化工原理下冊部分題.doc

1. 某雙組分理想物系當(dāng)溫度t=80時，PA=106.7kPa，PB=40kPa，液相摩爾組成xA=0.4，試求： 與此液相組成相平衡的汽相組成y； 相對揮發(fā)度。解：（1）xA=(P總PB)(PAPB) ； 0.4=(P總40)（106.740） P總=66.7kPa； yA=xAPAP總=0.4106.766.7=0.64（）=PAPB=106.740=2.67 5. 某精餾塔在常壓下分離苯甲苯混合液，此時該塔的精餾段和提餾段操作線方程分別為y=0.723x+0.263和y=1.25x-0.0188，每小時送入塔內(nèi)75kmol的混合液，進(jìn)料為泡點下的飽和液體，試求精餾段和提餾段上升的蒸汽量為多少（kmol/h）。解:已知兩操作線方程: y=0.723x+0.263(精餾段) y=1.25x-0.0188(提餾段) R/(R+1)=0.723 R=2.61 x D / (R+1)=0.263 x D=3.610.263=0.9494 兩操作線交點時, y=y x=x 0.723x+0.263=1.25x-0.0188 xF =0.5347 飽和液體進(jìn)料q=1, x F = x =0.5347 提餾段操作線經(jīng)過點(x W，x W) y=x w =1.25xW0.0188 x W=0.0752由全塔物料衡算 F=D+W F x F = D x D + W x WD =(x Fx W)/(x Dx W)F=(0.5347-0.0752)/(0.9494-0.0752)75=39.42kmol/h 飽和液體進(jìn)料 V=V=L+D=(R+1)D=3.6139.42=142.3kmol/h6. 已知某精餾塔進(jìn)料組成xF=0.5，塔頂餾出液組成xD=0.95，平衡關(guān)系0.80.2，試求下列二種情況下的最小回流比Rmin。 飽和蒸汽加料； 飽和液體加料。解：R min = (x Dy q)/(y q x q ) (1) ； yq=0.8 x q + 0.2 (2) ； y q= qx q/ (q1)x f / (q1) (3) q=0, 由(3) yq=xf=0.5，由(2) xq = (0.5-0.2)/0.8=0.375，R min =(0.95-0.5)/(0.5-0.375)=3.6q=1, 由(3) xq =xf =0.5，由(2) yq =0.80.5+0.2=0.6，R min= (0.95-0.6)/(0.6-0.5)=3.59. 用常壓精餾塔分離雙組分理想混合物，泡點進(jìn)料，進(jìn)料量100kmol/h，加料組成為50% ,塔頂產(chǎn)品組成xD=95，產(chǎn)量 D=50kmol/h，回流比R=2Rmin，設(shè)全塔均為理論板，以上組成均為摩爾分率。相對揮發(fā)度=3。求：1.Rmin(最小回流比) 2.精餾段和提餾段上升蒸汽量。3.列出該情況下的精餾段操作線方程。解：1. y=x/1+(1)x=3x/(1+2x) 泡點進(jìn)料q=1, xq = x F = 0.5, y q =30.5/(1+20.5)=1.5/2=0.75R min / (Rmin+1)=(0.95-0.75)/(0.95-0.5)=0.20/0.45=4/9 Rmin=4/5=0.8 2. V=V=(R+1)D=(20.8+1)50=130kmol/h 3. y=R/(R+1)x + x D / (R+1)=0.615x+0.36512. 某精餾塔用于分離苯甲苯混合液，泡點進(jìn)料，進(jìn)料量30kmol/h，進(jìn)料中苯的摩爾分率為 0.5，塔頂、底產(chǎn)品中苯的摩爾分率分別為0.95和0.10，采用回流比為最小回流比的1.5倍，操作條件下可取系統(tǒng)的平均相對揮發(fā)度=2.4。(1)求塔頂、底的產(chǎn)品量；(2)若塔頂設(shè)全凝器，各塔板可視為理論板，求離開第二塊板的蒸汽和液體組成。