第四章 能量衡算及热数据的估算(习题解答)

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1、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

2、%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磺化液1906.9有对甲苯磺酸1500.8机邻甲苯磺酸168.4相间甲苯磺酸161.1甲苯20.0水纯硫酸35.2相H2O21.4甲苯1000纯甲苯999水1磺化98%硫酸1100纯硫酸1078H2O22脱水器排水193.1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

3、)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S

4、O3计,硫酸的质量分率为50.8%。则所以有反应消耗的甲苯量为979kg，则（3）反应产物（磺化液、脱水器排出的水）带走的热量Q4Q4=1906.9x1.59x（140-25）+193.1x4.18x（65-25）=3.77x105KJ（4）由题意知Q5=1.3x105KJQ6=6.2x104KJQ7=9.8x105KJ所以Q2=Q4+Q5+Q6+Q7-Q1-Q3=2.12x105KJ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：1000kg1.66x104磺化液：19

5、06.9kg3.77x105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

6、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Q1Q1=1000x1.71x(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+Qr③分离酸+H2O残余酸+Q稀释Q分离=m原q原-m反q反-

7、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=1100kg，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）/172x98=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.

8、2kg、水21.4kg，所以m残=35.2+21.4=56.6kg，n=21.4/56.6x100=37.8q残=766.2-1357x37.8/（37.8+49）=175.25（KJ/kg酸）Q分离+Q稀释=m原q原-m反q反-m残q残=1100x713-1042.85x766.2-56.6x175.25=-24650.82（KJ）Qr=1042.85x1000x117.2/98=1247163.47（KJ）Q3=Qr+Q分离+Q稀释=1247163.47-24650.82=1222512.6