乙烯装置操作工计算题

1. 用25℃的水将物料2000kg/h在一换热器内由80℃冷却到40℃，水出换热器温度为35℃，问每小时需要多少吨水？物料比

热容为0.4kcal/(kg℃)。 解：物料放出热量

Q物 ＝ 2000 × (80 - 40) × 0.4

＝ 32000 kcal/h

W水 ＝ 32000/（35 - 25）× 1

＝ 3200 kg/h

答：每小时需要25℃的水3.2吨。

2. 某换热器，用20℃水冷凝冷却100℃水蒸汽至50℃，如果每小时要处理100吨水蒸气时，问需要20℃水多少吨？(设出口冷

流体温度为40℃；水的比热为4.2kJ/kg；水的潜热为2258.4kJ/kg) 解：蒸汽冷凝降温至50℃水时放出的热量 ＝ 汽化潜热 ＋ 冷却放热

Q汽 ＝ 100 × 1000 × (80 - 40) × [2258.4 ＋ 4.2 × (100－50)]

＝ kJ/h

W水 ＝ 2000 /（40 - 20）× 4.2

＝ kg/h

答：每小时需要20℃的水约2939吨。

3. 将0.5kg/s、80℃的硝基苯通过一换热器，用冷却水将其冷却到40℃。冷却水初温为30℃，终温不超过35℃。试求该换热

器的热负荷及冷却水用量。硝基苯的比热为1.6kJ/kg℃，水的比热为4.19 kJ/kg℃。 解：Q物 ＝ 0.5kg/s × 1.6kJ/kg℃ × (80 - 40) ℃

＝ 32 KW

W水 ＝ 32 /[（35 - 30）× 4.19]

＝ 1.53 kg/s

答：换热器的热负荷是32kW，需要冷却水量1.53kg/s。

4. 某换热器中用120kPa的饱和水蒸汽加热苯。苯的流量为5m/h，从20℃被加热到70℃。若设备的热损失集中于饱和蒸汽一

侧，估计为Q冷的8％，试求热负荷及蒸汽用量。(苯的比热为1.75kJ/(kg℃)，密度为855kg/m。120kPa饱和水蒸汽潜热为2246.8kJ/kg) 解：由于热损失Q＇集中于热流体一方，所以热负荷为Q冷。

Q冷 ＝ 5m3/3600s × 855kg/m3 × 1.75kJ/kg℃ × （70 - 20）℃

＝ 103.91 KW Q热 ＝ 103.91 × 108%

＝ 112.22 KW

W汽 ＝ 112.22 KW / 2246.8 kJ/kg

＝ 0.05 kg/s

答：热负荷为112.22 KW，蒸汽用量为0.05kg/s。

5. 有一蒸汽管道长100m，管道外径为170mm，外面包着一层保温灰，其厚度为60mm，导热系数为0.0697J/s.m.k，保温层内表

面温度为563K，外表温度为323K，求单位时间蒸汽管道上的热损失

解：γ内＝0.085m，γ外＝0.145m，L＝100m，t2＝563K，t1＝323K，λ ＝ 0.0697J/S.m.k

因为γ内/γ外<2 再确认计算过程中公式、单位再确认，A均可取算术平均值 A均 ＝（A内 ＋ A外）/2 ＝ π（γ内 ＋ γ外）

＝ 3.14 ×（0.085 ＋ 0.145）× 100 ＝ 72.22 m

Q ＝ λA均（t2 - t1）/(γ外 -γ内)

＝ 0.0697 × 72.22 × (563 -323)/(0.145 – 0.085) ＝ 201 KJ/s

答：管道上的热损失为201kJ/S。

6. 为了减少热损失和保证安全工作条件，在外径为159mm的蒸汽管道上包裹保温层。蒸汽管道外壁的温度为300℃，保温材料

3

3

为水泥珍珠岩制品，水泥珍珠岩制品的导热系数随温度的变化关系为λ＝0.0651 ＋ 0.t。其中，λ的单位为W/m.K；t为℃。要求包裹保温层后外壁的温度不超过50℃，并要求将每米长度上的热损失控制在300W/m，则保温层的厚度为多少？ 解：保温层平均工作温度为t ＝（300 ＋ 50）/ 2 ＝ 175 ℃

