化工设计习题及解答第三章.doc

第三章物料衡算与热量衡算习题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F, xFD, xDW, xW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 釜残液中苯的摩尔分数 进料平均相对分子质量 进塔原料的摩尔流量 依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以作全塔苯的质量衡算得 作全塔总质量衡算得 将已知数据代人上述质量衡算方程得 解得 所以，组分塔进料塔顶馏出物釜残液kg/h%(wt)kmol/h%(mol)kg/h%(wt)kmol/h%(mol)kg/h%(wt)kmol/h%(mol)苯760038甲苯1240062合计20000100100100108100100100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=1000kg10%NaOH10%NaCl80%H2O母液,F4 kg50%NaOH2%NaCl48%H2O水蒸气，F2 kgNaCl晶体,F3 kg蒸发器原料液 F1=1000kg10%NaOH10%NaCl80%H2O母液,F4 kg50%NaOH2%NaCl48%H2O解：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=4NaCl平衡 1000×0.1=4+F3H2O 平衡 1000（）=F2+4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： 0 mol 23.51 mol 因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下入口出口100304合计合计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，试计算燃烧气组成解：基准：1000mol合成气，1h；气体中含C 4+385+55=442mol；H 4×4+2×528=1072mol；O 383+2×55+1×2=495mol理论氧量O2 理论空气实际空气N2 0.79×2422.6=1914molO2 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：=FCO2H2O+FO2=442+0.5×536+ FO2FO2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：CH42H6 0.5,C3H8 0.2，C4H10 0.1，N2 1.4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）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=3为了确定转化气的组成，进行元素物料衡算：C 平衡 97.8+0.5×2+0.2×3+0.1×4=+ O 平衡初始水蒸气 100×2.5=250m3 250=2++(250-) 2+-=0H 平衡 4×97.8+0.5×6+0.2×8+0.1×10+2×250=2+4×32.9+2(250-) =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=3=133.8-100=33.8 m3 =100+132.6=232.6 m3=250-100=150 m3（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m3V%m3V%CH4H2COCO2N2H2OΣ表3-2 甲烷转化过程物料衡算输 入输 出物料kgm3产品kg m3天然气干的转化气CH4CH4C2H6H2C3H8COC4H10CO2N2N2ΣΣ水蒸气水蒸气ΣΣ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=101.01 kmol/h—100=1.01 kmol/h产物中含H2 3%，设含H2量为，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× kmol/h苯的进料速率101.10 kmol/h设循环H2量为R kmol/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解：由题意画出物料流程图如下:混合器反应器纯C6H6RR1 H2R2 CH4分离器分流器H2CH4 10%H2CH4 C6H6C6H6H2 CH4 H2 CH4 解：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基准：进反应器混合原料100mol/h反应器进料：CH4 100 mol/h×10%=10 mol/h 总物料 H2++10 mol/h=100 mol/h H2 75 mol/h 15 mol/h出料：剩余 15 mol/h×(1-80%)=3 mol/h 生成的C6H6 15 mol/h×80%×CH4 15 mol/h×80%×98% +15 mol/h×80%×(1-98%)×7 +15 mol/h = (11.76+1.68+10) mol/h =23.44 mol/hH2 75 mol/h—15 mol/h×80%×98%—15 mol/h×80%×(1-98%)×10= (75——2.4) mol/h=60.84 mol/h反应器出口物料的组成：分离器 3 mol/h C6H6 则 进分流器的H2 和CH4的量分别为：H2 60.84 mol/hCH4 23.44 mol/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 混合器CH4平衡 10 mol/h==R （1）平衡 15 mol/h=新鲜原料 。