规律；(2)考察从小试到中试的放大效应；(3)研究一些没有条件在实验室进行研究的影响因素；(4)进行新设备、新材料、新控制方案等的试验。中试装置设计应注意的问题中试装置的规模在满足下列条件下应尽量小：①能满足各项试验任务的要求；②不因规模小而引起设备、仪表或管件选型方面的困难。中试地点应力求选在有同类生产装置的老厂内以节省中试的原料和辅助材料费用。避免全流程试验，根据试验内容建设必要的设施。中试装置的流程和设备结构在形式上不一定要与工业装置完全相同，但必须在实质上反映工业装置的特性和规律，能得到基础设计所需的全部数据，使工业装置投产时不会出现没有预计到第3页共37页的问题。8.什么是逐级经验放大方法?简述其基本过程和基本特征。逐级经验放大在小试之后，通常需要进行规模稍大的模型试验(模试)和规模再大一些的中间工厂试验(中试)，然后才能放大到工业规模的大型生产装置。有时在没有把握时，需要经过多级的中间试验每级只放大很低的倍数。基本过程：(1)通过小试验确定反应器型式(结构变量)；(2)通过小试验确定反应器工艺条件(操作变量)；(3)通过逐级中试考察几何尺寸的影响(几何变量)。基本特征：①着眼于外部联系,不研究内部规律；②着眼于综合研究,不试图进行过程分解；③人为地规定了决策序列；④放大过程是外推的。9.什么是数学模型开发放大方法？简述其基本过程和基本特征。数学模型开发放大数学模型开发放大方法的实质就是要利用实验室获得的研究成果及前人积累的对过程物理化学规律的认识，应用化学反应工程基本理论，建立一个描述进程的物理模型，然后通过与各种实验核对，不断修正数学模型，得到的正确有效的数学模型就成为放大设计的基础，同时利用科学的实验方法作指导，提高化工开发放大过程的效率。基本过程：①小试验研究化学反应规律；②大型冷模试验研究传递过程的规律；③计算机上的综合，预测大型反应器的性能，寻找优选的条件；④中间试验检验数学模型的等效应。数学模型放大首先将工业反应器内进行的过程分解为化学反应过程和传递过程，然后分别地研究化学反应规律和传递过程规律。如果经过合理的简化，这些子过程都可能用方程表述，那么工业反应过程的性质、行为和结果就可以通过方程的联立求解获得，这一步骤，可称作为过程的综合，以表示它是分解的逆过程。基本特征：①着眼于过程的本质、机理等内在规律的认识②过程分解③过程简化④用数学模型反映过程的内在规律10．什么是化学反应过程的浓度效应和温度效应？影响化学反应速率的最主要因素是反应物料的浓度和反应温度，一般可写成：），（TCfri式中：ri—组分的反应速率；C—反应物料的浓度向量；T——反应温度。化学反应过程开发方法的核心内容，归纳起来，“三传一反”（即流体流动、质量传递、能量传递和化学反应动力学）即为数学模型方法的核心内容，工程因素通过浓度和温度对反应结果施加影响，如下图所示：第4页共37页第二章1.化工设计要达到的目标优质高产低耗安全环保或(1)技术上可行；(2)经济上有利；(3)安全上可靠；(4)环保上达标。2.化工设计有哪些类型？其中概念设计的主要工作内容是什么？化工设计的类型:概念设计、中试设计、基础设计、初步设计和详细设计。概念设计的主要工作内容：根据研究提供的概念和数据，确定流程和工艺条件以及主要设备的型式和材质、三废处理措施等，最终得出基建投资和产品成本等主要技术经济指标。3.化工设计的内部约束条件是什么？(1)技术软件的来源，技术成熟程度，价格和使用条件；(2)材料：原材料、建设材料、关键设备供应的难易程度；(3)时间：允许和需要的设计和建设时间；(4)人员：人员的素质和数量；(5)产品规格；(6)用户的具体要求；(7)建厂地区的具体情况等。4.化工设计的外部约束条件是什么？(1)政府制定的各种法律、规定和要求；(2)自然规律；(3)安全要求；(4)资源情况；(5)各种必须遵循的标准和规范；(6)经济要求：如投资限额和投资回收期。#.