化工设计（整理）

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：P29—34

管道的表示方法P34—36，图2-5，表2-3

仪表控制点的表示方法P38—41，表2-9，图2-6 8. 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

流量(F) 记录(R) 控制(C) 调节阀(节流) 止回阀 压力(P) 指示(I)调节阀(旁路)

切断阀

放净阀

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：

5000×8/8000=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:

1.1×5/0.47/0.9=13.0m3

进口管道通过能力=每批投料量/进料时间=1.1×5/0.5=11t/h=23.4m3/h 出口管道的通过能力=5.5/1.5= 3.67t/h 2.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。

第三章

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％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4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

z kgHNO30.90H2O0.10y kgH2SO40.930.07H2O废酸 x kgHNO30.23H2SO40.57H2O0.20混合过程混合酸HNO30.27H2SO40.60H2O0.13

（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=100×0.6=60 (2) HNO3的衡算式 0.23x + 0.90z=100×0.27=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13％H2O，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： C3H8?5O2?3CO2?4H2O；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：①空气的量；②C3H8的量；③烟道气的量。 ⑴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5×1.25 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 组成 C3H8 O2 N2 总计 mol 1 .25 23.51 30.76 g 44 200 653.3 897.3 组成 CO2 H2O O2 N2 总计 离开 mol 3 4 1.25 23.51 31.76 g 132 72 40 653.3 897.3 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

100?29.76?93.7mol

31.76(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 组成 C3H8 空气 总计 mol 0.0336 .1 1.0336 g 1.48 28.88 30.36 组成 CO2 H2O O2 N2 总计 离开 mol 0.101 0.135 0.042 0.79 1.068 g 4.44 2.43 1.36 22.12 30.35 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：G3?

300?10001000?106.17?1000kg 乙苯：G1??1404.6kg

300151.17?0.5 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： 1478.6×1.855＝2787.2 kg 纯 HNO3量： 2787.2×0.32＝891.9 kg 96％HNO3量： 891.9／0.96＝929.1 kg 纯H2SO4量： 2787.2×0.56＝1560.8 kg 93％H2SO4量： 1560.8／0.93＝1678.3 kg 加水量： 2787.2－929.1－1678.3＝179.8 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 ：

1404.6?151.17?1999.7kg

106.17其中： 对位 1999.9×0.5＝1000 kg 邻位 1999.9×0.44＝880 kg

间位 1999.7－1000－880 ＝ 119.7 kg 废酸量：

HNO3消耗量：1404.6/106.17×63=833.5 kg； H2O生成量： 1404.6/106.17×18.02=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K2CrO4 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：⑴蒸发器蒸发出水的量；⑵ K2CrO4 结晶的产率；⑶循环液(mol)/新鲜液(mol)的比率；⑷蒸发器和结晶器的投料比(mol) 。 解：

? 系统1 总物料：F1=F6+Ps+Pc ① K2CrO4 ：0.3333F1=0.3636Ps+Pc ②

? 系统2 总物料：F4=F2+Ps+Pc ③ K2CrO4 ：0.494F4=0.3636F2+0.3636Ps+Pc ④

? 系统3 总物料：F1 +F2 =F3 ⑤ ? 约束式： Pc=0.95(Ps+Pc) ⑥ ※ ①～ ⑥联立可解出F2，F3，F4，Ps，Pc，F6

7.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。

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