化工设计概论精彩试题

一．填空题

六.计算题

1. 利用乙烯部分氧化制取环氧乙烷，将乙烯在过量空气条件下通过银催化剂进行如下反应，进料物质流量为1000mol/h ，进料中含乙烯10%（mol ），乙烯转化率为25%，计算反应器出口物料量。

反应方程式如下：

2C 2H 4+O 2→2C 2H 4O

2.氨氧化反应器的能量衡算

氨氧化反应式为：

4NH 3（气）＋5O 2（气）→ 4NO （气）＋6H 2O （气）

此反应在 25℃、 101．3kPa 的反应热为ΔH 0r =－904.6KJ 。现有25℃的 100molNH 3/h 和300mol O 2/h 连续进入反应器，氨在反应器内全部反应，产物在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。

300℃时NO 、O 2 和 H 2O 的

P C （NO ）＝30.80 J/（mol·℃）

P C （O 2）＝30.80 J/（mol·℃） P C （H 2O ）＝34.80 J/（mol·℃）

3. 乙苯脱氢制苯乙烯，通入纯乙苯为250kg/h ，乙苯与水蒸气质量比为1：

1.3，乙苯转化率为50%，其中在转化掉的乙苯中有90%转化成苯乙烯；10%转化成苯；试计算反应器出口物料质量流量。

转化成苯乙烯的反应：

C 8H 10→C 8H 8+H 2

转化成苯的反应：

C 8H 10→C 6H 6+C 2H 4

4.甲烷在连续式反应器中用空气氧化生产甲醛，甲烷的转化率为40%，氧气完全反应。

CH 4（气）＋O 2 →HCH O （气）＋H 2O （气）

以100mol 进反应器的甲烷为基准。假定反应在足够低的压力下进行，气体

便可看作理想气体。甲烷于25℃进反应器．空气于25℃进反应器，如要保持出口产物为150℃，需从反应器取走多少热量？

C（N2,150℃）＝29.24 J/（mol·℃）

P

C（HCHO,150℃）＝9.12 J/（mol·℃）

P

C（H2O,150℃）＝34.00 J/（mol·℃）

P

C（CH4,150℃）＝39.2J/（mol·℃）

P

ΔH0f （CH4）=－74.85KJ/mol

ΔH0f （HCHO）=－115.9KJ/mol

ΔH0f （H2O）=－241.83KJ/mol

5.邻二甲苯空气氧化制苯酐，乙知邻二甲苯的转化率为70%，氧的用量为理论用量的150%，每小时投入邻二甲苯250kg，试计算出口物料流量。

反应式如下：

C8H10+3O2→C8H4O3+3H2O

6.甲烷和氢气混合用空气完全燃烧来加热锅炉，烟道气分析按体积组成为N272.28%；CO28.12%；O22.44%；H2O1

7.15%。问：燃料中甲烷和氢气的比例？

反应式：H2+1/2O2→H2O

CH4+2O2→CO2+2H2O

答案

一．填空题

1.工艺

2.现场施工

3.物料衡算

4.工艺流程

5.物料

6.位号

7.单位时间

8.选择

10.流程

11.列管式

12.阀门

13.支承

14.腐蚀

15.三

16.项目

17.扩大初步设计

18.设计说明书

19.管道号

20.执行

21.气相

22.质量守恒

23.离心泵

24.搅拌器

25.平面

26.中间

27.管道

28.直接

29.蒸汽

30.温度

31.车间

32.工艺

33.对流

34.间歇

35.标准（定型)

36.小

37.强度

39.平面

40.同一

41.吸入

42.生产

43.供热

44.直接

45.完全二．选择题

2.B

3.A

4.C

5.D

6.C

7.A

8.B

9.B

10.D

11.A

12.A

13.C

14.B

15.A

16.B

17.D

18.C

19.B

20.A

21.D

22.D

23.B

24.A

25.D

26.A

27.D

28.C

29.B

30.D

31.B

三．名词解释题

1.概念设计是从工程角度出发进行的一种假想设计。

2. 把各个生产单元按照一定的目的要求，有机地组合在一起，形成一个完整的生产工艺过程，并用图形描绘出来，即是工艺流程图。

3.是对整个车间各工段、各设施在车间场地范围内，按照它们在生产中和生活中所起的作用进行合理的平面和立面布置。

4.建筑物的下面，支承建筑物重量的全部土壤称为地基。

5.总预备费包括基本预备费和涨价预备费两项。

6.基础设计是新技术开发的最终成果，它是工程设计的依据。

7.工艺流程设计通过工艺流程图的形式，形象地反映了化工生产由原料进入到产

品输出的过程。

8.化工设备主要指在化工生产中常用的标准和非标准设备。

9.用管道将各工段和各设备连接起来。称管道布置。

10.设备购置费包括设备原价及运杂费用。

11.概算书是在初步设计阶段编制的车间投资的大概计算。

12. 工艺流程草图：是用来表达整个工厂或车间生产流程的图样。

13.将各工段与各设备按生产流程在空间上进行组合、布置称车间布置。

14.基础是建筑物的下部结构，埋在地面以下。

15.其他费用是指工程费用以外的建设项目必须支出的费用。

四.简答题

1.工艺流程四个重要过程。(4分)

