化工优化设计复习题-湖北大学

化工设计复习题

1. 化工生产有哪些特点？

化工生产的特点有：工艺流程复杂、操作状态变化大、流体输送多、具有腐蚀性、具有毒性、易燃易爆、非标设备多。 2. 在化工设计中如何考虑安全生产？

安全生产的概念贯穿于整个化工装置建设中，除了安装、施工、操作中要考虑外．设计过程中的周密考虑能消除安全隐患，使事故损失降低到最小。在设计中，流程上要考虑的安全因素主要是避免设备和管道内介质的压力超过允许的操作压力而造成灾难性事故的发生。一般利用安全泄压装置来及时排放管道内的介质，使管道内介质的压力迅速下降。设备丑管道中采用的安全泄压装置主要有爆破片和安全阀，或在管道上加安全水封和安全放空管。

3. 工艺流程设计中主要涉及哪些问题？

确定整个流程的组成、确定每个过程和工序的组成、确定操作条件、控制方案的确定、合理利用原料及能量、制定三废的治理方法、制定安全生产措施。

4. 化工厂设计中考虑哪些全局性的问题？

厂址选择、总图布置、安全防火与环境保护、公用工程、自动控制、土建设计。 5. 一般化工厂由哪几部分组成？ 人、财、物、产、供、销。

6. 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。 7．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。

8．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。 9． 化工设计的工作程序有哪些？ 设计准备工作－方案设计－化工计算－车间布置设计－化工管路设计－提供设计条件－编制概算书及设计文件 10．车间布置设计的主要内容有哪些？

确定各个设备在车间平面与立面上的位置；确定场地与建筑物、构筑物的尺寸；确定管道、电气仪表管线、采暖通风管道的走向和位置。要求：经济合理、节约投资、操作维修方便安全、设备排列简洁紧揍整齐美观。 11．工艺流程图种类及图样内容？

工艺流程草图：物料流程、图例、设备一览表； 物料流程图：设备外形名称位号、物料表；

带控制点的工艺流程图：图形、标注、图例、标题栏。

物料管线：粗实线；辅助管道：重实线；设备外形及仪表管线：细实线

12．简述初步设计说明书的主要内容

设计依据、设计指导思想、产品方案、生产方法和工艺流程、车间组成和生产制度、原料和中间产品的主要技术规格、工艺计算、主要愿材料动力消耗定额、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、车间维修、土建资估算和资金筹措、产品成本估算、财务及经济评价。 13．简述可行性研究说明书的主要内容

总论、需求预测和拟建规模、资源原材料能源情况、厂址及建厂条件、设计方案、环保及终合利用、劳动保护安全防护、企业组织劳动定员和人员培项目实施进度的建投资估算和资金筹措、产品成本估算、财务及经济怕评价。 二、计算题

1．丙烷充分燃烧时要使空气过量25％，燃烧反应方程式为：

C3H8?5O2?3CO2?4H2O

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

1.25?5?29.76mol 其中 O26.25mol,N223.51mol

0.21烟道气中各组分的量：

C3H8 0 mol N2 23.51 mol

CO2 3?1?3mol O2 6.25?5?1.25mol

H2O 4?1?4mol

因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下

入口 出口 1 6.25 23.51 0 0 30.78 0 1.25 23.51 3 4 31.76 C3H8 O2 C3H8 O2 N2 CO2 H2O 合计 N2 CO2 H2O 合计 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

100?29.76?93.7mol

31.762. 含苯（B）和甲苯（T）等摩尔的混合液，温度60℃ ，连续加入一常压容器中，在器内混合物被加热到150℃，从器内出来的蒸汽含苯70%（摩尔）、液体含苯30%（摩尔）。计算分离每摩尔混合物所需的热量。已知苯和甲苯的热容计算式为：

Cp,B(l)?62.55?0.234T J/(mol·K) ， Cp,B(g)?74.06?0.3295T J/(mol·℃)， Cp,T(l)?181.2 J/(mol·℃)， Cp,T(g)?94.18?0.38T J/(mol·℃)。

