分離過程習(xí)題解答i.doc

第一章 單級平衡過程1. 計(jì)算在0.1013MPa和378.47K下苯(1)-甲苯(2)-對二甲苯(3)三元系，當(dāng)x=0.3125，x=0.2978，x=0.3897時(shí)的K值。汽相為理想氣體，液相為非理想溶液。并與完全理想系的K值比較。已知三個(gè)二元系的Wilson方程參數(shù)。 ; ; (單位：J/mol)在T=378.47K時(shí)液相摩爾體積為： ； ； 安托尼公式為： 苯：； 甲苯：； 對二甲苯：；()解1：由Wilson參數(shù)方程 =1.619 =0.629同理： ； ；由Wilson方程： ； ；根據(jù)安托尼方程： ； ；由式(2-38)計(jì)算得： ； ；如視為完全理想系，根據(jù)式(2-36)計(jì)算得： ； ；解2：在T=378.47K下苯： ； =207.48Kpa甲苯： ； =86.93Kpa對二甲苯：；=38.23KpaWilson方程參數(shù)求取=0.9132 =1.019 =1.2752故 而完全理想系：2. 一液體混合物的組成為：苯0.50；甲苯0.25；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(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。解1：(1)平衡常數(shù)法： 設(shè)T=368K 用安托尼公式得： ； ； 由式(2-36)得： ； ； ； ； ； 由于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： 可得 重復(fù)上述步驟： ； ； ； ； ； 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(jì)算相對揮發(fā)度的： ； ；組分i苯(1)甲苯(2)對二甲苯(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： ； 甲苯： ；對二甲苯：；選苯為參考組分：；解得T2=94.61；=0.6281=0.2665故泡點(diǎn)溫度為94.61，且；(2)相對揮發(fā)度法設(shè)t=95，同上求得=1.569，=0.6358，=0.2702，故泡點(diǎn)溫度為95，且；3. 一烴類混合物含甲烷5%(mol)，乙烷10%，丙烷30%及異丁烷55%，試求混合物在25時(shí)的泡點(diǎn)壓力和露點(diǎn)壓力。解1：因?yàn)楦鹘M分都是烷烴，所以汽、液相均可以看成理想溶液，值只取決于溫度和壓力。可使用烴類的P-T-K圖。 泡點(diǎn)壓力的計(jì)算：75348 假設(shè)P=2.0MPa，因T=25，查圖求組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919=0.9191，說明所設(shè)壓力偏高，重設(shè)P=1.8MPa組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)0.050.100.300.551.009.41.950.620.280.470.1950.1860.1541.005=1.0051，故泡點(diǎn)壓力為1.8MPa。 露點(diǎn)壓力的計(jì)算：假設(shè)P=0.6MPa，因T=25,查圖求組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)0.050.100.300.551.0026.05.01.60.640.00190.020.18750.85941.0688=1.06881.00，說明壓力偏高，重設(shè)P=0.56MPa。組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)0.050.100.300.551.0027.85.381.690.680.00180.01860.17750.80881.006=1.0061，故露點(diǎn)壓力為0.56MPa。