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石河子大学化学化工学院 《化工过程模拟》 Aspen Plus上机练习

【Mixers/Spliters】

【1.1】将1200 m3/hr的低浓甲醇（甲醇20%mol，水80%mol，30?C，1 bar）与800 m3/hr的高浓甲醇（甲醇95%mol，水5%mol，20?C，1.5 bar）混合。求混合后的温度和体积流量。(Mixer)(物性方法：NRTL) 【1.2】将1500kmol/hr的甲苯溶液（含苯2%mol）等摩尔地分流为两股流体，求每股物流的密度及焓值。(物性方法：NRTL)

【1.3】请建立以下过程的Aspen Plus 仿真模型：(物性方法：NRTL)

1) 将 1000 m3/hr 的低浓酒精（乙醇30%w，水70%w，30°C，1 bar ）与700 m3/hr的高浓酒精（乙醇95%w，水5%w，20°C，1.5 bar）混合；

2) 将混合后物流平均分为三股； 3) 一股直接输出； 4) 第二股与 600 kg/hr 的甲醇溶液（甲醇98%w，水2%w，20°C，1.2 bar）混合后输出； 5) 第三股与 200 kg/hr 的正丙醇溶液（正丙醇90%w，水10%w，30°C，1.2 bar）混合后输出。 求：三股输出物流的组成（摩尔分率与质量分率）和流量（摩尔流量及体积流量）分别是多少？ 【1.4】请采用适当的方法进行以下过程的仿真分析：(物性方法：NRTL) 1）将400 °C，3 bar 下的1000 m3/hr 水蒸气、1000 m3/hr 二氧化碳和1000 m3/hr甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。 2）将400 °C，30 bar 下的1000 m3/hr 水蒸气、1000 m3/hr 二氧化碳和1000 m3/hr甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。 3）将400 °C，300 bar 下的1000 m3/hr 水蒸气、1000 m3/hr 二氧化碳和1000 m3/hr甲醇等压混合，求混合气体的温度和体积流量。

【Separators】 【2.1】对于含等摩尔的正戊烷和正己烷的溶液，试计算：（1）120℉下的露点压力;（2）1atm下的泡点温度;（3）120℉,0.9atm时的气相分率,气相和液相中正戊烷的摩尔分率。(物性方法：SRK) 【2.2】将150oF和202 psia状态下进入蒸发器的液体45 mol %汽化，假设蒸发器产物的压力为200psia。采用Soave-Redlich-Kwong状态方程。用过程模拟软件确定所需的能量，各组分含量如下： lbmol/hr 物质 丙烷 正-丁烷 正-戊烷 250 400 350 【2.3】下列物流离开精馏塔，其状态是138psia和197.5℉。如果压力被降低（绝热）到51psia，气相分率和温度为多少？(物性方法：RK) 组分 丙烷 异丁烷 正丁烷 异戊烷 正戊烷 流量（lb mol/h） 1.00 297.00 499.79 400.00 500.00 【2.4】使用Redlich-Kwong状态方程求取56atm和450K时氨气的摩尔体积。

【2.5】设有下列离开甲醇反应器的混合物：CO，100kmol/h；H2，200kmol/h；甲醇，100kmol/h。该气体处于100atm和300℃，试计算其比容和三组分的K值。分别采用理想气体定律、Redlich-Kwong状态方程、Redlich-Kwong-Soave状态方程，比较三个结果。

【2.6】选用合适的热力学模型估算两种丁烷异构体和四种丁烯异构体在223.5℉、276.5psia时的平衡常数Ｋ值，并将计算值与下列实验测量值（表 2.6）进行比较。假设物料的组成均为等摩尔比组成。