又知苯和甲苯的在正常沸点下的汽化热分别为：

???Hv(B,80.10?C)?30.76KJ/mol，?Hv(T,110.62?C)?33.47KJ/mol。

解：以1摩尔物料为计算基准，60oC

先进行物料衡算得出分离器的液相和汽相各组分的摩尔含量为： 汽相：B=0.35 T=0.15

液相：B=0.15 T=0.35 计算各股物料的摩尔焓：

423?H?(B,l)?(62.55?0.234T)dT?13.95KJ/mol

333150?H(T,l)??181.2dT?16.31KJ/mol

60353.1150?H(B,g)??(62.55?0.234T)dT?30760??(74.06?0.3245T)dT?42.15KJ/mol

33380.10

110.62150?H?181.2dT?33470?(T,g)??(98.18?0.38T)dT?47.68KJ/mol

60110.62 (

?)?n??ii出=0.15×13.59＋0.35×16.31＋0.35×42.15＋0.15×47.68 =29.65kJ

(

?)?n??ii入

=0

=29.65-0=29.65 kJ

故Q=(

?)-?n???)?n??ii出ii入

3. 试对甲烷水蒸气转化制合成氨原料气的一段转化炉进行热量衡算。以1200标准立方米/小时进炉气（干基）计，热损失取60000kJ/h，为简化起见，转化过程仅考虑下列反应：

??1atm,25℃ CH4(g)+H2O(g)←-------→CO(g)+3H2(g) ?Hr=206.29k?/mol 催化剂

甲烷混合气的进炉组成（干基体积百分浓度）为：

CH4 21.20% H2 0.88% CO2 1.23% N2 0.59% H2O 76.10% 进炉温度为500℃,出炉温度为800℃,甲烷转化率为80%. 附:有关组分的平均热容?/(mol?℃)

组分 25~500℃ 25~800℃

解：以1小时的物料为计算基准，25oC

根据甲烷的转化率，可计算物料的确进出量结果如下表

组分 输入，m（标） CH4 H2 CO

(

254.4 10.56 0 254.4-254.4×80%=50.88 10.56+3×254.4×80%=621.12 254.4×80%=203.52 CO2 N2 H2O 3CH4 48.78 56.44 H2 29.29 29.56 CO2 45.12 48.27 CO 30.15 31.16 N2 29.97 30.85 H2O 35.75 37.53 输出，m（标） 3组分 输入，m（标） 14.76 7.08 913.2 3输出，m（标） 314.76 7.08 913.2254.4×80%=709.68 －254.410.5614.76??48.78(25=－500)＋×29.29（25－500）＋ ×45.15（25－500） n??)?ii进22.422.422.4＋

7.08913.2×29.97（25－500）＋×35.75（25－500） 22.422.46=-0.96×10kJ

(

800?25?=(50.88×56.44＋621.12×29.56＋14.76×48.27＋7.08×30.85＋709.68×37.53＋203.52×31.16) n??)?ii出22.4=1.91×10kJ

6转化的CH4量：

nCH4=254.4×80%=203.52 m3（标）

??f)203.52nCH4(???103?206.29?1.87?106kJ=

22.4?CH4 Q=???

考虑到热损失，实际提供的热为：

Q=2.82×10＋0.06×10=2.88×10kJ 4．乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：

666

?0.96?106?1.91?106?1.87?106?2.82?106kJ

1C2H4(g)?O2(g)???C2H4O(g)

2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

0 l?H2?52.2k8J/mo98f,乙烯,0 l?H2?－51kJ/mo98f,环氧乙烷,因此，0.1013Mpa，25℃下的反应热计算如下：

000?H298,?(ni?H298,r??(ni?H298,f)产物－f)反应物

1?（－51）－1?52.28＋ ＝三、选择题

1?0＝－103.3kJ/mol 21. 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 2. 设备布置图中的标高用（ A ）表示。

A、m B、cm C、mm D、都可以 3. 在工艺流程图中，设备标注为T-101b，其中T表示（ B ）。

A、一种仪表的代号 B、一种设备代号 C、一种管道代号 D、一种设备保温等级 4. 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 三个版次

5 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。 6.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1.5 m B．贮槽之间的距离不小于0.4～0.6 m C．换热器之间的距离不小于1.0 m D．塔与塔之间的距离1.0～2.0 m

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0.8～1.2 m。 7. “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0.7 m，双排泵之间一般不小于2.0 m，泵基础一般高出地面100～200 mm。

8 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0.6 m；操作设备时设备到墙的距离为0.8 m；操作平台梯子的坡度为65°；通道通行部分的最小净空为2.1 m。请问上述设计中数据正确的是（D ）。

