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1、第一章 化工厂设计的内容与程序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。第二章 工艺流程设计1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？ 先进性、可靠性、合理性2. 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。3. 带控制点的工艺流程图与管道仪表流程图的区别？带控制点的工艺流程图应画出所有工艺设备、工
2、艺物料管线、辅助物料管线、主要阀门以及工艺参数（温度、压力、流量等）的测量点，并表示出自动控制的方案。它是一个工程项目设计的一个指导性文件，也是各专业开展设计的依据之一。管道仪表流程图是借助统一规定的图形符号和文字代号，用图示的方法把建立化工工艺装置所需的全部设备、仪表、管道及主要管件，按其各自的功能，为满足工艺要求和安全、经济目的而组合起来，以起到描述工艺装置结构和功能的作用。是施工设计阶段的成品。4.5. 某管道标注为“PG1310-300 A1A-H”，表示什么意思？6. 仪表位号由仪表功能标志和仪表回路编号组成： 7.读图题，看课本设备的表示方法：P2934管道的表示方法P3436，图
3、2-5，表2-3仪表控制点的表示方法P3841，表2-9，图2-68. 泵的自控方案（书本P42：图2-7，2-8） 离心泵流量的控制方法：直接节流、旁路调节、调速法直接节流法：在泵的出口管线上设置调节阀， 旁路调节法：在泵的进出口旁路管道上设置调节阀，利用阀的开度变化来调节流量 使一部分液体从出口返回到进口管线切断阀流量(F) 记录(R) 控制(C)调节阀(节流)止回阀放净阀压力(P) 指示(I) 调节阀(旁路) 第三章 物料衡算与热量衡算反应过程中，若有m种元素和n个组分参与反应时，独立反应数为： N反应=n-m反应的组合过程中，不应少了某个组分。 无反应过程的物料衡算 ：1.设计一个年产
4、量为10000t（吨）的间歇本体法聚丙烯设备装置，由二个反应釜并联操作，反应釜的操作时间表如下 置换0.5h； 进料0.5h； 聚合反应5.0h； 出料1.5h； 清理0.5h设年操作时为8000小时，消耗定额为1.1t丙烯/聚丙烯，试决定所需反应器的体积和管道的通过能力。解：每个反应釜的生产能力为5000t/a（年），每批操作周期为8h，故每个反应釜每批的生产量为：50008/8000=5t/批 在操作状态下丙烯的密度为470kg/m3，反应釜的装填系数为0.9，则所需反应釜的体积:1.15/0.47/0.9=13.0m3进口管道通过能力=每批投料量/进料时间=1.15/0.5=11t/h=
5、23.4m3/h出口管道的通过能力=5.5/1.5= 3.67t/h2. 从气体中回收丙酮的装置，计算回收丙酮的费用。由已知资料，列出各物流的流率，以便确定设备的大型，并计算蒸馏塔的进料组分。解：进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个，其中一个已知物流量，四个物流是未知的。 可列出总物料平衡式：1200+F2=F3+F4+F5 各组分平衡式：丙酮：0.0295F2=0.99F4+0.05F5 水： 1200=0.01F4+0.95F5 空气 ：0.9705F2=F3但这 4个方程式只有3个是独立，因此需1个设计变量。3. 一种废酸，组成为23(质量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加
6、入93的浓H2SO4及90的浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。解：设 x废酸量，kg； y浓H2SO4量，kg； z浓HNO3量；（1）画物料流程简图（2）选择基准，可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种作基准计算都很方便。（3）列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。基准：100kg混合酸总物料衡算式 x + y + z=100 (1)H2SO4的衡算式 0.57x + 0.93y=1000.6=60 (2)HNO3的衡算式 0.23x + 0.90z
7、=1000.27=27 (3)解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg废酸；y = 39kg浓H2SO4；z = 19.2kg浓HNO3即由41.8kg废酸、39kg浓H2SO4和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。根据水平衡，可以核对以上结果：加入的水量 = 41.8 0.2 + 39 0.07 + 19.2 0.10 = 13kg混合后的酸，含13H2O，所以计算结果正确。以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H2SO4与HNO3二个衡算式或H2SO4、HNO3和H2O三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。有反应过程的物料衡算在有化学反应时，可以选进料中某一惰性
