一、知识概念题
1.单选题5. 已知100℃时丙烯的理想气体定压摩尔热容
,丙烯的临界压力p
c=4.62MPa、临界温度T
c=365K,并根据丙烯在100℃和3.04MPa时的对比温度T
r和对比压力p
r查图计算出一个热容值C
p,m=95.38kJ/(kmol·K)。则这个定压摩尔热容是丙烯在______状态下的。
- A.压力为4.62MPa,温度为365K
- B.压力为3.04MPa,温度为100℃
- C.压力为3.04MPa,温度为365K
- D.压力为4.62MPa,温度为100℃
A B C D
B
[解析] 此题已知丙烯的理想状态热容,温度不变,而压力改变为3.04MPa时的热容,要在理想气体的基础上作压力校正,即查到丙烯的临界压力和临界温度,计算对比温度T
r和对比压力p
r:
再根据对比温度T
r、对比压力p
r与
的关系图,查得
。
已知
C
p,m=72.38+23=95.38kJ/(kmol·K)
9. 用一连续常压操作精馏塔分离苯和甲苯的混合物(如下图所示)。混合物中含苯0.4(摩尔分数,下同)。经分离后,塔顶馏出液含苯0.95,塔釜含苯0.05,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。则塔顶产品量与______接近。
- A.38.89kmol/h
- B.39.5kmol/h
- C.3364kmol/h
- D.19.5kmol/h
A B C D
A
[解析] (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
12. 锅炉每分钟进20℃的软水80kg,焓为83.74kJ/kg。每分钟锅炉产生800kPa、焓为2773.3kJ/kg的蒸汽,供给的热量为3.41×10
5kJ/min。则每分钟还应向锅炉提供60℃的软水______。60℃的软水焓为251.21kJ/kg。
- A.30kg/min
- B.60kg/min
- C.50kg/min
- D.80kg/min
A B C D
C
[解析] 解:(1)求80kg 20℃的软水变成800kPa的蒸汽需要的热量Q
1。
Q
1=2.152×10
5kJ/min
(2)求60℃软水的用量。
60℃的软水变成800kPa的蒸汽需要的热量为
Q
2=3.41×10
5-2.152×10
5=1.258×10
5kJ/min
60℃软水的用量为
2.多选题8. 反应N
2+3H
2→2NH
3,已知进反应器的N
2为12mol/h,H
2为40mol/h,输出物料中N
2为8mol/h,则输出物料中H
2和NH
3的摩尔数不正确的有______。
- A.H2 12mol/h,NH3 4mol/h
- B.H2 28mol/h,NH3 4mol/h
- C.H2 36mol/h,NH3 4mol/h
- D.H2 28mol/h,NH3 8mol/h
A B C D
ABC
[解析] 解:进料中N2为12mol/h,出料中为8mol/h,则有4mol/h的N2参与了反应。根据反应方程式,同时有12mol/h的H2参加了反应。出料中余40-12=28mol/h的H2。同时反应过程中生成了4×2=8mol/h的NH3。
二、案例分析题1. 工业上用乙烯水合制乙醇:
反应中的副反应为有一部分产物转变为二乙基醚:
进入反应器的原料组成(摩尔百分数)为:C
2H
4 53.7%,H
2O 36.7%,惰性气体(N
2)混合物。原料气进入反应器及产物离开反应器的温度均为310℃,乙烯的转化率为5%,乙醇的选择性为90%,则反应器所需的加热量或冷却量为______kJ/(kmol进料)。
有关气体的平均定压摩尔热容(25~310℃)数据如下:
- A.1.19×105
- B.1.19×104
- C.2.52×103
- D.1.19×103
A B C D
D
[解析] 解:设进料量为100mol,则
Q(入热)=53.7×56.87×310+36.7×35.75×310+9.6×30.42×310+ Q(加热)
反应消耗乙烯53.7×5%=2.685mol,消耗水2.685mol,生成乙醇2.685mol;
而乙醇有10%进行副反应,消耗乙醇0.2685mol;生成二乙基醚0.13425mol,生成水0.13425mol;
所以反应后乙烯51.015mol,水34.14925mol,乙醇2.4165mol,二乙基醚0.13425mol。
Q(出热)=51.015×56.87×310+34.14925×35.75×310+9.6×30.42×310
+2.4165×86.96×310+0.13425×157.08×310+44.5×1000×2.685
+25.89×1000×0.13425
Q(加热)=Q(出热)-Q(入热)=1.563×106J-1.444×106J=1.19×105J
所以反应器所需的加热量=1.119×102kJ/100mol×1000mol=1.19×103kJ。
2. 某厂生产氯乙酸,年产纯度为96%(wt)的氯乙酸400t。已知氯乙酸的收率为80%,乙酸的转化率为96%,年工作日为330天。每小时需要原料乙酸(100%)的用量及生成二氯乙酸的质量是______。
反应方程式:
- A.95.45kg/h,20.89kg/h
- B.99.42kg/h,21.75kg/h
- C.94.55kg/h,20.89kg/h
- D.95.45kg/h,21.3kg/h
A B C D
A
[解析] 解:(1)每小时需要100%的乙酸的用量为
(2)生成的二氯乙酸量
二氯乙酸的相对分子质量为129。因已知乙酸转化率为96%,氯乙酸的收率为80%,所以氯乙酸的选择性为83.3%,即转化为二氯乙酸的乙酸占16.7%。
乙酸用量为95.45kg/h,转化量为95.45×0.96=91.63kg/h,
转化为二氯乙酸的乙酸量为91.63×0.167=15.30kg/h,
