化工分离过程课后答案刘家祺.docx
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化工分离过程课后答案刘家祺
分
离
工
程
习
题
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/cm;M为离子
3
状态的各种溶剂的平均分子量。
若从含盐g/cm的海水中制取纯水,M=,操作温度为298K。
3
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;
V,yi,Tv,Pv
(4)固定和可调设计变量数Nx,
(5)对典型的绝热闪蒸过程,你
规定哪些变量?
Na;
将推荐
思路1:
F
T
P
zi
F
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
V-2
F
物料衡算式C个
L,x,T,P
热量衡算式1个
i
L
L
习题5附图
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
相
1
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?
塔顶产物
(2)如果有,请指出哪些附加变
量需
进料,227K,2068kPa
要规定?
9
Kmol/h
1.0
组分
N
解:
Nxu
进料
压力
c+2
9
54.4
67.6
141.1
54.7
56.0
33.3
C
C
C
C
C
C
c+11=7+11=18
串级单元
传热
2
N
1
1
2
au
合计
塔底产物
N=N+N=20
U
u
u
V
x
a
习题6附图
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
压力
c+2
40+1+1
c+44=47
N
3+1+1+2=7
au
N=54
u
v
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:
P156.24kPa;P63.28kPa;P
26.88kPa
s
1
s
2
s
3
由式(2-36)得:
K1.562
;
K
0.633;K0.269
1
2
3
y0.781
1
;0.158;y0.067;
y
y
1.006
i
2
3
由于
>,表明所设温度偏高。
y
i
由题意知液相中含量最大的是苯,由式(2-62)得:
K
K
'
1
1.553可得T'367.78K
1
y
i
重复上述步骤:
K'1.553;K0.6284;
0.2667
'
2
K
'
3
1
y'0.7765;y0.1511;
y0.066675;y
1.0003
'
2
'
3
1
i
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:
5.807;
2.353;
1.000
13
23
33
解2:
(1)平衡常数法。
假设为完全理想系。
设t=95℃
苯:
lnP20.79362788.5/(95273.1552.36)11.96;
s
1
甲苯:
lnP20.90653096.52/(95273.1553.67)11.06;
s
2
lnP20.98913346.65/(95273.1557.84)10.204
对二甲苯:
;
s
3
P
1.56910
P
s
1
s
2
K
5
1.569;
K
0.6358
P
105
P
1
2
1.569
1.011
选苯为参考组分:
K
1.552;解得T=℃
2
12
lnP11.05;
P6.28110Pa
s
2
s
2
4
lnP10.19;
P2.665410
Pa
s
3
s
3
4
=
K=
K
2
3
故泡点温度为℃,且1.5520.50.776;
y
1
y0.62810.250.157
2
;y0.26650.250.067
3
(2)相对挥发度法
设t=95℃,同上求得=,=,K=
K
K
1
2
3
5.807
2.353,1
,
13
23
33
5.8070.5
故泡点温度为95℃,且
0.776;
0.067
y
1
3.74
2.3530.25
10.25
y
2
0.157y
3.74
3.74
;
3
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:
lnP20.79362788.51T52.36P179.315kPa
S
1
S
1
甲苯:
lnP20.90653096.52T53.67P73.834kPa
S
2
S
2
T
57.84
P
对二甲苯:
ln
20.9813346.65
31.895kPa
P
S
3
S
3
计算混合组分的泡点TB
计算混合组分的露点TD
此时:
x=,x=,x=,L=;
T=
B
T=
D
1
2
3
y=,y=,y=,V=。
1
2
3
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
解:
以氢为1,甲烷为2,苯为3,甲苯为4。
总进料量为F=460kmol/h,
z0.4348z0.4348z
0.1087
z
0.0217
组分流率,mol/h
,
,
,
4
3
1
2
又K1=80,K2=10,K3=,K4=
由式(2-72)试差可得:
Ψ=,
由式(2-68)计算得:
甲苯
10
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,K只取决于温度和压力,
I
可使用烃类的P-T-K图。
泡点温度计算得:
T=86℃。
B
露点温度计算得:
T=100℃。
D
⑵由式(2-76)求T的初值为93℃,查图求KI
正己烷正庚烷正辛烷
所以闪蒸温度为93℃。
由式(2-77)、(2-68)计算得:
x=,x=,x=
C6
C7
C8
y=,y=,y=
C6
C7
C8
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
12
12
12
沸温度和共沸组成。
安托尼方程(:
Pa;T:
K)
S
P
2696.79
(T
氯仿:
lnP
20.8660
23.4803
S
1
46.16)
34.29)
3626.55
(T
甲醇:
lnP
S
2
解:
设T为℃
2696.79
则lnP
20.8660
S
1
(326.65
46.16)
P=P=
S
1
S
2
由G
exp(
),=
ij
ij
ijij
ji
G
exp(
exp(
)=exp(0.3
8.9665)=
