工艺设计及计算

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?7892进料平均相对分子质量 M?0.419?67?8?(10.4?196?)9 286.132000?232.2kmol/h 进塔原料的摩尔流量 F?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

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

mol O2 6.25?5?1.25mol CO2 3?1?3mol H2O 4?1?4因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下 入口 1 C3H8 出口 0 1.25 23.51 3 4 C3H8 O2 N2 CO2 H2O O2 N2 CO2 H2O 6.25 23.51 0 0 30.78 31.76 合计 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：

CH4 C2H6 C3H8 组分 %(mol) 83.20 10.00 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： H2 组分 %(mol) 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 烃量/kmol CH4 83.20 C2H6 10.00 C3H8 5.16 0.69 C4H10(正) 0.50 C4H10(异) 0.06 C5H12(正) 0.05 C5H12(异) N2 0.33 CO2 0.01 100 合计 因此，xkmol天然气进料可提供的理论H2为 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 0 471.63 471.63xkmol

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式中（4?1.08）是合成氨原料气的CH4折合为H2物质的量(mol)

(A) 式合(B)式联解得到

x?18.92kmol y?31.11kmol

因此，制造100kmol的合成氨原料气需加入天然气18.92kmol，一段转化炉出口需添加31.11kmol的空气。

习题4 乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：

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

2试计算0.1013MPa、25℃下的反应热。

0解：乙烯（g）的标准生成热为 ?H2?52.2k8J98f,乙烯, l/mo0环氧乙烷(g)的标准生成热为 ?H298,51kJ/mol f,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

11?（－5）－11?52.＋28?＝－0k1J03.m3o l/ ＝2习题5 乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：

1O2(g)???C2H4O(g) 2副反应 C2H4(g)?3O2(g)???2CO2(g)?2H2O(g)

主反应 C2H4(g)?反应温度基本维持在250℃，该温度下主、副反应的反应的反应热分别为

0??H523?105395kJ/kmol乙烯 0??H523?1321726kJ/kmol乙烯

乙烯的单程转化率为32％，反应的选择性为69％，反应器进口混合气的温度为210℃，流量45000m(STP)/h,其组成如下： 组分 3C2H4 N2 O2 合计 100 %(mol) 3.5 82.0 14.5 热损失按反应放出热量的5%考虑，求热载体移出的热量。 解：查得有关气体的热容数据如下： 组分 水蒸气 C2H4 O2 CO2 250℃ 假设如下热力学途径： C2H4O 103.8 N2 30.04 30.17 Cp/[kJ/(kmol?K] 210℃ 64.43 66.94 31.38 31.67 45.56 35.35 210℃下反应器入口混合气体热容

Cp?0.035?64.43?0.82?30.04?0.145?31.38?31.44kJ/(kmol?K)

250℃下反应器入口混合气体热容

Cp?0.035?64.94?0.82?30.17?0.145?31.67?31.67kJ/(kmol?K)

因此，反应器入口混合气体在210℃～250℃的平均热容为 Cp,m?(31.44?31.67)?1?31.56kJ/(kmol?K) 245000?31.56(250?210)?2.536?104kJ/h 22.44500045000?H2??0.035?0.32?0.69?(?105395)??0.035?0.32?(1?0.69)(?1321726)22.422.47 ?1.086?10kJ/h

?H??H1??H2?2.536?106?1.086?107??8.324?106kJ/h

?H1??H??H?Q2??8.324?106?(?4.162?105)??4.162?105kJ/h

由热载体移走的热量为

Q1??H?Q2??8.324?106?(?4.162?105)?7.908?106kJ/h

图样、资料为依据，根据管道布置原则和相关标准做出合理的布置设计，并绘出管道布置图。 14. 管道支架的编号含义是什么？ 答：管架由五个部分组成：

15. 管道的标注分几部分？ 答：管道布置图中的管道应标注四个部分，即管道号（管段号）（由三个单元组成）、管径、管道等级和隔热或隔声，总称为管道组合号。管道号和管径为一组，用一短横线隔开；管道等级和隔热为另一组，用一短横线隔开，两组间留适当的空隙。 16.管道布置图的比例和图幅如何定的？ 答：常用的比例有1∶30，也可采用1∶25或1∶50，但同区的或各分层的平面图,应采用同一比例。 管道布置图图幅应尽量采用A0，比较简单的也可采用A1或A2。同区的图应采用同一种图幅。图幅不宜加长或加宽。 17．管道布置图的分区原则和方法是什么？ 答：由于车间(装置)范围比较大,为了清楚表达各工段管道布置情况,需要分区绘制管道布置图时,常常以各工段或工序为单位划分区段,每个区段以该区在车间内所占的墙或柱的定位轴线为分区界线。区域分界线用双点划线表示，在区域分界线的外侧标注分界线的代号、坐标和与该图标高相同的相邻部分的管道布置图图号。 18．管道布置图的阅读步骤？ 答： (1) 概括了解 首先要了解视图关系,了解平面图的分区情况,平面图、立面剖视图的数量及配置情况,在此基础上进了一步弄清各立面剖视图在平面图上剖切位置及各个视图之间的关系。注意管道布置图样的类型、数量、有关管段图、管件图及管架图等。 (2) 详细分析，看懂管道的来龙去脉，从起点设备开始,找出这些设备所在标高平面的平面图及有关的立面剖(向)视图,然后根据投影关系和管道表达方法,逐条地弄清楚管道的来龙去脉,转弯和分支情况,具体安装位置及管件、阀门、仪表控制点及管架等的布置情况。分析图中的位置尺寸和标高,结合前面的分析,明确从起点设备到终点设备的管口,中间是如何用管道连接起来形成管道布置体系的。 19. 管道轴测图的内容有哪些？ 答：管道轴测图一般包括以下内容：