解：（1）F=D+W ，F(xiàn)xF=DxDWxW30=D+W ，300.5 = D0.95+W0.10 D=14.1kmol / h W=15.9kmol / h （2）xq=xF= 0.5，yq =xq1+ (1)xq =2.40.5/ 1+ (2.41)0.5 = 0.706 R min =(xDyq)(yqxq)=(0.950.706) / (0.7060.5)=1.18，R =1.5 R min =1.51.18=1.77 精餾段的操作線方程為：y = R / (R+1)x +xD（R+1) = 1.77/(1.77+1)x0.95 / (1.77+1) = 0.639x+0.343 y1=xD=0.95，x1=y1y1(1)=0.95 / (2.40.95(2.41) = 0.888 y2=0.639x1+0.343 = 0.910， x2= 0.910 / 2.40.910(2.40-1) = 0.808 18. 用板式精餾塔在常壓下分離苯甲苯溶液，塔頂采用全凝器，塔釜用間接蒸汽加熱，平均相對揮發(fā)度為2.47。 進(jìn)料為150kmolh，組成為0.4（摩爾分率）的飽和蒸汽，回流比為4，塔頂餾出液中苯的回收率為0.97，塔釜采出液中甲苯的回收率為0.95，求： （1）塔頂餾出液及塔釜采出液的組成；（2）精餾段及提餾段操作線方程；（3）回流比與最小回流比的比值。 （4）全回流操作時，塔頂?shù)谝粔K板的氣相莫弗里板效率為0.6，全凝器凝液組成為0.98，求由塔頂?shù)诙K板上升的汽相組成。 解：(1) DXD = 0.97Fx F ， W(1x W) = F(1x F ) 0.95， D+W = F = 150 Dx D + Wx W = Fx F =1500.4 = 60 W=87.3 kmol/h D=62.7 kmol/h x D=92.8% x W = 2.06% (2) 精餾段操作線方程 y (n+1) = x nR / (R+1)+x D/ (R+1) =0.8x n + 0.1856提餾段操作線方程為y(n+1) = Lx n / VWx w / V q=0，V = (R+1)DF，L = DR， y(n+1)= x nRD / (R+1)DFWx w / (R+1)DF=1.534x n0.011 (3) q=0， ye = x F = 0.4， y = x / 1+1)x x e = 0.02125 R min = (x Dye) / (yex e) = (0.9280.4)/(0.40.2125)=2.816R / R min= 4/2.816 =1.42 （4）E mv1= (y1y2 ) / (y1*y2 ) = 0.6 y1*=x1/ 1+1)x1 全回流時y2 = x1 ，y1 = x D = 0.98 y1*=2.47y2 / (1+1.47y2) E mv1= (0.98y2) / 2.47y2 / (1+1.47y2)y2 = 0.6 y2=96.93% (mol%) y2 =780.9693 / 780.9693+92(10.9693) = 96.4% (質(zhì)量%) 改編：用板式精餾塔在常壓下分離苯甲苯溶液，塔頂采用全凝器，塔釜用間接蒸汽加熱，平均相對揮發(fā)度為2.47。 進(jìn)料為150kmolh，組成為0.4（摩爾分率）的飽和蒸汽，已知塔頂餾出液的流量為62.7 kmol/h，塔頂餾出液中苯的回收率為0.97，回流比為最小回流比的1.42倍，求： （1）塔頂餾出液及塔釜采出液的組成；（2）塔釜采出液中甲苯的回收率（3）回流比（4）精餾段及提餾段操作線方程；解：(1) DXD = 0.97Fx F ， D+W = F = 150 Dx D + Wx W = Fx F =1500.4 = 60 W=87.3 kmol/h x D=92.8% x W = 2.06% (2) W(1x W) / F(1x F ) = 0.95，(3) q=0， ye = x F = 0.4， y = x / 1+1)x x e = 0.02125 R min = (x Dye) / (yex e) = (0.9280.4)/(0.40.2125)=2.816R / R min= 1.42 R=4(4) 精餾段操作線方程 y (n+1) = x nR / (R+1)+x D/ (R+1) =0.8x n + 0.1856提餾段操作線方程為y(n+1) = Lx n / VWx w / V q=0，V = (R+1)DF，L = DR， y(n+1)= x nRD / (R+1)DFWx w / (R+1)DF=1.534x n0.011 14. 