1、第一章 化工设计程序和内容 本章习题及答案 : 1、化工设计的种类有哪些？ 国外通用的设计程序分为哪几个阶段？ 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 。 国外通用的设计程序分为工艺设计 (Process Design)、基础工程设计 (Basic Engineering Design)和详细工程设计 (Detailed Engineering Design)三个阶
2、段。 2请画出 化工厂设计的工作程序 示意图。 3、画出化工新技术开发的工作框图。 4、 化工设计人员应具备哪些基本素质，才能完成设计任务？ 答： 1) 具有丰富的工程经验和扎实的化工基础理论知识； 2) 充分了解工艺过程，掌握现代化的设计工具和化工单元及最新发展动态； 3) 熟知本专业与其他相关专业的关系。 5、 厂址选择的主要影响因素有哪些？为什么？ 答：影响因素： a）原料， b）能源， c）水资源， d）运输条件， e）环境影响 a）厂址宜选在原材料、能源较丰富或供应方便的地区 。 b）厂址宜选在水资源丰富、水质较好的地区 ;c）厂址应具有较便利的运输条件 ;d）选厂应注意节约用地、少
3、占耕地 ;e）选厂应注意对当地的环境保护 ;f）选厂应考虑周围的协作关系 ;g）地势要高、不淹不涝 ;h）其他一些注意事项 ;（避免在地震断层和基本烈度 9 度以上的地震区，易遭受洪水、泥石流、滑坡的危害的山区，又开采价值的矿藏地区，国家规定的历史文物、生物保护和风景旅游点）。 6、 为什么要进行可行性研究？可行性研究报告包括哪些内容？ 答： a）作为建设项目投资决策和编制设计任务书的依据； b）作为向银行申请贷款的依据；c）作为与建设项目有关的各部门商谈合同的依据； d）作为建设项目开展初步设计的基础；e）作为安排基本建设计划和开展各项建设前期工作的依据； f）作为环保部门审查建设项目对环境
4、评价的依据。 主要包括：总论；需求预测 ;产品的生产方案及生产规模；工艺技术方案；原材料、燃料及水电汽的来源与供应；建厂条件和厂址选择布局方案；公用工程和辅助设施方案；节能 ;环境保护及安全卫生；工厂组织、劳动定员和人员培训；项目实施规划；投资估算和资金筹措；经济效益评价及社会效益评价；结论，包括综合评价和研究报告的结论等内容。 7、 可行性研究 报告和设计任务书有什么区别？ 答：内容上：可行性研究报告只提供依据 设计任务书是结论 ; 性质上：可行性研究报告给上级提供决策的文件 设计任务书给设计人员的指令 ; 时间上：可行性研究报告在先 设计任务书在后 8、 设计任务书主要包括 哪些 内容 ？
5、 (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) 资源综合利用和环境保护、 “三废”治理的要求。 (5) 建设地区或地点，占地面积的估算。 (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) 劳动定员控制数。 (10) 经济效益、资金来源、投资回收年限。 9、简述 车间工艺设计的主要内容。 车间工艺设计的主要内容：设计准备工作，方案设计，化工计算（物料衡算、能量衡算、设备选型与计算），车间布置设计，配管工程设计，向非工艺专业设计人员提供设计条件
6、，编制概算书及编制设计文件。 第二章 工艺流程设计 本章习题及答案： 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、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。 3、在选择生产方法和工艺流程时，应该着重考虑哪些原则？简述确定生产方法和工艺流程的步骤。 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
7、对比。 4、工艺流程设计的任务有哪些？ 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，控制方案的确定，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。 5、 工艺流程图的种类有哪些？管道仪表流程图有哪些版式？ 答：工艺流程草图，工艺物料流程图， 带控制点的 工艺流程图，工艺管道及仪表流程图。 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 (
8、施工版 )。 6、根据 HG/T 20519.2-2009 标准，填写下表中工艺流程图的设备类别代号。 设备类别代号 表（ HG/T 20519.2-2009） 设备类别 代 号 压缩机、风机 C 换热器 E 工业炉 F 起重运输设备 L 其他机械 M 泵 P 反应器 R 火炬、烟囱 S 塔 T 容器（槽、罐） V 计量设备 W 其他设备 X 7、根据下列 管道仪表流程图 中 的图例，填写（管道、阀门、设备、等）名称。 名 称 图 例 名 称 图 例 放空管（帽） 阻 火器 同心异径管 喷射器 文氏管 视镜、视钟 离心泵 旋转泵、齿轮泵 浮顶罐 湿式气柜 板式塔 喷洒塔 列管式反应器 流化床反
9、应器 U 型管式换热器 离心式压缩机 8、下图是某 管道的标注，请说明第 16 单元各表示什么意思？ 第 1 单元（ PG）为物料代号，代表工艺气体； 第 2 单元（ 13）为工程工序编号； 第 3 单元（ 10）为管道顺序号； 第 4 单元（ 300）为管道规格，代表公称直径 300mm； 第 5 单元（ A1A）为管道等级，第一个 A 表示管道的公称压力等级代号， 1 表示管道材料等级顺序号，第二个 A 表示管道材质类别，代号为“铸铁”； 第 6 单元（ H）为绝热或隔声代号。 9、固定床反应器温度控制形式有哪些？画出示意图。 10、 PIDCAD 软件 具有哪些特点？ PIDCAD 软件
10、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 工艺计算 本章习题及答案： 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 3878 0 .4 1 9 63 8 6 27 8 9 2FBx 釜残液中苯的摩尔分数 27
11、8 0 .0 2 3 5 12 9 87 8 9 2WBx 进料平均相对分子质量 0 . 4 1 9 6 7 8 ( 1 0 . 4 1 9 6 ) 9 2 8 6 . 1 3M 进塔原料的摩尔流 量 2000 2 3 2 .2 /8 6 .1 3F k m o l h 依题意，馏出液中能回收原料中 97%的苯，所以 9 7 . 4 3 0 . 9 7 9 4 . 5 1 /DBD x k m o l h 作全塔苯的质量衡算得 F B D B W BF x D x W x 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 2 3 2 .2 0 .4 1 9 6 9 4 .5 1
