過程設(shè)備與控制(專升本)地質(zhì)大學期末開卷考試題庫及答案一、填空題1.過程設(shè)備按壓力等級分類，低壓容器的壓力范圍是（0.1MPa≤p＜1.6MPa）。答案解析：根據(jù)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對壓力容器按壓力等級的劃分標準，低壓容器的壓力就是處于0.1MPa（包含）到1.6MPa（不包含）這個區(qū)間。2.常見的換熱器類型有（管式換熱器）、（板式換熱器）、（熱管換熱器）等。答案解析：管式換熱器是通過管子壁面進行熱量交換，是應用最廣泛的一類換熱器；板式換熱器由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成，通過板片進行熱交換；熱管換熱器則是利用熱管的高效傳熱特性來實現(xiàn)熱量傳遞。3.塔設(shè)備按操作壓力可分為（加壓塔）、（減壓塔）和（常壓塔）。答案解析：加壓塔適用于需要在高于常壓條件下進行操作的工藝過程；減壓塔用于在低于常壓的壓力下操作，以降低物料的沸點；常壓塔則是在接近常壓的條件下運行。4.容器的支座可分為（立式容器支座）和（臥式容器支座），其中立式容器支座又可分為（耳式支座）、（支承式支座）、（裙式支座）和（腿式支座）。答案解析：根據(jù)容器的安裝方式分為立式和臥式支座。耳式支座一般用于中小型立式設(shè)備；支承式支座適用于小型立式容器；裙式支座常用于高大的立式塔設(shè)備；腿式支座適用于高度不大、安裝位置較高的立式容器。5.過程裝備控制中，常見的控制規(guī)律有（位式控制）、（比例控制（P））、（積分控制（I））、（微分控制（D））和（比例-積分-微分控制（PID））。答案解析：位式控制是一種最簡單的控制方式，輸出只有開和關(guān)兩種狀態(tài)；比例控制能成比例地反映偏差信號；積分控制用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分控制能根據(jù)偏差信號的變化率來提前調(diào)整控制作用；PID控制則綜合了比例、積分和微分三種控制作用的優(yōu)點。二、選擇題1.下列哪種材料不屬于金屬材料用于過程設(shè)備制造（）A.碳鋼B.不銹鋼C.玻璃鋼D.鋁合金答案：C答案解析：碳鋼和不銹鋼是常見的金屬材料，廣泛應用于過程設(shè)備的制造。鋁合金也是金屬材料，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點。而玻璃鋼是一種以玻璃纖維及其制品為增強材料，以合成樹脂為基體材料的復合材料，不屬于金屬材料。2.在列管式換熱器中，為了提高殼程流體的流速和湍流程度，強化傳熱，通常會設(shè)置（）A.折流板B.擋板C.隔板D.導流筒答案：A答案解析：折流板安裝在殼程中，能迫使殼程流體按規(guī)定路徑多次橫向通過管束，提高流體的流速和湍流程度，從而強化傳熱。擋板、隔板和導流筒在換熱器中也有各自的作用，但主要不是用于提高殼程流體的流速和湍流程度。3.對于精餾塔，回流比增大時，塔頂產(chǎn)品純度（）A.提高B.降低C.不變D.無法確定答案：A答案解析：回流比是精餾操作中的一個重要參數(shù)。當回流比增大時，塔內(nèi)的傳質(zhì)推動力增大，精餾段的分離效果增強，能夠使塔頂產(chǎn)品中輕組分的含量增加，即塔頂產(chǎn)品純度提高。4.自動控制系統(tǒng)中，被控變量是指（）A.操作者通過控制裝置所控制的那個物理量B.生產(chǎn)過程中需要保持恒定的那個物理量C.控制器的輸出信號D.干擾作用所影響的那個物理量答案：B答案解析：被控變量是生產(chǎn)過程中需要進行控制，使其保持在給定值附近的物理量。操作者通過控制裝置控制的量是操縱變量；控制器的輸出信號用于控制執(zhí)行器；干擾作用會影響被控變量，但干擾作用所影響的物理量不一定就是被控變量。5.壓力容器的安全附件中，（）是一種超壓泄放裝置，當容器內(nèi)壓力超過規(guī)定值時，能自動開啟泄壓。A.壓力表B.液位計C.安全閥D.溫度計答案：C答案解析：壓力表用于測量容器內(nèi)的壓力；液位計用于顯示容器內(nèi)的液位高度；溫度計用于測量容器內(nèi)介質(zhì)的溫度。而安全閥是一種超壓泄放裝置，當容器內(nèi)壓力超過規(guī)定值時，安全閥會自動開啟，將多余的壓力釋放出去，保證容器的安全。三、簡答題1.簡述過程設(shè)備的特點。過程設(shè)備具有以下特點：-功能多樣：過程設(shè)備在化工、石油、制藥等眾多工業(yè)領(lǐng)域中承擔著不同的功能，如反應、換熱、分離、儲存等。例如，反應釜用于進行化學反應，實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化；換熱器用于熱量的傳遞，滿足工藝過程中的加熱或冷卻需求。-操作條件復雜：過程設(shè)備常常需要在高溫、高壓、高真空、強腐蝕等惡劣的操作條件下運行。