化工设计计算题总结.docx
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化工设计计算题总结
1.某厂用空气氧化邻二甲苯（106生产苯酐（148。
原料流量为205kg/h邻二甲苯,4500m3/h空气。
从反应的计量关系可知,生成1mol的苯酐需反应掉1mol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。
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:
（4500/22.4×0.79=158.7kmol/h
设反应器出口气体的总流量为xkmol/h,则有:
0.78x=158.7x=203.5kmol/h
因此,反应器出口气体含有邻二甲苯:
203.5×0.03%=0.061kmol/h=0.061×106=6.47kg/h
反应器出口气体含有苯酐:
203.5×0.65%=1.323kmol/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%
苯酐的年产量=1.323×24×330×148
=1.550×106kg/h
=1550t/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xkg
浓硫酸量为ykg
浓硝酸量为zkg
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100kg。
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
解由式（1、（2和（3联立的方程组得:
x=41.8kg废酸
y=39kg浓硫酸
z=19.2kg浓硝酸
第四步:
核算——水平衡
加入水量:
41.8×20%+39×7%+19.2×10%=13kg
混合酸含水量:
100×13%=13kg
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:
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=105395kJ/kmol乙烯
副反应:
-△H5230=1321726kJ/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45000m3/h（STP。
其组成如下:
组分C2H4N2O2
合计
%（mol3.582.014.5100
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Cp:
Cp=0.035×64.43+0.82×30.04+0.145×31.38=31.44kJ/（kmol·K
250℃下反应器入口混合气体的比热容Cp:
Cp=0.035×66.94+0.82×30.17+0.145×31.67=31.67kJ/（kmol·K
所以,反应器入口混合气体在210~250℃的平均比热容Cp平:
Cp平=（31.44+31.67/2=31.56kJ/（kmol·K
△H1=（45000/22.4×31.56×（250-210=2.536×106kJ/h
△H2=（45000/22.4×0.035×0.32×0.69×（-105395
+（45000/22.4×0.035×0.32×（1-0.69×（-1321726=-1.086×107kJ/h△H=△H1+△H2=2.536×106-1.086×107kJ/h=-8.324×106kJ/h
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=-4.162×105kJ/h
那么,由热载体移出的热量Q1:
Q1=△H-Q2=-8.324×106-（-4.162×105=-7.908×106kJ/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1000kmo1,塔顶苯的物质的量流率为450kmol/h塔底甲苯的物质的量流率为475kmol/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。
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:
500kmol苯/h=450kmol苯/h+q2
q2=50kmol苯/h
对于组分甲苯为:
500kmol甲苯/h=q1+475krnol甲苯/h
q1=25km
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1000mol/h原料所得个流股的量及进塔II物料的组分。
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
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:
HNO332%,H2SO456%,H2O12%。
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:
H2SO493%,HNO396%及H2O,年工作日300天,假设转化率为100%,间歇生产。
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
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
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。
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=8.6kmol/h
残液量W=11.4kmol/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,
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。
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.
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
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。
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
FBx=
=+釜残液中苯的摩尔分数2
780.023*********
WBx=
=+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
232.2/86.13
Fkmolh=
=依题意,馏出液中能回收原料中97%的苯,所以97.430.9794.51/DBDxkmolh=⨯=作全塔苯的质量衡算得FBDBWBFxDxWx=+作全塔总质量衡算得FWD=+将已知数据代人上述质量衡算方程得
232.20.419694.510.02351⨯=+232.2WD=+解得124.2/,108/WkmolhDkmolh==所以,94.5194.51
0.8752108
DBxD=
==组分
塔进料
塔顶馏出物
釜残液
kg/h
%（wtkmol/h%（molkg/h%（wtkmol/h%（molkg/h%（wtkmol/h%（mol苯
7600
