(第四章能量衡算及热数据的估算习题解答.doc

计算题（P106） 4－1、物料衡算数据如下图所示。主反应式如下。已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为30℃，脱水器的排水温度为65 ℃，磺化液的出料温度为140 ℃，甲苯和硫酸的标准化学反应热为117.2kJ·mol-1 (放热) ，设备（包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同）升温所需的热量为1.3×105kJ，设备表面向周围环境的散热量为6.2 ×104kJ, 回流冷凝器中冷却水移走的热量共9.8 ×105kJ。试对甲苯磺化过程进行热量衡算。有关热力学数据：原料甲苯的定压比热为1.71kJ ·kg-1 ·℃-1 ; 98%硫酸的定压比热为1.47kJ ·kg-1 ·℃-1 ;磺化液的平均定压比热为1.59kJ ·kg-1 ·℃-1 ;水定压比热为4.18kJ ·kg-1 ·℃-1 解法一：对甲苯磺化过程进行热量衡算的目的是为了确定磺化过程中的补充加热量。依题意可将甲苯磺化装置(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等)作为衡算对象。此时，输入及输出磺化装置的物料还应包括进、出回流冷凝器的冷却水，其带出和带入热量之差即为回流冷凝器移走的热量。若将过程的热效应作为输入热量来考虑，则可绘出如下图所示的热量衡算示意图。 则热量平衡方程式可表示为 取热量衡算的基准温度为25oC（若取0 ℃作为基准，结果又如何？），则 （1） （2）磺化过程热效应 反应中共加入98%浓硫酸的质量为1100kg，其中含水22kg。若以SO3计，98%硫酸的质量分率为80%。由式(4-44)得 反应结束后,磺化液含硫酸35.2kg,水21.4kg。以SO3计,硫酸的质量分率为50.8%。则 所以有 反应消耗的甲苯量为979 kg，则 （3）反应产物（磺化液、脱水器排出的水）带走的热量Q4 Q4=1906.9 x 1.59 x （140-25）+193.1 x 4.18 x （65-25）=3.77 x 105 KJ （4）由题意知 Q5=1.3 x 105 KJ Q6=6.2 x 104 KJ Q7=9.8 x 105 KJ 所以 Q2=Q4+Q5+Q6+Q7-Q1-Q3=2.12 x 105 KJ 甲苯磺化过程热量平衡表 输 出 项目名称 热量/KJ 输 入 项目名称 热量/KJ 甲苯：1000kg 1.66x104 磺化液：1906.9kg 3.77x105 浓硫酸：1100kg 脱水器排水：193.1kg 过程热效应 1.32x106 设备升温 1.3x105 补充加热 2.12x105 设备表面散热 6.2x104 冷却水带走热量 9.8x105 合计 1.55x106 合计 1.55x106 解法二：对甲苯磺化过程进行热量衡算的目的是为了确定磺化过程中的补充加热量。依题意可将甲苯磺化装置(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等)作为衡算对象。此时，输入及输出磺化装置的物料还应包括进、出回流冷凝器的冷却水，其带出和带入热量之差即为回流冷凝器移走的热量。若将过程的热效应作为输入热量来考虑，则可绘出如下图所示的热量衡算示意图。 基准温度：0 ℃（若取25 ℃作为基准，结果又如何？） （1）反应原料带入的热量Q1 Q1=1000 x 1.71 x (30-0) +1100x1.47x(30-0)=99884.1=9.98x104 (KJ) （2）甲苯磺化过程热效应Q3 甲苯磺化过程可以看出是按下列步骤进行 ①原始硫酸（98%） 反应硫酸（100%）+分离酸+Q分离 ②C7H9+反应硫酸（100%） C7H8SO3H+H2O+Qr ③分离酸+H2O 残余酸 + Q稀释 Q分离=m原q原- m反q反- m分q分 Q稀释=m分q分- m残q残 上两式相加，则有Q分离+Q稀释= m原q原- m反q反- m残q残 m原=1100 kg，原始硫酸浓度为98%，所以n=2,由式（4-47）得 q原=766.2-1357x2/（2+49）=713（KJ/kg酸） 参与反应的纯硫酸质量m反=（1500.8+168.4+161.1）/172 x 98=1042.85（kg），因参与反应的是纯硫酸，所以n=0,由式（4-47）得 q反=766.2-1357x0/（0+49）=766.2（KJ/kg酸） 磺化反应结束后，磺化液中含硫酸35.2kg、水21.4kg，所以 m残=35.2+21.4=56.6kg，n=21.4/56.6x100=37.8 q残=766.2-1357x37.8/（37.8+49）=175.25（KJ/kg酸） Q分离+Q稀释= m原q原-