分離工程課后習(xí)題答案

1、V , yi ,T v , Pv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(jì)算： =RTC/M，式中 C 為溶解鹽的濃度， g/cm3； M 為離子狀態(tài)的各種溶劑的平均分子量。若從含鹽 0.035 g/cm3 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 8.3142980.035/31.5=

2、2.753kPa。所以反滲透膜兩側(cè)的最小壓差應(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(jiǎn)圖中。求：（ 1） 總變更量數(shù) Nv;（ 2） 有關(guān)變更量的獨(dú)立方程數(shù) Nc；（ 3） 設(shè)計(jì)變量數(shù) Ni;（ 4） 固定和可調(diào)設(shè)計(jì)變量數(shù) Nx , Na；（ 5） 對(duì)典型的絕熱閃蒸過程，你 將推薦規(guī)定哪些變量？ FziTF 思路 1： PF 3股物流均視為單相物流， 總變量數(shù) Nv=3（C+2）=3c+6 獨(dú)立方程數(shù) Nc 物料衡算式 C個(gè) 熱量衡算式 1個(gè)相平衡組成關(guān)系式 C個(gè)1個(gè)平衡溫度等式1個(gè)平衡壓力等式 共2C+3個(gè) 故設(shè)計(jì)變量 Ni=Nv-Ni=3C+6-（2C+3）

3、=C+3 固定設(shè)計(jì)變量 Nx C+2,加上節(jié)流后的壓力，共 C+3個(gè) 可調(diào)設(shè)計(jì)變量 Na 0解：1) Nv = 3 ( c+2 )L , xi , TL , PL2) Nc 物1) 設(shè)計(jì)變更量數(shù)是多少？塔頂產(chǎn)物2) 如果有，請(qǐng)指出哪些附加變進(jìn)料，227K，2068kPa量需要規(guī)定？解： Nxu 進(jìn)料c+2壓力9c+11=7+11=18Nau 串級(jí)單元 12 1 2 3 4 5 分NCCCCCK mol/h1.054.467.6141.154.756.033.3能相 內(nèi)在(P，T)Nc = 2c+33) Ni = Nv Nc = c+34)Nxu =( c+2 )+1 = c+35)Nau =c

4、+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(dú)立方程數(shù) Nc：物料衡算式 C個(gè) ，熱量衡算式 1個(gè) ,共 C+1個(gè) 設(shè)計(jì)變量數(shù) Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3固定設(shè)計(jì)變量 Nx: 有 C+2個(gè)加上節(jié)流后的壓力共 C+3個(gè) 可調(diào)設(shè)計(jì)變量 Na：有 011.滿足下列要求而設(shè)計(jì)再沸汽提塔見附圖，求： 4.一液體混合物的組成為：苯 0.50；甲苯 0.25；對(duì)二甲苯 0.25(摩爾分率 )。分別 用平衡常數(shù)法和相對(duì)揮發(fā)度法計(jì)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。傳熱合計(jì) 2NVU = Nxu+Na

5、u = 20 附加變量：總理論板數(shù)。習(xí)題6附圖塔底產(chǎn)物16.采用單個(gè)精餾塔分離一個(gè)三組分混合物為三個(gè)產(chǎn)品(見附圖 ),試問圖中所注設(shè)計(jì)變量能否使問題有唯一解 ?如果不,你認(rèn)為還應(yīng)規(guī)定哪個(gè) (些)設(shè)計(jì)變量 ?解 :NXU進(jìn)料 c+2Nau壓力 40+1+1c+44 = 473+1+1+2 = 7Nvu = 54設(shè)計(jì)變量：回流比，餾出液流率第二章解 1 ：(1)平衡常數(shù)法：設(shè) T=368K 用安托尼公式得：s s sP1s 156.24k Pa ； P2s 63.28kPa ； P3s 26.88kPa由式(2-36)得：K11.562 ；K20.633； K30.269y10.781 ； y20

6、.158； y30.067； yi1.006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 1.5 53 可得 T 367.78K1yi重復(fù)上述步驟：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(shí)，存在與之平衡的汽相，組成為：苯 0.7765、 甲苯 0.1511、對(duì)二甲苯 0.066675。(2)用相對(duì)揮發(fā)度法：設(shè)溫度為 368K，取對(duì)二甲苯為相對(duì)組分。計(jì)算相對(duì)揮發(fā)度的：13 5. 807 ； 23

7、 2.353 ； 33 1.000組分 i苯(1)甲苯(2)對(duì)二甲苯 (3)0.500.250.251.0005.8072.3531.0002.90350.58830.25003.74180.77600.15720.06681.0000解 2 ：(1)平衡常數(shù)法。假設(shè)為完全理想系。設(shè) t=95苯：K1 P1s P 1.569 105101.569； KP2 P 0.6358ln P2 11.05 ；P2s 6.281 104 Pa13 5.80723 2.353 33 1苯：甲苯：ln P1s 20.7936 2788.5 /(95 273.15 52.36) 11.96 ；甲苯：ln P2s

