化工设计习题及解答第三章

1、第三章物料衡算与热量衡算习题1连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数(下同)38(wt)和甲苯62的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97的苯，釜残液中含苯不低于2。进料流量为20000kgh，求馏出液和釜残液的流量和组成。F, xFD, xDW, xW解：苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。以下标B代表苯。进料中苯的摩尔分数 釜残液中苯的摩尔分数 进料平均相对分子质量 进塔原料的摩尔流量 依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以作全塔苯的质量衡算得 作全塔总质量衡算得 将已知数据代人上述质量衡算方程得 解得 所以，组分塔进料塔顶馏出物釜残液kg/h%(wt)kmol/h%(mol

2、)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1240062134.858.041240.214.4013.4812.4811159.498.0121.397.65合计20000100232.21008612.810010810011387.2100124.2100习题2 采用蒸发方法将浓度为10%NaOH（质量浓度）及10%NaCl的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaCl结晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母

3、液的成分为：50%NaOH，2%NaCl及48%H2O。若每批处理1000kg原料液，试求每批操作中：1）获得的母液量，2）蒸发出的水分量，3）结晶出的NaCl量。蒸发器原料液 F1=1000kg10%NaOH10%NaCl80%H2O母液,F4 kg50%NaOH2%NaCl48%H2O水蒸气，F2 kgNaCl晶体,F3 kg蒸发器原料液 F1=1000kg10%NaOH10%NaCl80%H2O母液,F4 kg50%NaOH2%NaCl48%H2O解：所选择的基准为：每批处理量，1000kg原料液总物料衡算F1 = F2 + F3 + F4组分物料衡算NaOH平衡 10000.1=0.5

4、F4NaCl平衡 10000.1=0.02F4+F3H2O 平衡 1000（1-0.1-0.1）=F2+0.48F4解得： F2=704kg，F3=96kg，F4=200kg习题3 丙烷充分燃烧时要使空气过量25，燃烧反应方程式为： 试计算得到100摩尔燃烧产物（又称烟道气）需要加入的空气的摩尔量。解：以1mol入口丙烷为计算基准根据反应方程式，1mol丙烷需要5mol的氧气与之反应，因氧气过量25%，故需要加入的空气量为 其中 烟道气中各组分的量： 0 mol 23.51 mol 因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下入口出口106.251.2523.5123.510304合计30

5、.78合计31.76从计算结果可以看出，当空气加入量为29.76mol时，可产生烟道气31.76mol，所以，每产生100mol烟道气需加入的空气量为习题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（体积百分数）。若用10%过量空气燃烧，设燃烧气中不含CO2，试计算燃烧气组成。燃烧气 CO2 O2 N2燃 烧合成气 CH4 H2 CO CO2 O2 N2空气 O2 N2解：基准：1000mol合成气，1h；气体中含C 4+385+55=442mol；H 44+2528=1072mol；O 383+255+12=495mol理论氧量

6、O2 =442+1072/4-495/2=462.5mol理论空气462.5/0.21=2202.4mol实际空气1.12202.4=2202.4molN2 0.792422.6=1914molO2 0.212422.6=508.8mol对各物质进行衡算N2平衡：29+1914=FN2=1943mol；C平衡：4+383+55=FCO2=442mol；O2平衡：0.5383+55+1+508.8=FCO2+0.5FH2O+FO2=442+0.5536+ FO2FO2=46.3mol燃料气组成CO2，H2O，O2，N2=(0.149,0.1806,0.0156,0.6548)习题5 试就天然气甲

7、烷蒸气转化制H2过程进行物料衡算。该厂每小时消耗天然气4700m3，其组成（体积%）为：CH4 97.8.C2H6 0.5,C3H8 0.2，C4H10 0.1，N2 1.4。在初始混合物中，水蒸气与天然气之比为2.5，烃的转化率为67%，此过程包括下列反应：CH4+H2OCO+3H2 （1）CH4+CO22CO+2H2 （2）CO+H2OCO2+H2 （3）在已转化的气体中，CO对CO2之比率可取为在气体离开转化器的温度，即700下反应式呈平衡时的比率。首先因为这个反应达到平衡要比其它两个反应更加迅速；其次，在这个温度下，在反应1及反应3中，平衡有利于向反应生成物方向移动。上述这些反应在70