解2：(1)求泡點(diǎn)壓力：設(shè)P1=1000KPa，由25，1000KPa，查P-T-K列線圖得=16.5=3.2=1.0=0.43所以選異丁烷為參考組分，查得P=1771KPa在此條件下求得=1.021，繼續(xù)調(diào)整，查得P=1800KPa求得：，故混合物在25的泡點(diǎn)壓力為1800KPa序號組分1000KPa2000KPa1770KPa1800KPa1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異丁烷0.550.430.240.2560.1410.2850.1570.2790.1531.001.680.9071.001(2)求露點(diǎn)壓力設(shè)P1=1000KPa，由25，1000KPa，查P-T-K列線圖得=16.5=3.2=1.0=0.43所以選異丁烷為參考組分由25，=0.694查得P=560KPa，查得各組分的值求得故混合物在25時(shí)的露點(diǎn)壓力為560KPa序號組成組成1000KPa560KPa1甲烷0.0516.50.00327.50.0022乙烷0.103.20.0315.200.0193丙烷0.301.00.301.700.1764異丁烷0.550.431.280.6940.7931.6140.9904. 含有80%(mol)醋酸乙酯(A)和20%乙醇(E)的二元物系，液相活度系數(shù)用Van Laar方程計(jì)算，=0.144，=0.170。試計(jì)算在101.3kPa壓力下的泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度。安托尼方程為： 醋酸乙酯： 乙醇： (PS：Pa ；T：K)解1：泡點(diǎn)溫度 此時(shí)， 設(shè)T=350K 所以泡點(diǎn)溫度為350K。露點(diǎn)溫度此時(shí)，設(shè)T=350K， 設(shè)， 所以露點(diǎn)溫度為350K。解2：(1)計(jì)算活度系數(shù)：=1.0075=1.107(2)計(jì)算泡點(diǎn)溫度設(shè)T=353.15K(80)調(diào)整解得T2=349.65，即T2=76.50=11.504=11.453=0.9857=1.0288故泡點(diǎn)溫度為76.5(3)計(jì)算露點(diǎn)溫度設(shè)T=353.15K(80)解得T2=349.67K(76.52)=11.505=11.454故露點(diǎn)溫度為76.525. 組成為60%(mol)苯，25%甲苯和15%對二甲苯的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 苯： 甲苯： 對二甲苯： 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=377.83K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。6. 用圖中所示系統(tǒng)冷卻反應(yīng)器出來的物料，并從較重?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組分流率，mol/h氫200甲烷200苯50甲苯10解：以氫為1，甲烷為2，苯為3，甲苯為4。總進(jìn)料量為F=460kmol/h，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。7. 下圖所示是一個(gè)精餾塔的塔頂部分。圖中以表示出總精餾物的組成，其中10%(mol)作為汽相采出。若溫度是311K，求回流罐所用壓力。給出該溫度和1379kPa壓力下的K值為：C2-2.7；C3-0.95；C4-0.34，并假設(shè)K與壓力成正比。解：由圖中可知zC2=0.10，zC3=0.20，zC4=0.70；由題意知：，=0.1，由式(2-72)試差得：P=2179kPa。8. 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(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)楦鹘M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：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%。第二章 多組分精餾和特殊精餾1. 在一精餾塔中分離苯(B)，甲苯(T)，二甲苯(X)和異丙苯(C)四元混合物。進(jìn)料量200mol/h，進(jìn)料組成zB=0.2,zT=0.1,zX=0.4(mol)。塔頂采用全凝器，飽和液體回流。相對揮發(fā)度數(shù)據(jù)為：=2.25，=1.0，=0.33，=0.21。規(guī)定異丙苯在釜液中的回收率為99.8%，甲苯在餾出液中的回收率為99.5%。求最少理論板數(shù)和全回流操作下的組分分配。解：根據(jù)題意頂甲苯(T)為輕關(guān)鍵組分，異丙苯(C)為重關(guān)鍵組分，則苯(B)為輕組分，二甲苯(X)為中間組分。以重關(guān)鍵組分計(jì)算相對揮發(fā)度。由分離要求計(jì)算關(guān)鍵組分在塔頂釜的分配。