8、组分的mol数为基准，也可以以某种元素为基准，因为反应前后元素的量是不变的。4.C3H8在125%的过量空气中完全燃烧,其反应式为： ；问每生产100mol燃烧产物（烟道气），需多少摩尔空气？ 解： 此题计算基准的选择有三种可能性：空气的量；C3H8的量；烟道气的量。 基准 1mol C3H8根据化学方程式，燃烧1mol C3H8所需空气量为： 燃烧需氧量 5mol 实际供氧51.25 6.25 mol 需空气量(空气中氧占21%) 29.76 mol 其中氮气量 23.51 mol 物料平衡表如下： 进入离开组成molg组成molgC3H8O2N21.2523.5144200653.3CO2
9、H2OO2N2341.2523.511327240653.3总计30.76897.3总计31.76897.3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(2) 基准 1 mol 空气 由前面衡算可知，燃烧1molC3H8要消耗空气29.76mol, 据此，消耗1mol空气对应燃烧C3H8量为0.0336mol，列出物料平衡表：进入离开组成molg组成molgC3H8空气0.0336.11.4828.88CO2H2OO2N20.1010.1350.0420.794.442.431.3622.12总计1.0336
10、30.36总计1.06830.35每100 mol烟道气需空气量高为X mol, 则1.068 ：100 = 1：X， X = 100/1.068 = 93.7 mol (3)基准100 mol烟道气 （略）显然，采取前二种基准比后一种基准计算起来简便得多。 5.年产300t 对-硝基乙苯工段物料衡算 ，原料乙苯纯度95%，硝化混酸组成为HNO3 32%，H2SO4 56%，H2O 12%。粗乙苯与混酸质量比1：1.885.对硝基乙苯收率50%，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例对 :邻:间=0.5:0.44:0.06.配制混酸所用的原料: H2SO4 93%， HNO3 96%及H2O，年工
11、作日300天，假设转化率为100%，间歇生产。 解：（1）画出流程示意图，确定计算范围。 （2）计算粗乙苯量F1： （总物料衡算法） 基准：间歇生产，以每天生产的kg为基准 对-硝基乙苯： 乙苯： 粗乙苯：1404.6/0.95=1478.6kg 杂质：1478.6-1404.6=74kg（3）计算配酸酸量（组分衡算法）混酸量： 1478.61.8552787.2 kg 纯 HNO3量： 2787.20.32891.9 kg96HNO3量： 891.90.96929.1 kg 纯H2SO4量： 2787.20.561560.8 kg93H2SO4量： 1560.80.931678.3 kg 加
12、水量： 2787.2929.11678.3179.8 kg （4）硝化计算（反应组分衡算法） 已知转化率为100，对 : 邻 : 间 = 0.5 : 0.44 : 0.06硝基乙苯量 ：其中： 对位 1999.90.51000 kg 邻位 1999.90.44880 kg 间位 1999.71000880 119.7 kg 废酸量： HNO3消耗量：1404.6/106.1763=833.5 kg； H2O生成量： 1404.6/106.1718.02=238.4 kg (5) 列出硝化过程物料衡算表 6.K2CrO4 从水溶液重结晶处理工艺是将每小时4500mol含33.33%（mol）的K
13、2CrO4 新鲜溶液和另一股含36.36%（mol） K2CrO4 的循环液合并加入至一台蒸发器中，蒸发温度为120，用0.3MPa的蒸汽加热。从蒸发器放出的浓缩料液含49.4%（mol） K2CrO4 进入结晶槽，在结晶槽被冷却，冷至40，用冷却水冷却（冷却水进出口温差5 ）。然后过滤，获得含K2CrO4 结晶的滤饼和含36.36%（mol） K2CrO4 的滤液（即为循环液），滤饼中的K2CrO4占滤饼总物质的量的95%。 K2CrO4的分子量为195.试计算：蒸发器蒸发出水的量； K2CrO4 结晶的产率；循环液(mol)/新鲜液(mol)的比率；蒸发器和结晶器的投料比(mol) 。解：
14、v 系统1 总物料：F1=F6+Ps+Pc K2CrO4 ：0.3333F1=0.3636Ps+Pc v 系统2 总物料：F4=F2+Ps+Pc K2CrO4 ：0.494F4=0.3636F2+0.3636Ps+Pc v 系统3 总物料：F1 +F2 =F3 v 约束式： Pc=0.95(Ps+Pc) 联立可解出F2，F3，F4，Ps，Pc，F67.计算单位质量的煤或重油在锅炉内燃烧时锅炉产生的蒸汽量。已知：国产煤的平均燃烧热为23012kJ/kg;重油的平均燃烧热为33472kJ/kg。解：由热量平衡可知：Q煤=n汽H汽压力为1.3MPa的饱和水蒸汽的汽化热为1976.7kJ/kg,锅炉效