比如，石油化工中的加氫反應器，需要在高溫（可達幾百攝氏度）和高壓（可達幾十兆帕）的條件下進行加氫反應；而一些化工生產(chǎn)中使用的容器，可能會接觸到強酸、強堿等腐蝕性介質(zhì)。-安全要求高：由于過程設(shè)備處理的介質(zhì)大多具有易燃易爆、有毒有害等特性，一旦發(fā)生事故，可能會造成人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染等嚴重后果。因此，對過程設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝、使用和維護等各個環(huán)節(jié)都有嚴格的安全要求，必須遵循相關(guān)的標準和規(guī)范。-結(jié)構(gòu)形式多樣：為了滿足不同的工藝需求和操作條件，過程設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。常見的有塔式設(shè)備、臥式容器、立式容器等，每種結(jié)構(gòu)形式又有不同的設(shè)計和制造特點。例如，塔設(shè)備根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為板式塔和填料塔，它們適用于不同的分離工藝。-材料選擇嚴格：過程設(shè)備的材料需要根據(jù)操作條件和介質(zhì)特性來選擇。對于在腐蝕環(huán)境下工作的設(shè)備，要選用耐腐蝕的材料，如不銹鋼、鈦合金等；對于承受高溫高壓的設(shè)備，要選用具有良好力學性能和高溫性能的材料，如合金鋼等。2.簡述列管式換熱器的工作原理及優(yōu)缺點。工作原理：列管式換熱器主要由殼體、管束、管板、封頭、折流板等部件組成。冷、熱兩種流體分別在管程和殼程中流動，通過管子的壁面進行熱量交換。熱流體將熱量傳遞給管子內(nèi)壁，通過管壁的熱傳導，再將熱量傳遞給管子外壁的冷流體，從而實現(xiàn)熱量的傳遞。優(yōu)點：-傳熱效率高：由于管束的存在，增加了傳熱面積，同時折流板的設(shè)置可以使殼程流體形成湍流，提高了傳熱系數(shù)，從而提高了傳熱效率。-結(jié)構(gòu)緊湊：在相同的傳熱面積下，列管式換熱器的體積相對較小，占地面積少。-適應性強：可以根據(jù)不同的工藝要求和操作條件，選擇不同的管徑、管長、管束排列方式和折流板形式，適用于各種流量、溫度和壓力范圍的熱交換過程。-制造工藝成熟：列管式換熱器的制造工藝已經(jīng)非常成熟，易于制造和維修，成本相對較低。缺點：-清洗困難：對于一些易結(jié)垢的介質(zhì)，管束內(nèi)部和殼程的清洗比較困難，可能會影響傳熱效率。-溫差應力較大：當冷、熱流體的溫差較大時，管束和殼體之間會產(chǎn)生較大的溫差應力，可能會導致設(shè)備損壞。為了消除溫差應力，需要采用一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如膨脹節(jié)等，增加了設(shè)備的復雜性和成本。-占地面積相對較大（大型設(shè)備）：對于大型的列管式換熱器，雖然其結(jié)構(gòu)相對緊湊，但由于設(shè)備尺寸較大，仍然需要較大的占地面積。3.簡述塔設(shè)備的主要作用及分類。主要作用：塔設(shè)備是化工、石油等工業(yè)中廣泛使用的氣液或液液傳質(zhì)設(shè)備，主要用于精餾、吸收、解吸、萃取等分離過程。在精餾過程中，塔設(shè)備可以將混合液分離成不同沸點的組分，得到高純度的產(chǎn)品；在吸收過程中，塔設(shè)備可以使氣體中的某些組分被液體吸收，從而達到凈化氣體或回收有用組分的目的。分類：-按操作壓力分類：-加壓塔：操作壓力高于常壓，適用于一些需要在高壓下進行的分離過程，如石油化工中的加氫精制塔。-減壓塔：操作壓力低于常壓，用于分離沸點較高或熱敏性的物質(zhì)，如原油減壓蒸餾塔。-常壓塔：操作壓力接近常壓，是最常見的塔設(shè)備類型，廣泛應用于各種化工生產(chǎn)過程。-按內(nèi)件結(jié)構(gòu)分類：-板式塔：塔內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔板，氣液兩相在塔板上進行傳質(zhì)和傳熱。板式塔具有效率高、操作彈性大、造價相對較低等優(yōu)點，常見的板式塔有篩板塔、浮閥塔、泡罩塔等。-填料塔：塔內(nèi)填充有各種類型的填料，氣液兩相在填料表面進行傳質(zhì)和傳熱。填料塔具有結(jié)構(gòu)簡單、壓降小、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點，適用于處理腐蝕性介質(zhì)和熱敏性物質(zhì)，常見的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)等。4.簡述過程裝備控制的基本要求。過程裝備控制的基本要求主要包括以下幾個方面：-安全性：這是過程裝備控制最基本的要求。要確保設(shè)備在運行過程中不會發(fā)生超壓、超溫、泄漏等安全事故，保障操作人員的生命安全和設(shè)備的正常運行。