所以由與求出非關(guān)鍵組分的分布苯： =0，=2000.2=40Kmol/h二甲苯：，+=2000.1=20求得=1.06，=18.94，物料平衡結(jié)果見下表：組分苯(B)0.2400.39600甲苯(T)0.359.90.5920.30.003異丙苯(C)0.40.160.00279.840.806100.921.0099.081.002. 在101.3Kpa壓力下氯仿(1)-甲醇(2)系統(tǒng)的NRTL參數(shù)為： =8.9665J/mol，=-0.83665J/mol，=0.3。試確定共沸溫度和共沸組成。安托尼方程(：Pa；T：K)氯仿：甲醇：解：設(shè)T為53.5則 =76990.1=64595.6由，=0.06788=1.2852=-=0.1755求得=0.32=1.2092=0.8971=69195.98Pa101.3kPa設(shè)T為60則=95721.9=84599.9-=0.1235設(shè)T為56則=83815.2=71759.3-=0.1553當(dāng)-=0.1553時(shí)求得=0.30=1.1099=0.9500=75627.8Pa101.3kPa3. 某1、2兩組分構(gòu)成二元系，活度系數(shù)方程為，端值常數(shù)與溫度的關(guān)系：A=1.7884-4.2510-3T (T，K)蒸汽壓方程為 (P：kPa：T：K)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=1.7884-4.2510-3350=1.7884-1.4875=0.3009 ；=91.0284 kPa ；=119.2439 kPa 因?yàn)樵诤惴悬c(diǎn) 由得 解得：=0.9487=0.0513；=1.0008；=1.3110P=1.00080.948791.0284+1.31100.0513119.2439=95.0692 kPa設(shè)T為340K則A=1.7884-4.2510-3340=0.3434；=64.7695 kPa；=84.8458 kPa由；解得：=0.8931=1-0.8931=0.1069；=1.0039；=1.3151P=1.00390.893164.7695+1.31510.106984.8458=69.9992 kPa設(shè)T為352K則A=1.7884-4.2510-3352=0.2924；=97.2143 kPa；=127.3473 kPa由；=0.9617=1-0.9617=0.0383；=1.0004；=1.3105P=1.00040.961797.2143+1.31050.0383127.3473=99.9202 kPa說明系統(tǒng)形成共沸物，其共沸溫度為352K。判斷，而=1.313，=1.002 ，且， 故形成最低沸點(diǎn)恒沸物，恒沸物溫度為344.5K。第三章 多組分多級分離的嚴(yán)格計(jì)算1. 某精餾塔共有三個(gè)平衡級，一個(gè)全凝器和一個(gè)再沸器。用于分離由60%(mol)的甲醇，20%乙醇和20%正丙醇所組成的飽和液體混合物。在中間一級上進(jìn)料，進(jìn)料量為1000kmol/h。此塔的操作壓力為101.3kPa。餾出液量為600kmol/h?；亓髁繛?000kmol/h。飽和液體回流。假設(shè)恒摩爾流。用泡點(diǎn)法計(jì)算一個(gè)迭代循環(huán)，直到得出一組新的Ti 值。安托尼方程：甲醇：乙醇：正丙醇： (T：K ；PS：Pa)提示：為開始迭代，假定餾出液溫度等于甲醇的正常沸點(diǎn)，而塔釜溫度等于其它兩個(gè)醇的正常沸點(diǎn)的算術(shù)平均值，其它級溫按線性內(nèi)插。解：餾出液量D = U1= 600kmol/h，L1= 2000kmol/h，由圍繞全凝器的總物料衡算得V2=L1+U1=2600kmol/h。由安托尼方程算出物料的沸點(diǎn)得：T甲醇 =337.65K，T乙醇 =351.48K，T正丙醇 =370.35K。假定餾出液溫度等于甲醇的正常沸點(diǎn)，而塔釜溫度等于其它兩個(gè)醇的正常沸點(diǎn)的算術(shù)平均值，其它級溫按線性內(nèi)插。迭代變量的初值列于下表級序號，jVj，mol/hTj，K級序號，jVj，mol/hTj，K10337.6542600355.0122600343.4452600360.7932600349.22在假定的級溫度及101.3kPa壓力下，由安托尼方程得到的K值為：組分Ki,j12345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個(gè)組分甲醇的矩陣方程推導(dǎo)如下當(dāng)V1 = 0，Gj = 0(j =1，5)時(shí)，從式(