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《化工设计》习题及解答
第一章? 化工设计概论
1．化工设计的种类有哪些？
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．可行性研究报告包含哪些内容？
（1）总论。包括项目名称、可行性研究的主办单位和负责人，可行性研究编制的依据和原则，可行性研究的依据，项目提出的背景、投资必要性和经济意义，研究的范围和主要过程；研究的简要综合结论，存在的主要问题和建议。
（2）市场预测。包括国内外市场情况预测和产品的价格分析。
（3）产品方案及生产规模。对于老厂改、扩建和技术改造项目要结合企业现有内部和外部条件，对产品方案和生产规模要作方案比较，进行优选。
（4）工艺技术方案。包括工艺技术方案的选择、工艺流程和消耗定额、自控技术方案、主要设备的选择和标准化等内容。
（5）原料、原料、辅助材料及燃料的供应。 （6）建厂条件和厂址方案。 （7）公用工程和辅助设施方案。
（8）节能。包括能耗指标及分析、节能措施综述、单项节能工程等内容。 （9）环境保护与劳动安全。 （10）工厂组织和劳动定员。
（11）项目实施规划。包括建设周期的规划实施进度规划等内容。 （12）投资估算和资金筹措。
（13）财务、经济评价及社会效益评价。
（14）结论。包括综合评价和研究报告的结论等内容。
4．设计任务书的内容主要包括哪些内容？
（1）项目设计的目的和依据；
（2）生产规模、产品方案、生产方法或工艺原则；
（3）矿产资源、水文地质、原材料、燃料、动力、供水、运输等协作条件； （4）资源综合利用、环境保护、三废治理的要求； （5）厂址与占地面积和城市规划的关系； （6）防空、防震等的要求； （7）建设工期与进度计划； （8）投资控制数；
（9）劳动定员及组织管理制度；
（10）经济效益、资金来源、投资回收年限。
第二章? 工艺流程设计
1．化工工艺设计包括哪些内容？
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？
先进性、可靠性、合理性；
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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？
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？
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．管道仪表流程图有哪些版式？
基础工程设计阶段有：A版PI图(初版)、B版PI图(内审版)、C版PI图(用户版)及D版PI图(确认版)； 详细工程设计阶段有：E版PI图(详1版)、F版PI图(详2版)、G版PI图(施工版)。
6．某管道标注为“PG1310-300 A1A-H”，表示什么意思？ 7．固定床反应器温度控制形式有哪些？画出示意图。
(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
8．PIDCAD软件具有哪些特点？
PIDCAD软件操作简单、方便易学，适合于工程技术、设计人员及高校师生从事化工工程设计、流程图绘制时使用；结合工艺设备管理软件，可实现工厂工艺、设备信息化管理。
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 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 解得 W?124.2kmol/h,D?108kmol/h 所以，xDB?组分 kg/h 苯 7600 94.5194.51??0.8752 D108塔进料 %(wt) kmol/h %(mol) kg/h 38 97.43 134.8 41.96 58.04 塔顶馏出物 %(wt) kmol/h %(mol) kg/h 94.52 13.48 87.52 12.48 227.8 釜残液 %(wt) kmol/h %(mol) 2.0 2.92 121.3 2.35 97.65 7372.6 85.60 1240.2 14.40 . 甲苯 12400 62 11159.4 98.0 . 合计 20000 100 232.2 100 8612.8 100 108 100 11387.2 100 124.2 100 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：
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
因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下
入口 C3H8 O2 N2 CO2 H2O 合计 1 6.25 23.51 0 0 30.78 C3H8 O2 N2 CO2 H2O 合计 出口 0 1.25 23.51 3 4 31.76 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
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 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
垐?中的CO大部分转化为CO2和H2，CO转化为CO2和H2的方程式为CO+H2O噲变换后的气体进?CO2+3H2，
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 C4H10(正) C4H10(异) C5H12(正) C5H12(异) N2 CO2 合计 组分 %(mol) 83.20 10.00 5.16 0.69 0.50 0.06 0.05 0.33 0.01 100 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。
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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 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
氢气燃烧的反应过程 2H2+O2=2H2O 燃烧消耗的H2为 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
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：
试计算0.1013MPa、25℃下的反应热。
解：乙烯（g）的标准生成热为 ?H298f,乙烯?52.2k8J,00 l/mo环氧乙烷(g)的标准生成热为 ?H298,f,环氧乙烷?－51kJ/mol 因此，0.1013Mpa，25℃下的反应热计算如下：
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习题5 乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：
主反应 C2H4(g)?1O2(g)???C2H4O(g) 2?2CO2(g)?2H2O(g) 副反应 C2H4(g)?3O2(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
00??H523?105395kJ/kmol乙烯 ??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 %(mol) C2H4 3.5 N2 82.0 O2 14.5 合计 100 3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 210℃ 250℃ C2H4 64.43 66.94 O2 31.38 31.67 CO2 45.56 水蒸气 35.35 C2H4O 103.8 N2 30.04 30.17 假设如下热力学途径：
210℃下反应器入口混合气体热容 250℃下反应器入口混合气体热容
因此，反应器入口混合气体在210℃～250℃的平均热容为 由热载体移走的热量为
第四章 设备的工艺设计及化工设备图
1.简述泵的选用与设计程序
a.确定泵型；b.确定泵的流量与扬程；c.确定泵的安装高度；d.确定泵的台数和备用率按泵的操作台数；e.校核泵的轴功率；f.确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量；g.选用电动机；h.填写选泵规格表。
2.简述换热器的设计原则
a.换热器设计要满足工艺操作条件，长期运转，安全可靠，不泄漏，维修清洗方便，较高的传热效率，流体阻力尽量小，安装尺寸符合要求；b.确定介质流程；c.确定终端温差；d.确定流速、流向和压力降；e.确定传热系数和污垢系数；f.选用标准系列化的换热。
3.填料塔设计程序
a.汇总设计参数和物性数据；b.选用填料；c.确定塔径；d.计算填料塔压降；e.验算塔内喷淋密度；f.计算填料层高度Z；g.计算塔的总高度H；h.塔的其它附件设计和选定。 4.化工设备施工图的组成
a.装配图 表示设备的全貌、组成和特性的图样，它表达设备各主要部分的结构特征、装配和连接关系、特征尺寸、外形尺寸、安装尺寸及对外连接尺寸、技术要求等。
b.部件图 表示可拆或不可拆部件的结构、尺寸，以及所属零部件之间的关系、技术特性和技术要求等资料的图样。
c.零件图 表示零件的形状、尺寸、加工，以及热处理和检验等资料的图样。 d.零部件图 由零件图、部件图组成的图样。
e.表格图 用表格表示多个形状相同．尺寸不同的零件的图样。
f.特殊工具图 表示设备安装、试压和维修时使用的特殊工具的图样。
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2019化工设计复习题二
