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2009～2010学年第 一 学期期末考试试卷 《 化工设计 》（ A卷 共 4 页） （考试时间：2010 年 1 月 19 日 考试地点：西阶101） 二、（共20分）由一个液液非均相反应生产高纯度的产品C，反应式为A＋B?C（其反应速度
22r?CACB ），同时伴随着副反应A＋C?D（可逆反应，其正反应速度 r ? C AC C ）。已知采购来的原料A为液相原料，其中含有少量D及E。原料B也为液相，为纯组份且价格较贵。A、D、B、C、题号 一 二 三 四 五 成绩 核分人签字 E五种组分的相对挥发度由小到大（D、B之间相对挥发度相差更明显）。A原料的价格较便宜，C与E之间能形成难分离的共沸物。试进行这个过程的流程组织（连续操作流程，要求考虑反应器的形式），B 得分 写出简要说明，并画出流程框架草图。 一、（共20分）简答题（共5个小题，每小题4分） B B 解： E 1、简述化工工艺设计的内容及步骤。 A、D、E 精根据设计任务书?进行流程组织?流程的物料及能量衡算?设备设计及选型?带控制点的 馏混合器 塔工艺仪表管道流程图?车间平面、立面布置及配管图设计?工程概算及工程技术经济评价?工艺 产品C 设计说明书 2、简述化工产品成本由哪些部分构成。 精B、C 馏化工产品销售成本主要由以下部分组成：主要原材料费用，辅助原材料费用，燃料及动力费用， 塔混合器 人工费，专利或技术费用，折旧及大修基金，副产品收入，车间经费，企业管理费，销售费用。 精 馏 塔 3、简述我国现行的化工基建程序。 分流器 项目建议书 ? 项目建议书审批通过后，进行项目可行性研究 ? 审查可行性研究，决策通过后， A、D A、D 下达设计任务书 ? 设计阶段（包括基础设计、扩初设计、施工图设计）? 施工建设期 ? 工 程试投产运行 ? 项目正式投产 A、D A D 4、说明流程组织时挑选化学反应途径应该考虑的一些主要因素。 应该考虑的主要因素有： 反应步骤的长短；副反应的数量； 反应的条件苛刻与否；反应原料的成本；反应的速度及转化率；反应产物是否容易分离；等等。 5、简述化工项目试生产的步骤。 清理工程现场?清洗设备及管道?设备单体以水代料试车?流程以水代料联动试车?投入真实 物料试生产 .
1、 为了保证C产品的纯度，减轻反应结束后后续分离的压力，应该在原料准备阶段先将易与C形成共沸物的E先从原料A中分离去除； 2、 从反应的角度出发，应该选择多釜串联的釜式反应器（非均相反应），而且为了减少副反应，应该减少A原料的返混，所以A原料应该采用多釜滴加的方式； 3、 原料B较贵，应该将其与C分离后全部返回使用； 4、 要求生产高纯C产品，C组份应该从精馏塔塔顶馏出； 5、 D与A可以不分，通过分流器少量放空（A，D）混合物。 .
三、（共20分）下表列出了冷、热各两股流的起始温度和目标温度，并给出了其焓变及热容流率。假设最小传热温差，?Tmin要求为20℃。根据热交换网络窄点（Pinch）原理，请用问题列表算法（The problem table algorithm）列出具体计算步骤： 1、计算出窄点。（10分） 2、计算出外界最小输入冷量（QCmin）和外界最小输入热量（QHmin）。（10分） 流股 1 2 3 4 类型 冷 冷 热 热 Ti(℃) 20 140 200 250 To(℃) 180 230 80 40 ?H（MW） 32.0 27.0 30.0 31.5 CP（MW／℃） 0.2 0.3 0.25 0.15 步骤5：（给出最终结果得4分）从步骤4得到窄点温度、QCmin及QHmin 该热交换系统的窄点温度为150℃（冷窄点温度140℃，热窄点温度160℃）； 外界最小输入冷量QCmin为14.0MW； 外界最小输入热量QHmin为11.5MW。 四、（共15分）有一个化工项目，项目总投资共3800万元人民币（全部靠银行贷款），共1年建设期，第二年开始，连续11年预测其每年总销售收入3700万元人民币，每年其总销售成本为2800万元人民币，设该项目全部税种免税（不计各种税收）。项目共12年寿命期，终了时无任何残值，按年复利计算。其各年现金流量表预测如下（单位：万元人民币）： 年度（年） 总投资 总销售收入 总销售成本 1 3800 2 3700 2800 3 3700 2800 。。。 。。。 。。。 12 3700 2800 解： 步骤1：根据?Tmin，划分温度区间（列出此步得4分） 流股 1 2 3 4 步骤2：计算各区间热容流率差及焓变（列出此步得4分） 温度间隔 240 190 150 70 30 步骤3：构造假想最节能热阶流图（列出此步得4分） 240℃ →7.5→190℃→4→150℃→－16→70℃→2→30℃ 0 －7.5 －11.5 4.5 2.5 步骤4：构造可行的最节能热阶流图（列出此步得4分） 240℃ →7.5→190℃→4→150℃→－16→70℃→2→30℃ 11.5 4.0 0 16 14 .