（1）管段及所属阀门、管件、仪表控制点等图形符号。（2）尺寸和标注。 （3）方向标。（4）技术要求。（5）材料表。（6）标题栏。

20. 管口方位图的视图如何画？

答：非定型设备应绘制管口方位图，采用A4图幅，以简化的平面图形绘制。每一位号的设备绘一张图，结构相同而仅是管口方位不同的设备，可绘在同一张图纸上，对于多层设备且管口较多时，则应分层画出管口方位图。用细点画线和粗实线画出设备中心线及设备轮廓外形；用细点画线和粗实线画出各个管口、鑵耳（吊柱）、支腿（或支耳）、设备名牌、塔裙座底部加强筋及裙座上人孔和地脚螺栓孔的位置。

21．管口方位图中管口表包含哪些内容？

答：在标题栏上方列出与设备图一致的管口表，表内注写各管口的编号、公称直径、公称压力、连接标准、连接面型式及管口用途等内容。在管口表右上侧注出设备装配图图号。 22．管架图的图幅、比例和主要内容有什么？

答：管架图一般采用A3或A4图幅，比例一般采用1∶10或1∶20，图面上常采用主视图和俯视图结合表达其详细结构，编制明细表说明所需的各种配件，在标题栏中还应标注该管架的代号。应注明焊条牌号，必要时，应标注技术要求和施工要求，以及采用的相关标准与规范。

23．非标准的特殊管件按什么标准绘图并且主要内容有什么？

答：应按HG 20519.20—92单独绘制详细的结构图，并要求一种管件绘制一张图纸以供制造和安装使用。图面要求和管架图基本相同，在附注中应说明管件所需的数量、安装的位置和所在图号，以及加工制作的技术要求和采用的相关标准与规范。

24．管道三维模型设计软件的主要功能有哪些？ 答：建立管道、设备、建筑结构、管道支吊架的三维模型，进行三维模型的碰撞检查和设计检查，全自动生成管道轴测图，设备及管道的平、剖面图，各类材料的统计表，进行工程项目的数据库管理，图形

库管理，模型渲染与消隐等。 25. 管道建模的主要过程包括哪些？ 答：主要过程包括： （1）严格按照管路等级驱动。（2）内置设计规则检查。（3）布置管线。 （4）管道的定位。（5）成组布管。（6）管件的自动插入。 （7）阀门的定位和插入。（8）智能编辑功能。

在看懂管道走向的基础上，在平面图（或剖面图）上，以建筑定位轴线或首层地面、设备中心线、设备管口法兰为尺寸基准，阅读管道的水平定位尺寸;在剖面图上，以首层地面为基准，阅读管道的安装标高，进而逐条查明管道位置。

由图中的平面图和A-A剖面图可知，PL0401—Φ57×3.5B物料管道从标高8.8 m由南向北拐弯向下进入蒸馏釜。另一根水管CWS0401—Φ57×3.5也由南向北转弯向下 ，然后分为两路，一路向西转弯向下再转弯向南与PL0401相交；另一路向东再向北转弯向下，然后又向北，转弯向上再向东接冷凝器。物料管与水管在蒸馏釜、冷凝器的进口处都装有截止阀。

PL0402—Φ32×3.5B管是从冷凝器下部连至真空受槽A、B上部的管道，它先从出口向下至标高6.80m处，向东1000mm，分出一路向南880mm再转弯向下进入真空受槽A，原管线继续向东1800mm又转弯向南再向下进入真空受槽B，此管在两个真空受槽的入口处都装有截止阀。

VE0401—Φ32×3.5B管是连接真空受槽A、B与真空泵的管道，由真空受槽A顶部向上至标高7.95m的管道拐弯向东与真空受槽B顶部来的管道汇合，汇合后继续向东与真空泵相接。

VT0401—Φ57×3.5B管是与蒸馏釜、真空受槽A、B相连接的放空管，标高9.40m，在连接各设备上的立管上都装有截止阀。

设备上的其他管道的走向、转弯、分支及位置情况，也可按同样的方法进行分析。

在阅读过程中，还可参考设备布置图、带控制点的工艺流程图、管道轴测图等，以全面了解设备、管道、管件、控制点的布置情况。

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