15、率按60%计算，可得：每吨煤的产汽量为： n汽= Q煤/ H汽=6.98t/t煤每吨重油的产汽量为： n汽= Q重油/ H汽=10.16t/t重油8.氨氧化反应器的能量衡算： 4NH3(g) + 5O2(g) = 4NO(g) + 6 H2O(g) 此反应在25，101Kpa的反应热为Hro = -904.6KJ ,现有25的100mol NH3/h和200mol O2/h连续进入反应器，氨在反应器内全部反应，产物中300呈气态离开反应器，如操作压力为101.3Kpa，计算反应器应输入或输出的热量。已知：Cp(O2) = 30.8 J/molK ；Cp(H2O) = 34.80 J/molK；
16、 Cp(NO) = 29.50 + 0.8188 10-2T 0.2925 10-5T2 +0.365 10-9 T3先进行物料衡算 4NH3(g) + 5O2(g) = 4NO(g)+6H2O(g) O2100 200 100 150 75解：以进料温度为基准，则进料带入的热量为零 ：出料带出的热量：H(O2) = 75 30.80 (300-25 ) = 635.25 KJ/hH(NO) = 100 (29.50 + 0.8188 10-2T 0.2925 10-5T2 +0.3652 10-9T3)dT= 845.2 KJ/hH(H2O,g) = 150 34.80 (300-25) =
17、 1435.5 KJ/h已知NH3的消耗量为100mol /h ， Q3 = -Hro = 904.6KJ 100/4 = 22615 KJ/h； Q2 +Q3= Q4Q2+22615 =635.25 + 845.3 +1435.5 ； Q2= -19700 KJ/h为了维持3000C反应温度，每小时应从反应器移走19700 KJ热量9.空气通过一热水塔进料：2500标m3/h , 25 , 热水进口91 ，热损失为20000Kcal/h, 消耗在设备的热可忽略不计，已知在84的相变热为549 Kcal/kg，求热水出口温度。（CpH2O = 1.0 Kcal/kg , Cp空气 = 0.24
18、0 Kcal/kg）n 解：以0为基准n 空气量：2500/22.4 28.8 = 3210 kg /hn Q1() = 3210 0.240 (25 - 0) = 19290 Kcaln Q1() = 33500 1 (91 - 0) = 3050000 Kcaln Q3=2010 549.0 =1103490 Kcaln Q4() = 3210 0.24 (84 - 0) + 2010 1 (84 - 0) = 233553.6Kcaln Q4() =31490 1 (t - 0)n Q6= 20000 Kcal/hn Q1() + Q1() = Q4() + Q4() + Q6n 192
19、90 + 3050000= 13370436+ 31490t +20000n 解得 t = 54.3 第四章 设备的工艺设计及化工设备图1.泵的选型原则：P82离心泵： 流量大，扬程低容积式泵：流量小，扬程高根据作用于液体的原理，泵可以分成两种类型：容积式泵和叶片式泵。容积式泵如往复泵、齿轮泵、螺杆泵、水环泵等，它是利用活塞、齿轮、螺杆、水环直径直接挤压流体，以增加流体的静压头。因此又叫做正位移式的流体输送设备叶片式泵如离心泵、旋涡泵、轴流泵等，它是利用叶片在高速旋转时产生的离心力作用，供给流体动能，然后流体的动能再转变为静压头。因此也叫做离心式的液体输送设备。 在选择泵时，设计上要求首先要考
20、虑以下几方面： （1）被输送物料的性质 A、液相系均一或非均一体系（溶液、胶体溶液、浑浊液、悬浮液、乳浊液、泡沫液、膏状物、糊状物、高分子溶液等）；B、粘度；C、化学腐蚀性； D、挥发性与易燃易爆性；E、相溶性；F、 毒性；G、温度从被输送的物料性质来分析，凡属溶液者，任何泵都可输送，悬浮液只能用隔膜式往复泵（用一弹性薄膜将活塞和被输送液体隔开，以免活塞受到损伤）或用离心泵输送。粘度大的液体以及胶体溶液、膏状物或糊状物可采用齿轮泵或螺杆泵输送。 化学腐蚀性物料可采用耐酸离心泵、塑料离心泵、隔膜式往复泵输送。 易燃易爆液体可用蒸汽往复泵，防爆型电机驱动的离心泵输送。凡被输送液体与工作流体相溶者，
21、而生产要求必须分离时不能采用喷射泵。 （2）生产过程要求 A 间歇或连续操作；B 流量；C 扬程；D 流量和压头的均匀性；E 吸入高度；F 能否与工作流体相混。 从生产过程要求来分析，凡属间歇操作，且流量均匀性无一定要求，则任何泵都可以使用，如果要求连续操作，而且流量要求均匀，则最好采用离心泵和旋转泵。凡流量要求大而扬程不大时选用离心泵合适，凡流量不大而扬程要求大时可选用往复泵。 如果流量甚小（例如在2m3/h）时，虽液体粘度不大，但要求连续均匀输送，则可选用齿轮泵，如果要求将泵设置在容器内或悬挂在液体内，则可选用液下离心泵。 （3）设置泵的客观条件a. 动力种类和来源；b. 厂房空间大小；c.厂房防火防爆等级2.换热器的基本类型按传热方式或工作原理分类：（1）直接接触式：传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间（2）蓄热式：温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大（3）间壁式：管式，紧凑式，管壳式（重点）管壳式包括：固定管板式换热器；浮头式换热器；U形管式换热器；填料函式换热器管壳式换热器选择中应注意的问题流体在管内外的选择 管程: 1)毒性介质 2)腐蚀性流体 3) 压力高的流体 4)易结垢介质 5)温度高的介质 壳程:粘度大、流量小的介质 雷诺系数小 的流体 饱和蒸汽宜走壳程