化工设计复习题.docx
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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)+H2(g)
(1)试用燃烧热数据计算1600kg甲醇在、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=mol;25℃下甲醛(g)的燃烧热:
(△H0298,c)甲醛=mol;25℃下H2(g)的燃烧热:
(△H0298,c)H2=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℃、压力的软水,产生的饱和蒸汽,热损失为气体放出热的8%,求产生的蒸汽量。
已知:
30℃、的饱和水焓:
H1=㎏;的饱和蒸汽H2=㎏。
解:
(1)25℃下甲醇(l)的燃烧热:
(△H0298,c)甲醇=mol
25℃下甲醛(g)的燃烧热:
(△H0298,c)甲醛=mol
25℃下H2(g)的燃烧热:
(△H0298,c)H2=mol
、25℃的反应热:
(△H0298)reac=(△H0298,c)甲醇-(△H0298,c)甲醛-(△H0298,c)H2
=[+]
=mol
Q=1600÷32××1000=×103(kJ)
(2)30℃、的饱和水焓H1=h
的饱和蒸汽焓H2=h
产生的蒸汽量为:
=(㎏)
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=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/m2·K,估算冷凝器的面积。
1)先进行物料衡算:
确定基准为1h
进料F=2400kg馏分D=1100kg
W=F-D=2400-110=1300kg
V=(R+1)D=3×1100=3300kg
2)热量衡算:
选70℃为基准温度
进料(F)的热量:
显热:
QF1=MFcP(TF-T0)=2400××(110-70)=×105(kJ)
潜热:
QF2=1/3MFH=1/3×2400×200=×105(kJ)
QF=QF1+QF2=×105(kJ)
塔釜(W)的热量:
显热:
QW1=MWcP(TW-T0)=1300××(130-70)=×104(kJ)
潜热:
QW2=0
塔顶(V)的热量:
显热:
QV1=MVcP(TV-T0)=3300××(90-70)=×104(kJ)
潜热:
QV2=MVH=3300×200=×105(kJ)
QV=QV1+QV2=×105(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+QF+QL
Q出=Q再沸器出+QW+QV
Q进=Q出
再沸器的热负荷:
Q再=Q再沸器入-Q再沸器出=QW+QV-QF+QL
=×104+×105-×105
=×105(kJ)
冷凝器的热负荷:
Q冷=QV=×105(kJ)
3)冷凝面积的计算:
T1=70℃T2=90℃
t1=20℃t2=50℃
Δt1=70-20=50℃
Δt2=90-50=40℃
=(℃)
Q=KAΔtm
A=Q冷/KΔtm
=×108/(3000×3600×
=(㎡)
3.某厂用空气氧化邻二甲苯生产苯酐。
原料流量为205kg/h邻二甲苯,4500m3/h空气。
从反应的计量关系可知,生成1mol的苯酐需反应掉1mol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)
78
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/)×=kmol/h
设反应器出口气体的总流量为xkmol/h,则有:
=x=kmol/h
因此,反应器出口气体含有邻二甲苯:
×%=kmol/h=×106=kg/h
反应器出口气体含有苯酐:
×%=kmol/h
所以,邻二甲苯转化率X=()/205=%
苯酐收率Y=(205/106)=%
苯酐的年产量=×24×330×148
=×106kg/h=1550t/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Ⅰ顶部流出,物流3中所含的苯有75%(质量)自塔Ⅱ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+F3F3=F4+F5
F1=60000kg
F2=F1×52%=60000×52%=31200kg
F3=F1-F2=28800kg
由于:
F1xB1=F2xB2+F3xB3
F1xT1=F2xT2+F3xT3
F1xX1=F2xX2+F3xX3
得到:
xB3=%B3=3600kg
xT3=%T3=17064kg
xX3=%X3=11376kg
可得:
F4=F3×XB3×75%÷XB4=9000kg
F5=F3-F4=28800-9000=19800kg
再:
F3xB3=F4xB4+F5xB5
F3xT3=F4xT4+F5xT5
F3xX3=F4xX4+F5xX5
得到xB5=%B5=89kg
xT5=43%T5=8514kg
xX5=%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=1000×99%×80%=792kg
