1、計算題（P106）41、物料衡算數(shù)據(jù)如下圖所示。主反應(yīng)式如下。已知加入甲苯和濃硫酸的溫度均為30，脫水器的排水溫度為65，磺化液的出料溫度為140，甲苯和硫酸的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為117.2kJ·mol-1 (放熱) ，設(shè)備（包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器，下同）升溫所需的熱量為1.3×105kJ，設(shè)備表面向周圍環(huán)境的散熱量為6.2 ×104kJ, 回流冷凝器中冷卻水移走的熱量共9.8 ×105kJ。試對甲苯磺化過程進行熱量衡算。有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)：原料甲苯的定壓比熱為1.71kJ ·kg-1 ·-1 ; 98%硫酸的定壓比熱為1.47kJ

2、·kg-1 ·-1 ;磺化液的平均定壓比熱為1.59kJ ·kg-1 ·-1 ;水定壓比熱為4.18kJ ·kg-1 ·-1磺化液 1906.9有 對甲苯磺酸 1500.8機 鄰甲苯磺酸 168.4相 間甲苯磺酸 161.1 甲苯 20.0水 純硫酸 35.2相 H2O 21.4甲苯 1000純甲苯 999水 1磺化98%硫酸 1100純硫酸 1078H2O 22脫水器排水193.1解法一：對甲苯磺化過程進行熱量衡算的目的是為了確定磺化過程中的補充加熱量。依題意可將甲苯磺化裝置(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器等)作為衡算對象。此時，輸

3、入及輸出磺化裝置的物料還應(yīng)包括進、出回流冷凝器的冷卻水，其帶出和帶入熱量之差即為回流冷凝器移走的熱量。若將過程的熱效應(yīng)作為輸入熱量來考慮，則可繪出如下圖所示的熱量衡算示意圖。則熱量平衡方程式可表示為取熱量衡算的基準(zhǔn)溫度為25oC（若取0作為基準(zhǔn)，結(jié)果又如何？），則（1）（2）磺化過程熱效應(yīng)反應(yīng)中共加入98%濃硫酸的質(zhì)量為1100kg，其中含水22kg。若以SO3計，98%硫酸的質(zhì)量分率為80%。由式(4-44)得反應(yīng)結(jié)束后,磺化液含硫酸35.2kg,水21.4kg。以SO3計,硫酸的質(zhì)量分率為50.8%。則所以有反應(yīng)消耗的甲苯量為979kg，則（3）反應(yīng)產(chǎn)物（磺化液、脫水器排出的水）帶走的熱量

4、Q4Q4=1906.9 x 1.59 x （140-25）+193.1 x 4.18 x （65-25）=3.77 x 105 KJ（4）由題意知Q5=1.3 x 105 KJQ6=6.2 x 104 KJQ7=9.8 x 105 KJ所以Q2=Q4+Q5+Q6+Q7-Q1-Q3=2.12 x 105KJ甲苯磺化過程熱量平衡表輸出項目名稱熱量/KJ輸入項目名稱熱量/KJ甲苯：1000kg1.66x104磺化液：1906.9kg3.77x105濃硫酸：1100kg脫水器排水：193.1kg過程熱效應(yīng)1.32x106設(shè)備升溫1.3x105補充加熱2.12x105設(shè)備表面散熱6.2x104冷卻水帶走

5、熱量9.8x105合計1.55x106合計1.55x106解法二：對甲苯磺化過程進行熱量衡算的目的是為了確定磺化過程中的補充加熱量。依題意可將甲苯磺化裝置(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器等)作為衡算對象。此時，輸入及輸出磺化裝置的物料還應(yīng)包括進、出回流冷凝器的冷卻水，其帶出和帶入熱量之差即為回流冷凝器移走的熱量。若將過程的熱效應(yīng)作為輸入熱量來考慮，則可繪出如下圖所示的熱量衡算示意圖?；鶞?zhǔn)溫度：0（若取25作為基準(zhǔn)，結(jié)果又如何？）（1）反應(yīng)原料帶入的熱量Q1Q1=1000x1.71x(30-0)+1100x1.47x(30-0)=99884.1=9.98x104(KJ)（2）甲苯磺化過程熱效應(yīng)Q

