化工设计期末考试试卷[A]答案

2009～2010学年第一学期期末考试试卷《化工设计》（A卷共4页）（考试时间：2010年1月19日考试地点：西阶101）题号一二三四五成绩核分人签字得分一、（共20分）简答题（共5个小题，每小题4分）1、简述化工工艺设计的内容及步骤。根据设计任务书进行流程组织流程的物料及能量衡算设备设计及选型带控制点的工艺仪表管道流程图车间平面、立面布置及配管图设计工程概算及工程技术经济评价工艺设计说明书2、简述化工产品成本由哪些部分构成。化工产品销售成本主要由以下部分组成：主要原材料费用，辅助原材料费用，燃料及动力费用，人工费，专利或技术费用，折旧及大修基金，副产品收入，车间经费，企业管理费，销售费用。3、简述我国现行的化工基建程序。项目建议书项目建议书审批通过后，进行项目可行性研究审查可行性研究，决策通过后，下达设计任务书设计阶段（包括基础设计、扩初设计、施工图设计）施工建设期工程试投产运行项目正式投产4、说明流程组织时挑选化学反应途径应该考虑的一些主要因素。应该考虑的主要因素有：反应步骤的长短；副反应的数量；反应的条件苛刻与否；反应原料的成本；反应的速度及转化率；反应产物是否容易分离；等等。5、简述化工项目试生产的步骤。清理工程现场清洗设备及管道设备单体以水代料试车流程以水代料联动试车投入真实物料试生产二、（共20分）由一个液液非均相反应生产高纯度的产品C，反应式为A＋BC（其反应速度2BACCr），同时伴随着副反应A＋CD（可逆反应，其正反应速度）。已知采购来的原料A为液相原料，其中含有少量D及E。原料B也为液相，为纯组份且价格较贵。A、D、B、C、E五种组分的相对挥发度由小到大（D、B之间相对挥发度相差更明显）。A原料的价格较便宜，C与E之间能形成难分离的共沸物。试进行这个过程的流程组织（连续操作流程，要求考虑反应器的形式），写出简要说明，并画出流程框架草图。解：1、为了保证C产品的纯度，减轻反应结束后后续分离的压力，应该在原料准备阶段先将易与C形成共沸物的E先从原料A中分离去除；2、从反应的角度出发，应该选择多釜串联的釜式反应器（非均相反应），而且为了减少副反应，应该减少A原料的返混，所以A原料应该采用多釜滴加的方式；3、原料B较贵，应该将其与C分离后全部返回使用；4、要求生产高纯C产品，C组份应该从精馏塔塔顶馏出；5、D与A可以不分，通过分流器少量放空（A，D）混合物。2ACrCCADB、CEA、D、EA、DA、D产品CBBB精馏塔精馏塔分流器混合器混合器A、D精馏塔三、（共20分）下表列出了冷、热各两股流的起始温度和目标温度，并给出了其焓变及热容流率。假设最小传热温差，Tmin要求为20℃。根据热交换网络窄点（Pinch）原理，请用问题列表算法（Theproblemtablealgorithm）列出具体计算步骤：1、计算出窄点。（10分）2、计算出外界最小输入冷量（QCmin）和外界最小输入热量（QHmin）。（10分）流股类型Ti(℃)To(℃)H（MW）CP（MW／℃）1冷2018032.00.22冷14023027.00.33热2008030.00.254热2504031.50.15解：步骤1：根据Tmin，划分温度区间（列出此步得4分）流股类型Ti(℃)To(℃)TS＊(℃)TT＊(℃)1冷20180301902冷1402301502403热20080190704热2504024030步骤2：计算各区间热容流率差及焓变（列出此步得4分）温度间隔流股分配⊿T∑CPC－∑CPH⊿H（MW）240500．157.5190400．1415080-0.2-1670400.05230步骤3：构造假想最节能热阶流图（列出此步得4分）240℃→7.5→190℃→4→150℃→－16→70℃→2→30℃0－7.5－11.54.52.5步骤4：构造可行的最节能热阶流图（列出此步得4分）240℃→7.5→190℃→4→150℃→－16→70℃→2→30℃11.54.001614步骤5：（给出最终结果得4分）从步骤4得到窄点温度、QCmin及QHmin该热交换系统的窄点温度为150℃（冷窄点温度140℃，热窄点温度160℃）；外界最小输入冷量QCmin为14.0MW；外界最小输入热量QHmin为11.5MW。