化工设计计算题总结(共20页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上1.某厂用空气氧化邻二甲苯(106生产苯酐(148。原料流量为205 kg/h邻二甲苯,4 500 m3/h空气。从反应的计量关系可知,生成1 mol的苯酐需反应掉1 mol的邻二甲苯。经检验得到的反应器出口气体组成如下:试计算:(1邻二甲苯的转化率、苯酐收率和反应选择性。(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:(4 500/22.40.79=158.7 kmol/h设反应器出口气体的总流量为x kmol/h,则有:0.78x=158.7 x=203.5

2、 kmol/h因此,反应器出口气体含有邻二甲苯:203.50.03%=0.061 kmol/h=0.061106=6.47 kg/h反应器出口气体含有苯酐:203.50.65%=1.323 kmol/h所以,邻二甲苯转化率X=(205-6.47/205=96.8%苯酐收率Y=1.323/(205/106=68.6%反应选择性S=Y/X=0.686/0.968=0.71=71%苯酐的年产量=1.32324330148=1.550106 kg/h=1 550 t/a2.一种废酸,组成为23%(质量分数的HNO3、57%H2SO4和20%H2O。加入93%的浓硫酸及90%的浓硝酸,要求混合成27%H

3、NO3、60%H2SO4的混合酸。计算所需废酸及加入浓酸的数量。解:设所需废酸量为x kg浓硫酸量为y kg浓硝酸量为z kg第一步:画出物料流程简图。 第二步:选择基准。可选择废酸或浓酸的质量为基准,也可以用混合酸的质量为基准。本例选择混合酸为基准,总量为100 kg。第三步:列物料衡算式。总物料:x+y+z=100 (1H2SO4:57%x+93%y=1000.6=60 (2HNO3:23%x+90%z=1000.27=27 (3解由式(1、(2和(3联立的方程组得:x=41.8 kg 废酸y=39 kg 浓硫酸z=19.2 kg 浓硝酸第四步:核算水平衡加入水量:41.820%+397%

4、+19.210%=13 kg混合酸含水量:10013%=13 kg两者相等,故计算正确。3.乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行下列反应:主反应:C2H4(g+1/2O2 (gC2H4O(g副反应:C2H4(g+3O2(gCO2(g+2H2O(g反应温度基本上维持在250 ,该温度下主、副反应的反应热分别为:主反应:-H5230=105 395 kJ/kmol乙烯副反应:-H5230=1 321 726 kJ/kmol乙烯乙烯单程转化率为32%,反应选择性为69%,反应器出口混合气体温度为210 ,流量为45 000 m3/h(STP。其组成如下:组分C2H4 N2 O2合计%(mol 3.5 8

5、2.0 14.5 100热损失按反应放出热量的5%考虑。求热载体移出的热量。解:查得有关气体的比热容如下:假设热力学途径如下:则:210 下反应器入口混合气体的比热容C p:C p=0.03564.43+0.8230.04+0.14531.38=31.44 kJ/(kmolK250 下反应器入口混合气体的比热容C p:C p=0.03566.94+0.8230.17+0.14531.67=31.67 kJ/(kmolK所以,反应器入口混合气体在210250 的平均比热容C p平:C p平=(31.44+31.67/2=31.56 kJ/(kmolKH1=(45 000/22.431.56(25

6、0-210=2.536106 kJ/hH2=(45 000/22.40.0350.320.69(-105 395+(45 000/22.40.0350.32(1-0.69(-1 321 726=-1.086107 kJ/h H=H1+H2=2.536106-1.086107 kJ/h =-8.324106 kJ/h根据Q=H得:H=Q1+Q2热量损失按5%考虑,则Q2=0.05H=0.05(-8.324106=-4.162105 kJ/h那么,由热载体移出的热量Q1:Q1 =H- Q2=-8.324106-(-4.162105=-7.908106 kJ/h4.有一连续蒸馏塔,分离苯和甲苯混合物

