分离过程例题与习题集 (叶国庆 钟立梅 著) 化工学院化学工程教研室 课后答案 40页

'课后答案网，用心为你服务！大学答案---中学答案---考研答案---考试答案最全最多的课后习题参考答案，尽在课后答案网（www.khdaw.com）！Khdaw团队一直秉承用心为大家服务的宗旨，以关注学生的学习生活为出发点，旨在为广大学生朋友的自主学习提供一个分享和交流的平台。爱校园（www.aixiaoyuan.com）课后答案网（www.khdaw.com）淘答案（www.taodaan.com） 课后答案网www.khdaw.com化学工程与工艺教学改革系列参考书分分离离过过程程例例题题与与习习题题集集叶庆国钟立梅主编化工学院化学工程教研室 课后答案网www.khdaw.com前言化学工程与工艺专业所在的化学工程与技术一级学科属于山东省“重中之重”学科，一直处于山东省领先地位，而分离工程是该专业二门重要的必修专业课程之一。该课程利用物理化学、化工原理、化工热力学、传递过程原理等基础基础知识中有关相平衡热力学、动力学、分子及共聚集状态的微观机理，传热、传质和动量传递理论来研究化工生产实际中复杂物系分离和提纯技术。传统的教学方法的突出的弊端就是手工计算工程量大，而且结果不准确。同时由于现代化化学工业日趋集成化、自动化、连续化，学生能学到的东西越来越少。所以，传统的教学模式不能满足现代化工业生产对高水平工业工程师的需求，开展分离工程课程教学方法与教学手段课题的研究与实践，对我们的学生能否承担起现代化学工业的重任，与该课程的教学质量关系重大，因此对该门课程进行教学改革具有深远意义。分离工程课程的改革主要包括多媒体辅助教学课件的开发、分离工程例题与习题集、分离工程试题库的编写等工作。目前全国各高校化学工程与工艺专业使用的教材一般均为由化学工程与工艺专业委员会组织编写的化工分离过程(陈洪钫主编，化学工业出版社)，其他类似的教材已出版了十余部。这些教材有些还未配习题，即便有习题，也无参考答案，而至今没有一本与该课程相关的例题与习题集的出版。因此编写这样一本学习参考书，既能发挥我校优势，又符合形势需要，填补参考书空白，具有良好的应用前景。分离工程学习指导和习题集与课程内容紧密结合，习题贯穿目前已出版的相关教材，有解题过程和答案，部分题目提供多种解题思路及解题过程，为学生的课堂以及课后学习提供了有力指导。编者2006年3月 课后答案网www.khdaw.com目录第一章绪论.......................................................................................1第二章单级平衡过程........................................................................5第三章多组分精馏和特殊精馏.......................................................18第四章气体吸收..............................................................................23第五章液液萃取..............................................................................26第六章多组分多级分离的严格计算................................................27第七章吸附.....................................................................................33第八章结晶.....................................................................................34第九章膜分离.................................................................................35第十章分离过程与设备的选择与放大............................................36 课后答案网www.khdaw.com第一章绪论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。2.比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。答：当被分离组分间相对挥发度很小，必须采用具有大量塔板数的精馏塔才能分离时，就要考虑采用萃取精馏（MSA），但萃取精馏需要加入大量萃取剂，萃取剂的分离比较困难，需要消耗较多能量，因此，分离混合物优先选择能量媒介(ESA)方法。3.气体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别？答：气体分离与渗透蒸发式两种正在开发应用中的膜技术。气体分离更成熟些，渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与扩散性能的差别而实现分离。34.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；3M为离子状态的各种溶剂的平均分子量。若从含盐0.035g/cm的海水中制取纯水，M=31.5，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＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa。所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa。5.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,Na；（5）对典型的绝热闪蒸过程，你将推荐规定哪些变量？