)=exp(0.30.8365)=
8.9665
12
1212
G
21
2121
(0.8365)1.2852
0.06788
2
=(1x)
2
[x(1x)1.2852]([1x)0.06788x]
1
2
2
1
2
1
1
1.3817
0.6086
=(1x)
2
(1.2852
0.2852x)(10.93212x)
1
2
2
1
1
8.9665
(1x
0.06788
0.8365
1.2852
2
=x
=x
2
1
0.06788x)[x
1.2852(1x)]
2
2
1
1
1
1
0.04131
1.07507
2
1
(10.93212x)(1.2852
0.2852x)
2
2
1
1
P
P
76990.1
64595.6
S
1
S
2
ln-ln=ln
=ln
=
1
2
求得x=
=
=
1
1
2
=0.3276990.11.20920.6864595.60.8971
=设T为60℃
则lnP20.8660
2696.79
(333.1546.16)
S
1
P=P=
S
1
S
2
P
P
95721.9
84599.9
S
1
S
2
ln-ln=ln
=ln
=
1
2
设T为56℃
2696.79
lnP20.8660
S
1
(329.1546.16)
则
=
=
P
P
S
1
S
2
P
83815.2
71759.3
S
S
-=ln
ln
=ln
=
ln
1
P
1
2
2
当-=时求得==
lnln
=
x
1
2
1
1
2
=0.3083815.21.10990.7071759.30.9500
lnAx
lnAx
2
2
2
=某1、2两组分构成二元系,活度系数方程为
,
,端值常数与
1
1
2
温度的关系:
A=(T,K)
4050
lnP16.0826
S
蒸汽压方程为
1
T
4050
lnP16.3526
S
2
T
(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
4050
lnP16.0826
S
350P
=kPa
1
则A=
1
;
S
4050
350
lnP16.3526
S
P
2
;
S
=kPa
2
因为在恒沸点
PS
11
PS
22
PS
2
PS
1
1
2
12
由
得
1
x
x
解得:
=
=
1
2
ln0.30090.0513
2
;=
1
1
ln0.30090.9487
2
;=
2
2
xP
99.75
P=
S
=
i
kPa
i
i
设T为340K
4050
lnP16.0826
S
340
P
S
=kPa
1
则A=
1
;
4050
340
lnP16.3526
S
P
2
;
S
=kPa
2
PS
64.7695
84.8458
ln
A(12x)
1
PS
2
ln
0.343(412)
x
1
1
由
;
x
x
解得:
=
==
2
1
ln0.34340.1069
2
;=
1
1
ln0.34340.8931
2
;=
2
2
xP
i
99.75
P=
S
=
kPa
i
i
设T为352K
4050
lnP16.0826
S
352
P
S
=kPa
1
则A=
1
;
4050
lnP16.3526
S
352
P
S
=kPa
2
2
;
PS
1
PS
97.2143
ln
A(12x)
ln
0.292(412x)
1
127.3473
由
;
1
2
x
x
=
==
1
2
ln0.29240.0383
2
;=
1
1
ln0.29240.9617
2
;=
2
2
xP
i
99.75
P=
S
=
kPa
i
i
说明系统形成共沸物,其共沸温度为352K。
P
99.13
S
1.31
2
75.6738
P
判断
S
,而=,=
12
1
P
S
2
1
S
2
P
P,P
P
•
,且
S
S
,
1
1
2
•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
CH4
CHCHi-CHn-CHi-CHn-CH
n-CH
26
38
410
410
512
512
614
y(摩尔分率)
0
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-CH回收90%。
试求:
4
10
(1)
(2)
(3)
(4)
为完成此吸收任务所需的最小液气比。
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。
各组分的吸收分率和离塔尾气的组成。
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
L
(
)KA==
V
min
关
关
(2)理论板数的计算:
操作液气比L1.(2L)=尾气的数量和组成计算:
V
Vmin
L
A
VK
i
非关键组分的
i
A
A
1
N1
i
N1
i
A
i
吸收率
(1)
v
v
N1
v
被吸收的量为
,塔顶尾气数量
N1
i
i
i
v
y
1i
i
塔顶组成
V
按上述各式计算,将结果列于下表
组分
i-CH
4
10
10
12
12
14
n-CH
4
i-CH
5
n-CH
5
n-CH
6
合计
-
-
-
(4)塔底的吸收量L
N
10080.37
v
90.185
2
塔内气体平均流率:
塔内液体平均流率:
Kmol/h
LL
L
L
均
()V0.571290.18551.514
0
N
2
V
均
LVL
L
L
而V
,即100+=+
0
N1
0
1
N
N
联立求解得L=h.L=h
N
0
解2:
由题意知,i-CH为关键组分
410
由P=,t平=38℃
查得K=(P-T-K图)
关
(1)在最小液气比下N=∞,A=中=
关
关
L
(
)KA==
V
min
关
关
(2)L
L
1.1(
)=所以理论板数为
V
V
min
A
A
1
L
N1
i
N1
i
(3)它组分吸收率公式
,
A
VK
A
i
i
i
计算结果如下:
进料
量
塔顶尾气
数量组成
合计
-
-
-
以CH4为例:
L
0.5544
0.032
i=VK
17.4
A
i
0.0329.4810.99
0.0329.4811
0.32
=
i
V1(CH4)=(1-)VN+1==
i
10080.190
(3)塔内气体平均流率:
v
90.10Kmol/h
2
L(L19.81)
塔内液体平均流率:
L=
L9.905
0
0
2
0
l
由=
v
=h
L
0
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