化工分離過程課后參考答案劉家祺

1、習(xí)題分離工程第一章1. 列出 5種使用 ESA和 5種使用 MSA的分離操作。答：屬于 ESA分離操作的有精餾、萃取精餾、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精餾。屬于 MSA分離操作的有萃取精餾、液 -液萃取、液 -液萃?。p溶劑）、吸收、吸附 5. 海水的滲透壓由下式近似計算： =RTC/M，式中 C為溶解鹽的濃度， g/cm3；M為離子狀3態(tài)的各種溶劑的平均分子量。若從含鹽 0.035g/cm 3的海水中制取純水， M=31.5，操作溫度 為 298K。問反滲透膜兩側(cè)的最小壓差應(yīng)為多少 kPa答：滲透壓 =RTC/M 8.314 2980.035/31.5=2.753kPa 。所以反滲透膜兩側(cè)的最小

2、壓差應(yīng)為 2.753kPa 。9. 假定有一絕熱平衡閃蒸過程，所有變量表示在所附簡圖中。求：1） 總變更量數(shù) Nv;2） 有關(guān)變更量的獨立方程數(shù) Nc；（ 3） 設(shè)計變量數(shù) Ni;（ 4） 固定和可調(diào)設(shè)計變量數(shù)V , yi ,Tv , PvNx,Na；將推薦習(xí)題 5附圖L , xi , TL , PL（ 5） 對典型的絕熱閃蒸過程，你規(guī)定哪些變量？思路1：3股物流均視為單相物流，總變量數(shù) Nv=3（C+2）=3c+6獨立方程數(shù) Nc物料衡算式 C個熱量衡算式 1個相平衡組成關(guān)系式 C個1個平衡溫度等式1個平衡壓力等式共 2C+3個故設(shè)計變量 Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3固定

3、設(shè)計變量 Nx C+2,加上節(jié)流后的壓力，共 C+3個可調(diào)設(shè)計變量 Na 0解：（ 1） Nv=3（c+2）（2）Nc 物 c 能1 相c 內(nèi)在（P，T）2Nc=2c+33)Ni=Nv Nc=c+3( 4) Nxu=(c+2)+1=c+3( 5) Nau=c+3(c+3)=0思路2：輸出的兩股物流看成是相平衡物流，所以總變量數(shù) Nv=2(C+2)獨立方程數(shù) Nc：物料衡算式 C個，熱量衡算式 1個, 共C+1個 設(shè)計變量數(shù) Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3固定設(shè)計變量 Nx: 有C+2個加上節(jié)流后的壓力共 C+3個可調(diào)設(shè)計變量 Na：有 011.滿足下列要求而設(shè)計再沸汽提塔見附圖

4、，求：( 1) 設(shè)計變更量數(shù)是多少？( 2) 如果有，請指出哪些附加變規(guī)定？解： Nxu進料 c+2壓力 9c+11=7+11=18Nau 串級單元 1塔頂產(chǎn)物進料，量需要習(xí)題6附圖傳熱 1合計 2U u uNVU=Nxu+Nau=20附加變量：總理論板數(shù)。16. 采用單個精餾塔分離一個三組分混合物為三個產(chǎn)品 （ 見附圖 ）, 試問圖中所注設(shè)計變量能 否使問題有唯一解如果不 , 你認為還應(yīng)規(guī)定哪個 （ 些） 設(shè)計變量 解 :NXU進料 c+2壓力 40+1+1 c+44=47Nau3+1+1+2=7Nvu=54設(shè)計變量：回流比，餾出液流率4. 一液體混合物的組成為：苯 0.50 ；甲苯 0.2

5、5 ；對二甲苯 0.25（ 摩爾分率 ） 。分別用平衡 常數(shù)法和相對揮發(fā)度法計算該物系在 100kPa式的平衡溫度和汽相組成。 假設(shè)為完全理想系解 1 ：（1）平衡常數(shù)法：設(shè) T=368K用安托尼公式得：P1s 156.24kPa ； P2s 63.28kPa ； P3s 26.88kPa由式 （2-36） 得：K1 1.562； K2 0.633； K3 0.269y1 0.781； y2 0.158； y3 0.067 ； yi 1.006由于 yi 1.001 ，表明所設(shè)溫度偏高。由題意知液相中含量最大的是苯，由式 (2-62) 得：KK11 1.553可得 T 367.78Kyi重復(fù)上