FziTFV-2思路1：PF3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NcL,xi,TL,PL物料衡算式C个习题5附图1 课后答案网www.khdaw.com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)2Nc=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06.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，请指出哪些附加变进料，227K，2068kPa量需要规定？组分Kmol/h9N21.0解：Nxu进料c+2C154.4C267.6压力9C3141.1C454.7C556.0c+11=7+11=18C633.32uNa串级单元1传热1合计2塔底产物习题6附图2 课后答案网www.khdaw.comUuuNV=Nx+Na=20附加变量：总理论板数。7.附图为热藕合精馏系统，进料为三组分混合物，采出三个产品。确定该系统：（1）设计变量数;（2）指定一组合理的设计变量。尾气CO2+蒸汽u解:Nx压力N+M+1+1进料c+2V-2加热器蒸合计N+M+c+4吸出收TaTb(c=3)塔Pa换热器Pb塔uNa串级6冷却器E-2水蒸气分配器1V-3V-1侧线3泵传热2E-1习题7附图10uNv=N+M+3+4=N+M+198.利用如附图所示的系统将某混合物分离成三个产品。试确定：（1）固定设计变量数和可调设计变量数;（2）指定一组合理的设计变更量全凝器u解:Nx进料c+2液M产品1压力N+M+1+1+1c+N+M+5汽u进料Na串级4分配1产品2汽侧线1传热4液210再沸器产品3习题14附图3 课后答案网www.khdaw.com9.采用单个精馏塔分离一个三组分混合全凝器140kPa阀NV-1产品1SM40299.95%(mol)苯200℃进料F1140kPa阀20V-187.2kmol/hKmol/h苯261.510产品22甲苯84.6含进料中苯的1%联苯5.1再沸器2204kPa冷却器产品3习题8附图习题9附图物为三个产品(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?U解:NX进料c+2压力40+1+1c+44=47uNa3+1+1+2=7uNv=54设计变量：回流比，馏出液流率。4 课后答案网www.khdaw.com第二章单级平衡过程1.计算在0.1013MPa和378.47K下苯(1)-甲苯(2)-对二甲苯(3)三元系，当x=0.3125，x=0.2978，x=0.3897时的K值。汽相为理想气体，液相为非123理想溶液。并与完全理想系的K值比较。已知三个二元系的Wilson方程参数。1035.33;977.8312111222442.15;460.05232223331510.14;1642.81(单位：J/mol)13111333在T=378.47K时液相摩尔体积为：L33L3L3v100.9110mkmol；v117.5510；v136.6910123安托尼公式为：s苯：lnP20.79362788.51T52.36；1s甲苯：lnP20.90653096.52T53.67；2ss对二甲苯：lnP320.98913346.65T57.84；(P:Pa;T:K)Lvj解1：由Wilson参数方程ijLexpijiiRTviLv2expRT12L1211v13117.5510exp1035.338.314378.473100.9110=1.619Lv121Lexp2122RTv23100.9110exp977.838.314378.473117.5510=0.629同理：130.838；311.244231.010；320.995xkik由Wilson方程lni1lnijxj：jkkjxjj10.9184；20.9718；30.99305 课后答案网www.khdaw.com根据安托尼方程：ss4s4P10.2075MPa；P28.69310Pa；P33.82310Pa由式(2-38)计算得：K11.88；K20.834；K30.375如视为完全理想系，根据式(2-36)计算得：K12.048；K20.858；K30.377解2：在T=378.47K下ss苯：lnP20.79362788.5/(378.4752.36)；P=207.48Kpa11ss甲苯：lnP20.90653096.52/(378.4753.67)；P=86.93Kpa22ss对二甲苯：lnP20.98913346.65/(378.4757.84)；P=38.23Kpa33Wilson方程参数求取L3v11211100.91101035.33exp()exp()1.19312L3vRT117.55108.314378.472L3v21222117.5510977.83exp()exp()0.85421L3vRT100.91108.314378.471L3v22322117.5510442.15exp()exp()0.747223L3vRT136.69108.314378.473L3v32333136.6910460.05exp()exp()1.34632L3vRT117.55108.314378.472L3v11311136.69101510.14exp()exp()0.45713L3vRT100.91108.314378.472L3v31333136.69101642.81exp()exp()2.28331L3vRT100.91108.314378.471xxx1212313lnr1ln(xxx)()11122133xxxxxxxxx1122133211223331132230.31251ln(0.31251.1930.29780.4570.3897)(0.31251.1930.29780.4570.38970.8540.29782.2830.3897)0.8540.31250.29780.74720.38972.2830.31251.3460.29780.38970.09076r1=0.91326 