化工设计知识题及解答第三章Word格式.doc
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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
CH410%
CH4
C6H6
H2CH4
由题意要求混合原料中甲烷含量不大于10%,取10%进行计算,这样计算得到的排放量数据为最小值,实际排放时应稍稍大于此值。
进反应器混合原料100mol/h
进料:
CH4100mol/h×
10%=10mol/h
总物料H2++10mol/h=100mol/h
H275mol/h
15mol/h
出料:
剩余15mol/h×
(1-80%)=3mol/h
生成的C6H615mol/h×
80%×
80%=11.76mol/h
CH415mol/h×
98%+15mol/h×
(1-98%)×
7+15mol/h
=(11.76+1.68+10)mol/h=23.44mol/h
H2
75mol/h—15mol/h×
98%—15mol/h×
10
=(75—11.76—2.4)mol/h=60.84mol/h
出料的总量为:
60.84mol/h+3+23.44mol/h+11.76mol/h=99.04mol/h
反应器出口物料的组成:
3mol/h
C6H611.76mol/h
则
进分流器的H2和CH4的量分别为:
H260.84mol/h
CH423.44mol/h
由分流器的特征有循环回路中H2和CH4的摩尔分率=进分流器的H2和CH4的摩尔分率
CH4平衡10mol/h==R
(1)
平衡15mol/h=新鲜原料
(2)
H2平衡75mol/h=新鲜H2+R(3)
联立式
(1)
(2)(3)解得:
R=35.96mol/h
新鲜原料=15mol/h
新鲜H2=49.04mol/h
总新鲜料15mol/h+49.04mol/h=64.04mol/h
新鲜原料的组成:
mol/h
循环物料计算:
R1=35.69mol/h×
0.7219=25.96mol/h
R2=35.69mol/h×
0.2781=10.00mol/h
H2平衡进分流器的H2=循环H2+外排H2
外排H2=(60.84—25.96)mol/h=34.88mol/h
CH4平衡进分流器的CH4=循环CH4+外排CH4
外排CH4=(23.44—10.00)mol/h=13.44mol/h
总排放物料:
34.88mol/h+13.44mol/h=48.32mol/h
排放物料组成:
排放比==0.7545
习题8用以生产甲醇的合成气由烃类气体转化而得。
要求合成气中n(CO):
n(H2)=1:
2.4(摩尔比),气体量为2321m3/h(标准)。
因转化气中含CO43.12%(摩尔分数),H254.20%,不符合要求,为此需将部分转化气送至CO变换反应器,变换后气体中含CO8.76%(摩尔分数),H289.75%,气体体积减少2%,用此变换气去调节转化气,求转化气及变换气各为多少m3/h(标准)?
CO变换
CO2脱除
F
混合
分流
B
H254.20%
CO43.12%
CO2
H289.75%
CO8.76%
合成气
M
转化气
2321m3/h(标准)合成气
设合成器中CO的摩尔分率为Xco,H2的摩尔分率为2.4Xco。
混合器的衡算(因都为标准体积,所以可以直接平衡):
总物料平衡M=B+R=2321m3/h(标准)
(1)
CO平衡2321Xco=0.4312B+0.0876R
(2)
H2平衡2321m3/h(标准)×
2.4Xco=0.542B+0.8975R(3)
联立上述方程求得:
R=969.4m3/h(标准)
B=1351.6m3/h(标准)
因经过变换后气体体积减少2%,所以
F=989.18m3/h(标准)
转化气=F+B=(989.18+1351.6)m3/h(标准)=2340.78m3/h(标准)
脱除的CO2的量为F—R=(989.18+969.4)m3/h(标准)=19.78m3/h(标准)
习题9天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气的示意流程图
天然气xkmol
蒸汽
一段
转化炉
空气ykmol
二段
变换
脱除
甲烷化
合成氨
原料气
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
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燃烧供给系统热量。
