化工設(shè)計計算題總結(jié)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1.某廠用空氣氧化鄰二甲苯(106生產(chǎn)苯酐(148。原料流量為205 kg/h鄰二甲苯,4 500 m3/h空氣。從反應(yīng)的計量關(guān)系可知,生成1 mol的苯酐需反應(yīng)掉1 mol的鄰二甲苯。經(jīng)檢驗得到的反應(yīng)器出口氣體組成如下:試計算:(1鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率、苯酐收率和反應(yīng)選擇性。(2苯酐的年產(chǎn)量(按330天/年計。解:因為其中含有大量N2,且N2為惰性組分(不參加反應(yīng),所以,選擇N2作為物料衡算的聯(lián)系物。進入反應(yīng)器的空氣中含有N2:(4 500/22.4×0.79=158.7 kmol/h設(shè)反應(yīng)器出口氣體的總流量為x kmol/h,則有:0.78x=158.7 x

2、=203.5 kmol/h因此,反應(yīng)器出口氣體含有鄰二甲苯:203.5×0.03%=0.061 kmol/h=0.061×106=6.47 kg/h反應(yīng)器出口氣體含有苯酐:203.5×0.65%=1.323 kmol/h所以,鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率X=(205-6.47/205=96.8%苯酐收率Y=1.323/(205/106=68.6%反應(yīng)選擇性S=Y/X=0.686/0.968=0.71=71%苯酐的年產(chǎn)量=1.323×24×330×148=1.550×106 kg/h=1 550 t/a2.一種廢酸,組成為23%(質(zhì)量分數(shù)的

3、HNO3、57%H2SO4和20%H2O。加入93%的濃硫酸及90%的濃硝酸,要求混合成27%HNO3、60%H2SO4的混合酸。計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。解:設(shè)所需廢酸量為x kg濃硫酸量為y kg濃硝酸量為z kg第一步:畫出物料流程簡圖。 第二步:選擇基準?？蛇x擇廢酸或濃酸的質(zhì)量為基準,也可以用混合酸的質(zhì)量為基準。本例選擇混合酸為基準,總量為100 kg。第三步:列物料衡算式?？偽锪?x+y+z=100 (1H2SO4:57%x+93%y=100×0.6=60 (2HNO3:23%x+90%z=100×0.27=27 (3解由式(1、(2和(3聯(lián)立的方程組得:x=

4、41.8 kg 廢酸y=39 kg 濃硫酸z=19.2 kg 濃硝酸第四步:核算水平衡加入水量:41.8×20%+39×7%+19.2×10%=13 kg混合酸含水量:100×13%=13 kg兩者相等,故計算正確。3.乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反應(yīng)器中進行下列反應(yīng):主反應(yīng):C2H4(g+1/2O2 (gC2H4O(g副反應(yīng):C2H4(g+3O2(gCO2(g+2H2O(g反應(yīng)溫度基本上維持在250 ,該溫度下主、副反應(yīng)的反應(yīng)熱分別為:主反應(yīng):-H5230=105 395 kJ/kmol乙烯副反應(yīng):-H5230=1 321 726 kJ/kmol乙烯乙烯單程轉(zhuǎn)

5、化率為32%,反應(yīng)選擇性為69%,反應(yīng)器出口混合氣體溫度為210 ,流量為45 000 m3/h(STP。其組成如下:組分C2H4 N2 O2合計%(mol 3.5 82.0 14.5 100熱損失按反應(yīng)放出熱量的5%考慮。求熱載體移出的熱量。解:查得有關(guān)氣體的比熱容如下:假設(shè)熱力學(xué)途徑如下:則:210 下反應(yīng)器入口混合氣體的比熱容C p:C p=0.035×64.43+0.82×30.04+0.145×31.38=31.44 kJ/(kmol·K250 下反應(yīng)器入口混合氣體的比熱容C p:C p=0.035×66.94+0.82×3

6、0.17+0.145×31.67=31.67 kJ/(kmol·K所以,反應(yīng)器入口混合氣體在210250 的平均比熱容C p平:C p平=(31.44+31.67/2=31.56 kJ/(kmol·KH1=(45 000/22.4×31.56×(250-210=2.536×106 kJ/hH2=(45 000/22.4×0.035×0.32×0.69×(-105 395+(45 000/22.4×0.035×0.32×(1-0.69×(-1 321 726

7、=-1.086×107 kJ/h H=H1+H2=2.536×106-1.086×107 kJ/h =-8.324×106 kJ/h根據(jù)Q=H得:H=Q1+Q2熱量損失按5%考慮,則Q2=0.05H=0.05×(-8.324×106=-4.162×105 kJ/h那么,由熱載體移出的熱量Q1:Q1 =H- Q2=-8.324×106-(-4.162×105=-7.908×106 kJ/h4.有一連續(xù)蒸餾塔,分離苯和甲苯混合物為兩個純組分。該混合物中含苯50%。每小時處理混合物1 000 kmo1

