化工设计习题及解答第三章

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。

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(10.4196)9286.13

M =⨯+-⨯= 进塔原料的摩尔流量

2000

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

0.8752

DB

x =

==

2

2

2

合成气CH

4

H2

CO

CO2

O2

N2

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 =442+1072/4-495/2=462.5mol

理论空气

462.5/0.21=2202.4mol

实际空气

1.1×220

2.4=2202.4mol

N2 0.79×2422.6=1914mol

O2 0.21×2422.6=508.8mol

对各物质进行衡算

N2平衡：29+1914=F N2=1943mol；

C平衡：4+383+55=F CO2=442mol；

O2平衡：0.5×383+55+1+508.8

=F CO2+0.5F H2O+F O2

=442+0.5×536+ F O2

F O2=46.3mol

燃料气组成

CO2，H2O，O2，N2=(0.149,0.1806,0.0156,0.6548)

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

图3-6 例3-8附图

基准：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 (mC p,m Δt )废气=W(h g -h L ) 其中，W 为所产生蒸气的质量，因此

100×32.5×(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13 乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：

242241

()()()

2C H g O g C H O g +−−→

试计算0.1013MPa 、25℃下的反应热。

解：乙烯（g ）的标准生成热为 0,298,

52.28/f H k J m o l ∆=乙烯

环氧乙烷(g)的标准生成热为

0,298,

51/f H k J m o l ∆=环氧乙烷－

因此，0.1013Mpa ，25℃下的反应热计算如下：

000,298,298,298()()r i f i f H n H n H ∆=∆∆∑∑反应物产物－

1151152.280103.3/2kJ mol

⨯⨯⨯＝（－）－＋＝－

水

蒸

气

℃

废气 450℃