一、单选题11. 有关K值法的讨论不正确的是______。
A.定义K
i=y
i/x
i B.
,因此适于用状态方程法求解
C.对烃类混合物K值法常作为简捷计算法使用
D.一般说,在一定温度、压力下K
i值与组成无关
A B C D
三、案例分析题1. 将含碳88%(wt)和水12%的液体氧化,并在燃烧装置中经催化燃烧得到烟道气,其组成为CO
213.4%(摩尔分数,下同),O
23.6%,N
283.0%,如下图所示。问:100kg燃料燃烧氧气过量多少?______
- A.14.85%
- B.11.9%
- C.19.5%
- D.10.64%
A B C D
C
[解析] 解:(1)根据元素平衡计算干烟道气量。
对碳进行元素平衡:
输入C的质量=输出C的质量
设有100kmol干烟道气,则含C量为
100×0.134×12=161kg
100kg燃料含C 88kg,
kmol,所以100kg燃料可以产生干烟道气54.66kmol。
(2)用N
2作为联系物,计算出燃烧反应过量的空气的百分数。
取基准为54.66kmol干烟道气。
干烟道气中氧气量为54.66×0.036=1.97kmol。
干烟道气中氮气量为54.66×0.83=45.37kmol。
1.00kmol空气中有0.79kmol氮,54.66kmol烟道气中空气的摩尔数为
,其中含氧量为57.4×0.21=12.05kmol。
氧气过量12.05-1.97=10.08kmol,氧气过量百分数为
3. 用一连续常压操作精馏塔分离苯和甲苯的混合物。混合物中含苯0.4(摩尔分数)。经分离后,塔顶馏出液含苯0.95(摩尔分数),塔釜含苯0.05(摩尔分数),进料为气液混合物,其中气液量各为0.5。
已知苯的相对分子质量为78,甲苯的相对分子质量为92。
精馏塔进料量为F=8640kg/h。则塔顶产品量是多少?______
- A.45kmol/h
- B.3.8×102kmol/h
- C.3.89×103kmol/h
- D.38.89kmol/h
A B C D
D
[解析] 解:取1小时的进料量为基准。
(1)首先计算进料的摩尔数,为此先计算苯和甲苯的平均分子质量。
平均分子质量
进料的摩尔数为
(2)计算塔顶产品量,根据题意进行物料衡算。
F=D+W
对苯进行衡算,设苯在原料中含量为x
F,在塔顶为x
D,在塔釜为x
W,则有
Fx
F=Dx
D+Wx
W 将两个公式联立求解,得塔顶流量
D=38.89kmol/h
4. 以生产1t氨计算,含隋性气体0.2%(wt,下同)的新鲜气消耗量为2800m
3,循环气中惰性气体含量不超过3%,氨的冷凝温度为20℃,氨冷凝的总压力为30.0MPa,则排放气体量为多少?______
常压、不同温度下的溶解度系数如下:
温度/℃ | -10 | 0 | 10 | 20 | 25 | 30 |
溶解度系数/(溶解气体m3/t液氨) | 0.15 | 0.19 | 0.22 | 0.256 | 0.311 | 0.357 |
- A.76m3
- B.186.6m3
- C.110m3
- D.116.6m3
A B C D
C
[解析] 解:新鲜气中惰性气体量为2800×0.002=5.6m
3。
根据题意,20℃下,氨液溶解气体0.256m
3/t氨(常压下)。
30.0MPa、20℃下惰性气体含量为
1t氨排放气体量(体积)为
5. 某矿石焙烧炉送出的气体被冷却到20℃后送入填料吸收塔,用水吸收其中的二氧化硫。操作压力为常压,炉气体积流量为1500m
3/h,SO
2的含量为8.5%(摩尔分数),其余为惰性气体(可近似视为空气),吸收剂为不含SO
2的水,流量为2000kmol/h,若要求SO
2的回收率为90%,则塔底排出液的含量为______。
- A.0.0239 kmol SO2/kmol H2O
- B.0.00239 kmol SO2/kmol H2O
- C.0.0053 kmol SO2/kmol H2O
- D.0.000239 kmol SO2/kmol H2O
A B C D
B
[解析] 解:
惰性气
惰性气
X
2=0
L=2000kmol/h
G(Y
1-Y
2)=L(X
1-X
2)
57.09(0.0929-0.00929)=2000(X
1-0)
解得X
1=0.00239kmol SO
2/kmol H
2O
6. 一实验装置采用羰基合成工艺生产乙醇,化学反应方程式为:2CO(g)+4H
2(g)→C
2H
5OH(g)+H
2O(g)。已知下列化合物的生成热及燃烧热:
试问:0.1013MPa、25℃时,乙醇合成反应的化学反应热与下列哪个数据接近?