8、 20.9065 3096.52/(95 273.15 53.67) 11.06 ；對(duì)二甲苯： ln P3s 20 .9891 3346 .65 /( 95 273 .15 57 .84 ) 10 .204 ；選苯為參考組分： K12 1.5691.011 1.552 ；解得 T2=94.61s s 4ln P3s 10.19 ；P3s 2.6654 104 PaK2 =0.6281K3 =0.2665故泡點(diǎn)溫度為 94.61，且 y1 1.552 0.5 0.776；y2 0.6281 0.25 0.157 ； y3 0.2665 0.25 0.067(2)相對(duì)揮發(fā)度法設(shè) t=95，同上求得

9、 K1=1.569， K 2 =0.6358， K 3 =0.270211.組成為 60%(mol)苯， 25%甲苯和 15%對(duì)二甲苯的 100kmol 液體混合物，在101.3kPa和 100下閃蒸。試計(jì)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(jì)算蒸氣壓。解：在 373K 下ln P1S 20.7936 2788.51 T 52.36 P1S 179.315kPaln P2S 20.9065 3096.52 T 53.67 P2S 73.834kPa對(duì)二甲苯： ln P3S 20.981 3346.65 T 57.84 P3S 31.895kPa故泡點(diǎn)溫度為 95，且

10、 y1 5.807 0.5 0.776 ；1 3.74計(jì)算混合組分的泡點(diǎn) TB TB=364.076K 計(jì)算混合組分的露點(diǎn) TD TD=377.83K12.用圖中所示系統(tǒng)冷卻反應(yīng)器出來的物料，并此時(shí)： x1=0.38，x2=0.3135，x3=0.3074，L=74.77kmol；y1=0.6726，y2=0.2285，y3=0.0968，V=25.23kmol。從較重?zé)N中分離輕質(zhì)氣體。計(jì)算離開閃蒸罐的蒸汽組成和流率。從反應(yīng)器出來的物料溫度811K，組成如下表。閃蒸罐操作條件下各組分 的 K 值：氫 -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

11、為 4?？傔M(jìn)料量為 F=460kmol/h，z1 0.4348， z2 0.4348， z3 0.1087 ， z4 0.0217又 K1=80，K2=10， K3=0.01， K4=0.004由式 (2-72)試差可得： =0.87， 由式(2-68)計(jì)算得：y1=0.4988 ， y2=0.4924 ， y3=0.008 ， y4=0.0008 ；V=400.2mol/h。14.在 101.3kPa下，對(duì)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(diǎn)和露點(diǎn)溫度將此混合物在 101.3kPa 下進(jìn)行閃蒸，使進(jìn)料的 50%汽化。求閃蒸溫度， 兩相的組成。解：因?yàn)?/p>

12、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(diǎn)溫度計(jì)算得： TB=86。露點(diǎn)溫度計(jì)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(jì)算得：氫200甲烷200苯50甲苯10組分 流率， mol/hxC6=0.308，xC7=0.266，xC8=0.426yC6=0.591，yC7=0.234，yC8=0.175=(1x1)2( 0. 836

13、5) 1. 2852 2 x1 (1 x2) 1. 285228. 9665 0. 06788( 1 x1) 0. 06788 x 1 2=(1x 1)2 1. 3817(1. 2852 0. 2852 x1)20. 60861 0. 93212 x1)2ln 1-ln 2 =lnPSPP12S =ln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)的 NRTL 參數(shù)為： 12 =8.9665J/mol，12 =-0.83665J/mo

14、l， 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 P1S20. 8660 2696 . 79(T 46 . 16)甲醇：ln P2S23. 4803 3626. 55(T 34. 29)解：設(shè) T 為 53.5則ln P120. 8660 2696. 79(326 . 65 46. 16)P1S =76990.1 P2S =64595.6由 Gijexp (ij ij )， ij = jiG12exp (12 12)=exp ( 0. 3 8. 9665 )=0.06788G21exp (21 21)= exp (0. 3 0. 8365 )=1.

15、28522 8. 9665 0. 06788 2 0. 8365 1. 285221(1 x1 0. 06788 x 1)2 x1 1. 2852(1 x1)22 0. 04131 1. 075071(1 0.93212x1)2 (1. 2852 0. 2852 x 1)276990 . 1=0.175564595 . 6求得 x 1 =0.32 1 =1.2092 2 =0.8971=0. 32 76990. 1 1. 2092 0.68 64595. 6 0. 8971P1Sln 1 -ln 2=ln 1S =ln95721 . 984599 . 9=0.1235ln 1 -ln 2=ln

16、P1SP2S=ln83815 . 271759 . 3=0.1553Sln P2S 16.35264050T(P：kPa：T：K)ln P1S16.0 82 640503 5 0；P1S=91.0284 kPaln P2S16.3 5 2 640503 5 0；P2S=119.2439 kPa=69195.98Pa 101.3kPa設(shè) T 為 60則ln P1S20. 8660 2696 . 79(333 . 15 46. 16)P1S =95721.9 P2S =84599.9設(shè) T 為 56則ln P1S20. 86602696 . 79(329 . 15 46. 16)P1S =8381