二段转化后再经一氧化碳变换工序使混合气中的大部分转化为和,转化为和的方程式为,变换后的气体进入脱除工序脱除,再经甲烷化工序除去残存的微量和后作为合成氨合格原料气。
已知某厂天然气的组成为:
(正)
(异)
C5H12
83.20
10.00
5.16
0.69
0.50
0.06
0.05
0.33
0.01
要求合成氨原料气的组成为:
Ar
73.97
24.64
0.31
1.08
计算天然气的用量和空气的用量。
以100kmol合成氨原料气为计算基准。
设天然气用量为xkmol,添加空气量为ykmol。
(1)作系统N2平衡
因为在天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气过程中,N2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N2平衡得
0.0033x+0.79y=24.64(A)
(2)作系统氢平衡
甲烷转化制H2的计量关系推导如下:
甲烷蒸汽转化反应过程
变换反应过程
总过程
用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制的计量关系通式为
因此,100kmol天然气可提供的理论H2为
烃量/kmol
可提供的理论烃量/kmol
483.20=332.80
710.00=70
105.16=51.60
C4H10(正)
130.69=8.97
C4H10(异)
130.50=6.50
C5H12(正)
160.06=0.96
C5H12(异)
160.05=0.80
471.63
因此,xkmol天然气进料可提供的理论H2为
氢气燃烧的反应过程
燃烧消耗的H2为
作系统H2平衡得
(B)
式中()是合成氨原料气的CH4折合为H2物质的量(mol)
式合(B)式联解得到
因此,制造100kmol的合成氨原料气需加入天然气18.92kmol,一段转化炉出口需添加31.11kmol的空气。
习题10将一成分为88%碳(C)和12%H2O的液体气化并在图3-5的装置中催化燃烧,所得的烟道气组成如下:
CO213.4%,O23.6%,N283.0%。
为了计算燃烧装置的体积,求100kg燃料产生多少kmol干烟道气及过量空气量。
催化氧化
液体燃料
C88%
H2O12%
干烟道气
CO288%
O212%
N283.0%
空气
C
图3-5例3-7附图
解据题意,主要物流为燃料、干烟道气和空气,应用联系组分求解比较方便。
(1)以碳(C)进行元素平衡,计算干烟道气量:
输入的碳(C)物质量=输出的碳(C)物质量
设100kmol干烟道气,含碳量为:
100×
0.134×
12=161kg
100kg燃料含碳量为88kg,所以
100kmol干烟道气
88kg碳(C)
161kg碳(C)
100kg燃料
=54.6kmol干烟道气·
(100kg燃料)-1
(2)用N2作为联系组分,计算出燃烧反应过量空气的百分数。
83.0kmolN2
1.00kmol空气
=
105.0kmol空气
100kmol烟道气
0.79kmolN2
进入的O2=105.0×
0.21=22.1kmol
过量空气为
习题11某化工厂计划利用废气的废热,进入废热锅炉的废气温度为450℃,出口废气的温度为260℃,进入锅炉的水温为25℃,产生的饱和水蒸气温度为233.7℃,3MPa,(绝压),废气的平均热容为32.5KJ/(kmol·
℃),试计算每100kmol的废气可产生的水蒸气量?
解过程如图3-6所示
水25℃
水蒸气233.7℃
出口废气260℃
废气450℃
图3-6例3-8附图
100kmol的废气
锅炉的能量平衡为
废气的热量损失=将水加热以产生水蒸气所获得的热量
即(mCp,mΔt)废气=W(hg-hL)
其中,W为所产生蒸气的质量,因此
32.5×
(450-260)=W(2798.9-104.6)
W=229kg
所产生水蒸气质量为229kg·
(100mol废气)-1
习题12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
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45000,其组成如下:
3.5
82.0
14.5
热损失按反应放出热量的5%考虑,求热载体移出的热量。
查得有关气体的热容数据如下:
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