- A.-256.05kJ·mol-1
- B.-124.02kJ·mol-1
- C.-1429.94kJ·mol-1
- D.-297.65kJ·mol-1
A B C D
A
[解析] 解:乙醇完全燃烧时的反应热就是乙醇的燃烧热,即
该反应热为-1409.2kJ/mol
求乙醇生成热
计算制备乙醇的反应热
7. 乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应:
C
2H
4(g)+0.5O
2(g)→C
2H
4O(g)
C
2H
4(g)+3O
2(g)→CO
2(g)+2H
2O(g);
温度维持在250℃,在此温度下两个反应的反应热分别为105395kJ/kmol乙烯,1321726kJ/kmol乙烯。乙烯的单程转化率为35%,反应的选择性为72%,反应器进口混合气温度为210℃,流量为50000m
3(STP)/h,组成如下:
组分 | C2H4 | N2 | O2 | 合计 |
mol% | 3.5 | 82.0 | 14.5 | 100 |
气体的定压摩尔热容数据如下:
组分 | C2H4 | O2 | CO2 | H2O(g) | C2H4O | N2 |
Cp/kJ/(kmol·K)210℃ | 64.43 | 31.38 | | | | 30.04 |
Cp/kJ/(kmol·K)250℃ | 66.94 | 31.67 | 45.56 | 35.35 | 103.8 | 30.17 |
热损失按反应放出热量的5%考虑,则热载体移出的热量近似值为______。
- A.8.18×107kJ/h
- B.9.0×106kJ/h
- C.9.0×107kJ/h
- D.9.0×105kJ/h
A B C D
B
[解析] 解:以每小时的流量为计算基准,以0℃为基准温度。
(1)物料计算
乙烯转化量为
;
乙烯转化为环氧乙烷的量为:27.34×0.72=19.69kmol;
乙烯转化为副产物的量为:27.34-19.69=7.65kmol;
主、副反应消耗氧气量为:19.69×0.5+7.65×3=32.8kmol。
出口气体量:乙烯50.785kmol 2.29%(摩尔分数)
环氧乙烷19.69kmol 0.89%
二氧化碳15.3kmol 0.69%
水15.3kmol 0.69%
氧290.86kmol 13.1%
氮1830.36kmol 82.36%
(2)热量计算
根据混合气体比热容计算公式分别计算进、出口混合气体的比热容。
进入混合气体比热容为:31.44kJ/(kmol·K)
出口混合气体比热容为:31.18kJ/(kmol·K)
反应热主反应热为:19.69×105395=2.075×10
6kJ
副反应热为:7.65×1321726=10.11×10
6kJ
热损失为:(2.075+10.11)×10
6×0.05=6.09×10
5kJ
物料带入热量为:
物料带出热量为:2222.25×31.18×(250-0)=17.32×10
6kJ
根据热量平衡方程式求得系统需移出热量为:
Q
2=Q
4+Q
6-Q
1-Q
3=-8.996×10
6kJ
系统需移出热量近似值是9.00×10
6kJ/h。
8. 一蒸发器每小时将2500kg水溶液从含某物料5%(wt)蒸发浓缩至30%,已知:
①在操作条件下,水溶液在蒸发器中的沸点为78℃,水的汽化热为2319.5kJ/kg,焓为2633.5kJ/kg;
②原料水溶液温度为20℃,比热容为4kJ/(kg·K);
③浓缩液比热容为4.19kJ/(kg·K);
④加热蒸汽压力为200kPa,冷凝水于加热蒸汽的饱和温度下排出;
⑤每小时热损失为3.6×10
4kJ,忽略溶液的稀释热,浓缩溶液在蒸发操作排出;
⑥水蒸气于75℃时离开蒸发器。
则每小时蒸发器需要的加热蒸汽量近似值为______。
(已知200kPa的蒸汽焓为2709.2kJ/kg,220℃的冷凝水焓为493.71kJ/kg)