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表 2.6

组分

Isobutane Isobutene n-Butane 1-Butene

Trans-2-Butene Cis-2-Butene Ｋ值 1.067 1.024 0.922 1.024 0.952 0.876

表2.7

组分 H2 CH4 C6H6 C7H8

摩尔分率 0.3177 0.5894 0.0715 0.0214

【2.7】甲苯加氢去烷基C7H8?H2?C6H6?CH4是在高温高压下进行，过量的Ｈ2用于防止芳烃裂解生成轻质气体。实际操作中，甲苯的单程转化率仅70％，为了分离和循环氢气，反应器出来的热态流出物（5597kmol/h at 3448kpa and 408.2K）在闪蒸器中分离产物时被分凝至322Ｋ。如果反应器流出物的组成如表2.4所列，且闪蒸器的压力为3344kpa，计算离开闪蒸器的物料组成和气、液两相的流量以及闪蒸器的热负荷。比较使用不同的热力学模型时计算结果（包括闪蒸器Ｋ值、焓、熵变化）有何不同？ 使用三种热力学模型：S-R-K模型、P-R模型、L-K-P模型。 【2.8】500psia、950℉时在催化反应器内进行甲苯歧化生成苯和二甲苯的反应:2C7H8?C6H6?C8H10，由于回收热量，反应器生成物料被一系列热交换器冷却至235℉（此时压力为490psia）。物料继续在换热器中被冷却水冷却并部分冷凝至100℉、485psia，生成的气液两相混合物进入一闪蒸器中进行两相分离。针对以下反应器出口物料的组成，在过程模拟软件中分别使用S-R-K、P-R模型计算气液两相中各物质的流量，各物质的平衡常数以及冷却水的传热速率，比较不同热力学模型计算的结果。 组分 H2 CH4 C2H6 Benzene Toluene p-Xylene 反应器出口流量 （lbmol/h） 1900 215 17 577 1349 508 【2.9】流量为 1000 kg/hr、压力为 0.11 MPa、含乙醇 70 %w、水30 %w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比（摩尔）=1/3。求离开冷凝器的汽、液两相的温度和组成。 【2.10】F=1000 kg/hr、P= 0.8 MPa、T=100 ℃含乙醇70 %w、水30 %w 的物流与F=500 kg/hr 、P= 0.6 MPa、T=70 ℃含正己烷60%、乙醇40 %w 的物流在闪蒸器中混合并绝热闪蒸到P= 0.11 MPa 。轻液相在汽相中的液沫夹带率为5%，重液相在汽相中的液沫夹带率为1%。求离开闪蒸器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。分别设置乙醇和己烷为关键组份，观察输出结果有什么变化。 【2.11】流量为 1000 kg/hr、压力为 0.11 MPa、含乙醇 30 %w、正己烷 30%w、水 40 %w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比（摩尔）=1/9。求离开冷凝器的汽、液、液三相的温度、质量流量和组成。 【2.12】用水（P= 0.15 MPa、T=25 ℃） 从含乙醇40 %w、正己烷60%w 的混合液（F=1000 kg/hr、P= 0.15 MPa、T=25 ℃）中回收乙醇，要求乙醇的回收率达到97%。(1)求：需要的水流量，以及水相和有机相的组成。(2)求乙醇分离效率为0.9时需要的水流量和萃取相组成。

【2.13】流量为 1000 kg/hr、压力为 0.2 MPa 温度为 20℃、含丙酮 30%w、水 70 %w的物料进行部分蒸发回收丙酮，蒸发器热负荷为 250 kW。分析液沫夹带对汽相丙酮分率和丙酮回收率的影响。

【2.14】流量为 1000 kg/hr、压力为 0.2 MPa 温度为20℃ 、含丙酮 30%w、水 70%w的物料进行部分蒸发回

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收丙酮，求丙酮回收率为90%时的蒸发器温度和热负荷以及汽、液两相的流量和组成。

【2.15】把F=500 kg/hr、P= 0.15 MPa、T=20 ℃含乙醇 30 %w、正丙醇 20%w、正丁醇 10%w、水 40 %w的物流分成四股输出物流，各组份在输出物流中的分配比例为：