6、述步驟：K1 1.553 ； K2 0.6284 ； K3 0.2667y1 0.7765 ； y2 0.1511 ； y3 0.066675 ； yi 1.0003在溫度為 367.78K 時，存在與之平衡的汽相，組成為：苯 0.7765 、甲苯 0.1511 、對 二甲苯 0.066675 。(2)用相對揮發(fā)度法：設(shè)溫度為 368K，取對二甲苯為相對組分。計算相對揮發(fā)度的：13 5.807 ； 23 2.353 ； 33 1.000組分 i苯(1)甲苯(2)對二甲苯(3)0.500.250.251.000ln P2s 11.05 ；P2s 6.281 104 Pasln P3s 10.19

7、 ；s4P3s 2.6654 104 PaK2 =0.6281K3 =0.2665故泡點溫度為 94.61 ，且 y1 1.552 0.5 0.776；5.8072.3531.0002.90350.58830.25003.74180.77600.15720.06681.0000解 2 ：(1) 平衡常數(shù)法。假設(shè)為完全理想系。設(shè) t=95 苯： ln P1s 20.7936 2788.5 /(95 273.15 52.36) 11.96；甲苯：ln P2s 20.9065 3096.52 /(95 273.15 53.67) 11.06 ；對二甲苯： ln P3s 20.9891 3346 .6

8、5 /(95 273.15 57 .84 ) 10.204 ；選苯為參考組分： K12 1.5691.011 1.552 ；解得 T2=94.6113 5.807 ， 23 2.353 ，33y22.353 0.253.740.157y31 0.253.740.067y2 0.6281 0.25 0.157 ； y3 0.2665 0.25 0.067(2) 相對揮發(fā)度法設(shè) t=95，同上求得 K1=1.569， K 2 =0.6358 ， K 3 =0.2702故泡點溫度為 95，且 y1 5.8037.740.5 0.776；11.組成為 60%(mol)苯，25%甲苯和 15%對二甲苯的

9、 100kmol液體混合物，在 101.3kPa 和 100下閃蒸。試計算液體和氣體產(chǎn)物的量和組成。假設(shè)該物系為理想溶液。用安托尼方程 計算蒸氣壓。解：在 373K 下苯： ln P1S 20.7936 2788.51 T 52.36 P1S 179.315kPa甲苯： ln P2S 20.9065 3096.52 T 53.67 P2S 73.834kPa對二甲苯： ln P3S 20.981 3346.65 T 57.84 P3S 31.895kPa計算混合組分的泡點 TBTB=364.076K計算混合組分的露點 TDTD=377.83K此時： x1=0.38，x2=0.3135，x3=0

10、.3074，L=74.77kmol；y1=0.6726，y2=0.2285，y3=0.0968，V=25.23kmol。12. 用圖中所示系統(tǒng)冷卻反應(yīng)器出來的物料， 并 較重?zé)N中分離輕質(zhì)氣體。計算離開閃蒸罐的蒸 組成和流率。從反應(yīng)器出來的物料溫度 811K， 成如下表。閃蒸罐操作條件下各組分的 K 值： -80 ；甲烷-10 ；苯-0.01 ；甲苯-0.004解：以氫為 1，甲烷為 2，苯為 3，甲苯為 4總進料量為 F=460kmol/h ，組分流率，mol/hz1 0.4348， z2 0.4348， z3 0.1087 ， z4 0.0217氫200又 K1=80，K2=10，K3=0.