8、0时的平衡常数Kp的近似值依次为：1）25，2）20,3）1.54。解 取基准为100m3天然气天然气甲烷转化是生产氢及合成氨原料气的过程，在装有催化剂的管式反应器中进行，反应1和反应2为吸热反应，而反应3为放热反应，以提供反应热量使反应1和反应2得以进行。设已转化的气体中，各组分的含量（以m3计）分别为、，与烃类反应掉的水蒸气以表示。在已转化的气体中，未起反应的那部分烃类的体积（以CH4来计算）为：（97.8+0.52+0.23+0.14）（100-67）/100=32.9m3为了确定转化气的组成，进行元素物料衡算：C 平衡 97.8+0.52+0.23+0.14=+32.9 =99.9-O

9、 平衡初始水蒸气 1002.5=250m3 250=2+(250-) 2+-=0H 平衡 497.8+0.56+0.28+0.110+2250=2+432.9+2(250-) =+132.6由于在产品混合物中，CO对CO2之比是根据700下平衡时的反应式3来确定的。而反应式3的平衡常数为：解上式得=100m3对其他组分得=100-66.9=33.1m3=133.8-100=33.8 m3 =100+132.6=232.6 m3=250-100=150 m3（转化气中剩余的水蒸气量）。转化气组成数据列于表3-1。应用这些数据进行物料衡算。结果如表3-2所示。表3-1 转化气组成组 成湿气体干气体

10、m3V%m3V%CH432.96.832.99.9H2232.648.07232.669.60CO33.87.033.810.15CO233.16.8433.19.93N21.40.291.40.42H2O150.031.0433.8100.0333.8100.0表3-2 甲烷转化过程物料衡算输 入输 出物料kgm3产品kg m3天然气干的转化气CH43290.004596.60CH41104.501546.3C2H631.5023.50H2977.6010932.2C3H818.309.40CO1992.801588.6C4H1012.204.70CO23057.401555.7N282.2

11、065.80N282.2065.83434.204700.007214.5015688.6水蒸气9447.011750.0水蒸气5683.507050.012881.216450.012878.0022738.6习题6 苯加氢转化为环己烷，如图所示，工厂产量为100kmol/h的环己烷。输入过程的苯有99%反应生成环己烷。进入反应器物流的组成为80% H2和20% C6H6（mol%）。产物物流中含3%H2。试计算：1）产物物流的组成；2）C6H6和H2的进料速率；3）H2的循环速率。反应器冷凝器纯C6H6新鲜H2循环H2产物3%H2解 化学反应方程式产物物流中，环己烷100kmol/h苯的转

12、化率为99%，生产100kmol/h，环己烷需苯100/0.99=101.01 kmol/h未反应的苯量 101.01100=1.01 kmol/h产物中含H2 3%，设含H2量为，=3.12kmol/h总产物量=100+1.01+3.12=104.13kmol/hC6H6 ,C6H12 ,H2的摩尔分率分别为：0.96, 0.01, 0.03。H2的进料速率为1003+3.12=303.12 kmol/h苯的进料速率101.10 kmol/h设循环H2量为R kmol/h习题7 甲苯催化加氢脱甲基制苯，主反应和副反应分别为：主反应 副反应 以纯氢和纯甲苯为原料，进入反应器的氢与甲苯之比为5:

13、1（摩尔比）。甲苯的单程转化率为80%，生成苯的选择性为98%，未反应的甲苯和产物苯作为产品物流输出体系，氢和甲烷循环。要求混合原料中甲烷含量不大于10%，计算排放比及各物流的组成。解：由题意画出物料流程图如下:混合器反应器纯C6H6RR1 H2R2 CH4分离器分流器H2CH4 10%H2CH4 C6H6C6H6H2 CH4 H2 CH4 解：由题意要求混合原料中甲烷含量不大于10%，取10%进行计算，这样计算得到的排放量数据为最小值，实际排放时应稍稍大于此值。基准：进反应器混合原料100mol/h反应器进料：CH4 100 mol/h10%=10 mol/h 总物料 H2+10 mol/h