转化为二氯乙酸的乙酸量为
。
3. 用废热锅炉回收高温气体的热量,高温气体走管内,管外导入30℃、压力为1.274MPa的软水,产生1.274MPa的饱和蒸汽,高温气体在废热锅炉内被冷却降温,放出1.49×10
7kJ/h的热量,热损失为气体所放出热的3%。则产生的蒸汽量是______。
已知:30℃、1.274MPa的饱和水的焓H
1=125.484kJ/kg,1.274MPa的蒸汽的焓H
2=2784.7kJ/kg。
- A.5603.15kg/h
- B.5434kg/h
- C.5502.5kg/h
- D.5534kg/h
A B C D
B
[解析] 解:根据题意软水需要取走的热量为1.49×10
7kJ/h,又因为热损失为气体所放出热的3%,所以,软水实际要取走的热量为
Q=1.49×10
7×(1-0.03)=1.445×10
7kJ/h
在间接传热时,软水产生的蒸汽量可以由下式计算:
用软水冷却,冷却水汽化后的蒸汽量即为软水量。
4. 一蒸发器(如图所示)每小时将4000kg水溶液从含某溶质5%(wt,下同)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℃,定压比热容为4kJ/(kg·K);
③浓缩液定压比热容为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的沸点下排出;
⑥水蒸气于75℃时离开蒸发器;
⑦200kPa加热蒸汽的焓为2709.2kJ/kg,冷凝水的焓为493.71kJ/kg。
蒸发器示意图
上述条件下每小时加热蒸汽消耗量接近______kg/h。
- A.3932.26
- B.3392
- C.4240
- D.4730
A B C D
A
[解析] 解:(1)物料计算,以每小时进料F=4000kg为基准。
设:每小时蒸出的水量为W kg/h,每小时得到的浓缩液量为B kg/h,x为溶质在溶液中的质量百分数。
总物料平衡:
F=W+B
对溶质进行衡算:
Fx
F=W×0+Bx
B 将已知数代入:
4000=W+B
4000×0.05=0.3B
联立方程解得B=666.7kg/h,W=3333.3kg/h。
(2)热量计算,取基准温度为0℃。
列热量平衡方程式:
Q
1+Q
2=Q
4+Q
6 Q
1:物料带入热量,kJ/h;
Q
2:加热蒸汽应提供的热量,kJ/h;
Q
4:物料带出的热量,kJ/h;
Q
6:损失的热量。
Q
2=Q
4+Q
6-Q
1 =666.7×4.19×(78-0)+2633.5×3333.3+3.6×10
4-4000×4×(20-0)
=(0.21789+8.778)×10
6+0.036×10
6-0.32×10
6=8.712×10
6kJ/h
蒸汽用量
5. 用甲烷和氢的混合气完全燃烧来加热锅炉。反应方程为
反应后气体组成为
燃料中CH
4与H
2的摩尔比为______。
A B C D
A
[解析] 解:以100mol烟道气为计算基准。则烟道气中含有N
2 72.19mol、CO
2 8.12mol、O
2 2.44mol、H
2O 17.25mol。进入燃烧室的空气的含O
2量可用N
2作联系物求出:
烟道气中所含的8.12mol CO
2由CH
4燃烧而来。由反应方程可知消耗甲烷8.12mol,甲烷燃烧消耗的O
2量为
8.12×2=16.24mol
氢燃烧所消耗的O
2量为
19.19-16.24-2.44=0.51mol
由H
2燃烧的反应方程可知,燃料中氢的量为
2×0.51=1.02mol
因此,燃料中CH
4与H
2的摩尔比为
6. 燃料煤中含水分3.3%(wt,下同),挥发物24.8%,固定碳60.3%,灰分11.6%。此煤燃烧后的炉渣用水润湿后,含水34.5%、挥发物4.7%、固定碳18.2%、灰分42.6%。若灰分全部进入炉渣,则煤中的总可燃物(挥发物与固定碳之和)随炉渣走掉的质量百分数接近______。
- A.7.33%
- B.5.82%
- C.1.50%
- D.10.35%
A B C D
A
[解析] 解:取基准为100kg煤,产生炉渣为x kg。本题以灰分作为联系物。
对灰分进行物料衡算:
0.426x=100×0.116=11.6
x=27.23kg
炉渣中的可燃物(包括挥发物和固定碳)为
27.23×(0.047+0.182)=6.24kg
原煤中含可燃物
24.8+60.3=85.1kg
在炉渣中损失的可燃物为
7. 在制备富氧湿空气时,将纯氧和水通入蒸发器,水在蒸发器中蒸发。已知水的流量为0.0012m
3/h,出蒸发室的气体经分析含1.5%(mol%)H
2O,纯氧的流量(kmol/h)为空气流量(kmol/h)的
。则富氧湿空气中氧的摩尔百分数为______。
- A.28.2%
- B.30.0%
- C.33.7%
- D.26.5%
A B C D
C
[解析] 解:设Q:空气的流量,kmol/h;0.2Q:纯氧的流量,kmol/h;F:富氧湿空气的流量,kmol/h;
W:水的流量,kmol/h;x:富氧空气中的含氧量,摩尔分数。
基准:H
2O流量为0.0012m
3/h。H
2O的密度为1000kg/m
3。
物料衡算式:
H
2O的衡算式:
W=F×0.015=0.06667 (1)
总物料衡算式:
0.2Q+Q+W=F (2)
N
2的衡算式:
Q×0.79=F(0.985-x) (3)
联立式(1)、(2)、(3)求得
F=4.444kmol/h
Q=3.648kmol/h
x=0.337=33.7%
11. 可用乙酸丁酯从水中萃取分离所含的苯酚,下述内容不正确的是______。
A.这是三元液液相平衡
B.热力学平衡关系为:
,α、β、γ代表不同的相
C.计算中需要三对二元物系的γ
i—x
i关联式
D.所需的γ
i—x
i关联式不能用汽液平衡实验值关联求出
A B C D