课后答案网www.khdaw.comxxx1122323lnr1ln(xxx)()21212323xxxxxxxxx1122133211223331132230.21251.1931ln(0.31250.8540.29780.74720.3897)(0.31251.1930.29780.4570.38970.29780.38971.346)0.8540.31250.29780.74720.38972.2830.31251.3460.29780.38970.0188r2=1.019xxx1132323lnr1ln(xxx)()31312233xxxxxxxxx1122133211223331132230.31250.4571ln(0.31250.4570.29871.3460.3897)(0.31251.1930.29780.4570.38970.74720.29780.3897)0.8540.31250.29780.74720.38972.2830.31251.3460.29780.38970.2431r3=1.2752故sKr1P10.9132207.481.871P101.3sKr2P21.01986.930.87442P101.3sKr3P31.275238.230.48133P101.3而完全理想系：sKP1207.482.0481P101.3sKP286.930.85812P101.3sKP338.230.37743P101.32.一液体混合物的组成为：苯0.50；甲苯0.25；对二甲苯0.25(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：sssP1156.24kPa；P263.28kPa；P3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1.0067 课后答案网www.khdaw.com由于yi>1.001，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：K"1"K11.553可得T367.78Kyi重复上述步骤："""K11.553；K20.6284；K30.2667"""y10.7765；y20.1511；y30.066675；yi1.0003在温度为367.78K时，存在与之平衡的汽相，组成为：苯0.7765、甲苯0.1511、对二甲苯0.066675。(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；1.000132333组分i苯(1)甲苯(2)对二甲苯(3)x0.500.250.251.000i5.8072.3531.000ijx2.90350.58830.25003.7418ijixiji0.77600.15720.06681.0000ijxi解2：(1)平衡常数法。假设为完全理想系。设t=95℃s苯：lnP20.79362788.5/(95273.1552.36)11.96；1s5P11.56910Pas甲苯：lnP20.90653096.52/(95273.1553.67)11.06；2s4P26.35810Pas对二甲苯：lnP20.98913346.65/(95273.1557.84)10.204；3s4P32.70210PaPs5PsK111.5691051.569；K20.6358P102PsPK30.27023PKx1.5960.50.27020.250.63580.251.011ii选苯为参考组分：K121.5691.0111.552；解得T2=94.61℃ss4lnP211.05；P26.28110Pass4lnP10.19；P2.665410Pa33K2=0.6281K3=0.26658 课后答案网www.khdaw.comKixi1.5520.50.62810.250.26650.250.99971故泡点温度为94.61℃，且y1.5520.50.776；1y20.62810.250.157；y30.26650.250.067(2)相对挥发度法设t=95℃，同上求得K1=1.569，K2=0.6358，K3=0.27025.8072.353113，23，33x5.8070.52.3530.2510.253.74iiixi5.8070.52.3530.2510.25y1.0iixi3.743.743.745.8070.5故泡点温度为95℃，且y0.776；13.742.3530.2510.25y0.157y0.067233.74；3.743.一烃类混合物含甲烷5%(mol)，乙烷10%，丙烷30%及异丁烷55%，试求混合物在25℃时的泡点压力和露点压力。解1：因为各组分都是烷烃，所以汽、液相均可以看成理想溶液，K值只取决于i温度和压力。可使用烃类的P-T-K图。⑴泡点压力的计算：75348假设P=2.0MPa，因T=25℃，查图求Ki组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)∑x0.050.100.300.551.00iK8.51.80.570.26iyKx0.4250.180.1710.1430.919iiiKixi=0.919＜1，说明所设压力偏高，重设P=1.8MPa组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)∑x0.050.100.300.551.00iK9.41.950.620.28iyKx0.470.1950.1860.1541.005iiiKixi=1.005≈1，故泡点压力为1.8MPa。⑵露点压力的计算：假设P=0.6MPa，因T=25℃,查图求Ki组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)∑y0.050.100.300.551.00iK26.05.01.60.64i9 课后答案网www.khdaw.comyxi0.00190.020.18750.85941.0688iKiyi=1.0688＞1.00，说明压力偏高，重设P=0.56MPa。Ki组分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)异丁烷(4)∑y0.050.100.300.551.00iK27.85.381.690.68iyxi0.00180.01860.17750.80881.006iKiyi=1.006≈1，故露点压力为0.56MPa。