分离工程课后习题答案.docx
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分离工程课后习题答案
第一章
1.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。
答:
属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。
属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取(双溶剂)、吸收、吸附。
5.海水的渗透压由下式近似计算:
π=RTC/M,式中C为溶解盐的浓度,g/cm3;M为离子状态的各种溶剂的平均分子量。
若从含盐0.035g/cm3的海水中制取纯水,M=,操作温度为298K。
问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa?
答:
渗透压π=RTC/M=×298×=。
所以反渗透膜两侧的最小压差应为。
9.假定有一绝热平衡闪蒸过程,所有变量表示在所附简图中。
求:
(1)总变更量数Nv;
(2)有关变更量的独立方程数Nc;
(3)设计变量数Ni;
(4)固定和可调设计变量数Nx,Na;
(5)对典型的绝热闪蒸过程,你将推荐规定哪些变量?
思路1:
3股物流均视为单相物流,
总变量数Nv=3(C+2)=3c+6
独立方程数Nc
物料衡算式C个
热量衡算式1个
相平衡组成关系式C个
1个平衡温度等式
1个平衡压力等式共2C+3个
故设计变量Ni
=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3
固定设计变量Nx=C+2,加上节流后的压力,共C+3个
可调设计变量Na=0
解:
(1)Nv=3(c+2)
(2)Nc物c
能1
相c
内在(P,T)2
Nc=2c+3
(3)Ni=Nv–Nc=c+3
(4)Nxu=(c+2)+1=c+3
(5)Nau=c+3–(c+3)=0
思路2:
输出的两股物流看成是相平衡物流,所以总变量数Nv=2(C+2)
独立方程数Nc:
物料衡算式C个,热量衡算式1个,共C+1个
设计变量数Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3
固定设计变量Nx:
有C+2个加上节流后的压力共C+3个
可调设计变量Na:
有0
11.满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图,求:
(1)设计变更量数是多少?
(2)如果有,请指出哪些附加变量需要规定?
解:
Nxu进料c+2
压力9
c+11=7+11=18
Nau串级单元1
传热1
合计2
NVU=Nxu+Nau=20
附加变量:
总理论板数。
16.采用单个精馏塔分离一个三组分混合物为三个产品(见附图),试问图中所注设计变量能否使问题有唯一解?
如果不,你认为还应规定哪个(些)设计变量?
解:
NXU进料c+2
压力40+1+1
c+44=47
Nau3+1+1+2=7
Nvu=54
设计变量:
回流比,馏出液流率。
第二章
4.一液体混合物的组成为:
苯;甲苯;对二甲苯(摩尔分率)。
分别用平衡常数法和相对挥发度法计算该物系在100kPa式的平衡温度和汽相组成。
假设为完全理想系。
解1:
(1)平衡常数法:
设T=368K
用安托尼公式得:
;;
由式(2-36)得:
;;
;;;
由于>,表明所设温度偏高。
由题意知液相中含量最大的是苯,由式(2-62)得:
可得
重复上述步骤:
;;
;;;
在温度为时,存在与之平衡的汽相,组成为:
苯、甲苯、对二甲苯。
(2)用相对挥发度法:
设温度为368K,取对二甲苯为相对组分。
计算相对挥发度的:
;;
组分i
苯
(1)
甲苯
(2)
对二甲苯(3)
解2:
(1)平衡常数法。
假设为完全理想系。
设t=95℃
苯:
;
甲苯:
;
对二甲苯:
;
;
选苯为参考组分:
;解得T2=℃
;
;
==
故泡点温度为℃,且;
;
(2)相对挥发度法
设t=95℃,同上求得=,=,=
,,
故泡点温度为95℃,且;
;
11.组成为60%(mol)苯,25%甲苯和15%对二甲苯的100kmol液体混合物,在和100℃下闪蒸。
试计算液体和气体产物的量和组成。
假设该物系为理想溶液。
用安托尼方程计算蒸气压。
解:
在373K下
苯:
甲苯:
对二甲苯:
计算混合组分的泡点TBTB=