通過設(shè)置各種安全保護裝置和控制策略，如安全閥、液位報警、溫度聯(lián)鎖等，對設(shè)備的運行參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制，一旦出現(xiàn)異常情況，能夠及時采取措施進行處理。-穩(wěn)定性：過程裝備需要在一定的工況下穩(wěn)定運行，被控變量應保持在給定值附近，波動范圍在允許的誤差之內(nèi)。例如，在精餾塔的控制中，塔頂和塔底產(chǎn)品的組成需要保持穩(wěn)定，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。為了實現(xiàn)穩(wěn)定性控制，需要采用合適的控制算法和控制器，對干擾因素進行及時補償。-準確性：控制過程要能夠準確地跟蹤給定值的變化，使被控變量盡可能接近給定值。在一些對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的生產(chǎn)過程中，如制藥、電子等行業(yè)，對控制的準確性要求非常嚴格。通過提高測量儀表的精度、優(yōu)化控制算法和調(diào)整控制器參數(shù)等方法，可以提高控制的準確性。-快速性：當系統(tǒng)受到干擾或給定值發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)應能夠迅速做出響應，使被控變量盡快恢復到給定值或跟蹤新的給定值。例如，在化學反應器的控制中，當原料流量或溫度發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)需要快速調(diào)整操作參數(shù)，以保證反應的正常進行。四、計算題1.有一臥式圓柱形儲存容器，內(nèi)徑$D_i=2m$，長度$L=5m$，設(shè)計壓力$p=1.0MPa$，材料為Q235-B，許用應力$[\sigma]^t=113MPa$，焊接接頭系數(shù)$\varphi=0.85$，厚度附加量$C=2mm$。試計算該容器筒體的壁厚。解：根據(jù)內(nèi)壓圓筒壁厚計算公式$\delta=\frac{pD_i}{2[\sigma]^t\varphi-p}+C$將已知數(shù)據(jù)代入公式：$p=1.0MPa$，$D_i=2m=2000mm$，$[\sigma]^t=113MPa$，$\varphi=0.85$，$C=2mm$$\delta=\frac{1.0\times2000}{2\times113\times0.85-1.0}+2$$=\frac{2000}{192.1-1.0}+2$$=\frac{2000}{191.1}+2$$\approx10.47+2$$=12.47mm$根據(jù)鋼板的規(guī)格，將壁厚圓整為$\delta=14mm$。2.某列管式換熱器，熱流體進口溫度$T_1=120^{\circ}C$，出口溫度$T_2=80^{\circ}C$；冷流體進口溫度$t_1=20^{\circ}C$，出口溫度$t_2=60^{\circ}C$。試分別計算并流和逆流時的平均溫差。解：（1）并流時：$\Deltat_1=T_1-t_1=120-20=100^{\circ}C$$\Deltat_2=T_2-t_2=80-60=20^{\circ}C$根據(jù)并流平均溫差計算公式$\Deltat_{m}=\frac{\Deltat_1-\Deltat_2}{\ln\frac{\Deltat_1}{\Deltat_2}}$$\Deltat_{m}=\frac{100-20}{\ln\frac{100}{20}}$$=\frac{80}{\ln5}$$\approx\frac{80}{1.609}$$\approx49.7^{\circ}C$（2）逆流時：$\Deltat_1=T_1-t_2=120-60=60^{\circ}C$$\Deltat_2=T_2-t_1=80-20=60^{\circ}C$根據(jù)逆流平均溫差計算公式$\Deltat_{m}=\frac{\Deltat_1-\Deltat_2}{\ln\frac{\Deltat_1}{\Deltat_2}}$，當$\Deltat_1=\Deltat_2$時，$\Deltat_{m}=\Deltat_1=\Deltat_2=60^{\circ}C$五、論述題1.論述過程設(shè)備在化工生產(chǎn)中的重要性及發(fā)展趨勢。重要性：-實現(xiàn)化工工藝過程：化工生產(chǎn)涉及各種化學反應、物理分離等過程，過程設(shè)備是實現(xiàn)這些工藝過程的關(guān)鍵載體。例如，反應設(shè)備可以為化學反應提供合適的反應條件，使反應物能夠充分反應生成所需的產(chǎn)物；分離設(shè)備可以將反應后的混合物分離成不同的組分，得到純凈的產(chǎn)品。沒有合適的過程設(shè)備，化工生產(chǎn)就無法正常進行。