化工设计试题及答案

化工设计试题及答案1.某年产30万吨乙烯的装置拟采用石脑油裂解路线，原料石脑油平均分子量取95kg/kmol，裂解气经五段压缩后进入脱甲烷塔。已知裂解炉出口温度为840℃，出口压力0.18MPa（绝），稀释蒸汽比0.55kg蒸汽/kg石脑油。若要求乙烯收率28%（质量分数），试求：（1）每小时需加入石脑油的质量流量；（2）裂解炉出口气相总摩尔流量；（3）若五段压缩机等熵效率82%，每段压比1.78，求末段出口温度（入口温度40℃，k=1.24）。答案与解析：（1）乙烯产量30×10⁴t/a，年操作8000h，故乙烯质量流量=30×10⁴×10³/8000=3750kg/h。乙烯收率28%，则石脑油用量=3750/0.28=13392.9kg/h≈1.34×10⁴kg/h。（2）石脑油摩尔流量=13392.9/95=140.98kmol/h。稀释蒸汽流量=0.55×13392.9=7366.1kg/h=409.2kmol/h。裂解反应按经验式：C₇H₁₆→0.7C₂H₄+0.15C₃H₆+0.05C₄H₈+0.1CH₄+0.45H₂+0.25C₆H₆+0.25C₂H₂+0.15C₃H₈+0.15C₄H₁₀+0.05C₅H₁₂+0.05C₆H₁₄+0.05C₇H₁₆（未反应）。生成乙烯摩尔流量=3750/28=133.93kmol/h。按化学计量比，消耗石脑油=133.93/0.7=191.3kmol/h。未反应石脑油=140.98−191.3=−50.3kmol/h，负值表明需修正收率基准。改用碳平衡：石脑油含碳7kmol/kmol，乙烯含碳2kmol/kmol。碳流入=140.98×7=986.9kmol/h；碳流出乙烯=133.93×2=267.86kmol/h；碳分配：乙烯28%，丙烯15%，丁烯5%，甲烷10%，苯25%，乙炔5%，其余12%。总碳流出=267.86/0.28=956.8kmol/h。裂解气总摩尔流量需按产物加和：C₂H₄133.93，C₃H₆0.15×956.8/3=47.84，C₄H₈0.05×956.8/4=11.96，CH₄0.1×956.8/1=95.68，H₂0.45×956.8/2=215.28，C₆H₆0.25×956.8/6=39.87，C₂H₂0.05×956.8/2=23.92，C₃H₈0.15×956.8/3=47.84，C₄H₁₀0.15×956.8/4=35.88，C₅H₁₂0.05×956.8/5=9.57，C₆H₁₄0.05×956.8/6=7.97，C₇H₁₆未反应=140.98−191.3×0.95=−41.8，取0。合计摩尔流量=133.93+47.84+11.96+95.68+215.28+39.87+23.92+47.84+35.88+9.57+7.97=669.74kmol/h。加稀释蒸汽409.2kmol/h，总出口气相=1078.9kmol/h≈1.08×10³kmol/h。（3）等熵过程：T₂=T₁(r^((k−1)/k))/η。单段压比1.78，五段总压比=1.78⁵=17.0。末段入口压力=0.18×17.0/1.78=1.72MPa，出口压力=1.72×1.78=3.06MPa。末段入口温度40℃=313K。等熵出口温度=313×1.78^(0.24/1.24)=313×1.78^0.1935=313×1.122=351.2K。实际出口温度=313+(351.2−313)/0.82=313+46.6=359.6K=86.5℃。2.某甲醇制烯烃（MTO）装置采用流化床反应器，催化剂为SAPO-34，反应温度480℃，压力0.15MPa（绝）。已知甲醇进料量100t/h，甲醇转化率99.5%，乙烯+丙烯选择性82%（碳基），循环比（循环烃/新鲜甲醇质量）0.35。反应器出口气经急冷、压缩、碱洗后进入脱乙烷塔。若要求乙烯产量46t/h，丙烯产量34t/h，求：（1）催化剂积碳速率（kg/h），假设积碳选择性3%（碳基）；（2）脱乙烷塔顶冷凝器负荷（kW），塔顶温度−25℃，塔顶气相含乙烯96%（mol），压力2.8MPa，冷凝率98%；（3）若采用热泵流程，以塔顶气为工质，热泵COP取4.2，求压缩机轴功率。答案与解析：（1）甲醇碳流量=100×10³/32×1=3125kmol/h。转化甲醇碳=3125×0.995=3108.8kmol/h。乙烯碳=46×10³/28×2=3285.7kmol/h，丙烯碳=34×10³/42×3=2428.6kmol/h，总烯烃碳=5714.3kmol/h。选择性82%，故总碳消耗=5714.3/0.82=6968.7kmol/h。积碳碳=6968.7×0.03=209.06kmol/h=209.06×12=2508.7kg/h≈2.51t/h。（2）塔顶气相总量：乙烯46t/h=1642.9kmol/h，占96%，故总气相=1642.9/0.96=1711.3kmol/h。冷凝量=1711.3×0.98=1677.1kmol/h。冷凝热：乙烯−25℃、2.8MPa下潜热取12.8kJ/mol。负荷=1677.1×12.8×1000=2.147×10⁷kJ/h=5964kW。（3）热泵需移出热量=5964kW，COP=4.2，压缩机轴功率=5964/4.2=1420kW。3.某30万吨/年合成氨装置采用Kellogg钌基低压工艺，合成塔入口温度400℃，压力9.0MPa，氢氮比3.1，惰气（CH₄+Ar）摩尔分数8%。