λ＝ 0.0651 ＋ 0. × 175 ＝ 0.0835 W/m.K ∵ Q ＝ qA

＝ 2πLλ（t1 - t2）/ ln(r2/r1) ∴ ln(r2/0.0795) ＝ 2πLλ（t1 - t2）/ Q

＝ 2 × 3.14 × 1 × 0.0835 × (300-50) / 300

r2 ＝ 0.123 m

保温层的厚度 ＝ 0.123-0.0795 ＝ 0.0435 m

答：保温层的厚度为43.5毫米

7. 如图中含有60%(重量)乙醇的溶液，以每小时1000千克的加料量进入精馏塔，要求塔

顶产出90%乙醇，塔釜出来的残液中含乙醇小于10%，试计算每小时产量和残液量。 解：∵ F ＝ W ＋ D ＝ 1000

总乙醇量 ＝ F × 进料浓度

＝ W × 产品浓度 ＋ D × 残液浓度

∴1000 × 0.6 ＝ D × 0.9 ＋ W × 0.1

＝ D × 0.9 ＋ (1000 - D) × 0.1

D ＝ 625 kg W ＝ 375 kg

答：每小时产量625吨，每小时残液量375吨。

8. 每小时将15000kg含苯40%和甲苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求釜残液中含苯不高于2%(以上均为质量百分

率)，塔顶馏出液的回流率为97.1%。试求馏出液和釜残液的流量及组成，以千摩尔流量及摩尔分率表示。(苯的分子量为78；甲苯的分子量为92)

解：1. 40/78

进料组成Xf ＝ ──────── ＝ 0.44

40/78 ＋ 98/92

2/78

釜液组成Xw ＝ ──────── ＝ 0.0235

2/78 ＋ 98/92

2.原料液的平均分子量为：Mf ＝ 0.44 × 78 ＋ 0.56 × 92 ＝ 85.8 kg/kmol

进料量F ＝ 15000 / 85.8 ＝ 175 kmol/h 3.∵DXD/ FXf ＝ 0.971

∴DXD ＝ 0.971 × 175 × 0.44 4.全塔总物料衡算为：D ＋ W ＝ 175

全塔苯的衡算为：DXD ＋ 0.0235W ＝ 175 × 0.44 5.联立以上三式解得：W ＝ 95 kmol/h

D ＝ 80 kmol/h XD ＝ 0.935

答：馏出液的流量为80kmol/h，釜残液的流量为95kmol/h，馏出液易挥发组分的摩尔分率为0.935。

9. 某塔进料量为4500kg/h，苯含量为20％，要求塔顶含苯90％，塔釜含苯0.5％，则塔顶、塔釜采出应为多少？

解：已知F ＝ 4500kg/h，XF ＝ 0.2，XD ＝ 0.9，XW ＝ 0.005

由F ＝ D ＋ W得4500＝D ＋ W

由FXF ＝ DXD ＋ WXW 即4500×0.2＝0.9D ＋ 0.005W 联立两式得W ＝ 3520kg/h D ＝ 980kg/h 答：塔顶采出量3520kg/h，塔釜采出量980kg/h。

10.某厂有浓度为10%(重量)的盐水50吨。用蒸发的方法使盐水浓缩到浓度为50%，浓缩过程原料损失为1%。试作浓缩过程的

物料平衡。

答：浓缩前溶质的质量应该等于浓缩后溶质的质量与损失的质量之和

设浓缩后盐水的重量为x吨

50 × 0.1 ＝ 50 × 0.1 × 0.01 ＋ 0.5X X ＝ 9.9吨

答：浓缩后的盐水重9.9吨。

11.如图，左右两容器中都盛有氮气和氨的混合物，两容器间有长0.1m的连通管，在左容

器中氨的分压为PA1 ＝ 1.1013×10Pa，在右容器中氨的分压为PA2 ＝ 0.507×10Pa，每个容器中的气体浓度都是均匀的。连通管很小，扩散很慢，可以认为在一定的时间内PA1，PA2不变化。整个系统保持恒定的总压P ＝ 1.0132×10Pa和温度T ＝ 298K，

扩散系数D ＝ 0.23×10Pa。整个系统可以看成等摩尔反向扩散。求NH3和N2的传质通量与扩散通量。 解：等摩尔反向分子扩散模型的传质公式

NA ＝(D/RTδ)( PA1-PA2)

