化工设计习题及解答.docx
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化工设计习题及解答
《化工设计》习题及解答
第1次课：
第一章 化工设计概论1（2学时）
授课内容：
1、化工设计根据项目性质分类
2、化工设计根据化工过程开发程序分类
3、化工厂设计的工作程序
4、项目建议书的编制内容
5、可行性研究报告的编制内容
6、设计任务书的编制内容
7、扩大初步设计程序
8、施工图设计内容
学习目的和要求：
熟悉化工设计总过程；了解化工设计的前期工作内容：
项目建议书、可行性研究报告、设计任务书等的内容掌握立项报告、项目建议书、可行性研究报告、设计任务书的编写方法。
重点难点：
化工设计的类型；项目建议书与可行性研究报告的编写方法；设计任务书的编写方法；扩大初步设计和施工图设计的主要内容。
第2次课：
第一章 化工设计概论2（2学时）
授课内容：
1、化工车间工艺设计内容
2、设计准备工作
3、方案设计
4、化工计算内容
5、车间布置设计
6、配管工程设计
7、概算书编制
8、初步设计文件的编制内容
9、施工图设计文件的编制内容
10、计算机在化工厂设计中的应用简介
学习目的和要求：
了解化工设计说明书的主要内容；熟悉初步设计文件和施工图设计文件的编制内容；掌握化工车间工艺设计内容。
重点难点：
化工车间工艺设计的主要内容。
第3次课：
第二章 工艺流程设计1（2学时）
授课内容：
1、生产方法和工艺流程选择的原则
2、生产方法和工艺流程确定的步骤
3、工艺流程设计的任务
4、工艺流程设计的方法
学习目的和要求：
了解生产方法和工艺流程选择的原则；熟悉生产方法和工艺流程确定的步骤；掌握工艺流程设计的任务和方法。
重点难点：
工艺流程设计的任务和方法。
第4次课：
第二章 工艺流程设计2（2学时）
授课内容：
1、工艺流程图的种类
2、工艺流程草图
3、工艺物料流程图
4、管道仪表流程图的组成及版式
5、管道仪表流程图通用设计规定
6、流程图中设备的表示方法
7、流程图中管道、阀门及管件的表示方法
8、仪表控制点的表示方法
9、首页图的编制内容
学习目的和要求：
了解工艺流程设计首页图的编制内容；熟悉工艺流程图的种类（工艺流程草图和工艺物料流程的结构和画法）；掌握管道仪表流程图中设备、管道、阀门及管件、仪表控制点的表示方法和画法。
重点难点：
流程图中设备、管道、阀门及管件、仪表控制点的表示方法和画法。
第5次课：
第二章 工艺流程设计3（2学时）
授课内容：
1、泵类的自控方案
2、压缩机的自控方案
3、换热器的自控方案
4、反应器的自控方案
5、蒸馏塔的控制方案
6、计算机在绘制工艺流程图中的应用简介
7、用PIDCAD绘制工艺流程图介绍
学习目的和要求：
了解计算机在绘制工艺流程图中的应用；熟悉用PIDCAD绘制工艺流程图的方法；掌握换热器、反应器、蒸馏塔等在工艺流程设计中的控制方案。
重点难点：
泵类、换热器、反应器、蒸馏塔等在工艺流程设计中的控制方案。
第一章 化工设计概论
习题与思考题（包括答案）：
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
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。
（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。
进料中苯的摩尔分数
釜残液中苯的摩尔分数
进料平均相对分子质量
进塔原料的摩尔流量
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
作全塔总质量衡算得
将已知数据代人上述质量衡算方程得
解得
所以，
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
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：
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
其中
烟道气中各组分的量：
0mol23.51mol
因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下
入口
出口
1
0
6.25
1.25
23.51
23.51
0
3
0
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
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大部分转化为和，转化为和的方程式为，变换后的气体进入脱除工序脱除，再经甲烷化工序除去残存的微量和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
要求合成氨原料气的组成为：
组分
H2
N2
Ar
CH4
合计
%（mol）
73.97
24.64
0.31
1.08
100
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
变换反应过程
总过程
用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制的计量关系通式为
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
483.20=332.80
C2H6
10.00
710.00=70
C3H8
5.16
105.16=51.60
C4H10（正）
0.69
130.69=8.97
C4H10（异）
0.50
130.50=6.50
C5H12（正）
0.06
160.06=0.96
C5H12（异）
0.05
160.05=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
氢气燃烧的反应过程
燃烧消耗的H2为
作系统H2平衡得
（B）
式中（）是合成氨原料气的CH
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