11、01， K4=0.004甲烷200由式 (2-72) 試差可得： =0.87 ，由式 (2-68) 計算得：苯50y1=0.4988 ，y2=0.4924 ， y3=0.008 ，y4=0.0008 ； V=400.2mol/h 。甲苯1014.在 101.3kPa 下，對組成為 45%(摩爾)正己烷， 25%正庚烷及 30%正 辛烷的混合物。求泡點和露點溫度將此混合物在 101.3kPa 下進行閃蒸，使進料的 50%汽化。求閃蒸溫度，兩相的組成 解：因為各組分都是烷烴，所以汽、液相均可看成理想溶液，KI 只取決于溫度和壓力，可使用烴類的 P-T-K 圖。泡點溫度計算得： TB=86。露點溫度

12、計算得： TD=100由式(2-76) 求 T的初值為 93，查圖求 KI組分正己烷 正庚烷 正辛烷zi0.450.250.30Ki1.920.880.410.2836-0.0319-0.2511所以閃蒸溫度為 93。由式 (2-77) 、(2-68) 計算得：xC6=0.308 ， xC7=0.266 ，xC8=0.426yC6=0.591 ， yC7=0.234 ，yC8=0.175所以液相中含正己烷 30.8%，正庚烷 26.6%，正辛烷 42.6%；汽相中含正己烷 59.1%，正庚烷 23.4%，正辛烷 17.5%。第三章12.在 101.3Kpa壓力下氯仿 (1)- 甲醇(2) 系統(tǒng)

13、的 NRTL參數(shù)為： 12 =8.9665J/mol ，=-0.83665J/mol ， 12 =0.3 。試確定共沸溫度和共沸組成。安托尼方程 (PS ：Pa；T：K) 氯仿：ln P1S 20. 8660 2696. 79（T 46. 16）則 ln P1S甲醇：ln P2523. 4803 3626. 55(T 34 . 29)解：設(shè) T為 53.520 . 8660 2696. 79(326 . 65 46 . 16)P1S =76990.1 P2S =64595.65P1S76990 . 12=ln 1S =ln=0.17552P2S64595 . 62=x10. 8365 1. 2

14、852x1)22=x10. 041311. 075071 0. 93212 x1)21. 28520. 2852 x 1)28. 9665 0. 06788 21 x1 0. 06788 x1)2 x1 1. 2852(1由Gijexpij ij )，ij jiG12exp12 12)=exp0. 38. 9665 )=0.06788G21exp2121)=exp0. 30. 8365 )=1.2852=(1x1)2x121. 285228. 9665 0. 067881 x2) 1. 28522 ( 1 x1) 0. 06788x120. 8365)=(11. 3817x 1)221 (1.

15、 2852 0. 2852 x 1)20. 608621 0. 93212 x 1)2ln1- ln=0. 32 76990. 1 1. 2092 0.68 64595. 6 0. 8971求得 x1 =0.321 =1.2092 2 =0.8971ln1 - ln2 =lnP1SP2S=ln95721 . 984599 . 9=0.123522Ax2 ，ln 2 Ax1 ，端值常數(shù)與溫=69195.98Pa 101.3kPa設(shè) T為 60則ln P1S20 . 86602696 . 79(333 . 15 46.16)P1S =95721.9 P2S =84599.9設(shè) T為 56則ln P

16、1S20 . 86602696 . 79(329 . 15 46.16)P1S =83815.2 P2S =71759.3P1S83815 .2=0.1553ln 1 - ln 2 =lnS =lnP271759 .3當ln 1-ln 2 =0.1553 時求得x 1 =0.30 1 =1.1099 2 =0.9500=0.3083815 . 2 1. 1099 0.70 71759 . 3 0. 9500=75627.8Pa 101.3kPa 14.某 1、2 兩組分構(gòu)成二元系，活度系數(shù)方程為 ln 1-3度的關(guān)系： A=1.7884-4.25 10-3T(T， K)蒸汽壓方程為ln P1S

17、 16.0826 4050則 A=1.7884-4.25Sln P1S 16.08264050350 ；P1 =91.0284kPaln P2S16.35264050350 ；P2 =119.2439kPa12由1P1S2P2S得2PP12SS解得：x1 =0.9487x2 =0.0513ln 1 0.3009 0.051321 =1.0008ln 2 0.3009 0.948722 =1.3110P=i xi Pi S=1.0008 0.948791.0284+1.31100.0513 119.2439S4050ln P2S16.3526T （P：kPa： T： K）假設(shè)汽相是理想氣體，試問