＝ (1.013 × 10 - 0.507 × 10) × 0.23 × 10 / (8314 × 298 × 0.1) ＝ 4.70 × 10 kmol/㎡s JA ＝ NA ＝ 4.70 × 10 kmol/ms JB ＝ -JA ＝ -4.70 × 10 kmol/ms

答：NH和N2的传质通量为4.70×10kmol/m2s，NH的扩散通量都为4.70×10kmol/m2s，N2的扩散通量为-4.70×

10kmol/m2s。

12.如图所示，直立小管中盛有一些水，小管与空气导管相连，空气平稳地流

过小管口。由于扩散很慢，可认为空气流经小管口前后，水蒸汽压不变，保持pA2 ＝ 1000Pa，且导管中蒸汽分布均匀；小管与左端一较大容器相连通，在一定时间范围内，可认为小管中的液面保持恒定。该扩散可以看作是通过停滞的组分层的稳定分子扩散。如水及空气均25℃，这时水蒸汽在空气中的扩散系数为0.256cm/s，系统总压为3×10Pa，求水蒸汽的传质通量。(25℃时水蒸汽的饱和蒸汽压为3168Pa) 解：通过停滞的组分层的稳定分子扩散模型传质公式

NA ＝ (D/RTδ)( PA1-PA2)(P/PBm)

PB1 ＝ P - PA1 ＝ 3 × 10 – 3168 ＝ 2.683 × 10 Pa PB2 ＝ P - PA2 ＝ 3 × 10 - 1000 ＝ 2.9 × 10 Pa

PBm ＝ (PB1 ＋ PB2)/2 ＝ (2.683 ＋ 2.9) × 10/2 ＝ 2.7916 × 10 P/PBm ＝ 3 × 10 / 2.7916 × 10 ＝ 1.0747

扩散系数D ＝ 0.256 × 10 m/s，R ＝ 8314 mPa/kmolK

NA ＝ (3168 - 1000) × 1.0747 × 0.256 × 10/ (8314 × 296 × 0.4) ＝ 2.4 × 10 kmol/㎡s

答：水蒸汽的传质通量为2.4×10 kmol/m2s。

13.如图所示，左右两个大容器内分别装有浓度不同的NH3和N2两种气体的混合物。联通

管长0.61m，内径24.4mm，系统的温度为25℃，压强为101.3kPa。左侧容器内NH3

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–4-4-4

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4

4

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-423

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-7

的分压为20kPa，右侧容器内NH3的分压为6.67kPa。已知在25℃、101.3kPa的条件下NH3—N2的扩散系数为2.30×10m/s。试求单位时间内自容器1向容器2传递的NH3的量，kmol/s。 解：根据等摩尔反向分子扩散模型的传质公式

NA ＝ (D / RTδ)( PA1 - PA2)

＝ (20 - 6.67) × 2.30 × 10/ (8314 × 298 × 0.61) ＝ 2.03 × 10 kmol/㎡s 联通管截面积为A ＝ 1/4πd2

＝ 3.14 × 0.02442/4 ＝ 4.68 × 10㎡

单位时间由截面传递的NH3量为 NA ＝ 2.03 × 10 × 4.68 × 10＝ 9.05 × 10 kmol/s

答：单位时间内自容器1向容器2传递的NH3的量为9.50×10 kmol/s。

14.在20℃及101.33kN/m下，CO2与空气的混合物缓慢地沿Na2CO3溶液液面流过，空气不溶于Na2CO3溶液。CO2透过厚1mm的静

止空气层扩散到Na2CO3溶液中。气体中CO2的摩尔分率为0.2。在Na2CO3溶液面上，CO2被迅速吸收，故相界面上CO2的浓度极小，可忽略不计。CO2在空气中20℃时的扩散系数D为0.18cm/s。问CO2的扩散速率是多少？ 解：D ＝ 0.18 cm2/s ＝ 0.m2/s Z ＝ 1mm ＝ 0.001m

气相主体中溶质CO2的分压pA1 ＝ 0.2×101.33 ＝ 20.27kN/m2 界面上CO2的分压pAi ＝ 0 气相主体中惰性气体—空气的分压为:

PB1 ＝ P- PA1 ＝ 101.33-20.27 ＝ 81.06 kN/m2 界面上空气的分压为pBi ＝ 101.33 kN/m 空气在气相主体和界面上对数平均分压 PBm ＝ ( PBi-PB1)/(ln Pbi/PB1)

＝ (101.33-81.06)(ln101.33/81.06) ＝ 90.9kPa

NA ＝ (D/RTδ)( PA1-PA2)(P/PBm)

＝ 0. × 101.33 × (20.27 - 0) / 8.314 × (273 ＋ 20) × 0.001 × 90.9 ＝ 0. kmol/㎡s ＝ 0.6 kmol/㎡h

答：CO2的扩散速率是0.6kmol/m2.h。

15.用填料吸收塔逆流吸收SO2,吸收剂用清水,进料中惰性气体流量为70kmol.h，已知此吸收过程的传质单元数为6.89，气体

总体积传质系数Kya为2.5*10kmol.sm，塔径为1m，求此过程的传质单元高度及塔高。 解：由HOG ＝ V/KYaΩ得

HOG ＝ 70/（3600 × 2.5 × 10 × 12 ×π/4） ＝ 0.991 m 塔高为h ＝ NOG × HOG ＝ 6.89 × 0.991 ＝ 6.83 m 答：此过程的传质单元高度为0.991m，塔高为6.83m。

16.乙烷裂解制取乙烯，投入反应器的乙烷量为5000㎏∕h，裂解气中含未反应的乙烷量为1000㎏∕h，求乙烷的转化率。

解：乙烷的转化率 ＝ (5000 - 1000) / 5000 × 100% ＝ 80 % 答：乙烷的转化率为80%。

17.裂解温度为827℃，进裂解炉的原料气组成为%(V)：C2H6 99.3，C2H4 0.5，CH4 0.2。裂解产物组成为%(V)：

H2 35.2， C2H4 33.1， C4 0.2， CH4 3.6， C2H6 26.7， C5 0.3， C2H2 0.2， C3 0.6。

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2

2

2

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-2

体积增大率为1.54，求乙烷单程转化率。

解：设进裂解炉的原料气为100单位，原料气中乙烷为99.3，体积增大率为1.54，则裂解产物为154单位，剩余乙烷为

154×0.267，可求乙烷单程转化率为：

乙烷单程转化率＝ (99.3 – 154 × 0.267) / 99.3 × 100% ＝ 58 % 答：乙烷单程转化率为58%。

18.投入5000㎏∕h的乙烷进行裂解反应，参加反应的乙烷为3000㎏∕h，实际得到的乙烯产品为1980㎏∕h，求：乙烯的转

化率和产率。

解：乙烯转化率＝(3000∕5000)×100%＝60 %

C2H6 ＝ C2H4 ＋ H2 30/X ＝ 28/1980

求得生成目的产物所消耗的原料量为X ＝ 2121㎏∕h 则乙烯产率＝2121∕3000 × 100% ＝ 70.7 % 答：乙烯转化率为60%，乙烯产率为70.7%。

19.某乙烷炉进料量为10吨/小时(纯度为100％)，裂解单程转化率为60％，乙烯产量为4.5吨/小时，分离后将未反应的乙烷

全部返回裂解，计算乙烯收率，乙烯总质量收率。 解：乙烯收率 ＝ 4.5/10 × 100% ＝ 45 %

总质量收率 ＝ 4.5/(10 × 60%) × 100% ＝ 75 % 答：乙烯收率45％，总质量收率75％。

20.由乙烯制取二氯乙烷。反应式为C2H4＋CL2→CH2CLCH2CL，已知统入反应器的乙烯量为600㎏∕h，乙烯含量为92%(质量百分

数)，反应后得到二氯乙烷量为1700㎏∕h，并测得尾气中乙烯量为40㎏∕h。求乙烯的转化率，二氯乙烷的产率和收率。 解：乙烯的转化率＝(600× 0.92 - 40) / (600 × 0.92) × 100% ＝ 92.75 %

CL2 ＋ C2H4 → CH2CLCH2CL 28/X ＝ 99/1700

求得生成1700㎏∕h二氯乙烷所消耗的乙烯量为X ＝ 480.81㎏∕h 则二氯乙烷产率 ＝ 480.81 / (600 × 0.92 - 40) × 100% ＝ 93.91 % 二氯乙烷的收率 ＝ 480.81 / (600 × 0.92) × 100% ＝ 87.1 % 答：乙烯的转化率为92.75%，二氯乙烷的产率为93.91%，收率为87.1%。

