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化工设计习题及答案(陈声宗)

第一章化工厂设计的内容与程序

（陈声宗习题与思考题2010.9 ）

1、化工设计的种类有哪些？

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。

2、请画出化工厂设计的工作程序示意图。

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E 1-2化工厂设计的工作稗宇

3、化工厂通常由哪些部门和设施所构成？

答：化工厂通常由化工生产车间、辅助生产装置、公用工程及罐区、服务性工程、生活福利设施、三废处理

设施和厂外工程等构成。

4、化工车间工艺设计的程序及主要内容有哪些？

答：一、设计准备工作

（1）熟悉设计任务书（2）制定设计工作计划（3）查阅文献资料（4 ）收集第一手资料方案设计的任务是确定生产方法和生产流程，是整个工艺设计的基础。

三、化工计算

化工计算包括工艺设计中的物料衡算、能量衡算、设备选型与计算三个内容，其任务是

在这三项计算的基础上绘制物料流程图、主要设备图和带控制点工艺流程图。

四、车间布置设计

主要任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的正确的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构型式。

五、配管工程设计

任务是确定生产流程中全部管线、阀门及各种管架的位置、规格尺寸和材料，综合权衡

建设投资和操作费用。

六、提供设计条件

工艺专业设计人员向非工艺专业设计人员提供设计条件。

七、编制概算书及编制设计文件

概算主要提供了车间建筑、设备及安装工程费用。

第二章工艺流程设计

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、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？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对比。

3、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。

4、工艺流程图的种类有哪些？

答：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、某管道标注为“ 0201- 150 1B ”，表示什么意思？

答：①0201-表示管道号，其中：

物料代号，热水；02-工程工序编号，第 02号；01-管道顺序号，第01号。 ② 150 -管道尺寸(管径)，公称通径150,。 ③ L1管道等级，其中：

国内标准压力等级代号，1.0; 1-顺序号，第1号；管道材质类别，碳钢。

6、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

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% ()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 20000/ 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。

载热体

进料

(d)用冷料量控制

将已知数据代人上述质量衡算方程得

232.2 0.4196 94.51 0.02351

232.2 W D

94 51 94 51

解得 W 124.2kmol/h,D 108kmol/h 所以，X D B

0.8752

组分

塔进料

塔顶馏岀物

釜残液

%()

%() 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 1

3.48 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

习题丙烷充分燃烧时要使空气过量 %，燃烧反应方程式为:

C a H s 5O 2 3CO 2 4H 2O

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1入口丙烷为计算基准

根据反应方程式，1丙烷需要5的氧气与之反应，因氧气过量

25%，故需要加入的空气

量为

烟道气中各组分的量:

N 2

23.51

H 2O 4 1 4mol

入口出口

38 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

78 78 92

0.4196 X WB 尹98 0.02351

78 92

M 0.4196 78 (1 0.4196) 92 86.13

F 型 232.2kmol/h 86.13

依题意，馏出液中能回收原料中 97%的苯，所以 D X DB 97.43 0.97

94.51kmol/h

作全塔苯的质量衡算得

FX FB D X D B W X WB 作全塔总质量衡算得

1.25 5

0.21

29.76mol

其中 O 26.25mol, N 223.51mol

CO 2 3 1 3mol O 2 6.25 5 1.25mol

C 3

从计算结果可以看出，当空气加入量为时，可产生烟道气，所以，每产生烟道气需加入的空气量为

100 29.76 93.7mol 31.76

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垐⑨ 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O2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CO2和H2，CO转化为CO2

和H＞的方程式为CO+H2O垐? CQ+3H2，变换后的气体进入脱除CO2工序脱除CQ，再经甲烷化工序除去残存的微量CO和CQ后作为合成氨合格原料气。

已知某厂天然气的组成为：

要求合成氨原料气的组成为:

