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)9286.13M =⨯+-⨯= 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

0.8752DB x =

==

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%H 2O 。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。

原料液F2 kg

10%NaOH 10%NaCl 80%H 2O

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=0.5F4 NaCl 平衡 1000×0.1=0.02F4+F3 H 2O 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： 38222534C H O CO H O +→+

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

29.760.21mol ⨯= 其中 226.25,23.51O mol N mol 烟道气中各组分的量：

38C H 0 mol 2N 23.51 mol

2CO 313mol ⨯= 2O 6.255 1.25mol -=

CO 2 O 2 N 2

合成气 CH 4 H 2

CO CO 2 O 2 N 2

2H O

414mol ⨯=

因此，以1mol 入口丙烷为基准的物料衡算结果如下

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

10029.76

93.731.76mol

⨯=

习题4 合成气组成为0.4%CH 4，52.8%H 2，38.3%CO ，5.5%CO 2,0.1%O 2，和2.9%N 2（体积百分数）。若用10%过量空气燃烧，设燃烧气中不含CO 2，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 N

2

=1943mol；

C平衡：4+383+55=F CO

2

=442mol；O2平衡：0.5×383+55+1+508.8

=F CO

2+0.5F H

2O

+F O

2

=442+0.5×536+ F O

2

F O

2

=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：CH4 97.8.C2H6 0.5,C3H8 0.2，C4H10 0.1，

N 2 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：

CH 4+H 2O ⇔CO+3H 2 （1） CH 4+CO 2⇔2CO+2H 2 （2） CO+H 2O ⇔CO 2+H 2 （3） 在已转化的气体中，CO 对CO 2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100m 3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m 3计）分别为2CO V 、CO V 、2H V ，与烃类反应掉的水蒸气以2H O V 表示。

在已转化的气体中，未起反应的那部分烃类的体积（以CH 4来计算）为： （97.8+0.5×2+0.2×3+0.1×4）（100-67）/100=32.9m 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=2CO V +CO V +32.9