Ki解2：(1)求泡点压力：设P1=1000KPa，由25℃，1000KPa，查P-T-K列线图得KiK1=16.5K2=3.2K3=1.0K4=0.43所以yi0.0516.50.13.20.31.00.550.431.681选异丁烷为参考组分KK420.2560.282，查得P=1771KPa43y0.907i在此条件下求得yi=1.021，继续调整KK430.2820.279，查得P=1800KPa44y1.02i求得：yi1.0011，故混合物在25℃的泡点压力为1800KPa序号组分x1000KPa2000KPa1770KPa1800KPaiKyKyKyKyiiiiiiii1甲烷0.0516.50.8258.40.429.60.489.40.472乙烷0.103.20.321.750.1751.950.1951.920.1923丙烷0.301.00.300.570.1710.630.1890.620.1864异丁烷0.550.430.240.2560.1410.2850.1570.2790.1531.001.680.9071.001(2)求露点压力设P1=1000KPa，由25℃，1000KPa，查P-T-K列线图得KiK1=16.5K2=3.2K3=1.0K4=0.43所以xyi0.050.100.551.614iK16.53.20.43i选异丁烷为参考组分K42K41xi0.431.6140.694由25℃，K42=0.694查得P=560KPa，查得各组分的Ki值10 课后答案网www.khdaw.com求得xi0.9901故混合物在25℃时的露点压力为560KPa序号组成组成1000KPa560KPaKxKxiiii1甲烷0.0516.50.00327.50.0022乙烷0.103.20.0315.200.0193丙烷0.301.00.301.700.1764异丁烷0.550.431.280.6940.7931.6140.9904.含有80%(mol)醋酸乙酯(A)和20%乙醇(E)的二元物系，液相活度系数用VanLaar方程计算，A=0.144，A=0.170。试计算在101.3kPa压力下的泡点温AEEA度和露点温度。安托尼方程为：醋酸乙酯：lnPS21.04442790.50AT57.15乙醇：lnPS23.80473803.98(PS：Pa；T：K)ET41.68解1：⑴泡点温度此时x0.8，x0.2AEAAE0.144ln0.0075A22Ax0.1440.81AEA1Ax0.1700.2EAE1.0075AAEA0.170ln0.1013E22Ax0.1700.21EAE1Ax0.1440.8AEA1.1067E设T=350KlnPS21.04442790.5011.516AT57.15SP100271PaAlnPS23.80473803.9811.4669ET41.68SP95505PaESPAAKA0.9972P11 课后答案网www.khdaw.comSPEEK1.0434EPKixiKAxAKExE0.99720.81.04340.21.0064Kixi1所以泡点温度为350K。⑵露点温度此时y0.8，y0.2AE设T=350K，lnPS21.04442790.5011.516AT57.15SP100271PaAlnPS23.80473803.9811.4669ET41.68SP95505PaE设1，1AESPAAK0.98984APSPEEK0.94279EPyAxA0.8082KAyExE0.2121KE"AAE0.144lnA220.00806Ax0.1440.80821AEA1Ax0.1700.2121EAE"1.0081A"AEA0.170lnE220.09908Ax0.1700.21211EAE1Ax0.1440.8082AEA"1.1042E"S"APA1.0081100271KA0.99785P10130012 课后答案网www.khdaw.com"S"EPE1.104295505K1.04103EP101300yyyiAE"""0.80170.19210.9938KKKiAEyi1Ki所以露点温度为350K。解2：(1)计算活度系数：AAE0.144lnr0.0075AAAExA2(10.1440.8)2(1Ax}0.170.2EAErA=1.0075AEA0.17lnr0.10137EAEAxE2(10.170.2}2(1Ax}0.1440.8AEAr=1.107E(2)计算泡点温度设T=353.15K(80℃)lnPs21.04442790.5011.617A353.1557.15s51.109710PAPalnPs23.80473808.9811.5917E353.1541.68s51.08210PEPaS5rAPA1.00751.109710K1.1037A5P1.01310S5rEPE1.1071.08210K1.1821E5P1.01310Kixi1.10370.81.18210.21.1194调整KA21.10370.985971.11945SKA2P0.985971.013102790.5PA2exp(21.0444)r1.0075T57.15A13 课后答案网www.khdaw.com解得T2=349.65，即T2=76.50℃ss4lnPP9.9110PaA=11.504Ass4lnPP9.417510PaE=11.453EKA=0.9857KE=1.0288Kixi0.98570.81.02880.20.99431故泡点温度为76.5℃(3)计算露点温度设T=353.15K(80℃)KA21.10370.8940.98675SKA2P0.98671.013102790.5Pexp(21.0444)A2r1.0075T57.15A解得T2=349.67K(76.52℃)ss4lnPP9.9210PaA=11.505Ass4lnPP9.42510PaE=11.454E1.00750.992K0.9866A1.0131.1070.9425K1.03E1.013x0.80.21.0051i0.98661.03故露点温度为76.52℃5.设有7个组分的混合物在规定温度和压力下进行闪蒸。用下面给定的K值和进料组成画出Rachford-Rice闪蒸函数曲线图。cz1Kiifi11Ki1Ψ的间隔取0.1，并由图中估计出Ψ的正确根值。