计算天然气的用量和空气的用量。

解：以100合成氨原料气为计算基准。

设天然气用量为，添加空气量为。

(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 +H20垐? CO+3H2

CO变换反应过程CO+H2O垐④CQ+3H2

总过程CH4 +2H2O垐①CQ +4H2

用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制H2的计量关系通式为

C n H2n+2 +2nH 2O = nCO2 +（3n+1）H 2

因此，100天然气可提供的理论H2为

组分烃量可提供的理论烃量

83.20 4 83.20=332.80

C2H6 10.00 7 10.00=70

C3H8 5.16 10 5.16=51.60

C4H 10（正）0.69 13 0.69=8.97

C4H10（异）0.50 13 0.50=6.50

C5H 12（正）0.06 16 0.06=0.96

C5H 12（异）0.05 16 0.05=0.80

N2 0.33 0

0.01 0

合计100 471.63

因此，天然气进料可提供的理论H2为

471.63 ,,

xkmol 100

氢气燃烧的反应过程燃烧消耗的H2为

作系统H2平衡得

2H2 +O2 =2H2O

2 0.21 ykmol

471.63

100

2 0.21y 73.97 4 1.08 （B）

因此，0.1013, 25C 下的反应热计算如下:

=1 （-51） —1 52.28+- 0=—103.3kJ/mol

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 C 2H4? 2°2（g ）

C 2H 4O?

副反应

C 2H42）302（g ）

2CO 2（g ） 2H 2O （g ）

反应温度基本维持在 250 C,该温度下主、副反应的反应的反应热分别为

H 523 105395kJ / kmol 乙烯

H 523

1321726kJ/kmol 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 210C ，流

量45000

,其组成如下: 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：

式中（4 1.08）是合成氨原料气的4折合为H 2物质的量（）

（A ）式合（B ）式联解得到

x 18.92kmol y 31.11kmol

因此，制造100的合成氨原料气需加入天然气

18.92，一段转化炉出口需添加

31.11的空气。

习题4乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：

C 2H 4（g ） -O 2（g ）

C 2H 4O （g ）

试计算0.1013、25 C 下的反应热。解：乙烯（g ）的标准生成热为 H ；98,f 乙烯

52.28kJ / mol

环氧乙烷（g ）的标准生成热为

H 298, f,环氧乙烷

—51

kJ/mol

0 298,r

(口 H

298, f )

产物

）

反应物

210 C下反应器入口混合气体热容

C p 0.035 64.43 0.82 30.04 0.145 31.38 31.44kJ/(kmol K)

250 C下反应器入口混合气体热容

C p 0.035 64.94 0.82 30.17 0.145 31.67 31.67kJ /(kmol K)

因此，反应器入口混合气体在210C?250C的平均热容为

C p,m(31.44 31.67)寸31.56kJ/(kmol K)

45000 4

H131.56(250 210) 2.536 104kJ/h

22.4

45000 45000

H20.035 0.32 0.69 ( 105395) 0.035 0.32 (1 0.69)( 1321726)

22.4 22.4

1.086 107kJ /h

H H1 H2 2.536 1 06 1.086 1 0 78.324 1 06kJ/h

6 5 5

H H Q28.324 10 ( 4.162 10 ) 4.162 10 kJ / h

由热载体移走的热量为

6 5 6

Q1 H Q2 8.324 10 ( 4.162 10 ) 7.908 10 kJ / h

第四章设备的工艺设计及化工设备图

1、化工设备选用一般原则的内容是什么？

答：（1）合理性：即设备必须满足工艺要求，设备与工艺流程、生产规模、工艺操作条件、工艺控制水平相适应，又能充分发挥设备的能力。

（2）先进性：要求设备的运转可靠性、自控水平、生产能力、转化率、收率、效率要尽可能达到先进水平。

（3 ）安全性：要求安全可靠、操作稳定、弹性好、无事故隐患。

（4 ）经济性：设备投资节省，设备易于加工、维修、更新，没有特殊的维护要求，运行费用减少。

（5 ）系统性：化工过程是一个完整的系统，设备设计时不能仅关注单一设备，避免因个别设备妨碍整个系统优化；注重经济性的同时，还应通盘考虑，保留适当裕量，以免在日后扩

