化工设计习题及解答第三章

1、第三章材料平衡计算和热平衡计算练习1连续常压蒸馏塔饲料是含苯质量分数(河东)38% (wt)和甲苯62%的混合溶液，可从馏分液中回收原料中97%的苯，釜残留物中的苯含量不低于2%。供应流量为20000kg/h，求出馏分油和罐余额的流动和组成。f，xFd，xDw，xW解决方案：苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。以下标准b表示苯：供应中苯的摩尔分数苯在罐余额中的摩尔分数饲料平均相对分子质量塔原料的摩尔流量问题是馏分油可以回收原料中97%的苯用前苯的质量秤计算计算全塔的总质量用上述质量平衡表达式替换已知数据可以解开所以，成分top feed塔顶馏分水壶余额Kg/h%(wt)Kmol/

2、h%(mol)Kg/h%(wt)Kmol/h%(mol)Kg/h%(wt)Kmol/h%(mol)苯76003897.4341.967372.685.6094.5287.52227.82.02.922.35甲苯1240062134.858.041240.214.4013.4812.4811599.498.0121.397.65总计20000100232.21008612.8100108100113387.2100124.2100练习题2使用蒸发方法浓缩浓度10%NaOH(质量浓度)和水溶液10%NaCl。蒸发时，只有部分水分蒸发变成水蒸气逸出，部分NaCl被确定为晶粒，留在母液中。工作停止后，

3、母液成分为50%NaOH，2%NaCl和48%H2O。如果每批抽取1000公斤的原料液，请测量1)母液的量，2)蒸发的水量，3)结晶的NaCl量。蒸发器原材料液体F1=1000kg千克10%藏青色10%NaCl80%H2O母液，F4公斤50%藏青色2%NaCl48%H2O水蒸气，F2公斤NaCl决定，F3公斤蒸发器原材料液体F1=1000kg千克10%藏青色10%NaCl80%H2O母液，F4公斤50%藏青色2%NaCl48%H2O解决方案：选择的标准是每批1000千克原料溶液总物料平衡计算F1=F2 F3 F4配料物料平衡计算NaOH平衡10000.1=0.5F4NaCl平衡10000.1=

4、0.02F4 F3H2O平衡1000(1-0.1-0.1)=F2 0.48F4解决方案：F2=704kg，F3=96kg，F4=200kg在充分燃烧练习3%的过程中，让空气超过25%，燃烧反应方程式如下。试验计算了100摩尔燃烧产物(又名烟气)需要添加的空气的摩尔量。解决方案：1mol入口丙烷作为计算基础根据反应方程式，1毫升丙烷需要5毫升的氧气，并对其做出反应，因为氧气超过25%，需要添加的空气量其中烟气中的每个组数：0 mol 23.51 mol因此，基于1mol入口丙烷的物料天平计算如下入口出口106.251.2523.5123.510304总计30.78总计31.76计算结果表明，添加

5、29.76mol将产生烟囱气体31.76mol，因此，每次生成100mol烟囱气体时添加的空气量如下练习4合成气组成为0.4%CH4，52.8%H2，38.3%CO，5.5%CO2，0.1%O2和2.9%N2(体积百分比)。如果用10%的过剩空气燃烧，请确保燃烧气体不含CO2，计算燃烧气体组成。燃烧气体CO2O2N2燃烧合成气CH4H2共同CO2O2N2空气O2N2解决方案：基准：1000mol合成气，1h；气体中含有C4 385 55=442mol；H 44 2528=1072mol；O 383 255 12=495mol理论氧气O2=442 1072/4-495/2=462.5mol理论空

6、气462.5/0.21=2202.4mol实际空气1.12202.4=2202.4molN2 0.792422.6=1914molO2 0.212422.6=508.8mol对每种物质进行平衡计算N2平衡：29 1914=fn2=1943mol；c平衡：4 383 55=f CO2=442 molO2平衡：0.5383 55 1 508.8=f CO2 0.5 f2o fo2=442 0.5536 FO2FO2=46.3mol燃料气体组成CO2、H2O、O2、N2=(0.149，0.1806，0.0156，0.6548)练习5将天然气甲烷蒸汽转化为H2过程的物质平衡计算尝试。该工厂每小时消耗4

7、700m3的气体，其组成(体积百分比)为CH4 97.8.C2H6 0.5，C3H8 0.2，C4H10 0.1，N2 1.4。在早期混合物中，水蒸气与天然气的比例为2.5，碳氢化合物的转化率为67%。这个过程包括以下反应。CH4 H2OCO 3H2 (1)CH4 CO22CO 2H2 (2)CO H2OCO2 H2 (3)转换后的气体的CO与CO2比率最好是气体离开转换器的温度，即700 时反应平衡的比率。第一，因为这个反应比其他两个反应快。第二，在这个温度下，在反应1和反应3中，平衡有利于向反应产物的方向移动。在700 时，此类反应的平衡常数Kp的近似值为1)25，2)20，3)1.54。