乙醇 0.96 : 0.02 : 0.01 : 0.01 正丙醇 0.01 : 0.95 : 0.02 : 0.02 正丁醇 0.01 : 0.05 : 0.92 : 0.02 水 0.01 : 0.02 : 0.03 : 0.94 求输出物流组成。

【2.16】从F= 500 kg/hr、P= 0.15 MPa、T= 20℃、含乙醇 60 %w、正丙醇 25%w、正丁醇 15 %w 的物流中回收乙醇，要求：乙醇浓度达到 98%w、正丁醇含量不大于 1%w;乙醇回收率达到 95%。 (1)求输出物流的组成和流量。(2)如果分离过程是在精馏塔中实现，塔顶出料是 0.11 MPa 的饱和蒸汽，塔底出料是 0.13 MPa 的饱和液体，求输出物流的温度和体积流量。 【2.17】采用膜分离装置制取富氧空气。原料空气 T = 30℃、 P = 1.013 bar、F = 500 kmol/hr，经压缩机加压到 4.5 bar后进入膜分离组件，出口压强 1.1 bar。已知膜分离组件的性能与进、出口压差及进口流量的关系由下式描述：

FrichFfeed?0.11?P0.5(yO2yN2)rich?1.1(FrichFfeed)?0.35(yO2yN2)poor求富氧空气的氧浓度和体积流量，及其与进口压强的关系。

【Heat Exchangers】 【3.1】(1) 温度20℃、压力0.41 MPa、流量4000 kg/hr 的软水在锅炉中加热成为0.39 MPa的饱和水蒸气进入生蒸汽总管。求所需的锅炉供热量。 (2) 流量为1000 kg/hr （0.4 MPa ）的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度 100 ℃（0.39 MPa），求过热蒸汽温度和所需供热量。 (3) 流量为 1000 kg/hr、压力为 0.11 MPa、 含乙醇70 %w、 水30 %w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比（摩尔）=1/3。求冷凝器热负荷 【3.2】在由氯气和乙烯生产氯乙烯的过程中，从高温裂解炉出口的物流中含有58300 lb/h的HCl，100000 lb/h的氯乙烯，105500 lb/h的1,2-二氯乙烷，温度为500℃，压力为26atm。在进入精馏工序之前，要通过冷却和冷凝使该物流温度降至6℃，压力降至12atm。设该过程以三步完成：（1）26atm下在换热器1中冷却至露点温度；（2）经由一阀门绝热膨胀到12atm；（3）12atm下在换热器2中冷却至6℃。试确定每个换热器的热负荷。 【3.3】流量为 100 kg/hr、压力为 0.2 MPa、温度为20 ℃的丙酮通过一电加热器。当加热功率分别为 2 kW、5 kW、10 kW 和 20 kW 时，求出口物流的状态。 【3.4】求压力为 0.2 MPa，含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w 的混合物的泡点和露点。 【3.5】用1200 kg/hr饱和水蒸汽 (0.3 MPa)加热2000 kg/hr 甲醇 (20 ℃、0.3 MPa)。离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28 MPa、过冷度为2 ℃。换热器传热系数根据相态选择。(1)求甲醇出口温度、相态、需要的换热面积。 (2)对上例选用下述换热器进行详细核算：外壳直径：325 mm ， 公称面积：10 m2，管长：3 m ，管径：? 19?2 mm ，管数：76 ，排列方式：正三角，管程数：2 ，壳程数：1，折流板间距：150 mm ，折流板缺口高度：79 mm

【3.6】流程简述（流程见下图）：

1、20℃、0.1013MPa、2000kg/hr 流量的软水用冷水泵（1）加压到0.41MPa 后与同样压力的循环冷凝水混合后进入锅炉（2），加热成为0.4MPa 的饱和水蒸气进入生蒸汽总管；