产和工艺调整时成为系统瓶颈”。

2、一份完整的化工设备图，除绘有设备本身的各种视图外，应具有哪些基本内容？

答：①标题栏②明细栏③管口表④设计数据表⑤技术要求⑥签署栏⑦注⑧其他。

第五章车间布置设计

1、化工车间由哪些设施所组成？

答：由下列设施组成：⑴生产设施⑵生产辅助设施⑶生活行政福利设施⑷其他特殊用室。

2、车间平面布置方案中，厂房的平面形式主要有几种？哪种形式是最常用的？为什么？

答：厂房的平面形式主要有直线（长方）形、L形、T形和n形（按管廊的外形看）。

直线（长方）形便于总平面图的布置，节约用地，有利于设备排列，缩短管线，易于安排交通出入口，有较多可供自然采光和通风的墙面，是最常用的厂房平面形式。

3、车间设备布置设计的主要内容是什么？

答：①确定各个工艺设备在车间平面和立面的位置。

②确定某些在工艺流程图中一般不予表达的辅助设备或公用设备的位置。

③确定供安装、操作与维修所用的通道系统的位置与尺寸。

④在上述各项的基础上，确定建筑物与场地的尺寸。

⑤其他（确定管道、电气代表管线、采暖通风管道的走向和位置。）

4、车间设备布置的要求有哪几条？

答：（一）满足生产工艺要求（二）满足安装和检修要求（三）满足土建要求（四）满足安全、卫生和环保要求（五）工艺设备竖面布置的原则。

第六章管道布置设计

1. 管道布置设计的内容有什么？

答：①确定车间中各个设备的管口方位与之相连接的管段的接口位置。

②确定管道的安装连接和铺设、支承方式。

③确定各管段（包括管道、管件、阀门及控制仪表）在空间的位置。

④画出管道布置图,表示出车间中所有管道在平面和立面的空间位置, 作为管道安装

的依据。

⑤编制管道综合材料表, 包括管道、管件、阀门、型钢等的材质、规格和数量。2．管道布置设计应符合的标准有哪些？

答：20549-1998 《化工装置管道布置设计规定》和3012-2000 《石油化工管道布置设计通则》

3. 真空管线布置设计时应注意什么？

答：真空管线应尽量短, 尽量减少弯头和阀门, 以降低阻力,达到更高的真空度。

4. 玻璃管等脆性材料管道应如何处理？

答：玻璃管等脆性材料管道的外面最好用塑料薄膜包裹, 避免管道破裂时溅出液体,发生意

外。

5．管架已有哪些标准设计？

答：21623-1990《管架标准图》和21640-2000《H型钢结构管架通用图》。

6．管道支架按其作用分哪几种？答：管道支架按其作用分固定支架、滑动支架、导向支架和弹簧吊架。7．立式容器的管口方位划分为哪两部分？

答：立式容器的管口方位取决于管道布置的需要。一般划分为操作区和配管区两部分。加

料口,温度计和视镜等经常操作及观察的管口布置在操作区, 排出管布置在容器底部。

8. 卧式容器的人孔如何布置？

答：人孔可布置在顶上,侧面或封头中心, 以侧面较为方便,但在框架上支撑时占用面积较大, 故以布置在顶上为宜。人孔中心高出地面3.6m 以上应设操作平台。

一、填空题

1 ?设备布置图是在厂房建筑图的基础上增加设备布置的内容，用粗实线表示设

备，厂房建筑用细实线画出。

2.设备布置图主要包括反映设备水平布置情况的平面图和反映某处立面布置情

况的剖面图。

二、选择题

1 ?厂房建筑的承重柱在平面中排列所形成的网格称为柱网，沿厂房长度方向的各承重柱自左向右用（A ）依次编号。

A、、！?、、2,、宫

B、、. 、

C、A 或B

