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：

⏹