14、=100 mol/h H2 75 mol/h 15 mol/h出料：剩余 15 mol/h(1-80%)=3 mol/h 生成的C6H6 15 mol/h80%80%=11.76mol/hCH4 15 mol/h80%98% +15 mol/h80%(1-98%)7 +15 mol/h = (11.76+1.68+10) mol/h =23.44 mol/hH2 75 mol/h15 mol/h80%98%15 mol/h80%(1-98%)10= (7511.762.4) mol/h=60.84 mol/h出料的总量为：60.84 mol/h+3+23.44 mol/h+11.76mol/h

15、=99.04 mol/h反应器出口物料的组成：分离器 3 mol/h C6H6 11.76mol/h则 进分流器的H2 和CH4的量分别为：H2 60.84 mol/hCH4 23.44 mol/h 由分流器的特征有循环回路中H2 和CH4的摩尔分率=进分流器的H2和CH4的摩尔分率 混合器CH4平衡 10 mol/h=R （1）平衡 15 mol/h=新鲜原料 （2）H2平衡 75 mol/h=新鲜H2+R （3）联立式（1）（2）（3）解得：R=35.96 mol/h新鲜原料=15 mol/h新鲜H2=49.04 mol/h总新鲜料 15 mol/h+49.04 mol/h=64.04mo

16、l/h新鲜原料的组成：mol/hmol/h循环物料计算：R1=35.69 mol/h0.7219=25.96 mol/hR2=35.69 mol/h0.2781=10.00 mol/h分流器H2平衡 进分流器的H2=循环H2+外排H2外排H2= (60.8425.96) mol/h= 34.88 mol/hCH4平衡 进分流器的CH4=循环CH4+外排CH4外排CH4= (23.4410.00) mol/h= 13.44 mol/h总排放物料：34.88 mol/h+ 13.44 mol/h =48.32mol/h排放物料组成： 排放比= =0.7545习题8 用以生产甲醇的合成气由烃类气体转

17、化而得。要求合成气中n（CO）：n（H2）=1:2.4（摩尔比），气体量为2321m3/h（标准）。因转化气中含CO 43.12%（摩尔分数），H2 54.20%，不符合要求，为此需将部分转化气送至CO变换反应器，变换后气体中含CO 8.76%（摩尔分数），H2 89.75%，气体体积减少2%，用此变换气去调节转化气，求转化气及变换气各为多少m3/h（标准）？CO变换CO2脱除F混合分流BH2 54.20%CO 43.12%CO2 RH2 89.75%CO 8.76%合成气M转化气解：基准：2321 m3/h（标准）合成气设合成器中CO的摩尔分率为Xco,H2的摩尔分率为2.4Xco。混合器的

18、衡算（因都为标准体积，所以可以直接平衡）：总物料平衡 M=B+R=2321 m3/h（标准） (1)CO平衡 2321Xco=0.4312B+0.0876 R (2)H2平衡 2321 m3/h（标准）2.4Xco=0.542B+0.8975 R (3)联立上述方程求得： R=969.4 m3/h（标准） B=1351.6 m3/h（标准）因经过变换后气体体积减少2%，所以 F=989.18 m3/h（标准）转化气=F+B=（989.18+1351.6）m3/h（标准）=2340.78 m3/h（标准）脱除的CO2的量为FR=（989.18+969.4）m3/h（标准）=19.78 m3/h（

19、标准）习题9天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气的示意流程图天然气x kmol蒸汽蒸汽一段转化炉空气ykmol二段转化炉CO变换CO2脱除CO2甲烷化合成氨原料气 转化炉内进行烃类蒸汽转化反应，以甲烷为例，烃类蒸汽转化的反应方程式为天然气经一段转化炉转化后继续进入二段转化炉反应，在一段转化炉出口添加空气以配合合成氨原料气中所需的氮气，同时，一段转化气中的一部分氢气遇燃烧供给系统热量。二段转化后再经一氧化碳变换工序使混合气中的大部分转化为和，转化为和的方程式为，变换后的气体进入脱除工序脱除，再经甲烷化工序除去残存的微量和后作为合成氨合格原料气。已知某厂天然气的组成为：组分CH4C2H6C3H8C4H

20、10(正)C4H10(异)C5H12(正)C5H12(异)N2CO2合计%(mol)83.2010.005.160.690.500.060.050.330.01100要求合成氨原料气的组成为：组分H2N2ArCH4合计%(mol)73.9724.640.311.08100计算天然气的用量和空气的用量。解：以100 kmol合成氨原料气为计算基准。设天然气用量为xkmol，添加空气量为ykmol。（1）作系统N2平衡因为在天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气过程中，N2没有参加反应，它的数量在反应器的进口、出口物料中没有变化，作系统N2平衡得 0.0033x + 0.79y =24.64 (A)(2