-保證產(chǎn)品質(zhì)量：過程設(shè)備的性能和運行狀況直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。精確的溫度、壓力、流量等控制可以確?；瘜W反應的選擇性和轉(zhuǎn)化率，從而提高產(chǎn)品的純度和質(zhì)量。例如，在精餾塔中，通過精確控制回流比和塔板效率，可以得到高純度的產(chǎn)品。-提高生產(chǎn)效率：先進的過程設(shè)備可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。高效的換熱器可以提高熱量的傳遞效率，減少能源消耗；大型的反應設(shè)備和連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備可以提高生產(chǎn)能力，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。-保障生產(chǎn)安全：化工生產(chǎn)中涉及的介質(zhì)大多具有易燃易爆、有毒有害等特性，過程設(shè)備的安全性至關(guān)重要。合理的設(shè)計、制造和維護過程設(shè)備，可以防止泄漏、爆炸等安全事故的發(fā)生，保障操作人員的生命安全和生產(chǎn)的正常進行。發(fā)展趨勢：-大型化：隨著化工生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，對過程設(shè)備的大型化需求越來越高。大型設(shè)備可以提高生產(chǎn)能力，降低單位產(chǎn)品的投資和運行成本。例如，大型的反應釜、精餾塔和儲罐等設(shè)備的應用越來越廣泛。-高效化：提高過程設(shè)備的傳熱、傳質(zhì)和反應效率是未來的發(fā)展方向。通過采用新型的傳熱材料、高效的填料和塔板等技術(shù)，可以提高設(shè)備的性能，降低能源消耗。-智能化：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，過程設(shè)備的智能化程度越來越高。采用先進的傳感器、控制器和自動化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)測、故障診斷和優(yōu)化控制，提高設(shè)備的運行可靠性和生產(chǎn)效率。-綠色化：環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展是當今社會的重要主題，過程設(shè)備的綠色化發(fā)展也越來越受到關(guān)注。采用綠色材料、優(yōu)化工藝過程和減少廢棄物排放等措施，可以降低對環(huán)境的影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。-集成化：將不同功能的過程設(shè)備進行集成，形成一體化的生產(chǎn)系統(tǒng)，可以提高生產(chǎn)的連續(xù)性和自動化程度，減少占地面積和投資成本。例如，將反應、分離、換熱等設(shè)備集成在一起，實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。2.論述過程裝備控制在工業(yè)生產(chǎn)中的作用及常見的控制策略。作用：-保證生產(chǎn)安全：過程裝備控制可以實時監(jiān)測設(shè)備的運行參數(shù)，如壓力、溫度、液位等，當這些參數(shù)超過安全范圍時，控制系統(tǒng)會自動采取措施，如報警、停車等，避免發(fā)生安全事故。例如，在壓力容器中設(shè)置壓力傳感器和安全閥，當壓力過高時，安全閥會自動開啟泄壓，保證容器的安全。-提高產(chǎn)品質(zhì)量：通過精確控制工藝參數(shù)，如溫度、流量、濃度等，可以使生產(chǎn)過程在最佳條件下進行，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。例如，在化工生產(chǎn)中，精確控制反應溫度和物料流量可以提高化學反應的選擇性和轉(zhuǎn)化率，得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。-提高生產(chǎn)效率：過程裝備控制可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化和優(yōu)化，減少人工干預，提高生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，從而提高生產(chǎn)效率。例如，采用先進的控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)設(shè)備的自動啟停、自動調(diào)節(jié)和自動報警等功能，減少生產(chǎn)過程中的故障和停機時間。-降低生產(chǎn)成本：合理的控制策略可以優(yōu)化生產(chǎn)過程，降低能源消耗和原材料的浪費，從而降低生產(chǎn)成