1)原料预处理过程。（1分）

2)反应过程。（1分）

3)产物的后处理。（1分）

4)三废的处理过程。（1分）

2.车间布置初步设计的主要内容。（6分）

1.生产、生产辅助、生活行政设施的空间布置；

2.决定车间场地与建筑物、构筑物的大小；

3.设备的空间（水平和垂直方向）布置；

4.通道系统、物料运输设计；

5.安装、操作、维修所需的的空间设计；

6.其他。

答出一个得1分，最多得6分

3.工程概算费用的分类。（4分）

1)设备购置费。（1分）

2)安装工程费。（1分）

3)建筑工程费。（1分）

4)其他费用。（1分）

4.什么情况需要保温？(5分)

1)凡设备或管道表面区温度超过50℃，需要减少热损失；

2)设备内或输送管道内的介质要求不结晶、不凝结；

3)制冷系统的设备和管道中介质输送要求保冷；

4)介质的温度低于周围空气露点温度，要求保冷；

5)季节变化大。

答出一个得1分，最多得5分。

5.泵的选用与设计程序。(6分)

1）确定泵型。

2）确定选泵的流量和扬程。

3）确定泵的安装高度。

4）确定泵的台数和备用率。

5）校核泵的轴功率。

6）确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量。

7）选用电动机。

8）填写选泵规格表。

答出一个得1分，最多得6分。

6.塔型选择基本原则。(5分)

1)生产能力大，弹性好。

2)满足工艺要求，分离效率高。

3)运转可靠性高，操作、维修方便。

4)结构简单，加工方便，造价较低。

5)塔压降小。

答出一个得1分，最多得5分。

7.化工车间（装置）工艺设计内容（6分）

1)设计准备工作

2)方案设计

3)化工计算

4)车间布置设计

5)化工管路设计

6)提供设计条件

7)编制概算书及编制设计文件

答出一个得1分，最多得6分。

8.简述化工车间管道布置设计的要求（4分）

1)符合生产工艺流程的要求，并能满足生产需要。

2)便于操作管理，并能保证安全生产。

3)便于管道的安装和维护。

4)要求整齐美观，并尽量节约材料和投资。

答出一个得1分，最多得6分。

9.管道支架按其作用分类（4分）

32.固定支架（1分）

33.滑动支架（1分）

34.导向支架（1分）

35.弹簧吊架（1分）

10.简述化工设备的基本结构特点。(6分)

1)基本形体以回转体为主。

2)各部分结构尺寸大小相差悬殊。

3)壳体上开孔和管口多。

4)广泛采用标准化零部件。

5)采用焊接结构多。

6)对材料有特殊要求。

7)防泄露安全结构要求高。

答出一个得1分，最多得6分。

11..设计贮罐的一般程序。(6分)

1)汇集工艺设计数据。

2)选择容器材料。

3)容器型式的选用。

4)容积计算。

5)确定贮罐基本尺寸。

6)选择标准型号。

7)开口和支座。

8)绘制设备草图。

答出一个得1分，最多得6分。

12.车间平面布置的内容。(4分)

1)生产设施。（1分）

2)生产辅助设施。（1分）

3)生活行政设施。（1分）

4)其他特殊用室。（1分）

13.工艺上降低污垢系数方法。（4分）

1)改进水质，（1分）

2)消除死区，（1分）

3)增加流速，（1分）

4)防止局部过热。（1分）

14.反应釜设计程序。（6分）

1）确定反应釜操作方式

2）汇总设计基础数据

3）计算反应釜体积

4）确定反应釜设计（选用）体积和台数

5）反应釜直径和筒体高度、封头确定

6）传热面积计算和校核

7）搅拌器设计

8）管口和开孔设计

答出一个得1分，最多得6分。

15.工程概算项目的划分。(4分)