21.某乙烯装置一天的原料投入量如下：柴油965吨，石脑油706吨，轻石脑油1073吨，一天的产品量如下：乙烯867吨，丙

烯441吨，求该装置当天的乙烯收率和双烯收率。 解：原料总投入量 ＝ 965 ＋ 706 ＋ 1073

＝ 2744 吨

乙烯收率 ＝ 867 / 2744 × 100% ＝ 31.6%

双烯收率 ＝ (867 ＋ 441) / 2744 × 100% ＝ 47.67% 答：该装置当天的乙烯收率和双烯收率分别为31.6%和47.67%。

22.某连续精馏操作中，泡点进料精馏段操作线方程如下：y ＝ 0.723x ＋ 0.263,试求操作回流比。

解：因泡点进料时，q ＝ 1，精馏段操作线方程为：yn ＋ 1 ＝ (R/R ＋ 1)xn ＋ (1/R ＋ 1)xD

则有 R/(R ＋ 1) ＝ 0.723 解得R ＝ 2.61 答：操作的回流比为2.61。

23.投入乙烷炉100㎏∕h纯度为100%的乙烷，单程转化率为60%，乙烯产量为46.4㎏∕h，分离后将未反应的乙烷全部返回进

行裂解，

求：乙烯收率，乙烯总收率，乙烯总质量收率。 解：1.根据：C2H6 → C2H4 ＋ H2

5

生成乙烯需消耗的乙烷量 ＝ 乙烯量 × 乙烷摩尔克数 / 乙烯摩尔克数

＝ 46.4 × 30 / 28 ＝ 49.71 ㎏∕h

新鲜乙烷补充量 ＝ 投入乙烷量 - 循环返回乙烷量

＝ 100 –（100 –100 × 60%） ＝ 60 ㎏∕h

2.乙烯收率 ＝ 生成乙烯需消耗的乙烷量 / 投入乙烷量 × 100%

＝ 49.71 %

3.乙烯总收率 ＝ 生成乙烯需消耗的乙烷量 / 新鲜乙烷补充量× 100%

＝ 49.71 / 60 × 100% ＝ 82.85 %

4.乙烯总质量收率 ＝ 生成乙烯量 / 新鲜乙烷补充量× 100%

＝ 46.4 / 60 × 100% ＝ 77.33 %

答：乙烯收率为49.71%，乙烯总收率为82.85%，乙烯总质量收率为77.33%。

24.在一套乙烯液相氧化制取乙醛的装置中，反应器中装有催化剂溶液25m，通入反应器的乙烯量为6945.7㎏/h，在温度为393～

403K和压力在290～340Kpa下进行操作。反应后得到产品乙醛量为3747㎏/h，尾气中含乙烯量为4525.5㎏/h，问催化剂的性能(催化剂的活性和选择性)和生产能力如何？ 解：1.根据：O2 ＋ 2C2H4 → 2CH3CHO

生成乙醛需消耗的乙烯量 ＝ 乙醛量 × 乙烯摩尔克数 / 乙醛摩尔克数

＝ 3747 × 28 / 44 ＝ 2384.45 ㎏/h

2.选择性 ＝ 生成乙醛消耗的乙烯量/乙烯总的消耗量

＝ 2384.5 /（6945.7 -4522.5）× 100% ＝ 98.40 %

3.活性 ＝ 原料乙烯转化率

＝ （6945.7 – 4522.5）/ 6945.7 × 100% ＝ 34.89 %

4.催化剂的生产能力 ＝ 生产的乙醛量 /（催化剂容积 × 时间）

＝ 3747/25 ＝ 149.88 ㎏/ m3h

答：催化剂的活性、选择性和生产能力分别为34.89 %、98.40 %、149.88 ㎏/ m3h

25.某连续精馏操作中，泡点进料操作线方程如下：精馏段Y ＝ 0.723X ＋ 0.263,提馏段 Y ＝ 1.25X-0.0187,试求馏出液及

残液组成。

解：精馏段操作线方程为：yn ＋ 1 ＝ (R/R ＋ 1)xn ＋ (1/R ＋ 1)xD

则有 R/(R ＋ 1) ＝ 0.723 1/(R ＋ 1) ＝ 0.263 解得 R ＝ 2.61, xD ＝ 0.949

因泡点进料时，q ＝ 1，提馏段操作线方程为：y ＝ [R ＋ (F/D)/R ＋ 1]x-[(F/D)-1/R ＋ 1]xW 则有[R ＋ (F/D)]/(R ＋ 1) ＝ 1.25, {[(F/D)-1]/(R ＋ 1)}xW ＝ 0.0187 解得, xW ＝ 0.075