合成塔出口氨浓度18%（mol），单程转化率15%。新鲜气流量80000Nm³/h，循环气流量为新鲜气4.2倍。求：（1）合成塔催化剂装填量（m³），假定钌催化剂空速8000h⁻¹（以入口气计）；（2）废热锅炉产汽量（t/h），合成塔出口气经废锅降温至250℃，给水温度105℃，产汽压力4.5MPa（饱和温度257℃），热损失5%；（3）若采用分子筛干燥，入口气含水饱和（40℃），要求出口水含量<1ppm，求分子筛床层直径（m），空塔气速0.25m/s，吸附周期8h，动态吸附容量12%（质量），颗粒密度1150kg/m³。答案与解析：（1）入口总气量=新鲜+循环=80000+4.2×80000=4.16×10⁵Nm³/h=18571kmol/h。催化剂空速8000h⁻¹，则装填量=18571/8000=2.32m³。（2）合成反应热：0.5N₂+1.5H₂→NH₃，ΔH₄₅₀℃=−54.5kJ/mol。生成氨=18571×0.15×0.18=501.4kmol/h=8518kg/h。放热=501.4×54.5×1000=2.733×10⁷kJ/h。废锅有效热=2.733×10⁷×0.95=2.596×10⁷kJ/h。产汽焓差：4.5MPa饱和蒸汽焓2797kJ/kg，给水焓440kJ/kg，Δh=2357kJ/kg。产汽量=2.596×10⁷/2357=11014kg/h=11.0t/h。（3）入口气含水：40℃饱和水蒸气分压7.38kPa，总压9.0MPa，水摩尔分数=7.38/9000=0.00082。水流量=18571×0.00082=15.23kmol/h=274kg/h。8h累计水=274×8=2192kg。动态吸附容量12%，需分子筛=2192/0.12=18267kg。颗粒密度1150kg/m³，体积=18267/1150=15.88m³。空塔气速0.25m/s，体积流量=4.16×10⁵/3600×(313/273)×(0.1013/9.0)=11.2m³/s。截面积=11.2/0.25=44.8m²，直径=√(4×44.8/π)=7.56m。4.某60万吨/年对二甲苯（PX）装置采用吸附分离工艺，吸附剂为BaX分子筛，吸附塔内径4.2m，床层高度1.8m，循环时间24min，进料组成对二甲苯22%、间二甲苯48%、邻二甲苯15%、乙苯15%（质量），吸附选择性β(PX/MX)=2.3。求：（1）吸附剂用量（t）；（2）PX回收率98%时的抽余液PX浓度（质量分数）；（3）若采用模拟移动床（SMB），12个床层，每个床层高1.5m，求步进时间（s）；（4）解吸剂（对二乙苯）与进料质量比1.35，求解吸剂循环量（t/h）。答案与解析：（1）床层体积=π/4×4.2²×1.8=24.9m³。BaX堆密度720kg/m³，用量=24.9×720=17928kg≈17.9t。（2）进料PX流量=60×10⁴×0.22/8000=16.5t/h。回收率98%，则抽余液PX=16.5×0.02=0.33t/h。抽余液总量=进料−抽出PX=16.5/0.22−16.5×0.98=75−16.17=58.83t/h。抽余液PX浓度=0.33/58.83=0.0056=0.56%。（3）SMB总床层长度=12×1.5=18m，线速度=床层长度/循环时间=18/(24×60)=0.0125m/s。步进时间=床层间距/线速度=1.5/0.0125=120s。（4）解吸剂比1.35，进料总量=16.5/0.22=75t/h，解吸剂循环量=75×1.35=101.25t/h。5.某10万吨/年聚氯乙烯（PVC）装置采用乙烯氧氯化路线，直接氯化反应器温度50℃，压力0.25MPa（绝），乙烯转化率98%，生成1,2-二氯乙烷（EDC）选择性96%。氧氯化反应器温度225℃，压力0.35MPa，乙烯转化率99%，EDC选择性94%。裂解炉出口温度500℃，压力0.65MPa，EDC转化率65%，氯乙烯（VCM）选择性99.2%。求：（1）新鲜乙烯总耗（t/h）；（2）裂解炉出口气经急冷塔降温至90℃，需循环急冷水量（t/h），急冷水温升15℃；（3）VCM精馏塔顶冷凝器采用−15℃盐水，冷凝负荷2800kW，求盐水流量（m³/h），盐水比热3.2kJ/(kg·K)，密度1.18kg/L，温升8K；（4）若装置副产0.25MPa饱和蒸汽（饱和温度127℃），求副产汽量（t/h），裂解气余热从500℃降至180℃，气相平均比热1.15kJ/(kg·K)，气相流量85000kg/h，热损失3%。答案与解析：（1）VCM产量=10×10⁴×10³/8000=1250kg/h=20.16kmol/h。EDC裂解：C₂H₄Cl₂→C₂H₃Cl+HCl，需EDC=20.16/0.992=20.32kmol/h=2007kg/h。EDC总量=2007/0.65=3088kg/h。直接氯化+氧氯化总EDC=3088kg/h。设新鲜乙烯xkmol/h，则0.98×0.96x+0.99×0.94x=3088/98=31.51kmol/h。解得x=17.36kmol/h=486kg/h≈0.486t/h。（2）裂解气流量85000kg/h，比热1.15kJ/(kg·K)，降温ΔT=500−180=320K。放热=85000×1.15×320=3.128×10⁷kJ/h。有效热=3.128×10⁷×0.97=3.034×10⁷kJ/h。0.25MPa饱和蒸汽潜热2185