2、生蒸汽的10%被分流送到空气加热器（3）加热空气。冷空气参数为10℃、0.11MPa、5000m2/hr。离开空气加热器的蒸汽冷凝水压力为0.38MPa、过冷度为2℃。换热器传热系数为100W/m2.K。

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3、剩余生蒸汽的10%被分流送到乙醇加热器（4）加热乙醇水溶液。冷乙醇水溶液参数为20℃、0.11MPa、乙醇含量70%W,流量1000kg/hr。离开乙醇加热器的蒸汽冷凝水压力为0.38MPa、过冷度为2℃。换热器传热系数为300W/m2.K。

4、1000kg/hr 生蒸汽被送到蒸汽过热器（5）加热到过热度100℃（压力0.38MPa）。 5、空气加热器和乙醇加热器排出的冷凝水混合后用热水泵（6）加压到0.41Mpa 循环到锅炉供水系统。 求：

1、热空气的温度，空气加热器的传热面积和热负荷； 2、热乙醇的温度和蒸汽分率，乙醇加热器的传热面积和热负荷； 3、过热蒸汽的温度，蒸汽过热器的热负荷； 4、锅炉热负荷和富余蒸汽流量； 5、如果要求将乙醇刚好加热到泡点温度，则乙醇加热器的传热面积及加热蒸汽流量应为多少？ 6、参考《化工工艺设计手册（上）》中的固定管板式换热器参数，为空气加热器和乙醇加热器选择合适的换热器规格型号（可调整换热管数目），并核算两个换热器的设计余量是多少。 【3.7】为了把流量为60000 lb/h、压力为150 psia的丙酮从250℉冷却到100℉，需要设计一热交换系统。可以用需要加热的醋酸为冷却剂，其流量为185000 lb/h，温度为90℉，压力为75psia。现有四台单壳程双管程的管壳式换热器，每台的壳体内径均为21.25 in，装有270根3/4 in外径、14BWG、16ft长的碳素钢管，以1in的管心距正方形排列于管板上。壳程圆缺形挡板切除率为25％，板间距为5 in。试确定应当采用上述的一台还是多台换热器完成此换热任务。请注意若采用两台、三台或四台串联操作时，分别与采用双壳程四管程、三壳程六管程、四壳程八管程换热器等效。如果上述换热器不适用，请设计适用的一台或一组换热器。设污垢因子为0.004(h2ft2℉)/Btu。 【3.8】拟设计一台微加热器（trim heater），用来把57％（wt）乙烷、25％（wt）丙烷、18%（wt）正丁烷，流量为116000 lb/h的混合液从80℉加热到96℉，该液体进入换热器时的压力为520psia，要求在换热器内其温度不得达到泡点。现拟用汽油来进行加热，汽油的进口温度为240℉，压力为95psia，流量为34000 lb/h。公司的常规做法时采用单壳程双管程的管壳式换热器，所用的管子为3/4in直径、16BWG的碳素钢管，管长20ft，管心距为1in，正方形排列。管子根数由壳体内径决定，可获得的壳体内径如下表所示。 壳体内径（in） 10 12 13.25 15.25 17.25 19.25

管子数 52 78 96 136 176 224

汽油走管程，假定总污垢因子为0.002(h2ft2℉)/Btu，试设计一个合适的热交换系统。

【Pressure Changers】

【4.1】一压缩机将压强为 1.1 bar 的空气加压到 3.3 bar，空气的温度为 25 °C，流量为 1000 m3/h。压缩机的

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多变效率为 0.71，驱动机构的机械效率为 0.97。求：压缩机所需要的轴功率、驱动机的功率以及空气的出口温度和体积流量各是多少？（压缩机）