6、3甲苯磺化過程可以看出是按下列步驟進行原始硫酸（98%） 反應(yīng)硫酸（100%）+分離酸+Q分離C7H9+反應(yīng)硫酸（100%） C7H8SO3H+H2O+Qr分離酸+H2O殘余酸+Q稀釋Q分離=m原q原-m反q反-m分q分Q稀釋=m分q分-m殘q殘上兩式相加，則有Q分離+Q稀釋=m原q原-m反q反-m殘q殘m原=1100 kg，原始硫酸濃度為98%，所以n=2,由式（4-47）得q原=766.2-1357x2/（2+49）=713（KJ/kg酸）參與反應(yīng)的純硫酸質(zhì)量m反=（1500.8+168.4+161.1）/172 x 98=1042.85（kg），因參與反應(yīng)的是純硫酸，所以n=0,由式（4

7、-47）得q反=766.2-1357x0/（0+49）=766.2（KJ/kg酸）磺化反應(yīng)結(jié)束后，磺化液中含硫酸35.2kg、水21.4kg，所以m殘=35.2+21.4=56.6kg，n=21.4/56.6x100=37.8q殘=766.2-1357x37.8/（37.8+49）=175.25（KJ/kg酸）Q分離+Q稀釋=m原q原-m反q反-m殘q殘=1100x713-1042.85x766.2-56.6x175.25=-24650.82（KJ）Qr=1042.85x1000x117.2/98=1247163.47（KJ）Q3=Qr+Q分離+Q稀釋=1247163.47-24650.82=

8、1222512.65=1.22x106（KJ）（3）反應(yīng)產(chǎn)物（磺化液、脫水器排出的水）帶走的熱量Q4Q4=1906.9 x 1.59 x（140-0）+193.1 x 4.18 x（65-0）=476941.21=4.77 x 105 KJ（4）由題意知Q5=1.3 x 105 KJQ6=6.2 x 104 KJQ7=9.8 x 105 KJ所以Q2=Q4+Q5+Q6+Q7-Q1-Q3=4.77 x 105+1.3 x 105+6.2 x 104 +9.8 x 105-9.98x104-1.22x106=3.29 x 105KJ甲苯磺化過程熱量平衡表輸出項目名稱熱量/KJ輸入項目名稱熱量/KJ

9、甲苯：1000kg9.99x104磺化液：1906.9kg4.77x105濃硫酸：1100kg脫水器排水：193.1kg過程熱效應(yīng)1.22x106設(shè)備升溫1.3x105補充加熱3.29x105設(shè)備表面散熱6.2x104冷卻水帶走熱量9.8x105合計1.65x106合計1.65x1064-2、硝基苯的磺化采用60%的發(fā)煙硫酸作磺化劑在間歇操作的磺化鍋內(nèi)進行。主反應(yīng)為：副反應(yīng)為：硝基苯的轉(zhuǎn)化率為100%，硝基苯-磺化物的選擇性系數(shù)為0.9,物料衡算的結(jié)果如下圖所示(下圖中質(zhì)量單位為kg)。根據(jù)條件，計算磺化過程的熱效應(yīng)?；腔瘻囟葹?08K。（溫度對反應(yīng)熱的影響忽略）?；腔?2223.9有 NO

10、2C6H4SO3H 1485.4機 NO2C6H3(SO3H)2 230.1相 雜質(zhì) 20.4水 SO3 400.1相 H2O 87.9硝基苯 1020.4純硝基苯 1000.0雜質(zhì) 20.4磺化60%發(fā)煙硫酸 1203.5SO3 1115.6H2O 87.9解：由題意知，硝基苯的磺化過程熱效應(yīng)包括60%發(fā)煙硫酸的濃度變化熱QP和硝基苯進行主、副反應(yīng)的反應(yīng)熱Qr，即。（1）60%發(fā)煙硫酸的濃度變化熱QP：反應(yīng)中共加入60%濃硫酸的質(zhì)量為1203.5kg，其中含水87.9 kg。以SO3表示60%發(fā)煙硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（60+40x80/98）%=92.7%則有m=0.927，T=408 K=13