3897.4341.967372.685.6094.5287.52227.82.02.922.35甲苯1240
62134.858.041240.214.40
13.4812.4811159.498.0121.397.65合计2000
100
232.2
100
8612.8
100108
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:
38222534CHOCOHO+→+
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226.25,23.51OmolNmol烟道气中各组分的量:
38CH0mol2N23.51mol
2CO313mol⨯=2O6.2551.25mol-=2HO414
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
38CH1
38CH0
2O6.252O1.252N23.512N23.512CO02CO32HO
02HO
4合计
30.78
合计
31.76
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
93.731.76
mol⨯=
习题3天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气的示意流程图
转化炉内进行烃类蒸汽转化反应,以甲烷为例,烃类蒸汽转化的反应方程式为
422CH+HOCO+3H垐噲
天然气经一段转化炉转化后继续进入二段转化炉反应,在一段转化炉出口添加空气以配合合成氨原料气中所需的氮气,同时,一段转化气中的一部分氢气遇2O燃烧供给系统热量。
二段转化后再经一氧化碳变换工序使混合气中的CO大部分转化为2CO和2H,CO转化为2
CO和2H的方程式为222CO+HOCO+3H垐噲,变换后的气体进入脱除2CO工序脱除2CO,再
经甲烷化工序除去残存的微量CO和2CO后作为合成氨合格原料气。
已知某厂天然气的组成为:
组分
CH4
C2H6
C3H8
C4H10（正
C4H10（异
C5H12（正
C5H12（异
N2
CO2
合计
%（mol
83.20
10.00
5.16
0.69
0.50
0.06
0.05
0.33
0.01
100
要求合成氨原料气的组成为:
组分
H2N2ArCH4合计%（mol
73.97
24.64
0.31
1.08100
计算天然气的用量和空气的用量。
解:
以100kmol合成氨原料气为计算基准。
设天然气用量为xkmol,添加空气量为ykmol。
（1作系统N2平衡
因为在天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气过程中,N2没有参加反应,它的数量在反应器的进口、出口物料中没有变化,作系统N2平衡得
0.0033x+0.79y=24.64（A（2作系统氢平衡
甲烷转化制H2的计量关系推导如下:
甲烷蒸汽转化反应过程422CH+HOCO+3H垐噲CO变换反应过程222CO+HOCO+3H垐噲
天然气xkmol
蒸汽
一段
转化炉
空气ykmol
二段转化炉
CO变换
CO2脱除
CO2
甲烷化
合成氨原料气
总过程4222CH+2HOCO+4H垐噲
用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制2H的计量关系通式为
n2n+2222CH+2nHO=nCO+（3n+1H
因此,100kmol天然气可提供的理论H2为
组分
烃量/kmol
可提供的理论烃量/kmolCH4
83.204⨯83.20=332.80C2H610.007⨯10.00=70C3H85.1610⨯5.16=51.60C4H10（正0.6913⨯0.69=8.97C4H10（异0.5013⨯0.50=6.50C5H12（正0.0616⨯0.06=0.96C5H12（异0.0516⨯0.05=0.80N20.330CO20.010
合计
100
471.63
因此,xkmol天然气进料可提供的理论H2为
x471.63
kmol100
氢气燃烧的反应过程2222H+O=2HO燃烧消耗的H2为
y⨯20.21kmol作系统H2平衡得
20.2173.9741.08xy-⨯=+⨯471.63
100
（B
式中（41.08⨯是合成氨原料气的CH4折合为H2物质的量（mol
（A式合（B式联解得到
x=18.92kmoly=31.11kmol
因此,制造100kmol的合成氨原料气需加入天然气18.92kmol,一段转化炉出口需添加31.11kmol的空气。
习题4乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下:
242241
（（（2
CHgOgCHOg+−−→
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/fHkJmo
l∆=乙烯环氧乙烷（g的标准生成热为0
298,,51/fHkJmol∆=环氧乙烷-
因此,0.1013Mpa,25℃下的反应热计算如下:
000298,298,298,（（rififHnHnH∆=∆∆∑∑反应物产物-
1
151152.280103.3/
2
kJmol⨯⨯⨯=
（--+=-习题5乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应:
主反应242241
（（（2
CHgOgCHOg+
−−→副反应24222（3（2（2（CHgOgCOgHOg+−−→+反应温度基本维持在250℃,该温度下主、副反应的反应的反应热分别为
523105395/HkJkmol-∆=乙烯0523*******/HkJkmol-∆=乙烯
乙烯的单程转化率为32%,反应的选择性为69%,反应器进口混合气的温度为210℃,流量450003（/mSTPh,其组成如下:
组分24CH
2N
2O
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:
查得有关气体的热容数据如下:
组分
24CH
2O
2CO
水蒸气24CHO
2N
/[/（]pCkJkmolK⋅
210℃64.4331.3830.04250℃
66.94
31.67
45.56
35.35
103.8
30.17
假设如下热力学途径:
210℃下反应器入口混合气体热容
0.03564.430.8230.040.14531.3831.44/（pCkJkmolK=⨯+⨯+⨯=⋅
250℃下反应器入口混合气体热容
0.03564.940.8230.170.14531.6731.67/（pCkJkmolK=⨯+⨯+⨯=⋅
因此,反应器入口混合气体在210℃~250℃的平均热容为,1
（31.4431.6731.56/（2
pmCkJkmolK=+⨯
=⋅
DH1=45000´31.56（250-210=2.536´104kJ/h22.44500045000DH2=´0.035´0.32´0.69´（-105395+´0.035´0.32´（1-0.69（-132172622.422.4=1.086´107kJ/hDH=DH1+DH2=2.536´106-1.086´107=-8.324´106kJ/hDH=DH-Q2=-8.324´106-（-4.162´105=-4.162´105kJ/h由热载体移走的热量为Q1=DH-Q2=-8.324´106-（-4.162´105=7.908´106kJ/h
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