化工设计复习题

化工设计复习提纲 1. 甲醇脱生成甲醛的反应方程式为： CH3OH（l） HCHO（g）+H 2（g） （1）试用燃烧热数据计算 1600 kg 甲醇在 0.1013MPa、25 条件下的反应生成的热量。 已知：25下甲醇（ l）的燃烧热: （H 0298,c） 甲醇 = -726.6kJ/mol；25 下甲醛（g）的燃 烧热：（H 0298,c） 甲醛 = -563.6kJ/mol；25下 H2 （g）的燃烧热:（H 0298,c） H2 = - 285.8kJ/mol。 （2）若用废热锅炉回收上述反应生成的热量。高温气体走管内，管外送入 30、压力 1.274MPa 的软水，产生 1.274MPa 的饱和蒸汽，热损失为气体放出热的 8%，求产生 的蒸汽量。已知：30、1.274MPa 的饱和水焓：H 1=125.48kJ/；1.274MPa 的饱和蒸 汽 H2=2784.7kJ/。 解：(1) 25下甲醇（l）的燃烧热: （H 0298,c） 甲醇 =-726.6kJ/mol 25下甲醛（g）的燃烧热: （H 0298,c） 甲醛 =-563.6kJ/mol 25下 H2 （g）的燃烧热: （H 0298,c） H2 =-285.8kJ/mol 0.1013MPa、25 的反应热: （H 0298） reac= （H 0298,c） 甲醇 - （H 0298,c） 甲醛 -（H 0298,c） H2 = -726.6-(-563.6)+(-285.8) =122.8kJ/mol Q=160032122.81000=6.14010 3(kJ) (2) 30、1.274MPa 的饱和水焓 H 1=125.48kJ/h 1.274MPa 的饱和蒸汽焓 H 2=2784.7kJ/h 产生的蒸汽量为： =2124.2() 2. 如图所示，该塔的进料量 F 为 2400kg/h，进料为气液混合进料，气液比为 1：2，馏分 D 的流率为 1100kg/h，料液和馏分的温度分别为 110及 70，过热蒸汽 V 为 90， 塔底组分温度为 130，所有组分的平均比热容为 cp=1.2kJ/kg K，所有组分的潜热为 H=200kJ/kg，回流比 R=2，忽略热量损失。先计算塔底 W 和塔顶 V 的量，然后计算再 沸器和冷凝器的热负荷。若塔顶冷凝器的进出口温度分别为 20和 50，总传热系数 K 取 3000W/m2K，估算冷凝器的面积。 1）先进行物料衡算：确定基准为 1 h 进料 F=2400 kg 馏分 D=1100 kg W=FD=2400110=1300kg V=（R+1）D=31100=3300 kg 2）热量衡算： 选 70为基准温度 进料（F）的热量： 显热：Q F1=MFcP（T FT 0）=24001.2（11070） =1.152105（kJ） 潜热：Q F2=1/3MFH=1/32400200=1.6105（kJ） QF= QF1 Q F2=2.752105（kJ） 塔釜（W）的热量： 显热：Q W1=MWcP（T WT 0）=13001.2（13070）=9.3610 4（kJ） 潜热：Q W2=0 塔顶（V）的热量： 显热：Q V1=MVcP（T VT 0）=33001.2（9070）=7.9210 4（kJ） 潜热：Q V2=MVH=3300200=6.6105（kJ） QV= QV1 Q V2=7.392105（kJ） 塔顶馏分（D）和回流液（L）的热量： QD =QL=0 对整个系统进行热量衡算： Q 进 =Q 再沸器入 Q FQ L Q 出 =Q 再沸器出 Q WQ V Q 进 = Q 出 再沸器的热负荷： Q 再 =Q 再沸器入 Q 再沸器出 = QWQ VQ FQ L =9.361047.39210 52.75210 5 =5.576105（kJ） 冷凝器的热负荷： Q 冷 = QV=7.392105（kJ） 3) 冷凝面积的计算： T1=70 T 2=90 t1=20 t 2=50 t 1 =70-20=50 t 2 =90-50=40 =44.814() Q=KA t m A= Q 冷 /K t m =7.392108/(30003600 44.814) =1.53() 3某厂用空气氧化邻二甲苯生产苯酐。原料流量为 205 kg/h 邻二甲苯，4500 m3/h 空气。 从反应的计量关系可知，生成 1 mol 的苯酐需反应掉 1 mol 的邻二甲苯。经检验得到的 反应器出口气体组成如下： 组分 苯酐 顺酐 邻二甲苯 O2 N2 其他 合计 %(mol) 0.65 0.04 0.03 16.58 78 4.70 100 试计算：（1）邻二甲苯的转化率、苯酐收率； （2）苯酐的年产量（按 330 天/年计）。 . 解：因为其中含有大量 N2，且 N2为惰性组分（不参加反应），所以选择 N2作为物料 衡算的联系物。 进入反应器的空气中含有 N2： （4500/22.4）0.79=158.7 kmol/h 设反应器出口气体的总流量为 x kmol/h，则有： 0.78x=158.7 x=203.5 kmol/h 因此，反应器出口气体含有邻二甲苯： 203.50.03%=0.061 kmol/h=0.061106=6.47 kg/h 反应器出口气体含有苯酐： 203.50.65%=1.323 kmol/h 所以，邻二甲苯转化率 X=（205-6.47）/205=96.8% 苯酐收率 Y=1.323/（205/106）=68.6% 苯酐的年产量=1.32324330148 =1.550106 kg/h =1550 t/a 4. 含有苯（B）、甲苯（T）、二甲苯（ X）分别为 50%、30% 、20%的混合物，以 60000kg/d 的流量进入一个由两座精馏塔组成的分离系统，流程及赋值见图。已知 52%（质量）自 塔 顶部流出，物流 3 中所含的苯有 75%（质量）自塔顶部流出。计算所有未知物 流 3、5 的变量。 解：以 1 天为基准；列平衡方程式，得： F1=F2+F3 F3=F4+F5 F1=60000kg F2=F152%=6000052%=31200kg F3=F1-F2=28800kg 由于：F 1xB1=F2xB2+F3xB3 F1xT1=F2xT2+F3xT3 F1xX1=F2xX2+F3xX3 得到：x B3=1.25% B3=3600kg xT3=59.25% T3=17064kg xX3=39.5% X3=11376kg 可得：F 4=F3XB375%XB4=9000kg F5=F3-F4=28800-9000=19800kg 再： F 3xB3=F4xB4+F5xB5 F3xT3=F4xT4+F5xT5 F3xX3=F4xX4+F5xX5 得到 xB5=0.45% B5=89kg xT5=43% T5=8514kg xX5=56.55% X5=11197kg 5 用甲苯制造对甲苯磺酸。每批投入甲苯为 1000kg（含量为 99%，其余为杂质，下同）， 浓硫酸为 1050kg（含量为 98%）；在磺化过程中，甲苯的转化率为 80%：其中 75%转化为 对甲苯磺酸，25%转化为邻甲苯磺酸；已知反应过程中有 1%的甲苯和 10%的反应水被蒸发 为蒸汽逸出。试对该反应过程进行物料衡算。 解：确认物料衡算基准为 1 批： 实际参加反应的甲苯数量为： F1=100099%80%=792kg 杂质：10001%=10kg 未转化：100099%20%=198kg 反应方程式： 对甲苯磺酸（C 7H7-SO3H）H 2O C7H8H 2SO4 Y1 92 98 邻甲苯磺酸（C 7H7-SO3H）H 2O 891 X Y2 Z 参加反应的浓硫酸： X=79298/92=843.7kg 未反应的浓硫酸：105098%843.7=185.3kg 杂质：10502%=21kg Y=792172/92=1480.7kg Y1=1480.775%=1110.5kg Y2=1480.725%=370.2kg 生成水的量： Z=79218/92=155kg 其中：蒸发：15510%=15.5kg 剩余：139.5kg 总物料衡算：略 6. 由氢和氮生产合成氨时，原料气中总含有一定量的惰性气体，如氩和甲烷。为了防止循 环氢、氮气中惰性气体的积累，因而需要设置放空装置，如图所示。 假如原料气的组成（摩尔分数）为：N 2 24.75%，H 2 74.25%，惰性气体 1.00%。N 2 单程 转化率为 25%，循环物流中惰性气体为 12.5%，NH 33.75%（摩尔分数）。 试计算： （1）N 2 的总转化率； （2）循环物流量与原料气的摩尔比。 解：确定基准：100mol 原料气 循环物流的组成： I 的摩尔分数 = 0.125 NH3的摩尔分数 = 0.0375 N2的摩尔分数 =（1-0.125-0.0375）4 = 0.2094 H2的摩尔分数 = 0.20943=0.6281。 