天然气x kmol 空气ykmol 一段 蒸汽 二段 转化炉 CO 变换 CO2 脱除 转化炉 甲烷化 合成氨 原料气 CO2 转化炉内进行烃类蒸汽转化反应，以甲烷为例，烃类蒸汽转化的反应方程式为CH4+H2O==CO+3H2。天然气经一段转化炉转化后继续进入二段转化炉反应，在一段转化炉出口添加空气以配合合成氨原料气中所需的氮气，同时，一段转化气中的一部分氢气遇O2燃烧供给系统热量。二段转化后再经一氧化碳变换工序使混合气中的CO大部分转化为CO2和
H2，CO转化为CO2和H2的方程式为CO+H2O==CO2+H2，变换后的气体脱除CO2工序脱除CO2，再经甲烷化工序除去残存的微量CO和CO2后作为合成氨合格原料气。
已知某厂天然气的组成为： 组分 %(mol) CH4 83.20 C2H6 10.00 C3H8 5.16 C4H10(正) 0.69 C4H10(异) 0.50 C5H12(正) 0.06 C5H12(异) 0.05 N2 0.33 CO2 0.01 合计 100
要求合成氨原料气的组成为： 组分 %(mol) H2 73.97 N2 24.64 Ar 0.31 CH4 1.08 合计 100
计算天然气的用量和空气的用量。
解：以100 kmol合成氨原料气为计算基准。 设天然气用量为xkmol，添加空气量为ykmol。 （1）作系统N2平衡
因为在天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气过程中，N2没有参加反应，它的数量在反应器的进口、出口物料中没有变化，作系统N2平衡得
0.0033x + 0.79y =24.64 (A) (2)作系统氢平衡
甲烷转化制H2的计量关系推导如下：
甲烷蒸汽转化反应过程 CH4+H2O==CO+3H2 CO变换反应过程 CO+H2O==CO2+H2
总过程 CH4+2H2O==CO2+4H2 用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制H2的计量关系通式为
CnH2n+2+2nH2O=nCO2+(3n+1)H2
5
因此，100kmol 天然气可提供的理论H2为 组分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10(正) C4H10(异) C5H12(正) C5H12(异) N2 CO2 合计 烃量/kmol 83.20 10.00 5.16 0.69 0.50 0.06 0.05 0.33 0.01 100 可提供的理论烃量/kmol 4 ?83.20=332.80 7 ?10.00=70 10 ?5.16=51.60 13 ?0.69=8.97 13 ?0.50=6.50 16 ?0.06=0.96 16 ?0.05=0.80 0 0 471.63 因此，xkmol天然气进料可提供的理论H2为
471.63xkmol
100氢气燃烧的反应过程 2H2+O2=2H2O 燃烧消耗的H2为
2?0.21ykmol 作系统H2平衡得
471.63x?2?0.21y?73.97?4?1.08 (B)
100式中（4?1.08）是合成氨原料气的CH4折合为H2物质的量(mol)
(A) 式合(B)式联解得到
x?18.92kmol y?31.11kmol
因此，制造100kmol的合成氨原料气需加入天然气18.92kmol，一段转化炉出口需添加31.11kmol的空气。
习题4 乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：
1C2H4(g)?O2(g)???C2H4O(g)
2试计算0.1013MPa、25℃下的反应热。
解：乙烯（g）的标准生成热为 ?H298f,乙烯?52.2k8J,00 l/mo环氧乙烷(g)的标准生成热为 ?H298,f,环氧乙烷?－51kJ/mol 因此，0.1013Mpa，25℃下的反应热计算如下：
000?H298,?(ni?H298,r??(ni?H298,f)产物－f)反应物
1?（－5）－11?52.＋28?＝－0 ＝12k1J03.m3o l/习题5 乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：
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主反应 C2H4(g)?1O2(g)???C2H4O(g) 2?2CO2(g)?2H2O(g) 副反应 C2H4(g)?3O2(g)??反应温度基本维持在250℃，该温度下主、副反应的反应的反应热分别为
0??H523?105395kJ/kmol乙烯 0??H523?1321726kJ/kmol乙烯
乙烯的单程转化率为32％，反应的选择性为69％，反应器进口混合气的温度为210℃，流量45000m(STP)/h,其组成如下： 组分 %(mol) 3C2H4 3.5 N2 82.0 O2 14.5 合计 100 热损失按反应放出热量的5%考虑，求热载体移出的热量。
解：查得有关气体的热容数据如下： 组分 C2H4 210℃ 250℃ 64.43 66.94 O2 31.38 31.67 CO2 45.56 水蒸气 35.35 C2H4O 103.8 N2 30.04 30.17 Cp/[kJ/(kmol?K] 假设如下热力学途径：
210℃下反应器入口混合气体热容
Cp?0.035?64.43?0.82?30.04?0.145?31.38?31.44kJ/(kmol?K)
250℃下反应器入口混合气体热容
Cp?0.035?64.94?0.82?30.17?0.145?31.67?31.67kJ/(kmol?K)
因此，反应器入口混合气体在210℃～250℃的平均热容为 Cp,m?(31.44?31.67)?1?31.56kJ/(kmol?K) 2?H1?45000?31.56(250?210)?2.536?104kJ/h 22.44500045000?H2??0.035?0.32?0.69?(?105395)??0.035?0.32?(1?0.69)(?1321726)22.422.47 ?1.086?10kJ/h
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?H??H1??H2?2.536?106?1.086?107??8.324?106kJ/h ?H??H?Q2??8.324?106?(?4.162?105)??4.162?105kJ/h
由热载体移走的热量为
Q1??H?Q2??8.324?106?(?4.162?105)?7.908?106kJ/h
第四章习题及解答
1．简述泵的选用与设计程序 a. b. c. d. e. f. g. h.
确定泵型
确定泵的流量与扬程 确定泵的安装高度
确定泵的台数和备用率按泵的操作台数 校核泵的轴功率。
确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量 选用电动机 填写选泵规格表
2．简述换热器的设计原则
a. 换热器设计要满足工艺操作条件，长期运转，安全可靠，不泄漏，维修清洗方便，较高
的传热效率，流体阻力尽量小，安装尺寸符合要求。 b. 确定介质流程 c. 确定终端温差
d. 确定流速、流向和压力降 e. 确定传热系数和污垢系数 f. 选用标准系列化的换热 3．填料塔设计程序 a. b. c. d. e. f. g. h.
汇总设计参数和物性数据 选用填料 确定塔径。 计算填料塔压降 验算塔内喷淋密度 计算填料层高度Z 计算塔的总高度H
塔的其它附件设计和选定
4．化工设备施工图的组成
a.装配图 表示设备的全貌、组成和特性的图样，它表达设备各主要部分的结构特征、装配和连接关系、特征尺寸、外形尺寸、安装尺寸及对外连接尺寸、技术要求等。
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