组分1234567zi0.00790.13210.08490.26900.05890.13210.3151Ki16.25.22.01.980.910.720.28解：计算过程如下表所示：1234567∑14 课后答案网www.khdaw.comΨ=0-0.12008-0.55482-0.08490-0.263620.005300.038990.22687-0.7543Ψ=0.1-0.04765-0.39072-0.07718-0.240090.005350.038050.24447-0.4678Ψ=0.2-0.02972-0.30153-0.07075-0.220420.005400.039180.26504-0.3128Ψ=0.3-0.02160-0.24550-0.06530-0.203730.005450.040380.28378-0.2009Ψ=0.4-0.01696-0.20702-0.06064-0.189380.005500.041650.31864-0.1082Ψ=0.5-0.01396-0.17897-0.05660-0.176930.005550.043010.35449-0.0234Ψ=0.6-0.01187-0.15762-0.05306-0.166010.005600.044460.399420.0609Ψ=0.7-0.01031-0.14082-0.04994-0.156360.005660.046010.457400.1516Ψ=0.8-0.00913-0.12725-0.04717-0.147770.005710.047670.535080.2571Ψ=0.9-0.00818-0.11607-0.04468-0.140070.005770.049450.644520.3907Ψ=1-0.00741-0.10670-0.04245-0.133140.005830.051370.810260.5778根据上表所得数据画图：0.8由曲线图得：Ψ=0.5270.66.组成为60%(mol)苯，25%甲苯和0.415%对二甲苯的100kmol液体混合0.2}0物，在101.3kPa和100℃下闪蒸。Ψf{-0.200.511.5试计算液体和气体产物的量和组-0.4成。假设该物系为理想溶液。用安-0.6托尼方程计算蒸气压。-0.8解：在373K下-1Ψ苯：SSlnP20.79362788.51T52.36P179.315kPa11K1.771SS甲苯：lnP20.90653096.52T53.67P73.834kPa22K0.7292SS对二甲苯：lnP20.9813346.65T57.84P31.895kPa33K30.315计算混合组分的泡点TBTB=364.076K计算混合组分的露点TDTD=377.83K373364.0760.651377.83364.076zK1iif10.0404431K11i15 课后答案网www.khdaw.com2"ziKi1f120.4141K11if10.747721"f1f0.002402此时：x1=0.38，x2=0.3135，x3=0.3074，L=74.77kmol；y1=0.6726，y2=0.2285，y3=0.0968，V=25.23kmol。7.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-0.01；甲苯-0.004解：以氢为1，甲烷为2，苯为3，甲苯为4。总进料量为F=460kmol/h，z10.4348，z20.4348，z30.1087，z40.0217组分流率，mol/h又K1=80，K2=10，K3=0.01，K4=0.004氢200由式(2-72)试差可得：Ψ=0.87，甲烷200由式(2-68)计算得：苯50y1=0.4988，y2=0.4924，y3=0.008，y4=0.0008；甲苯10V=400.2mol/h。8.下图所示是一个精馏塔的塔顶部分。图中以表示出总精馏物的组成，其中10%(mol)作为汽相采出。若温度是311K，求回流罐所用压力。给出该温度和1379kPa压力下的K值为：C2-2.7；C3-0.95；C4-0.34，并假设K与压力成正比。解：由图中可知zC2=0.10，zC3=0.20，zC4=0.70；P"由题意知：KK，Ψ=0.1，ii1379由式(2-72)试差得：P=2179kPa。9.在101.3kPa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101.3kPa下进行闪蒸，使进料的50%汽化。求闪蒸温度，两相的组成。16 课后答案网www.khdaw.com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zi0.450.250.30Ki1.920.880.41K1zii0.2836-0.0319-0.25111K1iK1zii0.000601K1i所以闪蒸温度为93℃。由式(2-77)、(2-68)计算得：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%。17 课后答案网www.khdaw.com第三章多组分精馏和特殊精馏1.在一精馏塔中分离苯(B)，甲苯(T)，二甲苯(X)和异丙苯(C)四元混合物。进料量200mol/h，进料组成zB=0.2,zT=0.1,zX=0.4(mol)。塔顶采用全凝器，饱和液体回流。相对挥发度数据为：BT=2.25，TT=1.0，XT=0.33，CT=0.21。规定异丙苯在釜液中的回收率为99.8%，甲苯在馏出液中的回收率为99.5%。求最少理论板数和全回流操作下的组分分配。解：根据题意顶甲苯(T)为轻关键组分，异丙苯(C)为重关键组分，则苯(B)为轻组分，二甲苯(X)为中间组分。以重关键组分计算相对挥发度。2.2510.71BC0.211.04.762TC0.210.331.5714XC0.211CC由分离要求计算关键组分在塔顶釜的分配。