列方程：1000.01 = 0.125F 4 解得：F 4 = 8mol N2组分衡算： （0.2475 F 1+0.2094R）（1-0.25） =（R+F 4）0.2094 将 F1 = 100mol，F 4 = 8mol 代入上式，得: （0.2475 100 +0.2094 R）（1-0.25）=（R+8）0.2094 解得： R = 322.58mol N2的总转化率为： （100 0.2475+322.58 0.2094） 0.25 （100 0.2475） = 0.932 = 93.2% 放空气与原料气的摩尔比： 8 100 = 0.08 循环物流量与原料气的摩尔比为： 322.58 100 = 3.23 7 乙苯用混酸硝化，原料（工业用）乙苯的纯度为 98%，混酸中 HNO332%、H 2SO456%、 H2O12%，HNO 3 过剩率（HNO 3 过剩量与理论消耗量之比）为 0.05，乙苯的转化率 99%， 转化为对、邻、间位分别为 52%、43% 和 4%，若年产 300 吨对硝基乙苯，年工作日 300 天，试以一天为基准作硝化反应的物料衡算。 解：确定物料恒算的基准为 1 天，对硝基乙苯产量： 3001000300=1000kg 根据反应方程式： C6H5-C2H5+HNO3 NO2-C6H4-C2H5+H2O 106 63 151 18 x 1000 x=（1061000）（15152%）=1350 kg 折纯：135098%=1377.6 kg 又根据反应方程式： C6H5-C2H5+HNO3 NO2-C6H4-C2H5+H2O 106 63 151 18 1350 x1（邻）x 2（间） x1=135015143%106=826.9kg x2=13501514%106=76.9 kg 每天投料的混酸为： Y=631350（1+0.05）（1060.32）=2632.7 kg 其中：HNO 3 ：2632.732%=842.5 kg H2SO4 ：2632.756%=1474.3kg H2O ：2632.712%=315.9 kg 每天消耗的乙苯为：135099%=1336.5 kg 剩余：1350-1336.5=13.5 kg 每天消耗的硝酸为：13506399%106=794.3kg 剩余：842.5-794.3=48.2 kg 反应生成的水为：13501899%106=227.0 kg 总水量为：315.9kg+227.0kg=542.9kg 总衡算表：略 8. 作生产 2000kg 氯化苯的物料衡算。液态产品的组成（质量% ）为苯 60.0、氯化苯 35.0、二氯化苯 3.0、三氯化苯 2.0，商品原料苯和工业用氯气的纯度均为 98%，过程中 的主要反应有： C6H6+Cl2 C6H5Cl+HCl C6H6+2Cl2 C6H4Cl2+2HCl C6H6+3Cl2 C6H3Cl3+3HCl 解：以氯化苯为基准，F 1=2000kg 则要求液态产品的总量为：F=F 135%=5714.3kg 可知：二氯化苯为：F 2=F3.0%=171.4kg 三氯化苯为：F 3=F2.0%=114.3kg 苯为：F B=F60%=3428.6kg （6 分） 由： C 6H6+Cl2 C6H5Cl+ HCl 78 71 112.5 36.5 x1 y1 2000 z1 C6H6+2Cl2 C6H4Cl2+ 2HCl 78 142 147 73 x2 y2 171.4 z2 C6H6+3Cl2 C6H3Cl3+ 3HCl 78 213 181.5 109.5 x3 y3 114.3 z3 得到：x 1=1386.7 kg x2=90.9 kg x3=49.1 kg y1=1262.2 kg y2=165.6 kg y3=134.1kg z1=648.9 kg z2=85.1 kg z3=69.0kg （6 分） 所以，参与反应的苯为：x 1+ x2+ x3=1526.7 kg 工业苯的用量：（3428.6+1526.7）99%=5005.4 kg 消耗的氯气为：y 1+ y2+ y3=1561.9 kg 工业氯气的用量为：1561.999%=1577.7kg 生成氯化氢的量为：z 1+ z2+ z3=803.0 kg 杂质及废气的量为：5005.4+1577.7-4955.3-1561.9=65.9kg （5 分） 总物料平衡：略 9某厂用空气氧化邻二甲苯生产苯酐。原料流量为 205 kg/h 邻二甲苯，4500 m3/h 空气。 从反应的计量关系可知，生成 1 mol 的苯酐需反应掉 1 mol 的邻二甲苯。经检验得到的 反应器出口气体组成如下： 组分 苯酐 顺酐 邻二甲苯 O2 N2 其他 合计 %(mol) 0.65 0.04 0.03 16.58 78 4.70 100 试计算：（1）苯酐收率和反应选择性； （2）苯酐的年产量（按 300 天/年计）。 解：因为其中含有大量 N2，且 N2为惰性组分（不参加反应），所以，选择 N2作为物料衡 算的联系物。