8、,塔頂苯的物質(zhì)的量流率為450 kmol/h塔底甲苯的物質(zhì)的量流率為475 kmol/h,操作處于穩(wěn)定狀態(tài)。試寫出苯和甲苯的平衡方程式并計算苯和甲苯的流率。解:蒸餾過程如圖所示。由于過程是穩(wěn)定的,若過程中沒有化學(xué)反應(yīng),輸入=輸出對于組分苯為:500 kmol苯/h=450 kmol苯/h+q2q2 =50 kmol苯/h對于組分甲苯為:500 kmol甲苯/h=q1+475 krnol甲苯/hq1=25 km1有兩個蒸餾塔的分離裝置,將含50%苯、30%甲苯和20%(mol%二甲苯的混合物分成較純的三個餾分,其流程圖及各流股組成如圖。計算蒸餾1000 mol/h原料所得個流股的量及進塔II物料

9、的組分。2一種廢酸,組成為23%(質(zhì)量%HNO3,57%H2SO4和20%H2O,加入93%的濃H2SO4及90%的濃HNO3,要求混合成27%HNO3及60%H2SO4的混合酸,計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。畫物料流程簡圖并對過程進行物料衡算。工業(yè)上,合成氨原料氣中的CO通過變換反應(yīng)器而除去,如圖所示。在反應(yīng)器1中大部分轉(zhuǎn)化,在反應(yīng)器2中完全脫去。原料氣是由發(fā)生爐煤氣(78%N2,20%CO,2%CO2和水煤氣(50%H2,50%CO混合而成的CO2+H2 最后得到物流中H2與N2之比為3:半水煤氣。在反應(yīng)器中與水蒸氣發(fā)生反應(yīng):CO+H2O1,假定水蒸氣流率是原料氣總量(干基的兩倍,同時反應(yīng)

10、器1中,CO的轉(zhuǎn)化率為80%,試計算中間物流(4的組成。作年產(chǎn)300t對-硝基乙苯工段物料衡算,原料乙苯純度95%,硝化混酸為:HNO3 32%,H2SO4 56%,H2O 12%。粗乙苯與混酸質(zhì)量比1:1.855。對硝基乙苯收率50%,硝化產(chǎn)物為硝基乙苯的混合物,其比例:對:鄰:間=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,假設(shè)轉(zhuǎn)化率為100%,間歇生產(chǎn)。工業(yè)上,合成氨原料氣中的CO通過變換反應(yīng)器而除去,如圖所示。在反應(yīng)器1中大部分轉(zhuǎn)化,在反應(yīng)器2中完全脫去。原料氣是由發(fā)生爐煤氣(78%N2,20%CO,2%CO2和水煤

11、氣(50%H2,50%CO混合而成的CO2+H2 最后得到物流中H2與N2之比為3:半水煤氣。在反應(yīng)器中與水蒸氣發(fā)生反應(yīng):CO+H2O1,假定水蒸氣流率是原料氣總量(干基的兩倍,同時反應(yīng)器1中,CO的轉(zhuǎn)化率為80%,試計算中間物流(4的組成。K2CrO4從水溶液重結(jié)晶處理工藝是將每小時4500mol含33.33%(mol的K2CrO4新鮮溶液和另一股含36.36% (molK2CrO4的循環(huán)液合并加入至一臺蒸發(fā)器中,蒸發(fā)溫度為120,用0.3MPa的蒸汽加熱。從蒸發(fā)器放出的濃縮料液含49.4%(molK2CrO4進入結(jié)晶槽,在結(jié)晶槽被冷卻至40 ,用冷卻水冷卻(冷卻水進出口溫差5 。然后過濾,

12、獲得含K2CrO4結(jié)晶的濾餅和36.36 %(molK2CrO4的濾液(這部分濾液即為循環(huán)液,濾餅中的K2CrO4占濾餅總物質(zhì)的量的95%。K2CrO4的分子量為195。試計算:(1蒸發(fā)器中蒸發(fā)出水的量;(2K2CrO4結(jié)晶的產(chǎn)率;(3循環(huán)液(mol/新鮮液(mol的比率;(4蒸發(fā)器和結(jié)晶器的投料比(mol某化工廠要求設(shè)計一套從氣體中回收丙酮的裝置系統(tǒng),并計算回收丙酮的費用。系統(tǒng)的流程框圖如圖所示,要求有已知的資料,列出各物流的流率(kg/h,以便能確定設(shè)備的大小,并計算蒸餾塔的進料組分。例:每小時將20kmol含乙醇40%的酒精水溶液進行精餾,要求餾出液中含乙醇89%,殘液中含乙醇不大于3%