1.工程费用（1分）

2.其他费用（1分）

3.总预备费（1分）

4.专项费用（1分）

16.简述车间设备布置需要满足的要求。（6分）

2.满足生产工艺要求。（1分）

3.符合经济原则。（1分）

4.符合安全生产要求。（1分）

5.便于安装和检修。（1分）

6.建筑要求。（1分）

7.保证良好的操作条件。（1分）

17.简述化工设计结合国情应考虑的问题（6分）

1)中国人民的消费水平及各种化工产品的消费趋势。（1分）

2)中国化工机械设备及电气仪表的制造能力。（1分）

3)中国化工生产所用的化工原材料及设备用金属材料的供应情况。（1分）

4)中国环境保护的有关规定和化工生产中三废排放情况。（1分）

5)劳动就业与化工生产自动化水平的关系。（1分）

6)资金筹措和外汇贮备情况。（1分）

18.露天或半露天布置的优点。（4分）

1)建筑投资少、用地省。（1分）

2)利于安装和检修。（1分）

3)有利于通风。（1分）

4)防火防爆。（1分）

五.画图识图题

1.画出真空泵流量调节中的真空管吸入支路调节示意图。

8.画出通过调节换热介质来控制换热器温度的控制方案示意图。

3.画出离心泵出口旁路调节示意图。

4.画出用提馏段塔板温度控制塔底产品流量来实现精馏塔的控制示意图。

5.画出离心泵出口直接节流调节示意图。

6.画出用精馏段塔板温度控制塔顶产品流量来实现精馏塔控制的示意图。

六.计算题

1. 利用乙烯部分氧化制取环氧乙烷，将乙烯在过量空气条件下通过银催化剂进行如下反应，进料物质流量为1000mol/h，进料中含乙烯10%（mol），乙烯转化率为25%，计算反应器出口物料量。

反应方程式如下：

2C2H4+O2→2C2H4O

解：以每小时为计算基准。

进料：乙烯=1000×10%=100（mol/h）; （1分）

空气=1000×90%=900（mol/h）；（1分）

其中：氮气=900×0.79=711（mol/h ）; （1分）

氧气=900×0.21=189（mol/h ）; （1分）

转化掉乙烯=100×25%=25（mol/h ）；（1分）

则产物中：

未反应的乙烯：100－25=75（mol/h ）;（1分）

生成环氧乙烷：25（mol/h ）;（1分）

消耗氧气：25×0.5=12.5（mol/h ）;（1分）

剩余氧气：189－12.5=176.5（mol/h ）;（1分）

氮气：711（mol/h ）。（1分）

2.氨氧化反应器的能量衡算

氨氧化反应式为：

4NH 3（气）＋5O 2（气）→ 4NO （气）＋6H 2O （气）

此反应在 25℃、 101．3kPa 的反应热为ΔH 0r =－904.6KJ 。现有25℃的 100molNH 3/h 和800mol 空气/h 连续进入反应器，氨在反应器内全部反应，产物在200℃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。

300℃时N 2、O 2、NO 和 H 2O 的

P

C （N 2）＝29.50J/（mol·℃） P C （O 2）＝30.80 J/（mol·℃）

P C （NO ）＝30.80 J/（mol·℃）

P

C （H 2O ）＝34.80 J/（mol·℃） 解：题给的进料量由物料衡算得到反应器出口各组分的摩尔流量。

n （H 2O ）＝6÷4×100＝150mol/h （1分）

n （NO ）＝4÷4×100＝100mol/h （1分）

n （O 2）＝800×0.21－5÷4×100＝43mol/h （1分）

n （N 2）＝800×0.79＝632mol/h （1分）

算焓时的参考态：25℃，101.3KPa ，NH3（气），O 2（气），NO （气），H 2O （气）。因此进口的两股物料的焓均为零。计算出口物料的焓 ：

H（H2O）＝n（H2O）P C（H2O）×(200-25)=913.5KJ/h （1分）

H（NO）＝n（NO）P C（NO）×(200-25)=539KJ/h （1分）

H（O2）= n（O2）P C（O2）×(200－25)=231.77KJ/h （1分）

H（N2）= n（N2）P C（N2）×(200－25)= 3262.7KJ/h （1分）

反应放热ΔH0r= 100 × (－904.6 )÷4 =－22615 KJ/h （1分）

过程的ΔH=－22615＋913.5＋539＋231.77＋3262.7=－17668.03KJ/h（1分）

3. 乙苯脱氢制苯乙烯，通入纯乙苯为250kg/h，乙苯与水蒸气质量比为1：1.3，乙苯转化率为50%，其中在转化掉的乙苯中有90%转化成苯乙烯；10%转化成苯；反应如下。试计算反应器出口物料量。

转化成苯乙烯的反应：

C8H10→C8H8+H2

转化成苯的反应：

C8H10→C6H6+C2H4

解：以每小时为计算基准。

每小时通入乙苯=250kg/h=2.358kmol/h; (1分)

参加反应的乙苯2.358×50%=1.179kmol/h;

剩余乙苯=2.358×50%=1.179kmol/h=125kg/h; (1分)