W2000.40.99879.84kmol/hCD2000.579.840.16kmol/hCD2000.30.99559.7kmol/hTW2000.359.70.3kmol/hTDWlg[TC]lg[59.779.84DCWT0.160.3所以N7.37mlglg4.762TCDDiNmHiH由WiWH与FiDiWi求出非关键组分的分布DB7.370.16410.717.810苯：WB79.84WB=0，DB=2000.2=40Kmol/hDX7.370.161.57140.056二甲苯：WX79.84，DX+WX=2000.1=2018 课后答案网www.khdaw.comDW求得X=1.06，X=18.94，物料平衡结果见下表：组分xDxWxFiiDiiWi苯(B)0.2400.39600甲苯(T)0.359.90.5920.30.003异丙苯(C)0.40.160.00279.840.806100.921.0099.081.002.在101.3Kpa压力下氯仿(1)-甲醇(2)系统的NRTL参数为：=8.9665J/mol，12=-0.83665J/mol，=0.3。试确定共沸温度和共沸组成。1212S安托尼方程(P：Pa；T：K)氯仿：lnPS20.86602696.791（T46.16）甲醇：lnPS23.48033626.552（T34.29）解：设T为53.5℃则lnPS20.86602696.791（326.6546.16）lnPS23.48033626.552（326.6534.29）SSP=76990.1P=64595.612由Gijexp（ijij），ij=jiGexp（）=exp（0.38.9665）=0.06788121212Gexp（）=exp（0.30.8365）=1.28522121212GG221211212ln1x222（x1x2G21）（x2x1G12）2（0.8365）1.28528.96650.067882=（1x1）22[x1（1x2）1.2852]（[1x1）0.06788x1]1.38170.60862=（1x1）22（1.28520.2852x1）（10.93212x1）2GG212122121ln2x122（x2x1G12）（x1x2G21）28.96650.067880.83651.28522=x122（1x10.06788x1）[x11.2852（1x1）]19 课后答案网www.khdaw.com0.041311.075072=x122（10.93212x1）（1.28520.2852x1）SP176990.1ln1-ln2=lnS=ln=0.1755P264595.6求得x=0.32=1.2092=0.8971112SSSxPxPxPiii111222=0.3276990.11.20920.6864595.60.8971=69195.98Pa101.3kPa设T为60℃则lnPS20.86602696.791（333.1546.16）lnPS23.48033626.552（333.1534.29）SSP=95721.9P=84599.912SP195721.9ln1-ln2=lnS=ln=0.1235P284599.9设T为56℃lnPS20.86602696.79则1（329.1546.16）lnPS23.48033626.552（329.1534.29）SSP=83815.2P=71759.312SP183815.2ln1-ln2=lnS=ln=0.1553P271759.3当ln-ln=0.1553时求得x=0.30=1.1099=0.950012112SSSxPxPxPiii111222=0.3083815.21.10990.7071759.30.9500=75627.8Pa101.3kPa22lnAxlnAx3.某1、2两组分构成二元系，活度系数方程为12，21，端值-3常数与温度的关系：A=1.7884-4.2510T(T，K)S4050lnP16.08261蒸汽压方程为TS4050lnP16.35262T(P：kPa：T：K)20 课后答案网www.khdaw.com假设汽相是理想气体，试问99.75Kpa时①系统是否形成共沸物？②共沸温度是多少？解：设T为350K-3350=1.7884-1.4875=0.3009则A=1.7884-4.2510S4050lnP116.0826SP350；1=91.0284kPaS4050lnP216.3526SP350；2=119.2439kPa因为在恒沸点SSPP1112112SSPP由22得21S1P122lnlnlnlnA（xx）A（12x）S12211P2291.0284ln0.3009（12x）1119.2439xx解得：1=0.94872=0.05132ln0.30090.05131；1=1.00082ln0.30090.94872；2=1.3110SP=ixiPi=1.00080.948791.0284+1.31100.0513119.2439=95.069299.75kPa设T为340K-3340=0.3434则A=1.7884-4.2510S4050lnP116.0826S340；P1=64.7695kPaS4050lnP216.3526S340；P2=84.8458kPaSPln1A（12x）64.7695PS1ln0.3434（12x1）由2；84.8458xx解得：1=0.89312=1-0.8931=0.10692ln0.34340.10691；1=1.00392ln0.34340.89312；2=1.3151SP=ixiPi=1.00390.893164.7695+1.31510.106984.845821 课后答案网www.khdaw.com=69.999299.75kPa设T为352K-3352=0.2924则A=1.7884-4.2510S4050lnP116.0826S352；P1=97.2143kPaS4050lnP216.3526S352；P2=127.3473kPaSPln1A（12x）97.2143PS1ln0.2924（12x1）由2；127.3473x1=0.9617x2=1-0.9617=0.03832ln0.29240.03831；1=1.00042ln0.29240.96172；2=1.3105SP=ixiPi=1.00040.961797.2143+1.31050.0383127.3473=99.920299.75kPa说明系统形成共沸物，其共沸温度为352K。SP299.131.31S75.6738判断P1，而1=1.313，2=1.002SP2S12SSP1，且PP1,P2，故形成最低沸点恒沸物，恒沸物温度为344.5K。22 课后答案网www.khdaw.com第四章气体吸收1.