请分析讨论化工设计的内部约束条件和外部约束条件。5.基础设计应包括哪些主要内容。(1)设计基础(2)工艺流程说明(3)工艺流程图(物料流程图)(PFD)与物流表(4)管道及仪表流程图(带控制点管道流程图)(PID)(5)设备名称表和设备规格说明书(6)对工程设计的要求(7)设备布置建议图(主要设备相对位置图)(8)装置的操作说明(9)三废排放、处理方法等(10)自控设计说明(11)消耗定额(12)有关的技术资料、物性数据等(13)安全技术与劳动保护说明等工程因素T，C反应结果（速率、选择性）（工程问题）（动力学问题）第5页共37页6.化工设计中的“设计基础”应涵盖哪些内容？设计依据、技术来源、生产规模、年操作时间、原材料规格、辅助材料要求、产品规格及界区条件、公用工程规格等。7.年操作时间是化工设计的设计基础，请问什么是年操作时间？年操作时间的确定应从哪些方面考虑？年操作时间是指每年的自然日扣除大、中、小修和非正常停车时间后的实际生产时间，其数值随装置而异。应从以下几方面考虑：介质腐蚀性的强弱；生产过程中有无结焦、聚合现象；设备备用系数的高低；建厂地区、管理和操作水平；工艺的成熟程度。8.化工设计中的“工艺流程说明”应涵盖哪些内容？详细说明工艺生产过程，如：主要工艺特点、反应原理、工艺参数和操作条件等9.化工工艺设计主要包括哪些内容？(1)原料路线和技术路线的选择；(2)工艺过程原理；(3)工艺流程设计→物料流向和主要工艺参数；(4)工艺计算；(5)车间布置设计布置原则和说明，占地面积；(6)化工管路设计；(7)非工艺设计项目→公用工程、土建、自动控制等；(8)三废处理→来源、组成、数量和处理方法；(9)定员→岗位定员、操作制度、每班人数、总人数；(10)其它10.化工工艺设计主要包括哪些设计文件？设计文件：设计说明书；操作说明书；分析规程；设计图纸：包括工艺流程图(物料流程图)、管道及仪表流程图(带控制点管道流程图)、布置图、设备图等；附表：包括工艺设备一览表、材料汇总表等等。11.设计说明书的内容有哪些？设计依据，设计原则，产品方案，工艺过程原理和流程叙述，车间（装置）组成和生产制度原料、中间产品的技术规格，工艺计算，主要原材料、动力消耗定额及消耗量，生产控制分析，仪表和自动控制，技术保安、防火及工业卫生，车间布置，公用工程，“三废”治理及综合利用，土建，车间装置定员，概算，技术经济分析等12.设计说明书中的产品方案包括什么内容产品的名称、性质；产品的质量规格；产品规模；副产品数；产品的包装方式13.操作说明书包括哪些内容？（一）详细的流程说明(1)流程叙述：设备、管道说明流程和作用；(2)单元设备功能和特性；(3)操作和控制：操作参数的作用，控制原理，设定值（正常、高低位、报警、联锁紧急动作值），联锁系统说明。（二）预操作准备(1)安装完毕后验收的内容、时问和程序；(2)水压和气密性试验；(3)转动设备的试运转；(4)锅炉和某些特殊工艺部分的化学清洗；(5)催化剂和干燥剂的装填事项；(6)催化剂和于燥剂的预处理；(7)低温部分的干燥；(8)工业炉的烘炉；(9)氮气置换。第6页共37页（三）开停车和正常操作注意事项。（四）紧急停车说明。（五）化学品的安全处理。（六）易燃易爆物质的操作注意点。简答操作说明书的内容：（1）详细的流程说明；（2）预操作准备；（3）开停车和正常操作注意事项；（4）紧急停车说明；（5）化学品的安全处理；（6）易燃易爆物质的操作注意点等。#.设计说明书和操作说明书都是化工设计的重要技术文件，请分析讨论设计说明书和操作说明书的所应包含的内容。13-1.操作说明书中“详细的流程说明”应涵盖哪些主要内容？（1）流程叙述：设备、管道说明流程和作用；（2）单元设备的功能和特性；（3）操作和控制：操作参数的作用，控制原理，设定值→正常、高低位、报警、联锁紧急动作值，联锁系统说明13-2.操作说明书中的“预操作准备”应涵盖哪些主要内容？(1)安装完毕后验收的内容