计算混合组分的露点TDTD=
此时:
x1=,x2=,x3=,L=;
y1=,y2=,y3=,V=。
12.用图中所示系统冷却反应器出来的物料,并从较重烃中分离轻质气体。
计算离开闪蒸罐的蒸汽组成和流率。
从反应器出来的物料温度811K,组成如下表。
闪蒸罐操作条件下各组分的K值:
氢-80;甲烷-10;苯;甲苯
组分
流率,mol/h
氢
200
甲烷
200
苯
50
甲苯
10
解:
以氢为1,甲烷为2,苯为3,甲苯为4。
总进料量为F=460kmol/h,
,,,
又K1=80,K2=10,K3=,K4=
由式(2-72)试差可得:
Ψ=,
由式(2-68)计算得:
y1=,y2=,y3=,y4=;V=h。
14.在下,对组成为45%(摩尔)正己烷,25%正庚烷及30%正辛烷的混合物。
⑴求泡点和露点温度
⑵将此混合物在下进行闪蒸,使进料的50%汽化。
求闪蒸温度,两相的组成。
解:
⑴因为各组分都是烷烃,所以汽、液相均可看成理想溶液,KI只取决于温度和压力,可使用烃类的P-T-K图。
泡点温度计算得:
TB=86℃。
露点温度计算得:
TD=100℃。
⑵由式(2-76)求T的初值为93℃,查图求KI
组分
正己烷
正庚烷
正辛烷
zi
Ki
所以闪蒸温度为93℃。
由式(2-77)、(2-68)计算得:
xC6=,xC7=,xC8=
yC6=,yC7=,yC8=
所以液相中含正己烷%,正庚烷%,正辛烷%;
汽相中含正己烷%,正庚烷%,正辛烷%。
第三章
12.在压力下氯仿
(1)-甲醇
(2)系统的NRTL参数为:
=mol,=mol,=。
试确定共沸温度和共沸组成。
安托尼方程(:
Pa;T:
K)
氯仿:
甲醇:
解:
设T为℃
则
==
由,=
==
==
=
=
=
=
-===
求得===
=
=设T为60℃
则
==
-===
设T为56℃
则
==
-===
当-=时求得===
=
=某1、2两组分构成二元系,活度系数方程为,,端值常数与温度的关系:
A=(T,K)
蒸汽压方程为
(P:
kPa:
T:
K)
假设汽相是理想气体,试问时①系统是否形成共沸物?
②共沸温度是多少?
解:
设T为350K
则A=;=kPa
;=kPa
因为在恒沸点
由得
解得:
==
;=
;=
P==kPa
设T为340K
则A=;=kPa
;=kPa
由;
解得:
===
;=
;=
P==kPa
设T为352K
则A=;=kPa
;=kPa
由;
===
;=
;=
P==kPa
说明系统形成共沸物,其共沸温度为352K。
判断,而=,=
,且,
故形成最低沸点恒沸物,恒沸物温度为。
第四章
1.某原料气组成如下:
组分CH4C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12n-C6H14
y0(摩尔分率)
先拟用不挥发的烃类液体为吸收剂在板式塔吸收塔中进行吸收,平均吸收温度为38℃,压力为,如果要求将i-C4H10回收90%。
试求:
(1)为完成此吸收任务所需的最小液气比。
(2)操作液气比为组小液气比的倍时,为完成此吸收任务所需理论板数。
(3)各组分的吸收分率和离塔尾气的组成。
(4)求塔底的吸收液量
解:
(1)最小液气比的计算:
在最小液气比下N=∞,A关=关==
(2)理论板数的计算:
操作液气比=尾气的数量和组成计算:
非关键组分的
吸收率
被吸收的量为,塔顶尾气数量
塔顶组成
按上述各式计算,将结果列于下表
组分
Kmol/h
Ki
CH4
C2H6
C3H8
i-C4H10
n-C4H10
i-C5H12
n-C5H12
n-C6H14
合计
-
-
-
(4)塔底的吸收量
塔内气体平均流率:
Kmol/h
塔内液体平均流率:
而,即100+=+
联立求解得=h.=h
解2:
由题意知,i-C4H10为关键组分
由P=,t平=38℃
查得K关=(P-T-K图)
(1)在最小液气比下N=∞,A关=中关=
==
(2)=所以理论板数为
(3)它组分吸收率公式,
计算结果如下:
组分
进料量
相平衡常数Ki
被吸收量
塔顶尾气
数量
组成
CH4
C2H6
C3H8
i-C4H10
n-C4H10
i-C5H12
n-C5H12
n-C6H14
合计
-
-
-
以CH4为例:
=
=
V1(CH4)=(1-)VN+1==
(3)塔内气体平均流率:
Kmol/h
塔内液体平均流率:
L=
由=
=h
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