化工设计习题及解答第三章Word格式文档下载.docx

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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,分析母液得成分为:

50%NaOH,2%NaCl及48%H2O。

若每批处理1000kg原料液,试求每批操作中:

1）获得得母液量,2）蒸发出得水分量,3）结晶出得NaCl量。

蒸发器

原料液F1=1000kg

10%NaOH

10%NaCl

80%H2O

母液,F4kg

50%NaOH

2%NaCl

48%H2O

水蒸气,F2kg

NaCl晶体,F3kg

所选择得基准为:

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1000×

0、1=0、5F4

NaCl平衡1000×

0、1=0、02F4+F3

H2O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）需要加入得空气得摩尔量。

以1mol入口丙烷为计算基准

根据反应方程式,1mol丙烷需要5mol得氧气与之反应,因氧气过量25%,故需要加入得空气量为

其中

烟道气中各组分得量:

0mol23、51mol

因此,以1mol入口丙烷为基准得物料衡算结果如下

入口

出口

1

6、25

1、25

23、51

3

4

30、78

31、76

从计算结果可以瞧出,当空气加入量为29、76mol时,可产生烟道气31、76mol,所以,每产生100mol烟道气需加入得空气量为

习题4合成气组成为0、4%CH4,52、8%H2,38、3%CO,5、5%CO2,0、1%O2,与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。

基准:

1000mol合成气,1h;

气体中含

C4+385+55=442mol;

H4×

4+2×

528=1072mol;

O383+2×

55+1×

2=495mol

理论氧量

O2=442+1072/4-495/2=462、5mol

理论空气

462、5/0、21=2202、4mol

实际空气

1、1×

2202、4=2202、4mol

N20、79×

2422、6=1914mol

O20、21×

2422、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、5×

383+55+1+508、8

=FCO2+0、5FH2O+FO2

=442+0、5×

536+FO2

FO2=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:

CH497、8、C2H60、5,C3H80、2,C4H100、1,N21、4。

在初始混合物中,水蒸气与天然气之比为2、5,烃得转化率为67%,此过程包括下列反应:

CH4+H2OCO+3H2

（1）

CH4+CO22CO+2H2

（2）

CO+H2OCO2+H2（3）

在已转化得气体中,CO对CO2之比率可取为在气体离开转化器得温度,即700℃下反应式呈平衡时得比率。

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700℃时得平衡常数Kp得近似值依次为:

1）25,2）20,3）1、54。

解取基准为100m3天然气

天然气甲烷转化就是生产氢及合成氨原料气得过程,在装有催化剂得管式反应器中进行,反应1与反应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与反应2得以进行。

设已转化得气体中,各组分得含量（以m3计）分别为、、,与烃类反应掉得水蒸气以表示。

在已转化得气体中,未起反应得那部分烃类得体积（以CH4来计算）为:

（97、8+0、5×

2+0、2×

3+0、1×

4）（100-67）/100=32、9m3

为了确定转化气得组成,进行元素物料衡算:

C平衡

97、8+0、5×

4=++32、9

=99、9-

O平衡

初始水蒸气100×

2、5=250m3

250=2++（250-）

2+-=0

H平衡

4×

97、8+0、5×

6+0、2×

8+0、1×

10+2×

250=2+4×

32、9+2（250-）

=+132、6

由于在产品混合物中,CO对CO2之比就是根据700℃下平衡时得反应式3来确定得。

而反应式3得平衡常数为:

解上式得

=100m3

对其她组分得

=100-66、9=33、1m3

=133、8-100=33、8m3

=100+132、6=232、6m3

=250-100=150m3（转化气中剩余得水蒸气量）。

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

m3

V%

CH4

32、9

6、8

9、9

H2

232、6

48、07

69、60

CO

33、8

7、0

10、15

CO2

33、1

6、84

9、93

N2

1、4

0、29

0、42

H2O

150、0

31、0

Σ

433、8

100、0

333、8

表3-2甲烷转化过程物料衡算

输入

输出

物料

kg

产品

m3

天然气

干得转化气

3290、00

4596、60

1104、50

1546、3

C2H6

31、50

23、50

977、60

10932、2

C3H8

18、30

9、40

1992、80

1588、6

C4H10

12、20

4、70

3057、40

1555、7

82、20

65、80

65、8

3434、20

4700、00

7214、50

15688、6

水蒸气

9447、0

11750、0

5683、50

7050、0

12881、2

16450、0

12878、00

22738、6

习题6苯加氢转化为环己烷,如图所示,工厂产量为100kmol/h得环己烷。

输入过程得苯有99%反应生成环己烷。

进入反应器物流得组成为80%H2与20%C6H6（mol%）。

产物物流中含3%H2。

试计算:

1）产物物流得组成;

2）C6H6与H2得进料速率;

