化工設(shè)計知識題及解答

***第三章物料衡算與熱量衡算1)38％(wt62％的混合972％。進(jìn)料20230kg／h，求餾出液和釜殘液的流量和組成。D,D,xDF,xFW,xW7892B38進(jìn)料中苯的摩爾分?jǐn)?shù) xFB

78 386278 922釜殘液中苯的摩爾分?jǐn)?shù)

78 0.02351WB 29878 92進(jìn)料平均相對分子質(zhì)量 M0.419678(10.4196)9286.13進(jìn)塔原料的摩爾流量 F2023232.2kmol/h86.1397%的苯，所以Dx 97.430.9794.51kmol/hDB作全塔苯的質(zhì)量衡算得FxFB

DxDB

WxWB作全塔總質(zhì)量衡算得 FWD將數(shù)據(jù)代人上述質(zhì)量衡算方程得232.20.419694.510.02351232.2WD解得W124.2kmol/hD108kmol/h所以，xDB

94.5194.510.8752D 108組塔進(jìn)料塔頂餾出物釜殘液分kg/h%(wtkmol/%(mokg/h%(wtkmol/%(mokg/h%(wtkmol/%(mo)hl))hl))hl)苯76003897.4341.967372.85.694.5287.52227.82.02.922.3560甲124062134.858.041240.14.413.4812.4811159.98.0121.397.65苯0204合2023100232.2100861210010810011387100124.2100計0.8.2210%NaOH〔質(zhì)量濃度10%NaClNaCl而留在母液中。操作停頓后，分析母液的成分為：50%NaOH，2%NaCl1〕獲得的母液量，2〕蒸發(fā)出的水重量，3〕NaCl水蒸氣，F(xiàn)2kg原料液F1=1000kg10%NaOH10%NaCl 80%H2O器母液,F4kg50%NaOH2%NaCl48%H2O

NaCl晶體,F3kg解：所選擇的基準(zhǔn)為：每批處理量，1000kg總物料衡算

F1=F2+F3+F4NaOH平衡 1000×0.1=0.5F4NaCl平衡 1000×0.1=0.02F4+F3H2O平衡 1000〔1-0.1-0.1〕=F2+0.48F4解得： F2=704kg，F(xiàn)3=96kg，F(xiàn)4=200kg325％，燃燒反響方程式為：CH 3 8 2

3CO2

4HO2100〔又稱煙道氣〕需要參加的空氣的摩爾量。1mol依據(jù)反響方程式，1mol5mol25%，故需要參加的空氣量為1.25529.76mol0.21 煙道氣中各組分的量：

O6.25mol,N2

23.51molCH 0mol N 23.51mol3 8 2CO 313mol O2

6.2551.25mol2HO 414mol21mol3 8O6.253O81.2522N223.51N223.51CO0CO3入口出口CH1CH入口出口CH1CH022HO20HO24合計30.78合計31.7610029.7693.7mol31.76合成氣組成為0.4%CH4，52.8%H2，38.3%CO，5.5%CO2,0.1%O2，2.9%N2〔體積百分?jǐn)?shù)〕10CO2，試計算燃燒氣組成。4合成氣CH4H2COCO2O2N2

燃燒氣CO燃燒空氣O燃燒空氣O2N22N22解：基準(zhǔn)：1000mol1h；氣體中含C 4+385+55=442mol；H 4×4+2×528=1072mol；O 383+2×55+1×2=495mol理論氧量O2=442+1072/4-495/2=462.5mol理論空氣實際空氣N2 0.79×2422.6=1914molO2 對各物質(zhì)進(jìn)展衡算22N2平衡：29+1914=FN=1943mol；C4+383+55=FCO=442mol；O2平衡：0.5×383+55+1+508.822=FCO

2

O+FOH22=442+0.5×536+FO2FO2=46.3molH22燃料氣組成5試就自然氣甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化制H2N21.42.567%，此過程包括以下反響：CH4+H2OCO+3H2 〔1〕CH4+CO22CO+2H2 〔2〕CO+H2OCO2+H2 〔3〕70013成物方向移動。7001.54。解取基準(zhǔn)為100m312312設(shè)已轉(zhuǎn)化的氣體中，各組分的含量〔以m3〕分別為VCO2

、V 、V ，與CO H2烴類反響掉的水蒸氣以VH2O

表示。在已轉(zhuǎn)化的氣體中，未起反響的那局部烴類的體積〔CH4來計算〕為：〔97.8+0.5×2+0.2×3+0.1×4〕〔100-67〕/100=32.9m3C平衡97.8+0.5×2+0.2×3+0.1×4=VCO2

