化工设计复习提纲

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）+H2（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:（H0298,c）甲醇= -726.6kJ/mol；25下甲醛（g）的燃烧热：（H0298,c）甲醛= -563.6kJ/mol；25下H2 （g）的燃烧热:（H0298,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：H1=125.48kJ/；1.274MPa的饱和蒸汽H2=2784.7kJ/。解：(1) 25下甲醇（l）的燃烧热: （H0298,c）甲醇=-726.6kJ/mol25下甲醛（g）的燃烧热: （H0298,c）甲醛=-563.6kJ/mol25下H2 （g）的燃烧热: （H0298,c） H2 =-285.8kJ/mol0.1013MPa、25 的反应热:（H0298）reac= （H0298,c）甲醇- （H0298,c）甲醛-（H0298,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 H1=125.48kJ/h1.274MPa的饱和蒸汽焓 H2=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：QF1=MFcP（TFT0）=24001.2（11070）=1.152105（kJ）潜热：QF2=1/3MFH=1/32400200=1.6105（kJ） QF= QF1 QF2=2.752105（kJ） 塔釜（W）的热量：显热：QW1=MWcP（TWT0）=13001.2（13070）=9.36104（kJ）潜热：QW2=0 塔顶（V）的热量：显热：QV1=MVcP（TVT0）=33001.2（9070）=7.92104（kJ）潜热：QV2=MVH=3300200=6.6105（kJ） QV= QV1 QV2=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QFQLQ出=Q再沸器出QWQV Q进= Q出再沸器的热负荷： Q再=Q再沸器入Q再沸器出= QWQVQFQL =9.361047.3921052.752105 =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 T2=90 t1=20 t2=50 t1 =70-20=50 t2 =90-50=40 =44.814()Q=KA tmA= Q冷/K tm =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O2N2其他合计%(mol)0.650.040.0316.58784.70100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+F5F1=60000kgF2=F152%=6000052%=31200kgF3=F1-F2=28800kg 由于：F1xB1=F2xB2+F3xB3 F1xT1=F2xT2+F3xT3 F1xX1=F2xX2+F3xX3得到：xB3=1.25% B3=3600kg xT3=59.25% T3=17064kg xX3=39.5% X3=11376kg 可得：F4=F3XB375%XB4=9000kg F5=F3-F4=28800-9000=19800kg再： F3xB3=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（C7H7-SO3H）H2OC7H8H2SO4 Y1 92 98 邻甲苯磺酸（C7H7-SO3H）H2O 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=1480.7kgY1=1480.775%=1110.5kgY2=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：N2 24.75%，H2 74.25%，惰性气体1.00%。N2单程转化率为25%，循环物流中惰性气体为12.5%，NH33.75%（摩尔分数）。试计算：（1）N2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 = 0.125F4 解得：F4 = 8mol N2组分衡算： （0.2475 F1+0.2094R）（1-0.25） =（R+F4）0.2094 将F1 = 100mol，F4 = 8mol 代入上式，得: （0.2475 100 +0.2094 R）（1-0.25）=（R+8）0.2094 解得： R = 322.58molN2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%、H2SO456%、H2O12%，HNO3过剩率（HNO3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 1000x=（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）x2（间）x1=135015143%106=826.9kgx2=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：HNO3 ：2632.732%=842.5 kg H2SO4 ：2632.756%=1474.3kgH2O ：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+HClC6H6+2Cl2 C6H4Cl2+2HClC6H6+3Cl2 C6H3Cl3+3HCl解：以氯化苯为基准，F1=2000kg则要求液态产品的总量为：F=F135%=5714.3kg可知：二氯化苯为：F2=F3.0%=171.4kg三氯化苯为：F3=F2.0%=114.3kg 苯为：FB=F60%=3428.6kg （6分）由： C6H6+Cl2 C6H5Cl+ HCl 78 71 112.5 36.5 x1 y1 2000 z1C6H6+2Cl2 C6H4Cl2+ 2HCl78 142 147 73 x2 y2 171.4 z2C6H6+3Cl2 C6H3Cl3+ 3HCl78 213 181.5 109.5 x3 y3 114.3 z3得到：x1=1386.7 kg x2=90.9 kg x3=49.1 kgy1=1262.2 kg y2=165.6 kg y3=134.1kgz1=648.9 kg z2=85.1 kg z3=69.0kg （6分） 所以，参与反应的苯为：x1+ 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：y1+ 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：z1+ 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O2N2其他合计%(mol)0.650.040.0316.58784.70100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