3）H2得循环速率。

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

苯得转化率为99%,生产100kmol/h,环己烷需苯

100/0、99=101、01kmol/h

未反应得苯量101、01—100=1、01kmol/h

产物中含H23%,设含H2量为,

=3、12kmol/h

总产物量=100+1、01+3、12=104、13kmol/h

C6H6,C6H12,H2得摩尔分率分别为:

0、96,0、01,0、03。

H2得进料速率为100×

3+3、12=303、12kmol/h

苯得进料速率101、10kmol/h

设循环H2量为Rkmol/h

习题7甲苯催化加氢脱甲基制苯,主反应与副反应分别为:

主反应

副反应

以纯氢与纯甲苯为原料,进入反应器得氢与甲苯之比为5:

1（摩尔比）。

甲苯得单程转化率为80%,生成苯得选择性为98%,未反应得甲苯与产物苯作为产品物流输出体系,氢与甲烷循环。

要求混合原料中甲烷含量不大于10%,计算排放比及各物流得组成。

由题意画出物料流程图如下:

混合器

R

R1H2

R2CH4

分离器

分流器

CH410%

CH4

C6H6

H2CH4

由题意要求混合原料中甲烷含量不大于10%,取10%进行计算,这样计算得到得排放量数据为最小值,实际排放时应稍稍大于此值。

进反应器混合原料100mol/h

进料:

CH4100mol/h×

10%=10mol/h

总物料H2++10mol/h=100mol/h

H275mol/h

15mol/h

出料:

剩余15mol/h×

（1-80%）=3mol/h

生成得C6H615mol/h×

80%×

80%=11、76mol/h

CH415mol/h×

98%+15mol/h×

（1-98%）×

7+15mol/h

=（11、76+1、68+10）mol/h=23、44mol/h

H2

75mol/h—15mol/h×

98%—15mol/h×

10

=（75—11、76—2、4）mol/h=60、84mol/h

出料得总量为:

60、84mol/h+3+23、44mol/h+11、76mol/h=99、04mol/h

反应器出口物料得组成:

3mol/h

C6H611、76mol/h

则

进分流器得H2与CH4得量分别为:

H260、84mol/h

CH423、44mol/h

由分流器得特征有循环回路中H2与CH4得摩尔分率=进分流器得H2与CH4得摩尔分率

CH4平衡10mol/h==R

（1）

平衡15mol/h=新鲜原料

（2）

H2平衡75mol/h=新鲜H2+R（3）

联立式

（1）

（2）（3）解得:

R=35、96mol/h

新鲜原料=15mol/h

新鲜H2=49、04mol/h

总新鲜料15mol/h+49、04mol/h=64、04mol/h

新鲜原料得组成:

mol/h

循环物料计算:

R1=35、69mol/h×

0、7219=25、96mol/h

R2=35、69mol/h×

0、2781=10、00mol/h

H2平衡进分流器得H2=循环H2+外排H2

外排H2=（60、84—25、96）mol/h=34、88mol/h

CH4平衡进分流器得CH4=循环CH4+外排CH4

外排CH4=（23、44—10、00）mol/h=13、44mol/h

总排放物料:

34、88mol/h+13、44mol/h=48、32mol/h

排放物料组成:

排放比==0、7545

习题8用以生产甲醇得合成气由烃类气体转化而得。

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CO43、12%（摩尔分数）,H254、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CO8、76%（摩尔分数）,H289、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

B

H254、20%

CO43、12%

CO2

H289、75%

CO8、76%

合成气

M

转化气

2321m3/h（标准）合成气

设合成器中CO得摩尔分率为Xco,H2得摩尔分率为2、4Xco。

混合器得衡算（因都为标准体积,所以可以直接平衡）:

总物料平衡M=B+R=2321m3/h（标准）

（1）

CO平衡2321Xco=0、4312B+0、0876R

（2）

H2平衡2321m3/h（标准）×

2、4Xco=0、542B+0、8975R（3）

联立上述方程求得:

R=969、4m3/h（标准）

B=1351、6m3/h（标准）

因经过变换后气体体积减少2%,所以

F=989、18m3/h（标准）

转化气=F+B=（989、18+1351、6）m3/h（标准）=2340、78m3/h（标准）

脱除得CO2得量为F—R=（989、18+969、4）m3/h（标准）=19、78m3/h（标准）

习题9天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气得示意流程图

天然气xkmol

蒸汽

一段

转化炉

空气ykmol

二段

变换

脱除

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,烃类蒸汽转化得反应方程式为

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得氮气,同时,一段转化气中得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得大部分转化为与,转化为与得方程式为,变换后得气体进入脱除工序脱除,再经甲烷化工序除去残存得微量与后作为合成氨合格原料气。

已知某厂天然气得组成为:

（正）

（异）

C5H12

83、20

10、00

5、16

0、69

0、50

0、06

0、05

0、33

0、01

要求合成氨原料气得组成为:

Ar

73、97

24、64

0、31

1、08

计算天然气得用量与空气得用量。

以100kmol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,它得数量在反应器得进口、出口物料中没有变化,作系统N2平衡得

0、0033x+0、79y=24、64（A）

（2）作系统氢平衡

甲烷转化制H2得计量关系推导如下:

甲烷蒸汽转化反应过程

变换反应过程

总过程

用同样得方法可推导出烃类蒸汽转化制得计量关系通式为

因此,100kmol天然气可提供得理论H2为

烃量/kmol

可提供得理论烃量/kmol

483、20=332、80

710、00=70

105、16=51、60

C4H10（正）

130、69=8、97

C4H10（异）

130、50=6、50

C5H12（正）

160、06=0、96

C5H12（异）

160、05=0、80

471、63

因此,xkmol天然气进料可提供得理论H2为

氢气燃烧得反应过程

燃烧消耗得H2为

作系统H2平衡得

（B）

式中（）就是合成氨原料气得CH4折合为H2物质得量（mol）

式合（B）式联解得到

因此,制造100kmol得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得空气。

习题10将一成分为88%碳（C）与12%H2O得液体气化并在图3-5得装置中催化燃烧,所得得烟道气组成如下:

CO213、4%,O23、6%,N283、0%。

为了计算燃烧装置得体积,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

C88%

H2O12%

干烟道气

CO288%

O212%

N283、0%

空气

C

图3-5例3-7附图

解据题意,主要物流为燃料、干烟道气与空气,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:

输入得碳（C）物质量=输出得碳（C）物质量

设100kmol干烟道气,含碳量为:

100×

0、134×

12=161kg

100kg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得百分数。

83、0kmolN2

1、00kmol空气

=

105、0kmol空气

100kmol烟道气

0、79kmolN2

进入得O2=105、0×

0、21=22、1kmol

过量空气为

习题11某化工厂计划利用废气得废热,进入废热锅炉得废气温度为450℃,出口废气得温度为260℃,进入锅炉得水温为25℃,产生得饱与水蒸气温度为233、7℃,3MPa,（绝压）,废气得平均热容为32、5KJ/（kmol·

℃）,试计算每100kmol得废气可产生得水蒸气量？

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

100kmol得废气

锅炉得能量平衡为

废气得热量损失=将水加热以产生水蒸气所获得得热量

即（mCp,mΔt）废气=W（hg-hL）

其中,W为所产生蒸气得质量,因此

32、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得反应器中进行如下反应:

副反应

反应温度基本维持在250℃,该温度下主、副反应得反应得反应热分别为

乙烯

乙烯得单程转化率为32％,反应得选择性为69％,反应器进口混合气得温度为210℃,流量45000,其组成如下:

3、5

82、0

14、5

热损失按反应放出热量得5%考虑,求热载体移出得热量。

查得有关气体得热容数据如下:

210℃

64、43

31、38

30、04

250℃

66、94

31、67

45、56

35、35

103、8

30、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210℃～250℃得平均热容为

由热载体移走得热量为

习题13乙烯氧化为环氧乙烷得反应方程式如下:

试计算0、1013MPa、25℃下得反应热。

乙烯（g）得标准生成热为

环氧乙烷（g）得标准生成热为

因此,0、1013Mpa,25℃下得反应热计算如下:

习题14在一绝热反应器内进行下列反应:

CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）

反应物在300℃,1atm下按化学计量比进入反应器,无惰性物、反应进行完全。

试计算该绝热反应器出口物料得温度。

1molCO（g）

物料衡算得CO（g）;

n进=1molH2O（g））;

n进=1mol

CO2（g）;

n出=1molH2（g）;

n出=1mol

反应在非标准条件下进行,为了计算方便,假设该反应过程得途径如下:

反应物300℃

产物T0

产物300℃

产物25℃

反应物25℃

（300℃）

（25℃）

计算标准反应热:

查得各物料得生成热:

=—393、5kJ/mol

=—110、5kJ/mol

=—285、8kJ/mol=

=—393、5—[（—110、5）+（—285、8）]=2、84kJ/mol

计算反应物带入反应器得焓:

CO（300℃,g）

H2O（300℃,g）

负数代表冷凝过程,所以放出热量。

计算产物带出反应器得焓:

CO2（300℃,g）

H2（300℃,g）

于就是由300℃反应物到300℃产物得焓变为:

（300℃）=+

=2、84+（11、58+7、96）—[（—8、17）+（—50、5）]

=—36、29kJ/mol

计算绝热反应器产物得出口温度（T0）:

因

所以就是300℃下产物得焓与最终出口产物（T0）得焓差,即

简便起见,可采用平均热容代入上式得:

采用迭代法求得:

T0≈780、1℃

所以该绝热反应得出口温度为780℃。

习题15利用ASPENPLUS建立如下图苯流程模拟求