配入水蒸气=250×1.3=325kg/h; (1分)

在反应掉的1.179kmol乙苯中转化成苯乙烯=1.179×90%=1.061kmol/h；(1分) 转化成苯=1.179×10%=0.1179kmol; (1分)

则反应生成：

苯乙烯=1.061×104=110.34（kg/h）;(1分)

氢气=1.061×2=2.33（kg/h）;(1分)

苯=0.1179×78=9.20（kg/h）;(1分)

乙烯=0.1179×28=3.30（kg/h）;(1分)

产物中水蒸气=325（kg/h）。(1分)

4.甲烷在连续式反应器中用空气氧化生产甲醛，甲烷的转化率为40%，氧气

完全反应。

CH4（气）＋O2→HCHO（气）＋H2O（气）

以100mol进反应器的甲烷为基准。假定反应在足够低的压力下进行，气体便可看作理想气体。甲烷于25℃进反应器．空气于25℃进反应器，如要保持出口产物为150℃，需从反应器取走多少热量？

C（N2,150℃）＝29.24 J/（mol·℃）

P

C（HCHO,150℃）＝9.12 J/（mol·℃）

P

C（H2O,150℃）＝34.00 J/（mol·℃）

P

C（CH4,150℃）＝39.2J/（mol·℃）

P

ΔH0f （CH4）=－74.85KJ/mol

ΔH0f （HCHO）=－115.9KJ/mol

ΔH0f （H2O）=－241.83KJ/mol

解：物料基难：100mol进料CH4

入口：CH4：100mol

O2：100×40%=40mol

N2：40÷21×79=150.48mol（1分）

出口：

CH4：100－40=60mol （1分）

N2：150.48mol

HCHO：40mol（1分）

H2O：40mol（1分）

取25℃时生成各个反应物和产物的各种原子（即C、O2、H2）为基准，非反应物质N2也取25℃为基准，将各个焓值计算如下。

H出（N2,150℃）= n P C（N2,150℃）×(150－25)=550KJ（1分）

H进（CH4,25℃）= nΔH0f （CH4）=－74.85×100=－7485KJ（1分）

H出（CH4,150℃）= nΔH0f （CH4）+n P C（CH4,150℃）×(150-25)=（－74.85+4.9）×60=－4197KJ（1分）

H出（H2O,150℃）= nΔH0f （H2O）+n P C（H2O,150℃）×(150-25)=（－241.83+4.25）×40=－9503.2KJ（1分）

H出（HCHO,150℃）= nΔH0f （HCHO）+n P C（HCHO,150℃）×(150-25)=（－115.9+1.14）×40=－4590.4KJ（1分）

ΔH=550－4197－9503.2－4590.4－（－7485）=－10255.6KJ（1分）

5.邻二甲苯空气氧化制苯酐，乙知邻二甲苯的转化率为70%，氧的用量为理论用量的150%，每小时投入邻二甲苯250kg，试计算出口物料流量。

反应式如下：

C8H10+3O2→C8H4O3+3H2O

解：以每小时为计算基准。

反应式C8H10+3O2→C8H4O3+3H2O

进料：邻二甲苯=250÷106=2.358kmol/h(邻二甲苯M=106); （1分）氧气=2.358×70%×3×150%=7.43 kmol/h; （1分）

氮气=7.43×0.79÷0.21=27.95kmol/h; （1分）

出料：苯酐=2.358×70%=1.65kmol/h;（1分）

水=2.358×70%×3=4.95kmol/h;（1分）

氧气=7.43－2.358×70%×3=2.48kmol/h（2分）;

氮气=27.95kmol/h;（1分）

未反应的邻二甲苯=250×（1－70%）=75kg/h，75÷106=0.71kmol/h（2分）

6.甲烷和氢气混合用空气完全燃烧来加热锅炉，烟道气分析按体积组成为N272.28%；CO28.12%；O22.44%；H2O1

7.15%。问：燃料中甲烷和氢气的比例？

反应式：H2+1/2O2→H2O

CH4+2O2→CO2+2H2 O

解：以烟道气100mol为计算基准，则N272.28mol；CO28.12 mol；O22.44 mol；H2O17.15 mol。由CO2量和反应式计算出甲烷量为8.12mol; （2分）燃烧需氧为8.12×2=16.24mol; （2分）

以氮气为联系物，计算进料中的空气量和氧量：

空气为72.28÷0.79=91.49mol,（1分）

氧气为91.49×0.21=19.21mol。（1分）

计算进料中的氢：

氢燃烧耗氧量为19.21－16.24－2.44=0.53mol，（1分）氢为0.53×2=1.06mol，（1分）

通过以上计算得：

燃料中甲烷和氢气的比例为8.12÷1.06=7.66。（2分）