A．① B．② C．③ D．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1.0 m，工人操作时设备与墙面的距离不小于1.0 m，操作平台梯子的坡度一般不超过45°，特殊可达到60°。 9 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

10 下面为某一压力指示仪表的标注，表示方法正确的为（A ）。

A.PI-113 B.TI-113 C.PC-113 D.PR-113 11 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 12 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。

13．计划任务书是在( B )的基础上，按照上级审定的建设方案进行编写。 A.初步设计 B.可行性研究 C. 项目建议书 D.总体设计 14．在工艺设计中采用( D)来考虑防火防爆。

A.从通风方面考虑易燃粉尘的排除。 B.合理的厂房平面和空间。 C.选用相应等级的电器仪表。 D.合适的操作物料配比。 15．下列流程图( A ) 属设计说明书必附图纸。

A．物料流程图 B.流程框图 C.工艺流程草图 D.设备结构图

16. 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、○1○2○3 B、○A○B○C C、A或B

四、应用题

试对设计某一化工产品的生产工艺流程，要求： （1） 写出设计思路；

PTA生产工艺的两步法，即以PX为原料，以醋酸钴和醋酸锰为催化剂，以溴化物为助催化剂，在醋酸溶剂中通入空气进行氧化反应使其生成TA，再将TA通过加氢反应去除其中所含杂质4-CBA，最后制得高纯度的PTA产品。 （1）PX氧化反应过程

是以PX为原料，以醋酸为溶剂，以醋酸钴和醋酸锰为催化剂，以溴化物为促进剂，在设计压力和温度条件下，通入压缩空气使其发生氧化反应，把PX氧化成TA。 （2）加氢还原精制反应过程

PX氧化过程中因副反应常有一些副产物产生，但是其中最主要的是氧化过程中的中间物4-羧基苯甲醛(4-CBA)对产品质量影响大，因为这种中间物常以TA共结晶存在，带入聚酯产品影响纤维的成纤性。因此，在PTA生产中需经在精制过程中把4-CBA加氢还原为易溶于水的甲基苯甲酸(PT酸)而分离出去。

（2） 简述工艺流程述； （一）PX氧化单元

本单元采用对二甲苯(PX)液相空气催化氧化法，生产粗对苯二甲酸(CTA)，主要包括六个子单元：空气压缩单元、进料准备单元、氧化反应单元、CTA结晶、压力过滤及溶剂置换、溶剂回收与催化剂回收单元以及R2R残渣回收单元。 （1）空气压缩单元

空压机系统由“压缩机、蒸汽透平、尾气膨胀机和电机/发电机”组成。空气经离心式空气压缩机压缩至1.75MPaG后大部分进入氧化反应器进行氧化，少部分进入第一CTA结晶器进行二次氧化。 （2）进料准备单元

来自罐区的对二甲苯(PX)、醋酸(HAC)、循环醋酸和配置好的钴－锰－溴催化剂，按照一定的流量比例经过在线混合器混合均匀后进入氧化反应器。 （3）氧化反应单元

氧化反应在设有搅拌器的氧化反应器中发生，操作压力为1.35～1.55MPaG，温度为185～200℃，氧化反应器中HAC与PX的比例为3.5左右。氧化反应所需的工艺压缩空气由空气压缩机提供，通过喷嘴送入反应器，为保证氧化反应器安全生产，反应尾气中的O2含量由在线氧分析仪连续监测记录。氧化反应中产生的热量通过醋酸溶剂和反应生成水的蒸发而移走。 （4）CTA结晶、压力过滤单元

结晶单元的主要作用是二次氧化、降压降温结晶。氧化反应器底部排出的产品浆料经过三台串联结晶器逐级降压降温，水和溶剂被蒸发、CTA 被充分结晶，分离出的CTA滤饼直接进入精制打浆罐进行打浆。 （5）溶剂回收与催化剂回收单元

氧化单元使用的醋酸溶剂大部分在系统中循环利用，只需要补充少量新鲜醋酸以抵消系统中的损耗。

母液罐主要接收压滤机的母液，90%以上进入母液回收罐，然后循环回氧化单元进料，这样可以减少新鲜催化剂补充量、减轻溶剂回收系统的负担。溶剂脱水塔采用共沸蒸馏，进料包括氧化反应器冷凝器抽出冷凝液、高压吸收塔洗涤液、常压洗涤塔洗涤液、结晶器冷凝液、溶剂汽提塔塔顶蒸汽。