类型 冷 冷 热 热 Ti(℃) 20 140 200 250 To(℃) 180 230 80 40 TS(℃) 30 150 190 240 ＊TT(℃) 190 240 70 30 ＊流股分配 4 1 2 3 ⊿T 50 40 80 40 ∑CPC－ ∑CPH 0．15 0．1 -0.2 0.05 ⊿H （MW） 7.5 4 -16 2 1、令年折现率为8％，试计算该项目的净现值（NPV）；（10分） 2、试计算该项目能承担的最大银行贷款年利率。（5分） 解： 1、以项目开始建设为基准时刻，则该项目全寿命期内NPV为： 项目建成后每年受益为：3700－2800＝900万元 NPV＝900/1.08＋900/1.082＋900/1.083＋。。。＋900/1.0811－3800 解得：该项目在年折现率为8％时，其净现值NPV＝2625.1万元 （列出计算式得7分，解出此步结果得3分） 2、因为该项目资金全部为贷款，其内部收益率即为其能承担的最大贷款年利率。设能承担的最大年利率为x；则： NPV（x）＝0 900/（1＋x）＋900/（1＋x）2＋900/（1＋x）3＋。。。＋900/（1＋x）11－3800＝0 试差解得：x＝0.2065 （列出计算式得3分，解出此步结果得2分） .
五、（共25分）乙醛可通过乙烯在银催化剂作用下部分氧化制取，但通常伴随着一个副反应（乙烯的完全氧化反应），反应式为： 2C2H4 ＋O2 2CH3CHO （主反应） C2H4 ＋3O2 2CO2 ＋2H2O （副反应） 设计已知： 1、乙烯在反应器内单程转化率为20％； 2、反应器内乙烯生成乙醛的单程选择性率为80％； 3、离开吸收塔的气流股有20％通过分流器放空； 4、分流器只牵涉到三种组份，提取塔也只牵涉到三种组份，除反应器外，其它单元设备内无化学反应。图中组成为摩尔分率。设计出的流程示意图如下所示。要求： 1、试作该过程的自由度分析（15分）。 2、求解吸收塔吸收液流出流股（8号流股）的组成（10分）。 6 5 分流器 C2H4 O2 N2 7 9 8 1 混合器 C2H4 1.00 2C2H4 0.10 11 C2H4O 0.25 CO2 H2O 3 反应器 4 H2O 1.00 C2H4O 0.04 流股变量总数 单元变量数 MB方程数 已知流股变量数 已知单元变量数 已知附加式数 原自由度 计算基准 最终自由度 反应器 仅做流程MB计算时的自由度分析表 吸收塔 混合器 提取塔 分流器 过程 整体 OB 9 2 6 1 2 0 +2 －1 +1 13 0 6 1 0 0 +6 +6 9 0 3 2 0 0 +4 －1 +3 8 0 3 2 0 0 +3 +3 5 0 1 0 0 1 +3 +3 25 2 19 4 2 1 +1 －1 0 10 2 6 2 0 0 +4 +4 吸收塔O2 0.21 N2 0.79 10 H2O 1.00 .
提取塔解： 1、自由度分析结果见上表，是弹性设计，应该挑选衡算计算基准：设反应器进料流股流量为100mol/h。完成以上自由度分析表。 2、F3＝100mol/h； 先求解反器的MB： 3号流股C2H4分摩尔流量＝100×0.10＝10mol/h 因其在反应器中单程转化率为20％，单程反应消耗的C2H4＝10×20％＝2mol/h 因其在反应器中生成CH3CHO的单程选择性率为80％，则单程反应生成CH3CHO消耗的C2H4＝2×80％＝1.6mol/h 则：4号流股中C2H4＝10－2＝8mol/h 4号流股中CH3CHO＝1.6mol/h 4号流股中CO2＝（2－1.6）×2＝0.8mol/h 4号流股中H2O＝（2－1.6）×2＝0.8mol/h 4号流股其它组份分流量N2，O2分流量无全解。 再解吸收塔的MB： CH3CHO衡算，0.04F8＝1.6，解得：F8＝40mol/h CO2衡算，X8，CO2×F8＝0.8，解得：X8，CO2＝0.8/40＝0.02 因8号流股只有3种组份，则X8，H2O＝1－002－0.04＝0.94 结果，8号流股组成（CH3CHO，CO2，H2O）＝（0.04，0.02，0.94）（摩尔分率） .
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