化工设计知识题及解答第三章Word文档格式.doc
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41.96
7372.6
85.60
94.52
87.52
227.8
2.0
2.92
2.35
甲苯
12400
62
134.8
58.04
1240.2
14.40
13.48
12.48
11159.4
98.0
121.3
97.65
合计
20000
100
232.2
8612.8
108
11387.2
124.2
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=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）需要加入的空气的摩尔量。
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：
0mol23.51mol
因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下
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
空气O2
N2
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700℃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+0.5×
2+0.2×
3+0.1×
4）（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+0.5×
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=33.8m3
=100+132.6=232.6m3
=250-100=150m3（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
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
干的转化气
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
苯的转化率为99%，生产100kmol/h，环己烷需苯
100/0.99=101.01kmol/h
未反应的苯量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的摩尔分率分别为：
0.96,0.01,0.03。
H2的进料速率为100×
3+3.12=303.12kmol/h
苯的进料速率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:
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。
由题意画出物料流程图如下:
混合器
R
R1H2
R2CH4
分离器
分流器
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