（6）R2R残渣回收系统

送入R2R系统的残渣浆料，进入萃取器加热、萃取完的混合液进入过滤器，过滤掉的滤液进入第一倾析器，有机相经过溶剂蒸发器回收溶剂甲苯(循环使用)，溶剂蒸发器底部物料(主要是苯甲酸和其他重组分)进入苯甲酸塔精馏，塔顶得到高纯苯甲酸(以副产物出售)，苯甲酸塔底部物料在回收PT酸(返回至氧化母液罐)后，剩余废水收集在废水收集罐中，排入污水站进行生化处理；而从清晰器出来的水相，经过调节PH值、中和沉淀，首先过滤去除干扰金属(铁、镍等)；然后进入金属过滤器回收钴锰催化剂(返回至氧化母液罐)后，废水收集在废水收集罐中，排入污水站进行生化处理。 （二）CTA精制单元

在精制单元，将CTA溶解成水溶液，在一定的温度压力、钯-碳催化剂催化条件下，与氢气发生加氢还原反应，把杂质4-CBA转化成易溶于水的PT酸，同时多种氧化副反应杂质在高温下分解，得到的PTA浆料经过结晶、过滤和干燥处理后，得到高纯度产品PTA。 本单元主要包括五个子单元：进料制备和预热单元、加氢反应单元、结晶、过滤及干燥单元、母液回收单元、氢气回收单元。 （3） 画出工艺流程简图；

粗对苯甲酸(CAT)制作工艺流程 PX 空气 精对苯二甲酸(PTA)制作工艺流程图 氧化 析晶 分离结 晶 CAT CAT 水 溶解 还原 析晶 分离 结晶 干燥 PTA

结晶单元的主要作用是二次氧化、降压降温结晶。氧化反应器底部排出的产品浆料经过三台串联结晶器逐级降压降温，水和溶剂被蒸发、CTA 被充分结晶，分离出的CTA滤饼直接进入精制打浆罐进行打浆。 （5）溶剂回收与催化剂回收单元

氧化单元使用的醋酸溶剂大部分在系统中循环利用，只需要补充少量新鲜醋酸以抵消系统中的损耗。

母液罐主要接收压滤机的母液，90%以上进入母液回收罐，然后循环回氧化单元进料，这样可以减少新鲜催化剂补充量、减轻溶剂回收系统的负担。溶剂脱水塔采用共沸蒸馏，进料包括氧化反应器冷凝器抽出冷凝液、高压吸收塔洗涤液、常压洗涤塔洗涤液、结晶器冷凝液、溶剂汽提塔塔顶蒸汽。

（6）R2R残渣回收系统

送入R2R系统的残渣浆料，进入萃取器加热、萃取完的混合液进入过滤器，过滤掉的滤液进入第一倾析器，有机相经过溶剂蒸发器回收溶剂甲苯(循环使用)，溶剂蒸发器底部物料(主要是苯甲酸和其他重组分)进入苯甲酸塔精馏，塔顶得到高纯苯甲酸(以副产物出售)，苯甲酸塔底部物料在回收PT酸(返回至氧化母液罐)后，剩余废水收集在废水收集罐中，排入污水站进行生化处理；而从清晰器出来的水相，经过调节PH值、中和沉淀，首先过滤去除干扰金属(铁、镍等)；然后进入金属过滤器回收钴锰催化剂(返回至氧化母液罐)后，废水收集在废水收集罐中，排入污水站进行生化处理。 （二）CTA精制单元

在精制单元，将CTA溶解成水溶液，在一定的温度压力、钯-碳催化剂催化条件下，与氢气发生加氢还原反应，把杂质4-CBA转化成易溶于水的PT酸，同时多种氧化副反应杂质在高温下分解，得到的PTA浆料经过结晶、过滤和干燥处理后，得到高纯度产品PTA。 本单元主要包括五个子单元：进料制备和预热单元、加氢反应单元、结晶、过滤及干燥单元、母液回收单元、氢气回收单元。 （3） 画出工艺流程简图；

粗对苯甲酸(CAT)制作工艺流程 PX 空气 精对苯二甲酸(PTA)制作工艺流程图 氧化 析晶 分离结 晶 CAT CAT 水 溶解 还原 析晶 分离 结晶 干燥 PTA

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