17、5.2 P2S =71759.3當(dāng)ln 1-ln 2 =0.1553時(shí)求得 x1 =0.301 =1.1099 2 =0.9500=0. 30 83815. 2 1. 1099 0. 70 71759 . 3 0. 9500=75627.8Pa 101.3kPa14.某 1、2 兩組分構(gòu)成二元系，活度系數(shù)方程為 ln 1 Ax2，ln 2 Ax1 ，端 值常數(shù)與溫度的關(guān)系： A=1.7884-4.25 10-3T (T， K)S 4050ln P1S 16.0826蒸汽壓方程為 T假設(shè)汽相是理想氣體，試問 99.75Kpa時(shí)系統(tǒng)是否形成共沸物？共沸溫度是多少？解：設(shè) T為350K則 A=1.7

18、884-4.25 10-3 350=1.7884-1.4875=0.3009因?yàn)樵诤惴悬c(diǎn)解得： x 1 =0.9487x2 =0.05132ln 1 0.3009 0.05132 ； 1 =1.00082ln 2 0.3009 0.94872 ； 2 =1.3110 x P SP= i xiPi =1.0008 0.9487 91.0284+1.3110 0.0513 119.2439=95.0692 99.75 kPa設(shè) T 為 340K則 A=1.7884-4.25 10-3 340=0.3434lnP1S 16.0826 4304500 ；P1 =64.7695 kPaln P2S 16

19、.3526 4050340 ；P2 =84.8458 kPaPSln 1S A（1 2x1） 由ln P2S A（1 2x1）ln 64.7695 0.343（4 1 2x1）84.8458 1解得： x 1 =0.8931x2 =1-0.8931=0.1069ln 1 0.3434 0.10692 ； 1 =1.0039ln 2 0.3434 0.89312 ； 2 =1.3151x PSP= i xiPi =1.0039 0.8931 64.7695+1.3151 0.1069 84.8458=69.9992 99.75 kPa設(shè) T 為 352K-3則 A=1.7884-4.25 10-

20、3 352=0.2924S4050ln P1S 16.08261352 ；P1 =97.2143 kPaln P2S 16.3526 4305520 ；P2 =127.3473 kPa1P1S 1 1 P2S12 S 1 S 由 122P2S得 2 P1Sx1 =0.9617x 2 =1-0.9617=0.03832 ，且 P P1S , P2S ，由ln PP12S A（1 2x1）；ln19277.23144733 0.292（41 2x1）2ln 1 0.2924 0.03832 ； 1 =1.00042ln 2 0.2924 0.96172 ； 2 =1.3105x PSP= i xi

21、Pi =1.0004 0.9617 97.2143+1.3105 0.0383 127.3473=99.9202 99.75 kPa說明系統(tǒng)形成共沸物，其共沸溫度為 352K。99.13 1.3175.6738 ，而 1 =1.313， 2 =1.002故形成最低沸點(diǎn)恒沸物，恒沸物溫度為 344.5K。第四章1.某原料氣組成如下：組分CH4 C2H6 C3H8 i-C 4H10 n-C4H10 i-C 5H 12 n-C5H12 n-C6H14y0(摩爾分率 ) 0.765 0.045 0.035 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

22、塔吸收塔中進(jìn)行吸收，平均吸收溫 度為 38，壓力為 1.013Mpa，如果要求將 i-C4H10 回收 90%。試求： (1) 為完成此吸收任務(wù)所需的最小液氣比。(2) 操作液氣比為組小液氣比的 1.1 倍時(shí)，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(jì)算：在最小液氣比下 N= ，A 關(guān)= 關(guān)判斷1( LV )minK關(guān) A關(guān) =0.56 0.85=0.476(2)理論板數(shù)的計(jì)算：(3)尾氣的數(shù)量和組成計(jì)算：AiVKLi非關(guān)鍵組分的i吸收率AiN 1AAiN 11被吸收的量為i ，塔頂尾氣數(shù)量 vN 1 (1 i )

23、vi組分Kmol/hKiCH476.517.40.033 0.032 2.52473.980.920C2H64.53.750.152 0.152 0.6843.8160.047C3H83.51.30.439 0.436 1.5261.9740.025i-C 4H102.50.561.020.852.1250.3750.0047n-C4H104.50.41.428 0.954.2750.2250.0028i-C 5H121.50.183.171.001.5000.00.0n-C5H122.50.1443.971.002.5000.00.0n-C6H144.50.05610.21.004.5000.00.0合計(jì)100.0-19.810 80.190(4)塔底的吸收量 L N塔內(nèi)氣體平均流率：v 100 80.37 90.185Kmol/h塔內(nèi)液體平均流率：L均 L0 2LN （VL）V均 0.5712 90.185 51.514而VN 1 L0 V1 LN，即 100+ L0 =80.37+ L N聯(lián)立求解得 LN =61.33Kmol/h. L0 =41.70Kmol/h解 2：由題意知， i-C4H10 為關(guān)鍵組分 由 P=1.013Mpa， t 平 =