12、 0 .0 2 3 5 1 232.2 WD 解得 1 2 4 . 2 / , 1 0 8 /W k m o l h D k m o l h 所以， 9 4 .5 1 9 4 .5 1 0 .8 7 5 2108DBx D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 7600 38 97.43 41.96 7372.6 85.60 94.52 87.52 227.8 2.0 2.92 2.35 甲苯 12400 62 134.8 58.04 1240.2
13、 14.40 13.48 12.48 11159.4 98.0 121.3 97.65 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： 3 8 2 2 25 3 4C H O C O H O 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 29.760.21 m ol 其中
14、 226 .2 5 , 2 3 .5 1O m o l N m o l 烟道气中各组分的量： 38CH 0 mol 2N 23.51 mol 2CO 3 1 3mol 2O 6.25 5 1.25mol 2HO 4 1 4mol 因此，以 1mol 入口丙烷为基准的物料衡算结果如下 入口 出口 38CH 1 38CH 0 2O 6.25 2O 1.25 2N 23.51 2N 23.51 2CO 0 2CO 3 2HO 0 2HO 4 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
15、需加入的空气量为 1 0 0 2 9 .7 6 9 3 .73 1 .7 6 m o l 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 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+3H2，变换后的气体进入脱除 2CO 工
16、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 CH4 C2H6 C3H8 C4H10(正 ) C4H10(异 ) C5H12(正 ) C5H12(异 ) N2 CO2 合计 %(mol) 83.20 10.00 5.16 0.69 0.50 0.06 0.05 0.33 0.01 100 天然气 x kmol 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 要求合成氨原料气的组成为： 组分 H2 N2 Ar CH4 合计 %(mol) 73.97 2
17、4.64 0.31 1.08 100 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： 甲烷蒸汽转化反应过程 4 2 2CH + H O CO + 3H垐 ?噲 ? CO 变换反应过程 2 2 2CO + H O CO + 3H垐
18、?噲 ? 总过程 4 2 2 2C H + 2 H O C O + 4 H垐 ?噲 ? 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 n 2 n + 2 2 2 2C H + 2 n H O = n C O +( 3 n + 1 ) H 因此， 100kmol 天然气可提供的理论 H2 为 组分 烃量 /kmol 可提供的理论烃量 /kmol CH4 83.20 4 83.20=332.80 C2H6 10.00 7 10.00=70 C3H8 5.16 10 5.16=51.60 C4H10(正 ) 0.69 13 0.69=8.97 C4H10(异 ) 0.50 13 0.5
19、0=6.50 C5H12(正 ) 0.06 16 0.06=0.96 C5H12(异 ) 0.05 16 0.05=0.80 N2 0.33 0 CO2 0.01 0 合计 100 471.63 因此， xkmol 天然气进料可提供的理论 H2 为 x471.63 kmol100 氢气燃烧的反应过程 2 2 22H +O =2H O 燃烧消耗的 H2 为 y2 0.21 kmol 作系统 H2 平衡得 2 0 . 2 1 7 3 . 9 7 4 1 . 0 8xy 471.63100 (B) 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 (
20、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： 2 4 2 2 41( ) ( ) ( )2C H g O g C H O g 试计算 0.1013MPa、 25 下的反应热。 解：乙烯（ g）的标准生成热为 02 9 8 , , 5 2 . 2 8 /fH k J m o l乙 烯环氧乙烷 (g)的标准生成热为 02 9 8 , , 5 1 /fH k J m o l环 氧 乙 烷 因此， 0.1013M
21、pa， 25 下的反应热计算如下： 0 0 02 9 8 , 2 9 8 , 2 9 8 ,( ) ( )r i f i fH n H n H 反 应 物产 物 11 5 1 1 5 2 . 2 8 0 1 0 3 .3 /2 k J m o l （ ） 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 2 4 2 2 41( ) ( ) ( )2C H g O g C H O g 副反应 2 4 2 2 2( ) 3 ( ) 2 ( ) 2 ( )C H g O g C O g H O 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 0523 1 0 5 3 9 5 /H k J k m o l 乙烯 0523 1 3 2 1 7 2 6 /H k J k m o l 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 45000 3( )/m STP h ,其组成如下： 组分 24CH 2N 2O 合计 %(mol) 3.5 82.0 14.5 100 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 24CH 2O 2CO 水蒸气 24CHO 2N / /( pC kJ kmol K 210 64.43 31.38 30.04