2 ?在化工设备图中，设备的轮廓，一般按比例用（ A ）绘制。

A、粗实线（b）

B、中实线（23）

C、细实线（3）

D、点划线

3 ?在布置（A ）时，应遵循缩短管长和顺应流程的原则。

A、换热器

B、塔

C、泵

D、搅拌器

4 ?设备布置图中的标高用（A ）表示。

A、m

B、

C、

D、都可以

5. 在设备平面布置图中，设备标注为101b,其中T表示（B ）。

A、一种设备等级

B、一种设备代号

C、设备一种材质

D、一种设备保温等级

6. 在对塔进行布置时，对于（C）需采用独立布置方案。

A、将高度相近的塔

B、数量不多、结构与大小相似的塔

C、单塔或特别高大的塔

D、较小的塔

7. 以下有关工程设计阶段及版次的叙述错误的是（B ）0

A、工程设计阶段分基础设计和详细工程设计两个阶段

B、在基础设计阶段，应完成初步设计条件版（A）版，内部审核版（B 版）和用户批准版（C）

版三个版次的设计

C、在详细工程设计阶段，应完成1版（详细设计1版），2版（详细设计2 版），3版（施工

版）三个版次的设计

D、对于小型或成熟工艺装置的设计，至少应完成初步条件版，设计版和施工版三个版次

8. 设备布置设计不包括的内容是（B ）o

A、确定各个工艺设备在车间平面和立面的位置

B、确定车间中各个设备的管口方法

C、确定某些在工艺流程图中一般不予表达的辅助设备或公用设备的位置

D、确定供安装、操作与维修所用的通道系统的位置与尺寸解答：B ?正确答案。车间设备布置

设计主要包括：

①确定各个工艺设备在车间平面和立面的具体位置；

②确定某些在工艺流程图中一般不予表达的辅助设备或公用设备的位置；

③确定供安装、操作与维修所使用的通道系统的位置与尺寸；

④确定场地与建筑物、构筑物的尺寸；

⑤确定管道、电气代表管线、采暖通风管道的走向和位置。

9．在以下四条关于几种常见设备的布置设计的意见中考虑欠妥当的是（ A ）。

A、对于原料和成品贮罐，一般集中布置在贮罐区，同时为缩短流程、节省管长，原料和成品

贮罐均应靠近与之有关的厂房布置

B、对于大型换热器独立布置时应尽量安排在室外以节约厂房

C、泵的布置应尽量靠近供料设备，以保证有良好的吸入条件

D、反应器安装在室内或框架内，其基础与建筑物分开，以免将振动和噪声传递给建筑物10．设备布置时设备间、设备与墙之间、运送设备的通道和人行道的宽度都有一定规范供设备布置设计时参照执行。工艺设备与道路间的距离不应小于（B ）

A、0.5 m B．1.0 m C、1.5 m D、2.0 m 11．请指出下列有关安全距离数据中（A ）是不正确的。

A、回转机械彼此间距离为不小于1.5 m

B、贮槽之间的距离不小于0.4?0.6 m

C、换热器之间的距离不小于1.0 m

D、塔与塔之间的距离1.0?2.0 m

解答：A?正确答案。依据车间布置设计有关尺寸和设备之间的安全距离”, 回转机械彼此间距离为不小于0.8?1.2 m。

12．“泵的布置设计时应尽量集中布置，排成一条线，电机端对齐，正对道路。以下关于泵的布置正确的是（C ）。

A、泵与泵之间的距离视泵的大小而定，一般不小于 1.0m

B、双排泵之间的距离一般不小于1.5m

C、泵与墙之间的距离一般不小于1.2m，以便通行

D、泵的基础一般比地面高④400?500

解答：C?正确答案。泵与泵之间一般不小于0.7 m,双排泵之间一般不小于2.0 m,泵基础一般高出地