+V +32.9COVCO2

=99.9-VCOO平衡初始水蒸氣 100×2.5=250m3250=2VCO2

+V +(250-V )CO H2OH平衡

2VCO2

+V -V =0CO H2O4×97.8+0.5×6+0.2×8+0.1×10+2×250=2VH2

+4×32.9+2(250-V )H2OV =VH2 H2O

+132.6由于在產(chǎn)品混合物中，COCO270033Kp

(VH2O

66.9)(V

H2O

132.6)

1.54(133.8V

H2O

)(250V

)H2O解上式得VH2O

=100m3對其他組分得VCO2

=100-66.9=33.1m3V =133.8-100=33.8m3COVH2VH2O

=100+132.6=232.6m3=250-100=150m3〔轉(zhuǎn)化氣中剩余的水蒸氣量〕。3-13-2示。濕氣體干氣體組成濕氣體干氣體組成m3V%m3V%CH432.96.832.99.9H2232.648.07232.669.60CO33.87.033.810.15CO233.16.8433.19.93N21.40.291.40.42H2O150.031.0Σ433.8100.0333.8100.03-2甲烷轉(zhuǎn)化過程物料衡算輸輸入輸出物料自然氣kgm3產(chǎn)品干的轉(zhuǎn)化氣kgm3CH43290.004596.60CH41104.501546.3C2H631.5023.50H2977.6010932.218.309.40CO1992.801588.612.204.70CO23057.401555.7N282.2065.80N282.2065.8Σ3434.204700.00Σ7214.5015688.6水蒸氣9447.011750.0水蒸氣5683.507050.0Σ12881.216450.0Σ12878.0022738.6C3H8C4H106100kmol/h9980H2和20C3H8C4H102〕C6H6H2的進(jìn)料速率；3〕H2的循環(huán)速率。2穎H22循環(huán)H26純C6H6

反響器

產(chǎn)物3%H2解 化學(xué)反響方程式CH 3H CH6 6 2 6 12100kmol/h99100kmol/h，環(huán)己烷需苯100/0.99=101.01kmol/h未反響的苯量 101.01—100=1.01kmol/h產(chǎn)物中含H23%，設(shè)含H2量為n ，2n100

H1.1nH2

0.03n =3.12kmol/h2C6H6,C6H12,H2的摩爾分率分別為：0.960.010.03。H2100×3+3.12=303.12kmol/h101.10kmol/hH2Rkmol/h11.76CH6x 99.04CH67甲苯催化加氫脫甲基制苯，主反響和副反響分別為：主反響C6H5CH3H2C6H6CH4副反響 C6H5CH310H27CH4以純氫和純甲苯為原料，進(jìn)入反響器的氫與甲苯之比為5:1〔摩爾比。甲80%98%，未反響的甲苯和產(chǎn)物苯作為產(chǎn)品物流輸出體系，氫和甲烷循環(huán)。要求混合原料中甲烷含量不大于10%，計算排放比及各物流的組成。解：由題意畫出物料流程圖如下:RRR1R2H CH2 4H分流器2CH4H2CH4純C純C6H6CHCH6 53混合器H2CH10%4CHCH6 5 3反響器H2CHCHCH分別器CHCH6 5C6H636 5 3C6H61010%進(jìn)展計算，這樣計算得到的排放量數(shù)據(jù)為最小值，實際排放時應(yīng)稍稍大于此值。100mol/h反響器進(jìn)料：CH4 100mol/h×10%=10mol/h2總物料HCHCH+10mol/h=100mol/h26 5 3H CHCH 52 6 5 3H2 75mol/hCHCH 15mol/h6 5 3出料：剩余CHCH 15mol/h×(1-80%)=3mol/h6 5 3生成的C6H6 15mol/h×80%×80%=11.76mol/hCH4 15mol/h×80%×98%+15mol/h×80%×(1-98%)×7+15mol/h=(11.76+1.68+10)mol/h=23.44mol/hH275mol/h—15mol/h×80%×98%—15mol/h×80%×(1-98%)×10=(75—11.76—2.4)mol/h=60.84mol/h出料的總量為：60.84mol/h+3+23.44mol/h+11.76mol/h=99.04mol/h反響器出口物料的組成：60.84H2x 99.040.6134H2xCHCH

399.04

0.030365 3x 23.44

0.23694CH 99.04411.76x

0.1187CH66分別器

99.04CHCH 3mol/h6 5 3C6H6 11.76mol/h則 xCHCH65 3

3311.760.203311.76CH6x 311.76CH6進(jìn)分流器的H2和CH4的量分別為：H2 60.84mol/hCH4 23.44mol/h60.84H2x 60.8423.440.7219H2x 23.44CH4 60.8423.44