13、(以上均為摩爾分數(shù),試求每小時餾出液量和殘液量。解:由全塔物料衡算式可得20 = D + W (120×0.4 = 0.89D + 0.03W (2聯(lián)解方程式(1、式(2,得餾出液量D=8.6 kmol/h殘液量W=11.4 kmol/h聯(lián)系組分指物料衡算過程中聯(lián)系進出物流的特定組分。例:例:甲烷和氫的混合氣與空氣完全燃燒以加熱鍋爐。產(chǎn)生的煙道氣經(jīng)分析其組成為(體積N2:72.28,CO2:8.12,O2:2.44,H2O:17.16。試求:1、燃料中H2與CH4之比;2、混合氣與空氣之比為多少?解:畫出衡算簡圖: 反應(yīng)式為:CH4+2O2=2H2O+CO2H2+0.5O2=H2O以

14、100煙道氣為基準,則各組分的量為(mol:O2:2.44,N2: 72.28CO2:8.12,H2O:17.16.(注意:因不知道燃料氣組成,不能選進氣量為基準。1.求燃料氣組成以C作聯(lián)系組分,燃燒前后碳原子數(shù)不變,所以CO2mol數(shù)等于CH4的mol 數(shù),即CH4=8.12mol,需要氧氣量為2×8.12=16.24mol 。計算進料的空氣量,以N2作聯(lián)系組分,由煙道氣中的N2可得進料中的總氧氣量:72.28×20.92/79=19.14mol,輸入空氣量:19.14+72.28=91.42mol.則用于氫氣燃燒的氧為:19.14-16.24-2.44=0.46mol,

15、 故燃料中含氫0.46×2=0.92mol燃料氣中H2/ CH4=0.92/8.12=0.113,進料中(CH4+ H2/空氣=(0.92+8.12/91.42=0.099習(xí)題1 連續(xù)常壓蒸餾塔進料為含苯質(zhì)量分數(shù)(下同38%(wt和甲苯62%的混合溶液,要求餾出液中能回收原料中97%的苯,釜殘液中含苯不低于2%。進料流量為20000kg /h ,求餾出液和釜殘液的流量和組成。 解:苯的相對分子質(zhì)量為78,甲苯的相對分子質(zhì)量為92。以下標(biāo)B 代表苯。進料中苯的摩爾分數(shù) 38780.2FB x =+ 釜殘液中苯的摩爾分數(shù) 2780.023*WB x =+ 進料平均相對分子質(zhì)量 0.(10

16、.41969286.13M =+-= 進塔原料的摩爾流量 2000232.2/86.13F kmol h = 依題意,餾出液中能回收原料中97%的苯,所以 97.430.9794.51/DB Dx kmol h = 作全塔苯的質(zhì)量衡算得 FB DB WB Fx Dx Wx =+ 作全塔總質(zhì)量衡算得 F W D =+ 將已知數(shù)據(jù)代人上述質(zhì)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 = 組分塔進料塔頂餾出物釜殘液kg/h%(wt kmol/h %(mol k

17、g/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 合計 2000100232.21008612.8100 10810011387.2100124.2100習(xí)題2 丙烷充分燃燒時要使空氣過量25%,燃燒反應(yīng)方程式為: C H O CO H O +試計算得到100摩爾燃燒產(chǎn)物(又稱煙道氣需要

18、加入的空氣的摩爾量。 解:以1mol 入口丙烷為計算基準根據(jù)反應(yīng)方程式,1mol 丙烷需要5mol 的氧氣與之反應(yīng),因氧氣過量25%,故需要加入的空氣量為1.25529.760.21mol = 其中 226.25,23.51O mol N mol 煙道氣中各組分的量: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 入口丙烷為基準的物料衡算結(jié)果如下入口 出口38C H 138C H 02O 6.25 2O 1.25 2N 23.51 2N 23.51 2CO 0 2CO 3 2

19、H O0 2H O4 合計30.78合計31.76從計算結(jié)果可以看出,當(dāng)空氣加入量為29.76mol 時,可產(chǎn)生煙道氣31.76mol ,所以,每產(chǎn)生100mol 煙道氣需加入的空氣量為10029.7693.731.76mol =習(xí)題3天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制造合成氨原料氣的示意流程圖轉(zhuǎn)化爐內(nèi)進行烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng),以甲烷為例,烴類蒸汽轉(zhuǎn)化的反應(yīng)方程式為422CH +H O CO+3H 垐 噲?zhí)烊粴饨?jīng)一段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化后繼續(xù)進入二段轉(zhuǎn)化爐反應(yīng),在一段轉(zhuǎn)化爐出口添加空氣以配合合成氨原料氣中所需的氮氣,同時,一段轉(zhuǎn)化氣中的一部分氫氣遇2O 燃燒供給系統(tǒng)熱量。二段轉(zhuǎn)化后再經(jīng)一氧化碳變換工序使混合氣中的CO 大部