7、为两个纯组分。该混合物中含苯50%。每小时处理混合物1 000 kmo1,塔顶苯的物质的量流率为450 kmol/h塔底甲苯的物质的量流率为475 kmol/h,操作处于稳定状态。试写出苯和甲苯的平衡方程式并计算苯和甲苯的流率。解:蒸馏过程如图所示。由于过程是稳定的,若过程中没有化学反应,输入=输出对于组分苯为:500 kmol苯/h=450 kmol苯/h+q2q2 =50 kmol苯/h对于组分甲苯为:500 kmol甲苯/h=q1+475 krnol甲苯/hq1=25 km1有两个蒸馏塔的分离装置,将含50%苯、30%甲苯和20%(mol%二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分,其流程图及各流

8、股组成如图。计算蒸馏1000 mol/h原料所得个流股的量及进塔II物料的组分。2一种废酸,组成为23%(质量%HNO3,57%H2SO4和20%H2O,加入93%的浓H2SO4及90%的浓HNO3,要求混合成27%HNO3及60%H2SO4的混合酸,计算所需废酸及加入浓酸的数量。画物料流程简图并对过程进行物料衡算。工业上,合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去,如图所示。在反应器1中大部分转化,在反应器2中完全脱去。原料气是由发生炉煤气(78%N2,20%CO,2%CO2和水煤气(50%H2,50%CO混合而成的CO2+H2 最后得到物流中H2与N2之比为3:半水煤气。在反应器中与水蒸气发

9、生反应:CO+H2O1,假定水蒸气流率是原料气总量(干基的两倍,同时反应器1中,CO的转化率为80%,试计算中间物流(4的组成。作年产300t对-硝基乙苯工段物料衡算,原料乙苯纯度95%,硝化混酸为:HNO3 32%,H2SO4 56%,H2O 12%。粗乙苯与混酸质量比1:1.855。对硝基乙苯收率50%,硝化产物为硝基乙苯的混合物,其比例:对:邻:间=0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料:H2SO4 93%,HNO3 96% 及H2O,年工作日300天,假设转化率为100%,间歇生产。工业上,合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去,如图所示。在反应器1中大部分转化,在反应器2中

10、完全脱去。原料气是由发生炉煤气(78%N2,20%CO,2%CO2和水煤气(50%H2,50%CO混合而成的CO2+H2 最后得到物流中H2与N2之比为3:半水煤气。在反应器中与水蒸气发生反应:CO+H2O1,假定水蒸气流率是原料气总量(干基的两倍,同时反应器1中,CO的转化率为80%,试计算中间物流(4的组成。K2CrO4从水溶液重结晶处理工艺是将每小时4500mol含33.33%(mol的K2CrO4新鲜溶液和另一股含36.36% (molK2CrO4的循环液合并加入至一台蒸发器中,蒸发温度为120,用0.3MPa的蒸汽加热。从蒸发器放出的浓缩料液含49.4%(molK2CrO4进入结晶槽

11、,在结晶槽被冷却至40 ,用冷却水冷却(冷却水进出口温差5 。然后过滤,获得含K2CrO4结晶的滤饼和36.36 %(molK2CrO4的滤液(这部分滤液即为循环液,滤饼中的K2CrO4占滤饼总物质的量的95%。K2CrO4的分子量为195。试计算:(1蒸发器中蒸发出水的量;(2K2CrO4结晶的产率;(3循环液(mol/新鲜液(mol的比率;(4蒸发器和结晶器的投料比(mol某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统,并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图所示,要求有已知的资料,列出各物流的流率(kg/h,以便能确定设备的大小,并计算蒸馏塔的进料组分。例:每小时将20kmol含乙醇40