- A.2447.3kg/h
- B.2014.6kg/h
- C.2464kg/h
- D.2355kg/h
A B C D
C
[解析] 解:设F为每小时水溶液的进料量,kg/h;W为每小时得到的浓缩液量,kg/h;P为每小时蒸出的水汽量,kg/h;x为溶解物在溶液中的质量分数。
列总物料平衡方程:
F=W+P
对溶质进行衡算:
FX
F=WX
W+PX
P 将已知数带入上式得:
2500=W+P
0.05×2500=0.3W
解得W=416.7kg/h,P=2083.3kg/h。
能量计算取0℃为基准温度。
Q
1+Q
2=Q
4+Q
6 Q
1=2500×4×(20-0)=2.0×10
5kJ
Q
4=2083.3×2633.5+416.7×4.19×(78-0)=56.23×10
5kJ
Q
6=3.6×10
4kJ
Q
2=56.23×10
5+3.6×10
4-2.0×10
5=54.59×10
5kJ
加热蒸汽用量
10. 蒸馏塔分离6000kg/h含40%(wt)苯(C
6H
6)、60%氯苯(C
6H
5Cl)的25℃溶液。塔顶的液体产物含99.5%的苯,从再沸器排出的塔底料含1%的苯,如图所示。
回流比(返回塔顶的液流与取出的塔顶液体产物之比)为6:1。
假设冷凝器在1个大气压下操作,冷凝器的进水温度为33℃,出水温度为45℃,冷凝温度为80.2℃。在该温度下苯的汽化热为30.76kJ/mol,氯苯的汽化热为36.55kJ/mol,苯的分子量为78.1,氯苯的分子量为112.6,取水的定压比热容c
p=4.187kJ/(kg·K)。若忽略由蒸馏塔进冷凝器的气体冷却到80.2℃的显热,则冷却水的消耗量为______。
- A.18.6t/h
- B.130t/h
- C.10.2t/h
- D.1.5t/h
A B C D
B
[解析] 解:以进塔的苯和氯苯混合物每小时6000kg为基准。
(1)求P、R、V
总物料平衡:
F=P+B
6000=P+B
苯平衡:
FX
F=PX
P+BX
B 6000×0.4=P×0.995+B×0.01
2400=0.995P+0.01×(6000-P)
P=2376kg/h
B=3624kg/h
R=6×P=14256kg/h
V
t=R+P=16632kg/h
(2)求冷却水用量
苯的汽化热
氯苯的汽化热
假设产物在冷凝温度80.2℃下离开,
V
t×ΔH=W×C
p×(T
2-T
1)×1000
16632×(393.85×0.995+324.6×0.005)=W×4.187×(318-306)×1000
W=130t/h
11. 甲苯用混合酸(H
2SO
456%、HNO
37%、H
2O17%)硝化,反应在三个搅拌釜式反应器中连续进行,每小时生产纯度为99%的一硝基甲苯500kg,一硝基甲苯的收率为95%,甲苯的纯度为98%,其余为水,甲苯与硝的比为1:1,甲苯、混合酸和第一个硝化釜出料混合液的比热容分别为1.74kJ/(kg·K)、1.98kJ/(kg·K)、2.13kJ/(kg·K)。硝化反应温度为40℃,进料温度为25℃。一硝化反应热为155.78kJ/mol甲苯。甲苯在第一个硝化釜中转化为一硝基甲苯的量为甲苯量的80%。(忽略副反应的反应热及其他热量)第一个硝化釜移出的热量为______。
- A.3.66×105kJ
- B.4.32×104kJ
- C.4.32×105kJ
- D.4.34×105kJ
A B C D
D
[解析] 解:以每小时生产的一硝基甲苯量为基准。
(1)物料计算
甲苯量:
工业甲苯量:
硝酸用量:
混酸用量:
甲苯转化量:349.9×0.8=279.9kg
余甲苯量:70kg
消耗硝酸量:
余硝酸量:47.9kg
生成一硝基甲苯量:
生成水量:
总水量:205.6kg
出料总量:70+416.8+47.9+205.6+496.94=1237.24kg
