化工设计习题及解答-2

1《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；23.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习题与思考题（包括答案）：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；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“PG1310-300A1A-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。FCTCTCTCTC空气氨气进料载热体出料进料进料出料出料出料(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38、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。进料中苯的摩尔分数38780.419638627892FBx釜残液中苯的摩尔分数2780.023512987892WBx进料平均相对分子质量0.419678(10.4196)9286.13M进塔原料的摩尔流量2000232.2/86.13Fkmolh依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以97.430.9794.51/DBDxkmolh作全塔苯的质量衡算得FBDBWBFxDxWx作全塔总质量衡算得FWD将已知数据代人上述质量衡算方程得232.20.419694.510.02351232.2WD解得124.2/,108/WkmolhDkmolh所以，94.5194.510.8752108DBxD4组分塔进料塔顶馏出物釜残液kg/h%(wt)kmol/h%(mol)kg/h%(wt)kmol/h%(mol)kg/h%(wt)kmol/h%(mol)苯76003897.4341.967372.685.6094.5287.52227.82.02.922.35甲苯1240062134.858.041240.214.4013.4812.4811159.498.0121.397.65合计20000100232.21008612.810010810011387.2100124.2100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：38222534CHOCOHO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1.25529.760.21mol其中226.25,23.51OmolNmol烟道气中各组分的量：38CH0mol2N23.51mol2CO313mol2O6.2551.25mol2HO414mol因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下入口出口38CH138CH02O6.252O1.252N23.512N23.512CO02CO32HO02HO4合计30.78合计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10029.7693.731.76mol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5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CH4+H2O==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2O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2CO和2H，CO转化为2CO和2H的方程式为CO+H2O==CO2+H2，变换后的气体脱除2CO工序脱除2CO，再经甲烷化工序除去残存的微量CO和2CO后作为合成氨合格原料气。已知某厂天然气的组成为：组分CH4C2H6C3H8C4H10(正)C4H10(异)C5H12(正)C5H12(异)N2CO2合计%(mol)83.2010.005.160.690.500.060.050.330.01100要求合成氨原料气的组成为：组分H2N2ArCH4合计%(mol)73.9724.640.311.08100计算天然气的用量和空气的用量。解：以100kmol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：甲烷蒸汽转化反应过程CH4+H2O==CO+3H2CO变换反应过程CO+H2O==CO2+H2总过程CH4+2H2O==CO2+4H2用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制2H的计量关系通式为n2n+2222CH+2nHO=nCO+(3n+1)H因此，100kmol天然气可提供的理论H2为天然气xkmol蒸汽蒸汽一段转化炉空气ykmol二段转化炉CO变换CO2脱除CO2甲烷化合成氨原料气6组分烃量/kmol可提供的理论烃量/kmolCH483.20483.20=332.80C2H610.00710.00=70C3H85.16105.16=51.60C4H10(正)0.69130.69=8.97C4H10(异)0.50130.50=6.50C5H12(正)0.06160.06=0.96C5H12(异)0.05160.05=0.80N20.330CO20.010合计100471.63因此，xkmol天然气进料可提供的理论H2为x471.63kmol100氢气燃烧的反应过程2222H+O=2HO燃烧消耗的H2为y20.21kmol作系统H2平衡得20.2173.9741.08xy471.63100(B)式中（41.08）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18.92kmoly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：242241()()()2CHgOgCHOg试计算0.1013MPa、25℃下的反应热。解：乙烯（g）的标准生成热为0298,,52.28/fHkJmol乙烯环氧乙烷(g)的标准生成热为0298,,51/fHkJmol环氧乙烷－因此，0.1013Mpa，25℃下的反应热计算如下：000298,298,298,()()rififHnHnH反应物产物－1151152.280103.3/2kJmol＝（－）－＋＝－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242241()()()2CHgOgCHOg7副反应24222()3()2()2()CHgOgCOgHOg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0523105395/HkJkmol乙烯05231321726/HkJkmol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450003()/mSTPh,其组成如下：组分24CH2N2O合计%(mol)3.582.014.5100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24CH2O2CO水蒸气24CHO2N/[/(]pCkJkmolK210℃64.4331.3830.04250℃66.9431.6745.5635.35103.830.17假设如下热力学途径：210℃下反应器入口混合气体热容0.03564.430.8230.040.14531.3831.44/()pCkJkmolK250℃下反应器入口混合气体热容0.03564.940.8230.170.14531.6731.67/()pCkJkmolK因此，反应器入口混合气体在210℃～250℃的平均热容为,1(31.4431.67)31.56/()2pmCkJkmolK414500031.56(250210)2.53610/22.4HkJh245000450000.0350.320.69(105395)0.0350.32(10.69)(1321726)22.422.4H71.08610/kJh676122.536101.086108.32410/HHHkJh865528.32410(4.16210)4.16210/HHQkJh由热载体移走的热量为656128.32410(4.16210)7.90810/QHQkJ