0.2781由分流器的特征有循環(huán)回路中H2和CH4的摩爾分率=進(jìn)分流器的H2和CH4的摩爾分率x xR1 H2

x xR2 CH4CH4〔1〕

平 衡 10 mol/h= RCH4

=R xR2CHCH6 5 3〔2〕

平 衡 15 mol/h= 鮮 原 料 CHCH6 5 3H2〔3〕

平 衡 75 mol/h= 鮮 H+R x2R12聯(lián)立式〔1〔2〔3〕R=35.96mol/h6 5 穎原料CHCH=15mol/hH2=49.046 5 總穎料 15mol/h+49.04mol/h=64.04mol/h穎原料的組成：x 49.040.7658mol/h2H 64.042xCHCH65 3

1564.04

0.2342mol/h循環(huán)物料計算：R1=35.69mol/h×0.7219=25.96mol/hR2=35.69mol/h×0.2781=10.00mol/h分流器H2平衡 進(jìn)分流器的H2=循環(huán)H2+外排H2H2(60.84—25.96mol/h=34.88mol/hCH4平衡 進(jìn)分流器的CH4=循環(huán)CH4+外排CH4CH4(23.44—10.00mol/h=13.44mol/h總排放物料：34.88mol/h+13.44mol/h=48.32mol/h排放物料組成：x 0.7219 xH CH2

0.2781排放比= 48.32=0.754564.048n〔CO〕：n〔H2〕=1:2.4〔摩爾比〕，氣體量為2321m3/h〔標(biāo)準(zhǔn)〕。因轉(zhuǎn)化氣中含CO43.12%〔摩爾分?jǐn)?shù)〕，H254.20%，不符合要求，為此需將局部轉(zhuǎn)化氣送至標(biāo)準(zhǔn)〕？轉(zhuǎn)化氣

2CO2CO2CO變換CO脫除R2合成氣混合 MFH89.75%2CO8.76%分流BH 54.20%解：基準(zhǔn)：2321m3/h〔標(biāo)準(zhǔn)〕合成氣COXco,H22.4Xco。混合器的衡算〔因都為標(biāo)準(zhǔn)體積，所以可以直接平衡：總(1)

物 料 平 衡 M=B+R=2321 m3/h 〔 標(biāo) 準(zhǔn) 〕CO(2)

平 衡 2321Xco=0.4312B+0.0876 RH2平衡 2321m3/h〔標(biāo)準(zhǔn)〕×2.4Xco=0.542B+0.8975R(3)聯(lián)立上述方程求得：R=969.4m3/h〔標(biāo)準(zhǔn)〕B=1351.6m3/h〔標(biāo)準(zhǔn)〕2%，所以F= P 989.18m3/h〔標(biāo)準(zhǔn)〕12%轉(zhuǎn)化氣=F+B=〔989.18+1351.6〕m3/h〔標(biāo)準(zhǔn)〕=2340.78m3/h〔標(biāo)準(zhǔn)〕標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)〕9ykmolxkmol一段二段轉(zhuǎn)化爐CO變換CO2甲烷化合成氨蒸汽轉(zhuǎn)化爐脫除原料氣CO2轉(zhuǎn)化爐內(nèi)進(jìn)展烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反響，以甲烷為例，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化的反響方程式為CH+H4

O CO+3H2 22和和O燃CO大局部轉(zhuǎn)2和和2化為CO2

H，CO轉(zhuǎn)化為CO

H的方程式為CO+HO

CO+3H2

2222的氣體進(jìn)入脫除CO2工序脫除CO2，再經(jīng)甲烷化工序除去殘存的微量CO和CO2后作為合成氨合格原料氣。2222某廠自然氣的組成為：CHCH4C2H6C3H8C4H10(正)C4H10(異)C5H12(正)C5H12(異)N2CO2合計組分%(mol) 83.2010.00 5.160.690.500.060.050.33 0.01 100要求合成氨原料氣的組成為：組分組分%(mol)H273.97N224.64Ar0.31CH41.08合計100計算自然氣的用量和空氣的用量。100kmolxkmol，ykmol。〔1〕N2N2N2(A)

0.0033x

+

=24.644甲烷轉(zhuǎn)化制H2的計量關(guān)系推導(dǎo)如下：甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化反響過程 4

+HO2

CO+3H22變換反響過程 CO+HO2

CO+3H2 2總過程

+2HO

CO+4H4 2 2 2用同樣的方法可推導(dǎo)出烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制H2的計量關(guān)系通式為CHn2n+2

+2nH

O=nCO2

+(3n+1)H2組分/kmol因此，100kmol自然氣可供給的理論H組分/kmolCH483.20483.20=332.80C2H610.00710.00=70C3H85.1610C4H10(正)0.6913C4H10(異)0.5013C5H12(正)0.0616C5H12(異)0.0516N20.330CO20.010合計100471.63因此，xkmol合計100471.63100