【4.2】某甲苯加氢脱烷基过程中，75℉、30psia、25000 lb/h的甲苯原料液用泵把压力升高到570psia。用ProII计算在两种效率下的泵的容量（以gpm表示）、泵的压头（以英尺甲苯液柱表示）、泵出口液体温度、泵所需实际功率（BHp）：（1）泵效率为100%；（2）泵效率为75％。

【4.3】某流量为5000kmol/h、温度为25℃、压力为1500kPa的天然气物流含甲烷90%，乙烷7%，丙烷3%。现将该气体通过一阀门绝热膨胀至压力为300kPa。若用以下的设备代替上述阀门，试用过程模拟软件确定气体出口温度和回收的功率：（1）等熵的膨胀透平；（2）等熵效率为75%的膨胀透平。

【4.4】液态氧储存在温度为-298℉、压力为35psia的氧气储槽内。现欲用本将该液态氧以100 lb/s的流量升压至300psia。储槽中液面比泵高出10ft，从储槽到泵吸入口的摩擦损失和加速度损失均忽略不计。设泵的效率为80％，试计算：（1）BHp（2）泵出口处氧的温度；（3）可获得的NPSH（泵进口液体压力与该处液体蒸气压的差值）。

【4.5】设计一组带中间冷却器的压缩机系统，把含有95％（mol）氢气、5%（mol）甲烷，流量为600 lb/h、温度为75℉的混合气从20psia压缩到600psia，假定单级压缩机出口温度的最高值为400℉，压缩机的效率为80%，并设中间冷却器的气体温度为120℉，试计算每一级压缩机的BHp和每一中间冷却器的热负荷（以Btu/h表示）。 【4.6】过热蒸汽压力为800psia，温度为600℉，流量为100000 lb/h，现拟通过膨胀将其压力降为150psia。试用模拟软件计算下述三种情况的出口温度、相态和回收的Hp：（1）绝热膨胀阀；（2）等熵膨胀的透平；（3）等熵效率为75%的膨胀透平。

【4.7】将压力为300psia、温度为150℉的丙烷气体送入效率为80％的膨胀透平，若丙烷气体一点也不冷凝，问其能达到的最低出口压力为多少？

提示：可首先选用Flash模型计算该股气体的露点温度（136.7℉），然后使用Expander模型假设出口压力为某一值进行试差计算，当出口温度达到该露点温度时的出口压力即为所求值。（这样做可以吗？？？？） 【4.8】将 20°C 的水从蓄水池输送到高位水池，环境地理位置如图4.8所示：

输送管道采用φ13334 的无缝碳钢管。所用离心泵的特性参数如下表；

泵出口安装一只 V500 系列的等百分比流量截止阀（Globe Valve）调节输送流量。计算以下数据： 1） 最大输送流量（m3/hr）及相应的轴功率。 2） 阀门开度为 20%时的流量及相应的轴功率。

图4.8 图4.9

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8综合题：

8.1 甲苯加氢脱烷基过程－分离部分 处于100℉和484psia的下列物流由两个精馏塔分离为指定的产品。考察如图所示的两种不同的精馏顺序。在直接顺序中，阀A和D打开，B和C关闭，产品1（H2和CH4）由第一个精馏塔的塔顶馏出物回收。另一种选择是，采用间接顺序，阀B和C打开，产品3（C7H8和C12H10）在第一个塔的塔底产品中回收。使用ProII软件估算两种分离顺序所要求的回流比和理论塔板数。热力学模型采用SRK方程。规定回流比等于1.3倍最小回流比。调节等压塔压力的设计参数，以获得130℉的塔顶产物温度；但是，各塔压力不得低于20psia。规定采用全凝器。除特别指出外，从塔顶采出H2和CH4时，要采用分凝器。

组分 H2 CH4 C6H6（苯） C7H8（甲苯） C12H10（联苯）

lbmol/hr 原料 1.5 19.3 262.8 84.7 5.1 产品1 1.5 19.2 1.3 产品2 0.1 258.1 0.1 产品3 3.4 84.6 5.1 ABCD

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