某原料气组成如下：组分CH4C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12n-C6H14y0(摩尔分率)0.7650.0450.0350.0250.0450.0150.0250.045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1.013Mpa，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1.1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=0.0.85（L）minKA=0.560.85=0.476V关关(2)理论板数的计算：操作液气比L1.（2L）=1.20.476=0.5712VVminL0.5712A1.02关KV0.56关关A1.020.85log（）log（）110.85N115.32logAlog1.02(3)尾气的数量和组成计算：LAiVK非关键组分的iN1AAiiN1A1吸收率ivv(1)v被吸收的量为N1i，塔顶尾气数量N1iivyi1i塔顶组成V按上述各式计算，将结果列于下表23 课后答案网www.khdaw.com组分vN1KiAiivN1iviyiKmol/hCH476.517.40.0330.0322.52473.980.920C2H64.53.750.1520.1520.6843.8160.047C3H83.51.30.4390.4361.5261.9740.025i-C4H102.50.561.020.852.1250.3750.0047n-C4H104.50.41.4280.954.2750.2250.0028i-C5H121.50.183.171.001.5000.00.0n-C5H122.50.1443.971.002.5000.00.0n-C6H144.50.05610.21.004.5000.00.0合计100.0---19.81080.190(4)塔底的吸收量LN10080.37v90.185塔内气体平均流率：2Kmol/hL0LNLL（）V0.571290.18551.514均均塔内液体平均流率：2VVLVLLL而N101N，即100+0=80.37+N联立求解得L=61.33Kmol/h.L=41.70Kmol/hN0解2：由题意知，i-C4H10为关键组分由P=1.013Mpa，t平=38℃查得K关=0.56(P-T-K图)(1)在最小液气比下N=∞，A关=中关=0.9（L）minKA=0.560.9=0.504V关关(2)LV1.1（LV）min=1.10.504=0.5544L0.5544A0.99关KV0.56关关所以理论板数为A0.990.9log（）log（）110.9N119.48logAlog0.9924 课后答案网www.khdaw.comN1LAiA(3)它组分吸收率公式Ai，iN1VKA1ii计算结果如下：组分进料相平衡常数Ai被吸收塔顶尾气i量Ki量数量组成CH476.517.40.0320.0322.44874.050.923C2H64.53.750.1480.1480.6683.8340.048C3H83.51.30.4260.4261.4912.0090.025i-C4H102.50.560.990.902.2500.2500.003n-C4H104.50.41.3860.994.4550.0450.0006i-C5H121.50.183.081.001.5000.00.0n-C5H122.50.1443.851.002.5000.00.0n-C6H144.50.0569.91.004.5000.00.0合计100.0---19.81080.190以CH4为例：L0.55440.032Ai=VKi17.49.4810.0320.990.329.481i=0.0321iV1(CH4)=(1-)VN+1=(1-0.032)76.5=74.05V1（CH4）74.05y0.9231（CH4）V76.5110080.190（3）塔内气体平均流率：v90.10Kmol/h2L（L19.81）00塔内液体平均流率：L=L9.90502l由v=0.5544L0=40.05Kmol/h25 课后答案网www.khdaw.com第五章液液萃取26 课后答案网www.khdaw.com第六章多组分多级分离的严格计算1.某精馏塔共有三个平衡级，一个全凝器和一个再沸器。用于分离由60%(mol)的甲醇，20%乙醇和20%正丙醇所组成的饱和液体混合物。在中间一级上进料，进料量为1000kmol/h。此塔的操作压力为101.3kPa。馏出液量为600kmol/h。回流量为2000kmol/h。饱和液体回流。假设恒摩尔流。用泡点法计算一个迭代循环，直到得出一组新的Ti值。安托尼方程：S甲醇：lnP23.48033626.5T34.291S乙醇：lnP23.80473803.98T41.682SS正丙醇：lnP22.43673166.38T80.15(T：K；P：Pa)3提示：为开始迭代，假定馏出液温度等于甲醇的正常沸点，而塔釜温度等于其它两个醇的正常沸点的算术平均值，其它级温按线性内插。解：馏出液量D=U1=600kmol/h，L1=2000kmol/h，由围绕全凝器的总物料衡算得V2=L1+U1=2600kmol/h。由安托尼方程算出物料的沸点得：T甲醇=337.65K，T乙醇=351.48K，T正丙醇=370.35K。假定馏出液温度等于甲醇的正常沸点，而塔釜温度等于其它两个醇的正常沸点的算术平均值，其它级温按线性内插。