化工设计计算题总结.
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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+q2
q2 =50 kmol苯/h
对于组分甲苯为:
500 kmol甲苯/h=q1+475 krnol甲苯/h
q1=25 km
1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。
组分C2H4 N2 O2
合计
%(mol 3.5 82.0 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=0.035×64.43+0.82×30.04+0.145×31.38=31.44 kJ/(kmol·K
解:由全塔物料衡算式可得
20 = D + W (1
20×0.4 = 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,
250 ℃下反应器入口混合气体的比热容C p:
C p=0.035×66.94+0.82×30.17+0.145×31.67=31.67 kJ/(kmol·K
所以,反应器入口混合气体在210~250 ℃的平均比热容C p平:
C p平=(31.44+31.67/2=31.56 kJ/(kmol·K
△H1=(45 000/22.4×31.56×(250-210=2.536×106 kJ/h
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%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。
0.8752108
DB x D =
==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
7600
38 97.43 41.96 7372.6 85.60 94.52 87.52 227.8 2.0 2.92 2.35甲苯1240
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生反应:CO+H2O
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:
(4 500/22.4×0.79=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 kmol/h
因此,反应器出口气体含有邻二甲苯:
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
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2×8.12=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:72.28×20.92/79=19.14mol,
输入空气量:19.14+72.28=91.42mol.
62 134.8 58.04 1240.2 14.40
13.48 12.48 11159.4 98.0 121.3 97.65合计2000
100
232.2
100
8612.8
100 108
100
11387.2
100
124.2
100
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: 38222534C H O CO H O +→+
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+H2O
1,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。
1,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,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
△H2=(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=-1.086×107 kJ/h △H=△H1+△H2=2.536×106-1.086×107 kJ/h =-8.324×106 kJ/h
苯酐的年产量=1.323×24×330×148
=1.550×106 kg/h
=1 550 t/a
2.一种废酸,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%HNO3、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
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
1.255
29.760.21
mol ⨯=其中226.25,23.51O mol N mol烟道气中各组分的量:
232.2/86.13
F 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
232.20.419694.510.02351⨯=+ 232.2W D =+解得124.2/,108/W kmol h D kmol h ==所以,94.5194.51
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38
780.419638627892
FB x =
=+釜残液中苯的摩尔分数2
780.023*********
WB x =
=+进料平均相对分子质量0.419678(10.41969
286.13
M =⨯+-⨯=进塔原料的摩尔流量2000
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:CH4+2O2=2H2O+CO2
H2+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。
根据∑Q=∑H得:
△H=Q1+Q2
热量损失按5%考虑,则Q2=0.05△H=0.05×(-8.324×106=-4.162×105 kJ/h
那么,由热载体移出的热量Q1:
Q1 =△H- Q2=-8.324×106-(-4.162×105=-7.908×106 kJ/h
4.有一连续蒸馏塔,分离苯和甲苯混合物为两个纯组分。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。
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 (1
H2SO4:57%x+93%y=100×0.6=60 (2
HNO3:23%x+90%z=100×0.27=27 (3
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:
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。
203.5×0.03%=0.061 kmol/h=0.061×106=6.47 kg/h
反应器出口气体含有苯酐:
203.5×0.65%=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%
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:41.8×20%+39×7%+19.2×10%=13 kg
混合酸含水量:100×13%=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:
则用于氢气燃烧的氧为:19.14-16.24-2.44=0.46mol,故燃料中含氢0.46×2=0.92mol
ห้องสมุดไป่ตู้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。
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+q2
q2 =50 kmol苯/h
对于组分甲苯为:
500 kmol甲苯/h=q1+475 krnol甲苯/h
q1=25 km
1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。
组分C2H4 N2 O2
合计
%(mol 3.5 82.0 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=0.035×64.43+0.82×30.04+0.145×31.38=31.44 kJ/(kmol·K
解:由全塔物料衡算式可得
20 = D + W (1
20×0.4 = 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,
250 ℃下反应器入口混合气体的比热容C p:
C p=0.035×66.94+0.82×30.17+0.145×31.67=31.67 kJ/(kmol·K
所以,反应器入口混合气体在210~250 ℃的平均比热容C p平:
C p平=(31.44+31.67/2=31.56 kJ/(kmol·K
△H1=(45 000/22.4×31.56×(250-210=2.536×106 kJ/h
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%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。
0.8752108
DB x D =
==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
7600
38 97.43 41.96 7372.6 85.60 94.52 87.52 227.8 2.0 2.92 2.35甲苯1240
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生反应:CO+H2O
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:
(4 500/22.4×0.79=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 kmol/h
因此,反应器出口气体含有邻二甲苯:
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
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2×8.12=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:72.28×20.92/79=19.14mol,
输入空气量:19.14+72.28=91.42mol.
62 134.8 58.04 1240.2 14.40
13.48 12.48 11159.4 98.0 121.3 97.65合计2000
100
232.2
100
8612.8
100 108
100
11387.2
100
124.2
100
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: 38222534C H O CO H O +→+
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+H2O
1,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。
1,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,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
△H2=(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=-1.086×107 kJ/h △H=△H1+△H2=2.536×106-1.086×107 kJ/h =-8.324×106 kJ/h
苯酐的年产量=1.323×24×330×148
=1.550×106 kg/h
=1 550 t/a
2.一种废酸,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%HNO3、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
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
1.255
29.760.21
mol ⨯=其中226.25,23.51O mol N mol烟道气中各组分的量:
232.2/86.13
F 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
232.20.419694.510.02351⨯=+ 232.2W D =+解得124.2/,108/W kmol h D kmol h ==所以,94.5194.51
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38
780.419638627892
FB x =
=+釜残液中苯的摩尔分数2
780.023*********
WB x =
=+进料平均相对分子质量0.419678(10.41969
286.13
M =⨯+-⨯=进塔原料的摩尔流量2000
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:CH4+2O2=2H2O+CO2
H2+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。
根据∑Q=∑H得:
△H=Q1+Q2
热量损失按5%考虑,则Q2=0.05△H=0.05×(-8.324×106=-4.162×105 kJ/h
那么,由热载体移出的热量Q1:
Q1 =△H- Q2=-8.324×106-(-4.162×105=-7.908×106 kJ/h
4.有一连续蒸馏塔,分离苯和甲苯混合物为两个纯组分。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。
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 (1
H2SO4:57%x+93%y=100×0.6=60 (2
HNO3:23%x+90%z=100×0.27=27 (3
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:
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。
203.5×0.03%=0.061 kmol/h=0.061×106=6.47 kg/h
反应器出口气体含有苯酐:
203.5×0.65%=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%
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:41.8×20%+39×7%+19.2×10%=13 kg
混合酸含水量:100×13%=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:
则用于氢气燃烧的氧为:19.14-16.24-2.44=0.46mol,故燃料中含氢0.46×2=0.92mol
ห้องสมุดไป่ตู้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。