题目
某厂用空气氧化邻二甲苯生产苯酐。原料流量为205 kg/h邻二甲苯,4 500 m3/h空气。从反应的计量关系可知,生成1 mol的苯酐需反应掉1 mol的邻二甲苯。经检验得到的反应器出口气体组成如下:组分苯酐顺酐邻二甲苯O2N2其他合计%(mol)0.650.040.0316.58784.70100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)。
某厂用空气氧化邻二甲苯生产苯酐。原料流量为205 kg/h邻二甲苯,4 500 m3/h空气。从反应的计量关系可知,生成1 mol的苯酐需反应掉1 mol的邻二甲苯。经检验得到的反应器出口气体组成如下:
组分
苯酐
顺酐
邻二甲苯
O2
N2
其他
合计
%(mol)
0.65
0.04
0.03
16.58
78
4.70
100
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)。
题目解答
答案
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:
(4 500/22.4)×0.79=158.7 kmol/h
设反应器出口气体的总流量为x kmol/h,则有:
0.78x=158.7 x=203.5 kmol/h
因此,反应器出口气体含有邻二甲苯:
203.5×0.03%=0.061 kmol/h=0.061×106=6.47 kg/h
反应器出口气体含有苯酐:
203.5×0.65%=1.323 kmol/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
=1.550×106 kg/h
=1 550 t/a
解析
步骤 1：计算进入反应器的空气中的氮气量
进入反应器的空气中含有氮气的量可以通过空气的体积和氮气的摩尔分数计算得出。空气的体积为4500 m³/h，氮气的摩尔分数为0.79。标准状况下，1 m³空气的摩尔数为1/22.4 kmol。因此，进入反应器的氮气量为：
\[ \frac{4500}{22.4} \times 0.79 = 158.7 \text{ kmol/h} \]
步骤 2：计算反应器出口气体的总流量
设反应器出口气体的总流量为x kmol/h，根据氮气的摩尔分数，可以得到：
\[ 0.78x = 158.7 \]
解得：
\[ x = \frac{158.7}{0.78} = 203.5 \text{ kmol/h} \]
步骤 3：计算反应器出口气体中邻二甲苯和苯酐的量
反应器出口气体中邻二甲苯的量为：
\[ 203.5 \times 0.03\% = 0.061 \text{ kmol/h} = 0.061 \times 106 = 6.47 \text{ kg/h} \]
反应器出口气体中苯酐的量为：
\[ 203.5 \times 0.65\% = 1.323 \text{ kmol/h} \]
步骤 4：计算邻二甲苯的转化率、苯酐收率和反应选择性
邻二甲苯的转化率为：
\[ X = \frac{205 - 6.47}{205} = 96.8\% \]
苯酐的收率为：
\[ Y = \frac{1.323}{205/106} = 68.6\% \]
反应选择性为：
\[ S = \frac{Y}{X} = \frac{0.686}{0.968} = 0.71 = 71\% \]
步骤 5：计算苯酐的年产量
苯酐的年产量为：
\[ 1.323 \times 24 \times 330 \times 148 = 1.550 \times 10^6 \text{ kg/h} = 1550 \text{ t/a} \]
进入反应器的空气中含有氮气的量可以通过空气的体积和氮气的摩尔分数计算得出。空气的体积为4500 m³/h，氮气的摩尔分数为0.79。标准状况下，1 m³空气的摩尔数为1/22.4 kmol。因此，进入反应器的氮气量为：
\[ \frac{4500}{22.4} \times 0.79 = 158.7 \text{ kmol/h} \]
步骤 2：计算反应器出口气体的总流量
设反应器出口气体的总流量为x kmol/h，根据氮气的摩尔分数，可以得到：
\[ 0.78x = 158.7 \]
解得：
\[ x = \frac{158.7}{0.78} = 203.5 \text{ kmol/h} \]
步骤 3：计算反应器出口气体中邻二甲苯和苯酐的量
反应器出口气体中邻二甲苯的量为：
\[ 203.5 \times 0.03\% = 0.061 \text{ kmol/h} = 0.061 \times 106 = 6.47 \text{ kg/h} \]
反应器出口气体中苯酐的量为：
\[ 203.5 \times 0.65\% = 1.323 \text{ kmol/h} \]
步骤 4：计算邻二甲苯的转化率、苯酐收率和反应选择性
邻二甲苯的转化率为：
\[ X = \frac{205 - 6.47}{205} = 96.8\% \]
苯酐的收率为：
\[ Y = \frac{1.323}{205/106} = 68.6\% \]
反应选择性为：
\[ S = \frac{Y}{X} = \frac{0.686}{0.968} = 0.71 = 71\% \]
步骤 5：计算苯酐的年产量
苯酐的年产量为：
\[ 1.323 \times 24 \times 330 \times 148 = 1.550 \times 10^6 \text{ kg/h} = 1550 \text{ t/a} \]