化工设计习题及答案(陈声宗)

第一章 化工厂设计的内容与程序

（陈声宗 习题与思考题2010.9）

1、化工设计的种类有哪些？

答：根据项目性质化工设计可分为：新建项目设计、重复建设项目设计、已有装置的改造设计。

根据化工过程开发程序化工设计可分为：概念设计、中试设计、基础设计和工程设计；其中工程设计又包括：初步设计、扩大初步设计和施工图设计。 2、请画出化工厂设计的工作程序示意图。

3、化工厂通常由哪些部门和设施所构成？

答：化工厂通常由化工生产车间、辅助生产装置、公用工程及罐区、服务性工程、生活福利设施、三废处理设施和厂外工程等构成。

4、化工车间工艺设计的程序及主要内容有哪些？ 答：一、设计准备工作

（1）熟悉设计任务书（2）制定设计工作计划（3）查阅文献资料（4）收集第一手资料 。

二、方案设计

方案设计的任务是确定生产方法和生产流程，是整个工艺设计的基础。 三、化工计算

化工计算包括工艺设计中的物料衡算、能量衡算、设备选型与计算三个内容，其任务是在这三项计算的基础上绘制物料流程图、主要设备图和带控制点工艺流程图。

四、车间布置设计

主要任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的正确的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构型式。

五、配管工程设计

任务是确定生产流程中全部管线、阀门及各种管架的位置、规格尺寸和材料，综合权衡建设投资和操作费用。

六、提供设计条件

工艺专业设计人员向非工艺专业设计人员提供设计条件。 七、编制概算书及编制设计文件

概算主要提供了车间建筑、设备及安装工程费用。

第二章 工艺流程设计

1、化工工艺设计包括哪些内容？

答：生产方法选择，工艺流程设计，工艺计算，设备的设计与选型，设备布置，管道设计对非工艺设计提条件，设计说明书，概预算书。

2、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？ 答：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。 3、工艺流程设计的步骤有哪些？ 答：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。 4、工艺流程图的种类有哪些？

答：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。 5、某管道标注为“HW0201-150 -L1B”，表示什么意思？ 答：①HW0201-表示管道号，其中：

HW-物料代号，热水；02-工程工序编号，第02号；01-管道顺序号，第01号。 ②150 –管道尺寸（管径），公称通径150mm,。 ③L1B-管道等级，其中：

L-国内标准压力等级代号，1.0MPa； 1-顺序号，第1号； B-管道材质类别，碳钢。 6、固定床反应器温度控制形式有哪些？画出示意图。

出料TCFC空气氨气进料出料载热体出料TCTC进料出料TC进料

(a)用进料浓度控制 (b)用进料温度控制Ⅰ (c) 用进料温度控制Ⅱ (d)用冷料量控制

第三章物料衡算与热量衡算

习题1 连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数(下同)38％(wt)和甲苯62％的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97％的苯，釜残液中含苯不低于2％。进料流量为20000kg／h，求馏出液和釜残液的流量和组成。

解：苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。以下标B代表苯。

3878?0.4196 进料中苯的摩尔分数 xFB?3862?7892278?0.02351 釜残液中苯的摩尔分数 xWB?298?78926进料平均相对分子质量 M?0.419?进塔原料的摩尔流量 F?7?8?(10.4?196?)9 286.132000?232.2kmol/h 86.13依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以 DxDB?97.43?0.97?94.51kmol/h 作全塔苯的质量衡算得 FxFB?DxDB?WxWB 作全塔总质量衡算得 F?W?D 将已知数据代人上述质量衡算方程得

232.2?0.4196?94.51?0.02351 232.?2W?D 解得 W?124.2kmol/h,D?108kmol/h 所以，xDB?组分 kg/h 苯 7600 塔进料 %(wt) kmol/h %(mol) kg/h 38 97.43 134.8 232.2 41.96 58.04 100 塔顶馏出物 %(wt) kmol/h %(mol) kg/h 94.52 13.48 108 87.52 12.48 100 227.8 94.5194.51??0.8752 D108釜残液 %(wt) kmol/h %(mol) 2.0 2.92 121.3 124.2 2.35 97.65 100 7372.6 85.60 1240.2 14.40 8612.8 100 甲苯 12400 62 合计 20000 100 11159.4 98.0 11387.2 100

习题2 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?3 O2 6.25?5?1.25mol molH2O 4?1?4 mol因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下 入口 出口 C3H8 O2 1 6.25 23.51 0 0 30.78 C3H8 O2 0 1.25 23.51 3 4 31.76 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

31.76

习题3天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气的示意流程图

天然气x kmol 空气ykmol 一段 蒸汽 二段 转化炉 CO 变换 CO2 脱除 转化炉 甲烷化 合成氨 原料气 CO2 转化炉内进行烃类蒸汽转化反应，以甲烷为例，烃类蒸汽转化的反应方程式为

垐?CH4+H2O噲?CO+3H2

天然气经一段转化炉转化后继续进入二段转化炉反应，在一段转化炉出口添加空气以配合合成氨原料气中所需的氮气，同时，一段转化气中的一部分氢气遇O2燃烧供给系统热量。二段转化后再经一氧化碳变换工序使混合气中的CO大部分转化为CO2和H2，CO转化为CO2垐?和H2的方程式为CO+H2O噲?CO2+3H2，变换后的气体进入脱除CO2工序脱除CO2，再

经甲烷化工序除去残存的微量CO和CO2后作为合成氨合格原料气。 已知某厂天然气的组成为：

组分 %(mol) CH4 83.20 C2H6 10.00 C3H8 5.16 C4H10(正) 0.69 C4H10(异) 0.50 C5H12(正) 0.06 C5H12(异) 0.05 N2 0.33 CO2 0.01 合计 100 要求合成氨原料气的组成为：

组分 %(mol) H2 73.97 N2 24.64 Ar 0.31 CH4 1.08 合计 100 计算天然气的用量和空气的用量。

解：以100 kmol合成氨原料气为计算基准。 设天然气用量为xkmol，添加空气量为ykmol。 （1）作系统N2平衡

因为在天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气过程中，N2没有参加反应，它的数量在反应器的进口、出口物料中没有变化，作系统N2平衡得

0.0033x + 0.79y =24.64 (A) (2)作系统氢平衡

甲烷转化制H2的计量关系推导如下：

垐?甲烷蒸汽转化反应过程 CH4+H2O噲?CO+3H2 垐?CO变换反应过程 CO+H2O噲?CO2+3H2 垐?总过程 CH4+2H2O噲?CO2+4H2

用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制H2的计量关系通式为

CnH2n+2+2nH2O=nCO2+(3n+1)H2

因此，100kmol 天然气可提供的理论H2为

组分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10(正) C4H10(异) C5H12(正) C5H12(异) N2 CO2 合计 烃量/kmol 83.20 10.00 5.16 0.69 0.50 0.06 0.05 0.33 0.01 100 可提供的理论烃量/kmol 4 ?83.20=332.80 7 ?10.00=70 10 ?5.16=51.60 13 ?0.69=8.97 13 ?0.50=6.50 16 ?0.06=0.96 16 ?0.05=0.80 0 0 471.63 因此，xkmol天然气进料可提供的理论H2为

471.63xkmol

100氢气燃烧的反应过程 2H2+O2=2H2O 燃烧消耗的H2为

2?0.21ykmol 作系统H2平衡得

471.63x?2?0.21y?73.97?4?1.08 (B)

100

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