11、5，所以由公式（4-44）得反應(yīng)結(jié)束后,磺化液含SO3400.1 kg，水87.9kg。以SO3的質(zhì)量分率為400.1/(400.1+87.9)=0.82，則由公式（4-44）得因此，（2）磺化反應(yīng)熱Qr（主反應(yīng)Qr1+副反應(yīng)Qr2）的計算：主反應(yīng)Qr1：由式來計算反應(yīng)熱。主反應(yīng)中各物質(zhì)燃燒熱的估算：SO3本身為完全氧化的產(chǎn)物，則有用卡拉奇法估算硝基苯（C6H5NO2）的燃燒熱：C6H5NO2+ 29/2= 6 CO2 + 5/2H2O + NO2則，k(NO2)=1，查表4-7得(Ar-NO2)=54.4 KJ/mol，所以有用卡拉奇法估算硝基苯（NO2C6H4SO3H）的燃燒熱：NO2C6

12、H4SO3H+ 29/2= 6 CO2 + 5/2H2O + NO2+ SO3則，k(NO2)=1，k(SO3H)=1；查表4-7得(Ar-NO2)=54.4KJ/mol；(Ar- SO3H)= -97.906 KJ/mol另外，參與主反應(yīng)的硝基苯的物質(zhì)的量為1485.4/203=7.32kmol;一磺化物（NO2C6H4SO3H）的生成量為1485.4/203=7.32kmol，則有副反應(yīng)Qr2：由式來計算反應(yīng)熱。副反應(yīng)中各物質(zhì)燃燒熱的估算：SO3本身為完全氧化的產(chǎn)物，則有用卡拉奇法估算硝基苯（C6H5NO2）的燃燒熱：用卡拉奇法估算硝基苯【NO2C6H3(SO3H)2】的燃燒熱：NO2C6

13、H3(SO3H)2+29/2= 6CO2 + 5/2H2O + NO2+ 2SO3則，k(NO2)=1，k(SO3H)=2；查表4-7得(Ar-NO2)=54.4KJ/mol；(Ar- SO3H)= -97.906 KJ/mol另外，參與副反應(yīng)的硝基苯的物質(zhì)的量為230.1/283=0.813kmol;二磺化物【NO2C6H4(SO3H)2】生成量為230.1/283=0.813kmol，則有那么，最終，磺化過程的熱效應(yīng)Q3為 Q3為正，因此磺化過程需吸收的熱量為-5.43x105KJ.4-3、用1876kg混酸（HNO332%、H2SO456%、H2O12%）對1052.6kg含量為95%的

14、乙苯進行硝化，乙苯的轉(zhuǎn)化率100%，全部生成一硝基乙苯，其中對位、鄰位與間位的比例為50：44：6。已知硝化反應(yīng)溫度為40，求硝化過程熱效應(yīng)。解：由題意知，乙苯的硝化過程熱效應(yīng)包括混酸的濃度變化熱QP和乙苯進行主、副反應(yīng)的反應(yīng)熱Qr，即。（1）物料衡算反應(yīng)中共加入混酸的質(zhì)量為1876 kg，其中含HNO3600.32kg；含H2SO41050.56kg；含水225.12 kg。由題意知，乙苯的轉(zhuǎn)化率100%，則生成的對位、鄰位與間位一硝基乙苯的總量為，其中對硝基乙苯：1424.5 x 50%=712.25kg鄰-硝基乙苯：1424.5 x 44%=626.78kg間硝基乙苯：1424.5 x

15、6%=85.47kg參與反應(yīng)的HNO3的量為剩余HNO3的量為剩余H2SO4：600.32kg剩余H2O（原混酸中）：225.12kg硝化反應(yīng)生成的H2O：硝化乙苯 1052.6kg純乙苯 999.97雜質(zhì) 52.63所以，物料衡算的結(jié)果如下圖所示：硝化液 2875.99kg有 對硝基乙苯 712.25機 鄰硝基乙苯 626.78相 間硝基乙苯 85.47水 H2SO4 1050.56相 HNO3 6.0H2O 394.93混酸 1876kgH2SO4 1050.56HNO3 600.32H2O 225.12（2）混酸的濃度變化熱QP：QP混酸（反應(yīng)后）1451.49kgH2SO4 1050.

