化工计算复习题

1、计算题（共15分）氨氧化反应器的能量衡算。 氨氧化反应式为：4NH3（气） 5O2（气） 4NO（气） 6H2O（气） 此反应在 25、101.3kPa下的反应热为HOr904.6kJ。现有25的 60 mol NH3h和120 mol O2/h连续进人反应器，氨在反应器内全部反应，产物呈200气态离开反应器，操作压力为101.3kPa。设氧气200时等压热容为 30.5J(mol)，水200时等压热容为 34.5J(mol)，Cp(NO)29.50+0.818810-2T-0.292510-5T2+0.365210-9T3 J(mol)。（1）画出物料流程图，并在图中标明各组分的摩尔流量；（

2、5分）（2）计算反应器应该输入或输出的热量，并写出计算过程。（10分）解：以题给的进料量为计算基准。（1）物料流程图及各组分的摩尔流量如下图 （2）在 25、101.3kPa下进口物料焓为零，计算出口物料的焓：H（NO）=n20025 CpdT=6020025（29.50+0.818810-2T-0.292510-5T2+0.365210-9T3）dT =60（6056.1-740.0）=.4=319.0(kJ/h) H（H2O）=nCp(200-25)=9034.5175=543.4(kJ/h) H（O2）=nCp(200-25)=4530.5175=240.2(kJ/h) 已知氨的消耗量为

3、60 mol/h,有： nARH0r/A=60(-904.6)/4=-13569(kJ/h) 所以:H=H0r+输出niHi-输入niHi=-13569+(319.0+543.4+240.2)-0= -12467(kJ/h) 答：为了维持产物温度为200,应每小时从反应器移走12467kJ的热量. 2. 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CO转化，在反应器2中完全脱除。原料气是由发生炉煤气（78%N2，20%CO，2%CO2）和水煤气（50%H2，50%CO）混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸气发生反应：COH2OCO2H2最后得到物流中H2与N2

4、之比为3：1，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60%，试计算中间物流F4的组成。N2 78%, CO 20%CO2 2%, F1H2 50%, CO 50%F2F3 H2OF5N2, H2O H2, CO2F4N2, H2O, H2,CO, CO2 氨原料气中CO脱除流程示意图解：以物料F1为100mol/h为计算基准；正反应的反应速率为r。（1）过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为： N2平衡： 0.78100 78 mol/h CO平衡： 0 0.2100 0.5F2r H2O平衡： F3r CO2平衡： 0.02100 r H2平衡： 0

5、.5F2 r 已知H2与N2之比为3：1 3 3 78 234 mol/h 原料气（干基）与水蒸气之比1：2 F3 2（F1F2 ） 将H2和CO平衡式相加，消去r，得： F2 234 -20 214 mol/h 将F2值代入CO平衡式中，得： r 20 107 127 mol/h F3 2 （100） 628 mol/h 最后，由CO2和H2O平衡式得： 0.02 100127 129 mol/h 628-127 501 mol/h （2）计算反应器1的反应速率，然后计算物流4的组成，由反应速率的定义式得： r1 （Fi, 输出-Fi, 输入）/i-Fi, 输入ci /i 式中i为化学反应式

6、中各物质的化学计量数，对反应物i取负值，对生成物i取负值；ci为i物质的转化率。已知反应器1中CO转化率为0.60，由此得反应器1的反应速率： r1 -FCO, 输入 cCO /CO-0.6（0.21000.5214）/（-1） 76.2 mol/h已知r1后，物流4中每一物质的流率可以用物料衡算求得，即：N2平衡 0.78100 78 mol/hCO平衡 127 - r1 50.8 mol/hH2O平衡 628 - r1 551.8 mol/hCO2平衡 2 r1 78.2 mol/hH2平衡 107 r1 183.2 mol/h 3. 用空气氧化邻二甲苯生产苯酐。原料流量为205 kg/h

7、邻二甲苯和4500 m3/h空气（标准状况，其中氮气所占体积百分含量为79.2%）。从反应的计量关系可知，生成1 mol的苯酐需要反应掉1 mol的邻二甲苯。经化验得到反应器出口气体的组成如下表。已知邻二甲苯的分子量为106，苯酐的相对分子质量为148。出口气体组成组分苯酐顺酐邻二甲苯O2N2其它合计组成/%（mol）0.650.040.0316.58784.70100试计算：（1）邻二甲苯的转化率、苯酐的收率、反应的选择性； （2）苯酐的年产量（按330天计算）。解：由题可知，进入反应的氮气是惰性气体，不参加反应。故进口和出口中氮气含量不变（假定无损失）。本题选氮气作为联系物。进入反应器的空

8、气中含有氮气，其摩尔流量为4500/22.40.792=159.1kmol/h 设反应器出口气体的总流量为x kmol/h，则有0.78x=159.1 得x=204 kmol/h 因此，反应器出口气体中含有邻二甲苯摩尔流量为2040.03%=0.0612 kmol/h 转化为质量为：0.0612106 kg/h=6.49 kg/h 反应器出口中含有苯酐：2040.65%=1.326 kmol/h 所以 （1）邻二甲苯转化率X=（205-6.49）/205100%=96.8% 苯酐收率 Y=1.326/(205/106)*100%=0.686100%=68.6% 反应选择性 S=Y/X=0.68

9、6/0.968=0.71 （2）苯酐的年产量 苯酐产量=每小时生成摩尔数24小时年工作天数苯酐相对分子质量 =1.32624330148 =1.554106 kg/a =1554 t/a 4. 25的干空气以2500 m3/h（标准状况）的流量通过一个填料常压热水塔。从塔顶喷淋91热水，喷淋量为33500 kg/h，塔顶出口气体温度为84，其中含有大量水蒸气，饱和度为90%，热损失为 kJ/h。试求塔底热水出口温度。已知84时水的饱和蒸汽的蒸汽压为55.7 kPa，干空气平均热容为1.004 kJ/kg，平均相对分子质量为28.8；84水的汽化热为2297 kJ/kg，液态水的热容为4.184

10、 kJ/kg。解： 选择计算基准为0。根据分压定律，塔顶气体中水蒸气的摩尔分数：0.955.57/101.3=0.4937 设塔顶蒸汽量为x m3/h（标准状况），则有 x/(x+2500)=0.4937 解得 x=0.4937(x+2500)=2437 m3/h 蒸汽量 x=2437/22.418=1958 kg/h 塔底热水量 x=33500-1958=31542 kg/h第二步进行热量平衡计算，用H1、H2、H3、H4 分别表示进塔干空气、出塔气、进塔热水、出塔热水与基准的焓差。已知干空气平均热容为1.004 kJ/kg，平均相对分子质量为28.8；84水的汽化热为2297 kJ/kg，液态水的热容为4.184 kJ/kg，则 H1=2500/22.428.81.004(25-0) = 8.068104 kJ/h H2=2500/22.428.81.00484+19584.18484+19582297=.98+.3+.3=.2kJ/h = 5.459106 kJ/h H3 = 335004.18491