8、标准是100m3天然气天然气甲烷的转换是生产氢和氨原料气的过程，在装有催化剂的管反应器中进行，反应1和反应2是吸热反应，反应3是热反应提供反应热，反应1和反应2进行。转化后的气体中各成分的含量(m3)分别表示为、与碳氢化合物反应产生的水蒸气。转换后的气体中没有反应的碳氢化合物的体积(以CH4计算)如下：(97 . 8 0 . 52 0 . 23 0 . 14)(100-67)/100=32.9 m3为了确定转换气体的组成，计算元素材料平衡：c平衡97.8 0.52 0.23 0.14=32.9=99.9-o平衡初始水蒸气1002.5=250m3250=2 (250-)2 -=0h平衡497 .

9、 8 0 . 56 0 . 28 0 . 110 2250=2 432 . 9 2(250-)=132.6因为产品混合物中CO与二氧化碳的比率是以在700 平衡时的反应式3为基准确定的。反应3的平衡常数为：解决方法=100m3到其他组件=100-66.9=33.1m3=133.8-100=33.8 m3=100 132.6=232.6 m3=250-100=150 m3(转换气体的剩馀水蒸气量)。转换气体成分数据见表3-1。将此数据应用于物料计算。结果见表3-2。表3-1转化气体成分分组湿煤气干气M3V%M3V%CH432.96.832.99.9H2232.648.07232.669.60共同

10、33.87.033.810.15CO233.16.8433.19.93N21.40.291.40.42H2O150.031.0西格玛433.8100.0333.8100.0表3-2甲烷转化过程材料平衡计算收入输了输了材料KgM3产品KgM3天然气干燥的转换气体CH43290.004596.60CH41104.501546.3C2H631.5023.50H2977.6010932.2C3H818.309.40共同1992.801588.6C4H1012.204.70CO23057.401555.7N282.2065.80N282.2065.8西格玛3434.204700.00西格玛7214.50

11、15688.6水蒸气9447.011750.0水蒸气5683.507050.0西格玛12881.21645.0西格玛1288.0022738.6练习6苯加氢转化为环己烷，工厂产量为100kmmol/h的环己烷，如图所示。苯以99%的反应生成环己烷。进入反应堆物流的配置为80% H2和20% C6H6(mol%)。产品物流包含3%H2。试验计算：1)产品物流构成；2)C6H6和H2供应速度；3)H2的循环速度。核反应堆冷凝器纯C6H6新鲜的H2循环H2产品3%H2解化学反应方程式产品物流，环己烷100kmol/h苯的转化率为99%，生产100kmol/h，环己烷需要苯100/0.99=101.0

12、1 kmol/h未反应苯量101.01-100=1.01 kmol/h含有H2 3%的产品，设置H2含量，=3.12kmol/h产品总数量=100 1.01 3.12=104.13kmol/hC6H6、C6H12和H2的摩尔分数分别为0.96、0.01和0.03。H2的供给速度为1003 3.12=303.12 kmol/h苯供给速度101.10 kmol/h将循环H2量设置为R kmol/h练习7甲苯催化加氢脱甲基苯，主要反应和副作用：主反应副反应以纯氢和纯甲苯为原料进入反应器的氢和甲苯的比例为5333001(摩尔比)。甲苯的单程转化率为80%，生成苯的选择性率为98%，未反应的甲苯和产品苯

13、用作产品物流输出系统、氢和甲烷循环。混合原料的甲烷含量不超过10%，要计算排放费及各物流的组成。解法：在问题中绘制材料流程图，如以下：所示搅拌机核反应堆纯C6H6rR1 H2R2 CH4分离器分配器H2CH4 10%H2CH4C6H6C6H6H2 CH4H2 CH4解决方案：问题是，混合原料的甲烷含量不要超过10%，使用10%计算，计算的排放量应该是最小值，实际排放量应该比这个稍大。标准：反应堆混合原料100mol/h核反应堆feed:CH4 100mol/h10 %=10mol/h料号H2总计10 mol/h=100 mol/hH2 75 mol/h15 mol/h发放：剩馀15 mol/h(1-80%)=3 mol/h生成的c6h 6 15 mol/h80%=11.76 mol/hCH4 15mol/h80 % 15mol/h80 %(1-98%)7 15mol/h=(11.76 1.68 10) mol/h=23.44 mol/hH275mol/h-15mol/h80 %-15mol/h80 %(1-98%)10=(75-11.76-2.4)mol/h=60.84mol/h出货总量为60.84mol/h 3 23.44mol/h 11.76mol/h=99.04mol/h反应堆出口材料配置：分离器3 mo