16、56kgHNO3 6.0kgH2O 394.93kg混酸（反應(yīng)前）1876kgH2SO4 1050.56kgHNO3 600.32kgH2O 225.12kgmqmq無限稀釋狀態(tài)由蓋斯定律，得反應(yīng)前，混酸的無限稀釋熱q：q1的計算：反應(yīng)前混酸含水量為12%，則n=12，由式（4-47）得q2的計算：反應(yīng)前混酸含水量為12%，則n=12，由式（4-48）得則有反應(yīng)后，混酸的無限稀釋熱q：q'1的計算：反應(yīng)后混酸含水量為394.93/1451.49=27.21%，則n=27.21，由式（4-47）得q'2的計算：反應(yīng)后混酸含水量為27.21%，則n=27.21，由式（4-48）得則

17、有因此有，（3）硝化反應(yīng)熱Qr的計算生成對硝基乙苯的反應(yīng)熱Qr1由式來計算反應(yīng)熱。生成對硝基乙苯的反應(yīng)中各物質(zhì)燃燒熱的估算：C2H5C6H5+HNO3 = C2H5C6H4NO2+ H2O用卡拉奇法估算乙苯（C2H5C6H5）的燃燒熱：C2H5C6H5+ 21= 8CO2 + 5H2O則，k(-C2H5)=1查表4-7得(C2H5-Ar)=-14.6 KJ/mol所以有硝酸（HNO3）為完全氧化的產(chǎn)物，其燃燒熱為0。用卡拉奇法估算對硝基苯（C2H5C6H4NO2）的燃燒熱：C2H5C6H4NO2+ 41/2= 8 CO2 + 9/2H2O + NO2則，k(NO2)=1，k(C2H5)=1查表

18、4-7得(Ar-NO2)=54.4 KJ/mol，(C2H5-Ar)=-14.6 KJ/mol所以有另外，生成對硝基乙苯的反應(yīng)中，乙苯參與反應(yīng)的物質(zhì)的量為712.25/151=4.72kmol;對硝基乙苯的生成量為712.25/151=4.72kmol，則有生成鄰-硝基乙苯的反應(yīng)熱Qr2由式來計算反應(yīng)熱。生成對硝基乙苯的反應(yīng)中各物質(zhì)燃燒熱的估算：C2H5C6H5+HNO3 = C2H5C6H4NO2+ H2O用卡拉奇法估算乙苯（C2H5C6H5）的燃燒熱：C2H5C6H5+ 21= 8CO2 + 5H2O則，k(-C2H5)=1查表4-7得(C2H5-Ar)=-14.6 KJ/mol所以有硝酸

19、（HNO3）為完全氧化的產(chǎn)物，其燃燒熱為0。用卡拉奇法估算對硝基苯（C2H5C6H4NO2）的燃燒熱：C2H5C6H4NO2+ 41/2= 8 CO2 + 9/2H2O + NO2則，k(NO2)=1，k(C2H5)=1查表4-7得(Ar-NO2)=54.4 KJ/mol，(C2H5-Ar)=-14.6 KJ/mol所以有另外，生成對硝基乙苯的反應(yīng)中，乙苯參與反應(yīng)的物質(zhì)的量為626.78/151=4.15kmol;對硝基乙苯的生成量為626.78/151=4.15kmol，則有生成間-硝基乙苯的反應(yīng)熱Qr3由式來計算反應(yīng)熱。生成對硝基乙苯的反應(yīng)中各物質(zhì)燃燒熱的估算：C2H5C6H5+HNO3

20、= C2H5C6H4NO2+ H2O用卡拉奇法估算乙苯（C2H5C6H5）的燃燒熱：C2H5C6H5+ 21= 8CO2 + 5H2O則，k(-C2H5)=1查表4-7得(C2H5-Ar)=-14.6 KJ/mol所以有硝酸（HNO3）為完全氧化的產(chǎn)物，其燃燒熱為0。用卡拉奇法估算對硝基苯（C2H5C6H4NO2）的燃燒熱：C2H5C6H4NO2+ 41/2= 8 CO2 + 9/2H2O + NO2則，k(NO2)=1，k(C2H5)=1查表4-7得(Ar-NO2)=54.4 KJ/mol，(C2H5-Ar)=-14.6 KJ/mol所以有另外，生成對硝基乙苯的反應(yīng)中，乙苯參與反應(yīng)的物質(zhì)的量為85.47/151=0.57kmol;對硝基乙苯的生成量為85.47/151=0.57kmol，則有因此，乙苯生成一硝基乙苯的反應(yīng)熱Q為乙苯生成一硝基乙苯的反應(yīng)需吸收的熱量為5.16x105KJ。4-4、某工廠要生產(chǎn)一套萘1, 5二磺酸雙鈉鹽。生產(chǎn)該產(chǎn)品為間歇生產(chǎn)，要經(jīng)過磺化反