2H+O=2HOH2為

2 2 2H2平衡得

20.21ykmol471.63x20.21y73.9741.08100 (B)式中〔41.08〕是合成氨原料氣的CH4折合為H2物質(zhì)的量(mol)式合(B)式聯(lián)解得到x18.92kmoly31.11kmol31.11kmol將一成分為〔C〕12%H2O3-53.6%，N283.0%。為了100kgkmolC干煙道氣催化氧化液體燃料C 88%H催化氧化液體燃料C 88%HO12%2N22O 12%2N 83.0%2空氣圖3-5 例3-7附圖解 據(jù)題意主要物流為燃料干煙道氣和空氣應(yīng)用聯(lián)系組分求解比較。以碳〔C〕進(jìn)展元素平衡，計算干煙道氣量：輸入的碳〔C〕物質(zhì)量=輸出的碳〔C〕物質(zhì)量100kmol100×0.134×12=161kg100kg88kg，所以100kmol100kmol干煙道 88kg碳〔C〕氣161kg碳〔C〕 100kg燃料=54.6kmol·〔100kg〕-1〔2〕N2作為聯(lián)系組分，計算出燃燒反響過量空氣的百分?jǐn)?shù)。基準(zhǔn)：100kmol83.0kmolN83.0kmolN21.00kmol氣100kmol0.79kmolN2氣=100kmol氣2過量空氣為 過量的O2

3.6 100%19.5%進(jìn)入的O2

過量的O2

22.13.626025℃，產(chǎn)生的飽和水蒸氣溫度為233.7℃，3MPa，〔絕壓〕，32.5KJ/(kmol·℃)，試計算100kmol解 過程如圖3-6所示260℃233.℃水25℃450℃圖3-6 例3-8附圖100kmol鍋爐的能量平衡為熱量損失=將水加熱以產(chǎn)生水蒸氣所獲得的熱量即 (mCp,mΔt)廢氣=W(hg-hL)其中，W100×32.5×(450-260)=W(2798.9-104.6)W=229kg229kg·(100mol-112乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反響器中進(jìn)展如下反響：CH(g)1O(g)C

O(g)主反響

2 4 2 2 2 4副反響 C2H4

(g)3O2

(g)CO2

(g)2H

O(g)2250℃，該溫度下主、副反響的反響的反響熱分別為H0523H0523

105395kJ/kmol乙烯1321726kJ/kmol乙烯度為210℃，流量45000m3(STP/h,其組成如下：組分組分CH2 4N2O2合計%(mol)3.582.014.51005%考慮，求熱載體移出的熱量。解：查得有關(guān)氣體的熱容數(shù)據(jù)如下：組分組分CH2 4O2CO2水 蒸CHO2 4N2氣C /[kJ/(kmolK]p21064.4331.3830.04℃25066.9431.6745.5635.35103.830.17℃假設(shè)如下熱力學(xué)途徑：H210℃反響器入口氣250℃反響器出口氣H1H250℃反響器入口氣2210℃下反響器入口混合氣體熱容C 0.03564.430.8230.040.14531.3831.44kJ/(kmolK)p250℃下反響器入口混合氣體熱容C 0.03564.940.8230.170.14531.6731.67kJ/(kmolK)p210℃～250℃的平均熱容為1Cp,m

(31.4431.67)2

31.56kJ/(kmolK)H 1

4500022.4

31.56(250210)2.536104kJ/hH 2

450000.0350.320.69(105395)450000.0350.32(10.69)(1321726)22.4 22.41.086107kJ/hHHH 2.5361061.0861078.324106kJ/h1 2HHQ2

8.324106(4.162105)4.162105kJ/h由熱載體移走的熱量為QHQ1 2

8.324106(4.162105)7.908106kJ/h13乙烯氧化為環(huán)氧乙烷的反響方程式如下：1CH(g) O(g)CHO(g)2 4 2 2 2 40.1013MPa、25℃下的反響熱。

52.28kJ/molf,298,乙烯

f,298,環(huán)氧乙烷

H0

(nH0 ) 0 )r,298

i f,298產(chǎn)物 i f,298

反響物1〔5〕152.2＋1＝103.kJ/mol214在一絕熱反響器內(nèi)進(jìn)展以下反響： )O2H300℃,1atm試計算該絕熱反響器出口物料的溫度。300℃,300℃,1atm1mol1molCOH2O反響器1mol1molCO2H2T0物料衡算得CO(g)；n進(jìn)=1mol H2O(g))；n進(jìn)=1molCO2(g)；n出=1mol H2(g)；n出=1mol反響在非標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)展，為了計算便利，假設(shè)該反響過程的途徑如下：H產(chǎn)物T0H反響物300℃H〔300℃〕r產(chǎn)物300℃H1H2H〔25℃〕反響物25℃r產(chǎn)物25℃r,298計算標(biāo)準(zhǔn)反響熱H0 r,298查得各物料的生成熱：(H0)f

CO2