杂质:
1000×1%=10kg
未转化:
1000×99%×20%=198kg
反应方程式:
对甲苯磺酸(C7H7-SO3H)+H2O
C7H8+H2SO4
Y1
9298
邻甲苯磺酸(C7H7-SO3H)+H2O
891XY2Z
参加反应的浓硫酸:
X=792×98/92=
未反应的浓硫酸:
1050×98%-=
杂质:
1050×2%=21kg
Y=792×172/92=
Y1=×75%=
Y2=×25%=
生成水的量:
Z=792×18/92=155kg
其中:
蒸发:
155×10%=
剩余:
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%,H2%,惰性气体%。
N2单程转化率为25%,循环物流中惰性气体为%,%(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=
NH3的摩尔分数=
N2的摩尔分数=()÷4=
H2的摩尔分数=×3=。
列方程:
100×=
解得:
F4=8mol
N2组分衡算:
(F1+)()
=(R+F4)×
将F1=100mol,F4=8mol代入上式,得:
(×100+R)()=(R+8)×
解得:
R=
N2的总转化率为:
[(100×+×)×]÷(100×)
==%
放空气与原料气的摩尔比:
8÷100=
循环物流量与原料气的摩尔比为:
÷100=
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,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:
300×1000÷300=1000kg
根据反应方程式:
C6H5-C2H5+HNO3
NO2-C6H4-C2H5+H2O
1066315118
x1000
x=(106×1000)÷(151×52%)=1350kg
折纯:
1350÷98%=kg
又根据反应方程式:
C6H5-C2H5+HNO3
NO2-C6H4-C2H5+H2O
1066315118
1350x1(邻)x2(间)
x1=1350×151×43%÷106=
x2=1350×151×4%÷106=kg
每天投料的混酸为:
Y=63×1350×(1+)÷(106×)=kg
其中:
HNO3:
×32%=kg
H2SO4:
×56%=
H2O:
×12%=kg
每天消耗的乙苯为:
1350×99%=kg
剩余:
=kg
每天消耗的硝酸为:
1350×63×99%÷106=
剩余:
kg
反应生成的水为:
1350×18×99%÷106=kg
总水量为:
+=
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、氯化苯、二氯化苯、三氯化苯,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,F1=2000kg
则要求液态产品的总量为:
F=F1÷35%=
可知:
二氯化苯为:
F2=F×%=
三氯化苯为:
F3=F×%=
苯为:
FB=F×60%=(6分)
由:
C6H6+Cl2
C6H5Cl+HCl
7871
x1y12000z1
C6H6+2Cl2
C6H4Cl2+2HCl
7814214773
x2y2z2
C6H6+3Cl2
C6H3Cl3+3HCl
78213
x3y3z3
得到:
x1=kgx2=kgx3=kg
y1=kgy2=kgy3=
z1=kgz2=kgz3=(6分)
所以,参与反应的苯为:
x1+x2+x3=kg
工业苯的用量:
(+)÷99%=kg
消耗的氯气为:
y1+y2+y3=kg
工业氯气的用量为:
÷99%=
生成氯化氢的量为:
z1+z2+z3=kg
杂质及废气的量为:
+(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205kg/h邻二甲苯,4500m3/h空气。
从反应的计量关系可知,生成1mol的苯酐需反应掉1mol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)
78
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。
进入反应器的空气中含有N2:
(4500/)×=kmol/h
设反应器出口气体的总流量为xkmol/h,则有:
=x=kmol/h
因此,反应器出口气体含有邻二甲苯:
×%=kmol/h=×106=kg/h
反应器出口气体含有苯酐:
×%=kmol/h
所以反应选择性S=Y/X===71%
苯酐的年产量=×24×300×148
=1410t/a
1.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:
⏹因此,以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下:
⏹从计算结果可以看出,当空气加入量为时,可产生烟道气,
⏹所以,每产生100mol烟道气需加入的空气量为:
1.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:
⏹
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