(2)热量计算,取0℃为基准温度。
热量平衡方程:
Q
1+Q
2+Q
3=Q
4 因基准温度为进料温度,所以Q
1=0,则Q
2=Q
4-Q
3。
反应的热效应
故第一个硝化釜需要移出热量4.34×10
5kJ。
13. 硝酸钾溶液的结晶过程为:进料溶液10t/h,硝酸钾含量为20%(wt),蒸发器出料的硝酸钾含量为50%,进入结晶器,湿结晶含水4%,分离结晶后的饱和溶液(含0.6 kg KNO
3/kg H
2O)与进料混合后返回蒸发器。则结晶产量W和循环溶液量R为______t/h。
- A.W=3.0,R=7
- B.W=2.08,R=7.7
- C.W=2.08,R=5.6
- D.W=3.0,R=7.6
A B C D
B
[解析] 解:以每小时进料10t为计算基准。
(1)计算结晶产量W
设进料量为F,进入结晶器的物料为M。
对硝酸钾进行衡算:
10×0.2=0.96W
W=2.08t
(2)计算循环溶液量R
先将循环溶液中硝酸钾的含量换算成百分数,即
将结晶器作为一个系统,对结晶器进行衡算:
M=R+W
对硝酸钾进行衡算:
0.5M=0.375R+0.96W
联立求解,得R=7.7t。
14. 在固定床绝热反应器中进行一氧化碳、水蒸气转化制H
2的反应,反应器入口气体的组成和流量如下:
组分 | H2 | CO | CO2 | 02 | N2 | CH4 | H2O | 合计 |
kmol/h | 47.25 | 28.5 | 19.0 | 0.5 | 24.79 | 1.422 | 122.2 | 243.662 |
反应中CO的转化率为72.50%,CO转化反应在490℃下的反应热为
kJ/kmol CO,原料气中的O
2全部与H
2化合生成水,O
2与H
2化合生成水的反应在490℃下的反应热为
,反应气体入口温度为380℃,出口温度为490℃,CO转化反应方程式为
,O
2和H
2化合生成水的反应方程式为2H
2+O
2H
2O。则固定床绝热反应器器壁向外散失的热量近似为______。
- A.4.09×104kJ/h
- B.5.14×104kJ/h
- C.5.021×105kJ/h
- D.-5.021×104kJ/h
A B C D
B
[解析] 解:反应器入口气体在380-490℃的平均热容为35.84kJ/(kmol·K)。
由于已知490℃(反应器出口气体温度)的反应热,所以假设如下热力学途径计算过程的总焓变ΔH比较方便:
ΔH
1=243.663×35.84×(490-380)=9.606×10
5kJ/h
ΔH
2=28.5×0.725×(-37258.5)+0.5×(-4.837×10
5)=-1.012×10
6kJ/h
ΔH=ΔH
1+ΔH
2=9.606×10
5-1.012×10
6=-5.14×10
4kJ/h
总焓变为负值,说明反应器向外界放出热量。
又ΔH=Q
1+Q
2,因是绝热反应器,故有Q
1=0,Q
2=ΔH=-5.14×10
4kJ/h。
所以,当反应器器壁向环境的散热量为5.14×10
4kJ/h的情况下,反应器出口气体温度为490℃。
15. 乙醇脱氢生成乙醛的反应为:
C
2H
5OH→CH
3CHO+H
2 流程如图所示,新鲜原料N
1为乙醇,粗产物N
3为乙醇、乙醛和氢,分离设备将乙醇从粗产物中分离出来:(各物流的量均以摩尔计)
假设乙醇全部循环,其单程转化率为40%,各物流的量和循环比应是下列表格中______组数值。
| 物 流 | 循环比 |
N1 | N2 | N3 | N4 | N5 |
A | 1 | 2.5 | 3.5 | 1.5 | 2 | 0.75 |
B | 1 | 2.5 | 3.5 | 1.5 | 1 | 1.5 |
C | 1 | 2.5 | 3.5 | 1.5 | 2 | 0.43 |
D | 1 | 2.5 | 3.5 | 1.5 | 2 | 1.5 |
A B C D
A