迭代变量的初值列于下表级序号，jVj，mol/hTj，K级序号，jVj，mol/hTj，K10337.6542600355.0122600343.4452600360.7932600349.22在假定的级温度及101.3kPa压力下，由安托尼方程得到的K值为：Ki,j组分12345甲醇11.251.551.912.33乙醇0.560.720.911.151.43正丙醇0.250.330.420.540.69第1个组分甲醇的矩阵方程推导如下当V1=0，Gj=0(j=1，…5)时，从式(4-19)可得j1AVFUjjmmm127 课后答案网www.khdaw.com所以，A5=V5+F3–U1=2600+1000－600=3000类似得，A4=3000，A3=2000和A2=2000当V1=0和Gj=0时，由式(4-20)可得jBVFUUVKjj1mmjjijm1因此，B5=－[F3－U1+V5K1,5]=－[1000–600+2600×2.33]=－6458同理，B4=－7966，B3=－7030，B2=－5250和B1=－2600由式(4-21)得：D3=－1000×0.60=－600kmol/h相类似D1=D2=D4=D5=0将以上数值代入式(4-23)，得到：26003250000x1,1020005250403000x1,2002000703049660x1,360000300079666058x1,4000030006458x1,50用式(4-26)和(4-27)计算pj和qjC13250p1.251B26001D10q01B26001C24030p1.4652BAp525020001.25221按同样方法计算，得消元后的方程11.25000x1,10x011.465001,200011.2100x1,30.14600011.397x1,40.10100001x1,50.134显然，由式(4-28b)得x1,5=0.134依次用式(4-28a)计算，得x1,4=0.288，x1,3=0.494，x1,3=0.723，x1,1=0.904以类似方式解乙醇和正丙醇的矩阵方程得到xi,j组分xi,j28 课后答案网www.khdaw.com12345甲醇0.9040.7230.4940.2880.134乙醇0.1550.2160.2230.1890.138正丙醇0.0350.1060.2140.3290.450∑1.0941.0450.9310.8060.722在这些组成归一化以后，用式(4-3)迭代计算101.3kPa压力下的泡点温度并和初值比较。12345(1)T337.65343.44349.22355.01360.79(2)T339.94342.23345.82350.81357.40第1次迭代结束。2.分离苯(B)、甲苯(T)和异丙苯(C)的精馏塔，塔顶采用全凝器。分析釜液组成为：xB=0.1(mol)，xT=0.3，xC=0.6。蒸发比V’/W=1.0。假设为恒摩尔流。相对挥发度αBT=2.5，αTT=1.0，αCT=0.21，求再沸器以上一板的上升蒸汽组成。解：根据提馏段物料衡算得：L’=W+V’由V’/W=1.0L’/V’=2.0；L’/W=2.0。由式(4-12)得：yB=0.3698；yT=0.4438；yC=0.1864。由提馏段操作线方程：xB=0.2349；xT=0.3719；xC=0.3932。再沸器以上一板的上升蒸汽组成：xiri,jyi,jirxi,jyB=0.5637；yT=0.3570；yC=0.0793。3.精流塔及相对挥发度与习题2相同。进料板上升蒸汽组成yB=0.35(mol)，yT=0.20，yC=0.45。回流比L/D=1.7，饱和液体回流。进料板上一级下流液体组成为xB=0.24(mol)，xT=0.18，xC=0.58。求进料板以上第2板的上升蒸汽组成。解：根据精馏段物料衡算得：V=L+D；由L/D=1.7V/L=2.7/1.7=1.588；D/L=1/1.7=0.588。29 课后答案网www.khdaw.com根据精馏段操作线方程得：xD,B=0.537；xD,T=0.234；xD,C=0.229。进料板上1板上升蒸汽组成为：yB=0.6653；yT=0.1996；yC=0.1351。根据精馏段操作线方程得进料板上2板下流液体组成为：xB=0.74；xT=0.18；xC=0.08。进料板上2板上升蒸汽组成为：yB=0.904；yT=0.088；yC=0.008。4.分离苯(B)、甲苯(T)和异丙苯(C)的精馏塔，操作压力为101.3kPa。饱和液体进料，其组成为25%(mol)苯，35%甲苯和40%异丙苯。进料量100kmol/h。塔顶采用全凝器，饱和液体回流，回流比L/D=2.0。假设恒摩尔流。相对挥发度为常数αBT=2.5，αTT=1.0，αCT=0.21。规定馏出液中甲苯的回收率为95%，釜液中异丙烷的回收率为96%。试求：（1）按适宜进料位置进料，确定总平衡级数；（2）若在第5级进料(自上而下)，确定总平衡级数。解：①全塔物料衡算和计算起点的确定：按清晰分割：FzB=DxB,D=2.5；DxT,D=0.95(FzT)=33.25；DxC,D=(1-0.96)(FzC)=1.6；物料衡算表：馏出液釜液组分Dxi,Dxi,DWxi,Wxi,wB250.41800C33.250.5551.750.044T1.60.02738.40.95659.851.040.151.0②操作线方程LD精馏段yxxi,j1i,ji,DVLV221式中LV；DVLL"DW2133提馏段yxxi,j1i,ji,WV"V"式中L’=2D+F=219.7；V’=V=L+D=3D=179.55L’/V’=1.224；W/V’=0.224。③逐级计算30 课后答案网www.khdaw.com第1级第2级组分yi,1=xi,Dxi,1yi,2xi,2B0.4180.1930.2680.084T0.5550.6550.6220.497C0.0270.1510.1100.4191.00.9991.01.0核实第2级是否为进料级：按精馏段操作线计算yi,3得：yB,3=0.1953；yT,3=0.5163；yC,3=0.2883按提馏段操作线计算yi,3得：yB,3=0.1028；yT,3=0.5985；yC,3=0.2987yyT,3T,3则1.7908＜2.0037yC,3RyC,3S所以第2级不是进料级。所以：yB,3=0.1953；yT=0.5163；yC=0.2883核实第3级是否为进料级：按精馏段操作线计算yi,4得：yB,4=0.166；yT,4=0.360；yC,4=0.474按提馏段操作线计算yi,4得：yB,4=0.049；yT,4=0.311；yC,4=0.640yyT,4T,4则0.759＜0.486yC,4RyC,4S故第3级为进料板，以下按提馏段操作线逐级计算：第4级第5级组分yi,4xi,4yi,5xi,5B0.0490.00580.0070.0006T0.3110.09200.1030.0237C0.6400.90210.8900.97561.00.99991.00.9999因xC,5>xC,W和xT,5