12、%的酒精水溶液进行精馏,要求馏出液中含乙醇89%,残液中含乙醇不大于3%(以上均为摩尔分数,试求每小时馏出液量和残液量。解:由全塔物料衡算式可得20 = D + W (1200.4 = 0.89D + 0.03W (2联解方程式(1、式(2,得馏出液量D=8.6 kmol/h残液量W=11.4 kmol/h联系组分指物料衡算过程中联系进出物流的特定组分。例:例:甲烷和氢的混合气与空气完全燃烧以加热锅炉。产生的烟道气经分析其组成为(体积N2:72.28,CO2:8.12,O2:2.44,H2O:17.16。试求:1、燃料中H2与CH4之比;2、混合气与空气之比为多少?解:画出衡算简图: 反应式为

13、:CH4+2O2=2H2O+CO2H2+0.5O2=H2O以100烟道气为基准,则各组分的量为(mol:O2:2.44,N2: 72.28CO2:8.12,H2O:17.16.(注意:因不知道燃料气组成,不能选进气量为基准。1.求燃料气组成以C作联系组分,燃烧前后碳原子数不变,所以CO2mol数等于CH4的mol 数,即CH4=8.12mol,需要氧气量为28.12=16.24mol 。计算进料的空气量,以N2作联系组分,由烟道气中的N2可得进料中的总氧气量:72.2820.92/79=19.14mol,输入空气量:19.14+72.28=91.42mol.则用于氢气燃烧的氧为:19.14-1

14、6.24-2.44=0.46mol, 故燃料中含氢0.462=0.92mol燃料气中H2/ CH4=0.92/8.12=0.113,进料中(CH4+ H2/空气=(0.92+8.12/91.42=0.099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20000kg /h ,求馏出液和釜残液的流量和组成。 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 38780.2FB x =+ 釜残液中苯的摩尔分数 2780.023*WB x =+ 进料平均

15、相对分子质量 0.(10.41969286.13M =+-= 进塔原料的摩尔流量 2000232.2/86.13F kmol h = 依题意,馏出液中能回收原料中97%的苯,所以 97.430.9794.51/DB Dx kmol h = 作全塔苯的质量衡算得 FB DB WB Fx Dx Wx =+ 作全塔总质量衡算得 F W D =+ 将已知数据代人上述质量衡算方程得232.20.510.02351=+ 232.2W D =+ 解得 124.2/,108/W kmol h D kmol h = 所以,94.5194.510.DB x D = 组分塔进料塔顶馏出物釜残液kg/h%(wt km

16、ol/h %(mol kg/h %(wt kmol/h %(mol kg/h %(wt kmol/h %(mol 苯760038 97.43 41.96 7372.6 85.60 94.52 87.52 227.8 2.0 2.92 2.35 甲苯 124062 134.8 58.04 1240.2 14.4013.48 12.48 11159.4 98.0 121.3 97.65 合计 2000100232.21008612.8100 10810011387.2100124.2100习题2 丙烷充分燃烧时要使空气过量25%,燃烧反应方程式为: C H O CO H O +试计算得到100摩尔

17、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1.25529.760.21mol = 其中 226.25,23.51O mol N mol 烟道气中各组分的量:38C H 0 mol 2N 23.51 mol2CO 313m o l = 2O 6.255 1.25mol -= 2H O 414m o l = 因此,以1mol 入口丙烷为基准的物料衡算结果如下入口 出口38C H 138C H 02O 6.25 2O 1.25 2N 23.51 2N 23.51 2

18、CO 0 2CO 3 2H O0 2H O4 合计30.78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10029.7693.731.76mol =习题3天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气的示意流程图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422CH +H O CO+3H 垐 噲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2O 燃烧供给系统热量。二段转化后再经一氧化碳变换工

19、序使混合气中的CO 大部分转化为2CO 和2H ,CO 转化为2CO 和2H 的方程式为222CO+H O CO +3H 垐 噲 ,变换后的气体进入脱除2CO 工序脱除2CO ,再经甲烷化工序除去残存的微量CO 和2CO 后作为合成氨合格原料气。 已知某厂天然气的组成为:组分CH 4C 2H 6C 3H 8C 4H 10(正C 4H 10(异C 5H 12(正C 5H 12(异N 2CO 2合计%(mol83.2010.005.160.690.500.060.050.330.01100要求合成氨原料气的组成为:组分H 2 N 2 Ar CH 4 合计 %(mol73.9724.640.311.