[解析] 解:根据题意,产品中不含乙醇,乙醇的总转化率为100%。
设各组分在各物流中的摩尔分数为X
ij其中i为物流代号,i=1、2、3、4、5,分别对应于N
1、N
2、N
3、N
4、N
5;j为组分编号,j=1、2、3,分别对应于乙醇、乙醛、氢。
取新鲜进料N
1=1mol/h为基准,则:
(1)对混合器进行物料衡算
乙醇平衡式N
1+N
4=N
2 (1)
N
4=N
2-1
(2)对反应器进行物料衡算
乙醇平衡式N
2=N
3X
31+0.4N
2 (2)
乙醛平衡式0=N
3X
32-0.4N
2 (3)
氢平衡式0=N
3X
33-0.4N
2 (4)
浓度限制关系式X
31+X
32+X
33=1 (5)
(3)对分离器进行物料衡算
乙醇平衡式N
3X
31=N
4 (6)
乙醛平衡式N
3X
32=N
5X
52 (7)
氢平衡式N
3X
33=N
5X
53 (8)
将式(1)和(6)代入式(2)可得N
2=2.5 (9)
N
4=1.5 (10)
将式(2)、式(3)、式(4)相加并将式(5)和式(9)代入得
N
2=N
3=0.4N
2 N
3=3.5
由反应方程式可知:N
1=1时,N
5=2
循环比
16. 采用100℃的气体HCl和25℃的水生产25℃、含HCl25%(wt)的HCl水溶液。已知100℃HCl(q)、25℃液体水和25℃25%的HCl水溶液的比热容(kJ·kg
-1·K
-1)分别为0.815、4.184和2.863。25℃的HCl溶液的溶解热为65.23kJ·mol
-1。求每天生产25%的HCl溶液28800kg产生的热效应是______。
- A.5.362×105kJ/h
- B.-1.37×107kJ/h
- C.-5.689×105kJ/h
- D.-7.23×10-7kJ/h
A B C D
B
[解析] 解:以每小时配制的25%HCl溶液为基准,0℃为基温。
(1)物料计算
每小时需要生产的25%HCl溶液量
每小时需要HCl量1200×0.25=300kg,8.22kmol
每小时需要H2O量1200×0.75=900kg,50kmol
(2)热量计算
设原料带入的热量为Q
1,产物带出的热量为Q
4,过程的物理变化热为Q
3,移出或加入系统的热量为Q
2 Q
1+Q
2+Q
3=Q
4 Q
1=300×(100-0)×0.815+900×4.184×(25-0)=1.1859×10
5kJ
Q
4=1200×2.863×(25-0)=0.8589×10
5kJ
Q
3=8.22×1000×65.23=5.3619×10
5kJ
Q
2=Q
4-Q
3-Q
1=-5.689×10
5kJ/h
需移出热量5.689×10
5kJ/h。
19. 已知反应A+B→C在298.15K下的标准反应热
,若要求500 K下的
,还需要______。
A.物质A、B、C的pVT关系
B.物质A、B、C的C
p—T关联式的系数
C.物质A、B、C的
(饱和蒸气压)—T关联式的系数
D.物质A、B、C的临界性质
A B C D
24. 有一丙烷、丁烷、异丁烷的混合物,摩尔组成(z
i)分别为0.30、0.40、0.30,在闪蒸器内(30℃、1MPa)分为汽液两相。计算过程中不正确的是______。
A.可用基本计算式,式中K
i=y
i/x
i,e是汽化分率
B.对本题可视K
i只取决于T、p
C.以上计算不需要迭代
D.K
i可从De-Priester图中查得
A B C D
25. 烷烃高温裂解制乙烯存在下列反应:
C
4H
10→2C
2H
4+H
2 C
6H
14→3C
2H
4+H
2 下列论述中错误的是______。
- A.这是一个强吸热反应,适于高温反应,广泛使用管式炉反应器
- B.这是一个体积增大的反应,不宜加压
- C.加入水蒸气与化学平衡组成无关
- D.加入高温水蒸气有维持高温的作用,也有减压的作用
A B C D