18、 99.75Kpa時系統(tǒng)是否形成共沸物？共沸溫度是多少？解：設(shè) T為350K-310-3 350=1.7884-1.4875=0.3009因為在恒沸點=95.0692 99.75kPa設(shè) T為 340K-3則 A=1.7884-4.25 10-3 340=0.3434解得： x1 =0.8931x2 =1-0.8931=0.1069ln 1 0.3434 0.106921 =1.00392ln 2 0.3434 0.893122 =1.3151P=i xi PiS=1.0039 0.893164.7695+1.31510.106984.8458ln P1SSP2SA（1 2x1）由ln PP1

19、2S A（1 2x1）；ln 6844.87469585 0.343（41 2x1）=69.9992 99.75kPa設(shè) T為 352K則 A=1.7884-4.25 10-3 352=0.2924S 4050ln P1S 16.0826S352 ； P1 =97.2143kPaS4050ln P2S 16.3526S2352 ； P2 =127.3473kPaln P1S16.08264050340 ；SP1 =64.7695kPaS ln P2S 16.35264050340 ；P2 =84.8458kPa97.2143ln 97.2143 0.2924（1 2x1）127.3473 1x

20、1 =0.9617x2 =1-0.9617=0.03831.31，而1 =1.313 ，2 =1.002組分CH4 C2H6C3H8 i-C 4H10n-C4H10 i-C 5H12 n-C5H12 n-C6H14ln21 0.2924 0.0383 ； 1 =1.0004ln 220.2924 0.96172 ； 2 =1.3105P=i xi Pi =1.0004 0.9617 97.2143+1.3105 0.0383 127.3473=99.9202 99.75kPa說明系統(tǒng)形成共沸物，其共沸溫度為 352K。故形成最低沸點恒沸物，恒沸物溫度為 344.5K第四章1. 某原料氣組成如下

21、：y0(摩爾分率 )0.765 0.0450.035 0.025 0.045 0.015 0.025 0.045 先擬用不揮發(fā)的烴類液體為吸收劑在板式塔吸收塔中進行吸收， 平均吸收溫度為 38，壓力為 1.013Mpa，如果要求將 i-C 4H10回收 90%。試求：(1) 為完成此吸收任務(wù)所需的最小液氣比。判斷99.1375.6738(2) 操作液氣比為組小液氣比的 1.1 倍時，為完成此吸收任務(wù)所需理論板數(shù)(3)各組分的吸收分率和離塔尾氣的組成(4)求塔底的吸收液量解： (1) 最小液氣比的計算： 在最小液氣比下 N=， A關(guān)= 關(guān)( LV )minK關(guān) A關(guān) =0.56 0.85=0.4

22、76(2) 理論板數(shù)的計算：操作液氣比 LV 1.2( L V )min =1.2 0.476=0.5712(3)尾氣的數(shù)量和組成計算：AiN 2AAiN 112吸收率Ai非關(guān)鍵組分的LVKi塔頂組成被吸收的量為 vN 1 i ，塔頂尾氣數(shù)量 vN 1 (1 i ) vi按上述各式計算，將結(jié)果列于下表組分Kmol/hKiCH476.517.40.030.032.52473.980.92032C2H64.53.750.150.150.6843.8160.04722C3H83.51.30.430.431.5261.9740.02596i-C 4H102.50.561.020.852.1250.37

23、50.0047n-C4H104.50.41.420.954.2750.2250.00288i-C 5H121.50.183.171.001.5000.00.0n-C5H122.50.143.971.002.5000.00.04n-C6H144.50.0510.21.004.5000.00.06合計100.0-19.8180.1900(4)塔底的吸收量 LN100 80.37塔內(nèi)氣體平均流率：90.185Kmol/h(3) 它組分吸收率公式 AiN1AiN 1AN1AiN 11L均 L0 LN （ L）V均 0.5712 90.185 51.514塔內(nèi)液體平均流率：均 2 V 均而VN 1 L0 V1 LN ，即 100+L 0 =80