答：馏出液及残液组成分别为0.949、0.075。

26.某装置4月份处理原料25200吨，生产乙烯产品6300吨，消耗的能源种类、数量和生产该种能源所消耗的能耗见下表，请

计算该装置处理每吨原料的能耗和生产每吨乙烯产品的能耗。 能源名称 消耗数量 3

HS蒸汽 4741t MS蒸汽 12942t 循环水 t 氮气 30484Nm3 仪表风 42828 Nm3 电 kwh 生产该种能源所消耗的能耗 88 标油/吨 76kg 标油/吨 0.1kg 标油/吨 0.15kg 标油/Nm3 0.15kg 标油/Nm3 0.2828kg 标油/kwh 解：W总 ＝ WHS ＋ WMS ＋ W循环水＋ W氮气＋ W仪表风＋ W电

＝ 4741 × 88 ＋ 12942 × 76 ＋ × 0.1 ＋ 30484×0.15 ＋ 42828×0.15 ＋×0.2828 ＝ .8kg标油

处理每吨原料的能耗 ＝ W总 / 处理原料量

＝ .8 / 25200 ＝ 61.50 kg标油/吨

生产每吨乙烯产品的能耗 ＝ W总 / 乙烯产量

＝ .8 / 6300 ＝ 246.02 kg标油/吨

答：处理每吨原料能耗为61. 50公斤标油，生产每吨乙烯产品的能耗为246. 02公斤标油。

27.某碳二加氢反应器，进料量为60000m/h，其中氢气含量为0.7%(体积比)，出口物料中氢气为0.1%(体积比)，副反应消耗的

氢气为200 m/h，反应前后体积变化忽略，试求该催化剂的选择性。 解：选择性 ＝ 生成目的产物所消耗的氢气量/参加反应的氢气量×100%

＝ [ 60000 ×(0.7% - 0.1%) – 200 ] / 60000 ×(0.7% - 0.1%) × 100% ＝ 44.44%

答：该催化剂的选择性为44.44%。

28.某碳二加氢反应器中，乙炔加氢生成乙烯400mol/h，乙炔加氢生成乙烷为50mol/h，乙烯加氢生成乙烷而损失的乙烯为

20mol/h，生成绿油量不计，反应氢气过量，出口氢气含量为30mol/h，出口乙炔忽略不计，试求该催化剂的选择性。 解：氢气消耗 ＝ 乙炔生成乙烯消耗 ＋ 乙炔生成乙烷消耗 ＋ 乙烯生成乙烷消耗

＝ 400 × 1 ＋ 50 × 2 ＋ 20 × 1 ＝ 520 mol/h

选择性 ＝ 生成目的产物所消耗的氢气量/参加反应的氢气量×100%

＝ 400 / 520 × 100% ＝ 76.92 %

答: 该催化剂的选择性为76.92%。

29.某碳二加氢反应器中，乙炔加氢生成乙烯400mol/h，乙炔加氢生成乙烷为50mol/h，乙烯加氢生成乙烷而损失的乙烯为

20mol/h，生成绿油量不计，反应氢气过量，出口氢气含量为30mol/h，出口乙炔忽略不计，试求该催化剂的活性。 解：氢气消耗 ＝ 乙炔生成乙烯消耗 ＋ 乙炔生成乙烷消耗 ＋ 乙烯生成乙烷消耗

＝ 400 × 1 ＋ 50 × 2 ＋ 20 × 1 ＝ 520 mol/h

活性 ＝ 参加反应的氢气量/进入反应器的氢气量×100%

＝ 520 / (520 ＋ 30) × 100% ＝ 94.55%

答：该催化剂的活性是94.55%

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