21、)作系统氢平衡甲烷转化制H2的计量关系推导如下：甲烷蒸汽转化反应过程 变换反应过程 总过程 用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制的计量关系通式为因此，100kmol 天然气可提供的理论H2为组分烃量/kmol可提供的理论烃量/kmolCH483.204 83.20=332.80C2H610.007 10.00=70C3H85.1610 5.16=51.60C4H10(正)0.6913 0.69=8.97C4H10(异)0.5013 0.50=6.50C5H12(正)0.0616 0.06=0.96C5H12(异)0.0516 0.05=0.80N20.330CO20.010合计100471.63

22、因此，xkmol天然气进料可提供的理论H2为 氢气燃烧的反应过程 燃烧消耗的H2为 作系统H2平衡得 (B)式中（）是合成氨原料气的CH4折合为H2物质的量(mol)式合(B)式联解得到 因此，制造100kmol的合成氨原料气需加入天然气18.92kmol，一段转化炉出口需添加31.11kmol的空气。习题10 将一成分为88%碳（C）和12%H2O的液体气化并在图3-5的装置中催化燃烧，所得的烟道气组成如下：CO2 13.4%，O2 3.6%，N2 83.0%。为了计算燃烧装置的体积，求100kg燃料产生多少kmol干烟道气及过量空气量。催 化 氧 化液体燃料C 88%H2O 12%干烟道气

23、CO2 88%O2 12%N2 83.0%空气C N2图3-5 例3-7附图解 据题意，主要物流为燃料、干烟道气和空气，应用联系组分求解比较方便。（1）以碳（C）进行元素平衡，计算干烟道气量：输入的碳（C）物质量=输出的碳（C）物质量设100kmol干烟道气，含碳量为：1000.13412=161kg100kg燃料含碳量为88kg，所以100kmol干烟道气88kg碳（C）161kg碳（C）100kg燃料=54.6kmol干烟道气（100kg燃料）-1 （2）用N2作为联系组分，计算出燃烧反应过量空气的百分数。基准：100kmol干烟道气83.0kmol N21.00kmol空气=105.0k

24、mol空气100kmol烟道气0.79kmol N2100kmol干烟道气进入的O2=105.00.21=22.1kmol过量空气为习题11 某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅炉的废气温度为450，出口废气的温度为260，进入锅炉的水温为25，产生的饱和水蒸气温度为233.7，3MPa，（绝压），废气的平均热容为32.5KJ/(kmol)，试计算每100kmol的废气可产生的水蒸气量？解 过程如图3-6所示水 25水蒸气 233.7出口废气 260废气 450图3-6 例3-8附图基准：100kmol的废气锅炉的能量平衡为废气的热量损失=将水加热以产生水蒸气所获得的热量即 (mCp,mt)

25、废气=W(hg-hL)其中，W为所产生蒸气的质量，因此10032.5(450-260)=W(2798.9-104.6)W=229kg所产生水蒸气质量为229kg(100mol废气)-1习题12 乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：主反应 副反应 反应温度基本维持在250，该温度下主、副反应的反应的反应热分别为乙烯乙烯乙烯的单程转化率为32，反应的选择性为69，反应器进口混合气的温度为210，流量45000,其组成如下：组分合计%(mol)3.582.014.5100热损失按反应放出热量的5%考虑，求热载体移出的热量。解：查得有关气体的热容数据如下：组分水蒸气21064.4331.3830.0425066.9431.6745.5635.35103.830.17假设如下热力学途径：210反应器入口气250反应器出口气250反应器入口气210下反应器入口混合气体热容 250下反应器入口混合气体热容因此，反应器入口混合气体在210250的平均热容为 由热载体移走的热量为习题13 乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：试计算0.1013MPa、25下的反应热。解：乙烯（g）的标准生成热为 环氧乙烷(g)的标准生成热为 因此，0.1013Mpa，25下的反应热计算如下： 习题14 在一绝热反应器内进行下列反应：CO(g)+H2O(g) CO2(