四、（共15分）有一个化工项目，项目总投资共3800万元人民币（全部靠银行贷款），共1年建设期，第二年开始，连续11年预测其每年总销售收入3700万元人民币，每年其总销售成本为2800万元人民币，设该项目全部税种免税（不计各种税收）。项目共12年寿命期，终了时无任何残值，按年复利计算。其各年现金流量表预测如下（单位：万元人民币）：年度（年）123。。。12总投资3800总销售收入37003700。。。3700总销售成本28002800。。。28001、令年折现率为8％，试计算该项目的净现值（NPV）；（10分）2、试计算该项目能承担的最大银行贷款年利率。（5分）解：1、以项目开始建设为基准时刻，则该项目全寿命期内NPV为：项目建成后每年受益为：3700－2800＝900万元NPV＝900/1.08＋900/1.082＋900/1.083＋。。。＋900/1.0811－3800解得：该项目在年折现率为8％时，其净现值NPV＝2625.1万元（列出计算式得7分，解出此步结果得3分）2、因为该项目资金全部为贷款，其内部收益率即为其能承担的最大贷款年利率。设能承担的最大年利率为x；则：NPV（x）＝0900/（1＋x）＋900/（1＋x）2＋900/（1＋x）3＋。。。＋900/（1＋x）11－3800＝0试差解得：x＝0.2065（列出计算式得3分，解出此步结果得2分）1234五、（共25分）乙醛可通过乙烯在银催化剂作用下部分氧化制取，但通常伴随着一个副反应（乙烯的完全氧化反应），反应式为：2C2H4＋O22CH3CHO（主反应）C2H4＋3O22CO2＋2H2O（副反应）设计已知：1、乙烯在反应器内单程转化率为20％；2、反应器内乙烯生成乙醛的单程选择性率为80％；3、离开吸收塔的气流股有20％通过分流器放空；4、分流器只牵涉到三种组份，提取塔也只牵涉到三种组份，除反应器外，其它单元设备内无化学反应。图中组成为摩尔分率。设计出的流程示意图如下所示。要求：1、试作该过程的自由度分析（15分）。2、求解吸收塔吸收液流出流股（8号流股）的组成（10分）。仅做流程MB计算时的自由度分析表反应器吸收塔混合器提取塔分流器过程整体OB流股变量总数9139852510单元变量数2000022MB方程数66331196已知流股变量数1122042已知单元变量数2000020已知附加式数0000110原自由度+2+6+4+3+3+1+4计算基准－1－1－1最终自由度+1+6+3+3+30+4解：1、自由度分析结果见上表，是弹性设计，应该挑选衡算计算基准：设反应器进料流股流量为100mol/h。完成以上自由度分析表。2、F3＝100mol/h；先求解反器的MB：3号流股C2H4分摩尔流量＝100×0.10＝10mol/h因其在反应器中单程转化率为20％，单程反应消耗的C2H4＝10×20％＝2mol/h因其在反应器中生成CH3CHO的单程选择性率为80％，则单程反应生成CH3CHO消耗的C2H4＝2×80％＝1.6mol/h则：4号流股中C2H4＝10－2＝8mol/h4号流股中CH3CHO＝1.6mol/h4号流股中CO2＝（2－1.6）×2＝0.8mol/h4号流股中H2O＝（2－1.6）×2＝0.8mol/h4号流股其它组份分流量N2，O2分流量无全解。再解吸收塔的MB：CH3CHO衡算，0.04F8＝1.6，解得：F8＝40mol/hCO2衡算，X8，CO2×F8＝0.8，解得：X8，CO2＝0.8/40＝0.02因8号流股只有3种组份，则X8，H2O＝1－002－0.04＝0.94结果，8号流股组成（CH3CHO，CO2，H2O）＝（0.04，0.02，0.94）（摩尔分率）11C2H4O0.04H2O1.00C2H40.10分流器混合器反应器吸收塔提取塔C2H41.00O20.21N20.79H2O1.00C2H4O0.25CO2H2OC2H4O2N2121345678910