化工厂设计-例题习题

第一章 化工设计概论

复习思考题 1 化工设计的种类

2 （扩大）初步设计的程序及内容 3 （扩大）初步设计文件的内容 4 毕业设计说明书的内容

第二章 工艺流程设计

复习思考题

1 生产方法和工艺流程的选择原则 2 工艺流程设计的任务 3 工艺流程图图样种类

4 带控制点的工艺流程图中设备、管道及管件、仪表控制点的标注5 计算机绘制一张带控制点的工艺流程图

第三章 化工计算

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例题

[例4－2] 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。

[例3－2] 有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。输入物料中A组分的98。7％自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。

解：

基准：100kg/h 输入物料

令 x = 馏出物中A的百分含量，y = 馏出物中B的百分含量。 将各物料的流量及组成列于下表

组 分 mol % A B C 流股号 流量 (kg/h) 1 2 3 100 P W 20 x 0.5 30 y 5.5 50 1-x-y 94.0 由上表可以看出，共有5个未知量，即P、W及流股2的组成A、B、C，由于

组成A＋B＋C＝1，所以只需求出任意两个组成，第三个组成就可以求出。因此，实际上是4个未知量，需要4个方程。但是输入和输出物料中共有3个组分，因而只能写出3个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。

冷凝器2进料100kg/h1A 0.20B 0.30C 0.50蒸馏塔馏出物 P kg/hA ?B ?C 1-A-B3塔底产物 W kg/hA 0.005B 0.055C 0.94

根据题意，已知输入物料中A组分的98.7%自塔顶蒸出，即 流股2中A组分量为

P·x ＝ 100 × 20% × 98.7% = 19.74 kg (1)

总物料衡算式有P和W两个未知量。A、B、C三组分的衡算式中，A组分的

衡算式只含一个未知量W，所以先列A组分的衡算式。

A组分衡算式 100 × 20% = W × 0.5% + 19.74 (2) 总物料衡算式 100 = P + W (3) B组分衡算式 100 × 30% = 5.5 × W + P × y (4)

由（2）式得 W = 52 kg

代入（3）式得 P = 100 －52 = 48 kg 代入（4）式得 y = 56.54%

由（1）式得 x = 19.74 / P = 19.74 / 48 = 41.13% C组成为 1 – x – y = 1 – 41.13% – 56.54 = 2.33%

由C组分衡算式得 100 × 50% = 52 × 94% + 48 (1 – x – y)

1 – x – y = 2.33%，结果符合。

有多个设备过程的物料衡算

[例3－3] 有两个蒸馏塔的分离装置，将含50％苯、30％甲苯和20％(mol%)二

甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。计算蒸馏1000 mol/ h 原料所得各流股的量及进塔II物料的组成。

S2mol/hB 0.95T 0.032x 0.021000 mol/hB 0.50T 0.30x 0.201III4S4mol/hB 0.03T 0.95x 0.023S3mol/hBX3BTX3Tx 1-X3B-X3T5S5mol/hB 0.0045T 0.43x 0.56

解：

设S2、S3……表示各流股物料量，mol / h

x3B、x3T表示流股3中苯、甲苯的组成。

该蒸馏过程中共可列出3组物料衡算方程，每组选三个独立方程。即 体系A（塔I）： 总物料 1000＝S2 ＋ S3 (1)

苯 1000 × 0.5 ＝0.95S2 ＋x3B S3 (2) 甲苯 1000 × 0.3 ＝0.03S2 ＋x3T S3 (3)

体系B（塔II）： 总物料 S3 ＝S4 ＋ S5 (4)

苯 x3B S3 ＝0.03S4 ＋ 0.0045 S5 (5) 甲苯 x3T S3 ＝0.95S4 ＋ 0.43 S5 (6)

体系C（整个过程）： 总物料 1000 ＝S2 ＋ S4 ＋ S5 (7)

苯 1000 ×0.5＝0.95S2 ＋ 0.03S4 ＋ 0.0045S5 (8) 甲苯 1000 ×0.3＝0.03S2 ＋ 0.95S4 ＋ 0.43S5 (9)

以上9各方程，只有6各是独立的。因为（1）＋（4）＝（7）式，同样， （2）＋（5）＝（8）式及（3）＋（6）＝（9）式。因此，解题时可以任选二

组方程。由题意，应选体系C(整个过程)，因为三个流股2、4、5的组成均已知，只有S2、S4、S5三个未知量，可以从(7)、(8)、(9)三式直接求解。

由(7)、(8)、(9)三式解得

S2 ＝ 520 mol / h S4 ＝ 150 mol / h S5 ＝ 330 mol / h

再任选一组体系A或B的衡算方程，可解得：

S3 ＝ 480 mol / h，x3B＝0.0125，x3T＝0.5925，x3x＝0.395

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第四章 设备的工艺设计及化工设备图

复习思考题、计算题 1 泵的选用与设计程序

2 用某离心泵以45m3/h的流量将贮水池中60℃的热水输送到凉水塔顶，并经喷头喷出而落入凉水池中，以达到冷却的目的。已知水在进入喷头之前需要维持49kpa的表压强，喷头入口较热水池水面高6m。吸入管路和排出管路中压头损失分别为1m和2m，管路中的动压头可以忽略不计。试选用合适的离心泵，并确定泵的安装高度。当地气压按101.33kpa计。 3 换热器设备类型及选用或设计程序

4 欲用循环水将流量为65m3/h的粗苯液体从78℃冷却到35℃，循环水的初温为28℃，试选用适宜的列管式换热器。 4 塔器的选型与设计 5 化工设备图图样的分类

6 装配图的基本内容和视图表达特点

第五章 车间布置设计

复习思考题

1 车间布置设计的内容和原则 2 塔的一般布置形式 3 设备布置设计的图样 4 设备布置图的内容

5 设备布置图中设备的表示方法及标注

第六章 管道布置设计

复习思考题

1 管道布置设计的内容和要求 2 管道布置图中管道及附件的常用画法

3 管道布置图中建（构）筑物、设备、管道及管件、仪表控制点的标注

第七章 其他

复习思考题

1 非工艺专业与工艺专业的关系 2 环境保护的重要性