20、分轉(zhuǎn)化為2CO 和2H ,CO 轉(zhuǎn)化為2CO 和2H 的方程式為222CO+H O CO +3H 垐 噲 ,變換后的氣體進入脫除2CO 工序脫除2CO ,再經(jīng)甲烷化工序除去殘存的微量CO 和2CO 后作為合成氨合格原料氣。 已知某廠天然氣的組成為:組分CH 4C 2H 6C 3H 8C 4H 10(正C 4H 10(異C 5H 12(正C 5H 12(異N 2CO 2合計%(mol83.2010.005.160.690.500.060.050.330.01100要求合成氨原料氣的組成為:組分H 2 N 2 Ar CH 4 合計 %(mol73.9724.640.311.08 100計算天然氣的

21、用量和空氣的用量。解:以100 kmol 合成氨原料氣為計算基準。 設(shè)天然氣用量為x kmol ,添加空氣量為y kmol 。 (1作系統(tǒng)N 2平衡因為在天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制造合成氨原料氣過程中,N 2沒有參加反應(yīng),它的數(shù)量在反應(yīng)器的進口、出口物料中沒有變化,作系統(tǒng)N 2平衡得0.0033x + 0.79y =24.64 (A (2作系統(tǒng)氫平衡甲烷轉(zhuǎn)化制H 2的計量關(guān)系推導(dǎo)如下:甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程 422CH +H O CO+3H 垐 噲 CO 變換反應(yīng)過程 222CO+H O CO +3H 垐 噲?zhí)烊粴鈞 kmol蒸汽一段轉(zhuǎn)化爐空氣y kmol二段 轉(zhuǎn)化爐CO 變換CO 2 脫除CO 2甲烷

22、化合成氨 原料氣總過程 4222CH +2H O CO +4H 垐 噲用同樣的方法可推導(dǎo)出烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制2H 的計量關(guān)系通式為n 2n+2222C H +2nH O =nCO +(3n+1H因此,100kmol 天然氣可提供的理論H 2為組分烴量/kmol可提供的理論烴量/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(異 0.50 13 0.50=6.50 C 5H 12(正 0.06 16 0.06=0.96

23、 C 5H 12(異 0.05 16 0.05=0.80 N 2 0.33 0 CO 2 0.01 0合計100471.63因此,x kmol 天然氣進料可提供的理論H 2為x 471.63kmol 100氫氣燃燒的反應(yīng)過程 2222H +O =2H O 燃燒消耗的H 2為y 20.21kmol 作系統(tǒng)H 2平衡得20.2173.974 1.08x y -=+471.63100(B式中(4 1.08是合成氨原料氣的CH 4折合為H 2物質(zhì)的量(mol(A 式合(B式聯(lián)解得到x =18.92kmol y =31.11kmol因此,制造100kmol 的合成氨原料氣需加入天然氣18.92kmol

24、,一段轉(zhuǎn)化爐出口需添加31.11kmol 的空氣。習(xí)題4 乙烯氧化為環(huán)氧乙烷的反應(yīng)方程式如下:(2C H g O g C H O g +試計算0.1013MPa 、25下的反應(yīng)熱。解:乙烯(g 的標(biāo)準生成熱為 0298,52.28/f H k J m ol =乙烯 環(huán)氧乙烷(g的標(biāo)準生成熱為 0298,51/f H kJ mol =環(huán)氧乙烷-因此,0.1013Mpa ,25下的反應(yīng)熱計算如下:,298,298,(r i f i f H n H n H =反應(yīng)物產(chǎn)物-1.3/2k J m o l =(-+=- 習(xí)題5 乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反應(yīng)器中進行如下反應(yīng): 主反應(yīng) (2C H g O g C H O g + 副反應(yīng) 24222(3(2(2(C H g O g CO g H O g + 反應(yīng)溫度基本維持在250,該溫度下主、副反應(yīng)的反應(yīng)的反應(yīng)熱分別為/H kJ kmol -=乙烯 0523*/H kJ kmol -=乙烯乙烯的單程轉(zhuǎn)化率為32%,反應(yīng)的選擇性為69%,反應(yīng)器進口混合氣的溫度為210,流量(/m STP h ,其組成如下: 組分 24C H2N2O合計 %(mol3.582.01