20、08 100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x kmol ,添加空气量为y kmol 。 (1作系统N 2平衡因为在天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气过程中,N 2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N 2平衡得0.0033x + 0.79y =24.64 (A (2作系统氢平衡甲烷转化制H 2的计量关系推导如下:甲烷蒸汽转化反应过程 422CH +H O CO+3H 垐 噲 CO 变换反应过程 222CO+H O CO +3H 垐 噲天然气x kmol蒸汽一段转化炉空气y kmol二段 转化炉CO 变换C

21、O 2 脱除CO 2甲烷化合成氨 原料气总过程 4222CH +2H O CO +4H 垐 噲用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制2H 的计量关系通式为n 2n+2222C H +2nH O =nCO +(3n+1H因此,100kmol 天然气可提供的理论H 2为组分烃量/kmol可提供的理论烃量/kmol CH 483.20 4 83.20=332.80 C 2H 6 10.00 7 10.00=70 C 3H 8 5.16 10 5.16=51.60 C 4H 10(正 0.69 13 0.69=8.97 C 4H 10(异 0.50 13 0.50=6.50 C 5H 12(正 0.06

22、16 0.06=0.96 C 5H 12(异 0.05 16 0.05=0.80 N 2 0.33 0 CO 2 0.01 0合计100471.63因此,x kmol 天然气进料可提供的理论H 2为x 471.63kmol 100氢气燃烧的反应过程 2222H +O =2H O 燃烧消耗的H 2为y 20.21kmol 作系统H 2平衡得20.2173.974 1.08x y -=+471.63100(B式中(4 1.08是合成氨原料气的CH 4折合为H 2物质的量(mol(A 式合(B式联解得到x =18.92kmol y =31.11kmol因此,制造100kmol 的合成氨原料气需加入天

23、然气18.92kmol ,一段转化炉出口需添加31.11kmol 的空气。习题4 乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下:(2C H g O g C H O g +试计算0.1013MPa 、25下的反应热。解:乙烯(g 的标准生成热为 0298,52.28/f H k J m ol =乙烯 环氧乙烷(g的标准生成热为 0298,51/f H kJ mol =环氧乙烷-因此,0.1013Mpa ,25下的反应热计算如下:,298,298,(r i f i f H n H n H =反应物产物-1.3/2k J m o l =(-+=- 习题5 乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应: 主反应 (

24、2C H g O g C H O g + 副反应 24222(3(2(2(C H g O g CO g H O g + 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/H kJ kmol -=乙烯 0523*/H kJ kmol -=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(/m STP h ,其组成如下: 组分 24C H2N2O合计 %(mol3.582.014.5100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24C H2O2CO水蒸气 24C H O2N/(p C kJ k

25、mol K 210 64.43 31.38 30.04 25066.9431.6745.5635.35103.830.17假设如下热力学途径: 210下反应器入口混合气体热容0.03564.430.8230.040.14531.3831.44/(p C kJ kmol K =+=250下反应器入口混合气体热容0.03564.940.8230.170.14531.6731.67/(p C kJ kmol K =+=因此,反应器入口混合气体在210250的平均热容为 ,1(31.4431.6731.56/(2p m C kJ kmol K =+=DH1 = 45000 31.56(250 - 21

26、0 = 2.536 10 4 kJ / h 22.4 45000 45000 DH 2 = 0.035 0.32 0.69 (- + 0.035 0.32 (1 - 0.69( - 22.4 22.4 = 1.086 107 kJ / h DH = DH1 + DH2 = 2.536 106 -1.086 107 = -8.324 106 kJ / h DH = DH - Q2 = -8.324 106 - (-4.162 105 = -4.162 105 kJ / h 由热载体移走的热量为 Q1 = DH - Q2 = -8.324 106 - (-4.162 105 = 7.908 106 kJ / h 专心-专注-专业