常壓連續(xù)精餾塔分離二元理想溶液，塔頂上升蒸汽組成y1=0.96（易揮發(fā)組分摩爾分率），在分凝器內(nèi)冷凝蒸汽總量的1/2（摩爾）作為回流，余下的蒸汽在全凝器內(nèi)全部冷凝作塔頂產(chǎn)品，操作條件下，系統(tǒng)平均相對揮發(fā)度=2.4，求： 塔頂產(chǎn)品及回流液的組成； 由塔頂?shù)诙永碚摪迳仙恼羝M成。解：y1=0.96, V=1kmol/h, L=1/2 kmol/h, D=1/2kmol/h, R=1, =2.4,y0=x0/1+(-1)x0=2.4x0/(1+1.4x0) -(1) 1y1=y0/2+x0/2 -(2) y0=20.96-x0 代入(1) 20.96-x0=2.4x0/(1+1.4x0), x0=0.944,xD=y0=2.40.944/(1+1.40.944)=0.976 x1=y1/-(-1)y1=0.96/(2.4-1.40.96)=0.909, y2=Rx1/(R+1)+xD/(R+1) =0.909/2+0.976/2=0.94320. 原料以飽和液體狀態(tài)由塔頂加入，F(xiàn)=1kmol/s，xF=0.5 (摩爾分率，下同) ，塔釜間接蒸汽加熱，塔頂無回流，要求xD=0.65，xw=0.03，相對揮發(fā)度=2.7，試求： 操作線方程； 設(shè)計時若理論板數(shù)可增至無窮，F(xiàn)、xF和D不變，xD的最大值是多少？解：F=D+W , 1=D+W , F xF =DxD+Wxw 0.5=D0.65+W0.03 ,D=V=0.758 , W=0.242 , L=F=1 , y= (L/)xWx W/=(1/0.758)x0.2420.03/0.758 y=1.32x0.00958 設(shè)頂部平衡 xD=y=xF/(1(1)xF)=2.70.5/(1+1.70.5)=0.73DxD=0.553 F xF 不可能。設(shè)底部平衡xw=0 xD= F xF/D=0.66 21. 進(jìn)料組成x F=0.2(摩爾組成，下同)，以飽和蒸汽狀態(tài)自精餾塔底部加入，塔底不再設(shè)再沸器，要求xD=0.95，xW=0.11，相對揮發(fā)度=2.7，試求： 操作線方程; 設(shè)計時若理論板數(shù)可增至無窮，且D/F不變，則塔底產(chǎn)品濃度的最低值為多少？解：F=D+W , 設(shè)F=1 , 1=D+W , F xF =DxD+Wxw 0.2=D0.95+W0.11 , D=0.107 , W=0.893 , V=F=1 , L=W=0.893 y = L /Vx + D x D / V = 0.893x0.1017 設(shè)底部平衡xw=xF/(1)xF)=0.0847xD= (F xFWxw )/D=1.16 不可能設(shè)頂部平衡 xD=1 , xw= (F xFD x D )/W=0.104 22. 某精餾塔分離組分和水的混合物（其中為易揮發(fā)組分），xD= 0.95，xW= 0.1， x F = 0.5 (均為摩爾分率)，原料在泡點下進(jìn)入塔的中部。塔頂采用全凝器，泡點回流，回流比R=1.5，塔底用飽和水蒸汽直接加熱，每層塔板氣相默夫里板效率mv=0.5，在本題計算范圍內(nèi)，相平衡關(guān)系為=0.50.5。試求： 從塔頂?shù)牡谝粔K實際板下降的液體濃度； 塔頂?shù)牟沙雎蔇/F。 解：（）q=，飽和水蒸汽用量V=V=（R1）D2.5D， 全凝器： 1=D =0.95 Emv=（12）（1*2）=（0.952）（0.510.52）=0.5即： 0.52=0.70.251 （）由精餾段操作線方程：（R+1）2=R1D 2.52=1.510.95 （） 聯(lián)解（）、（）式，得： 10.927 y2 = 0.9365 （）FV=DW， V=2.5D， F2.5D=DW 即: F1.5D=W （） FF=DxDWxW （） 式（）代入式（），消去W： D/F=（xFxW）/（xD1.5xW）=（0.50.1）（0.951.50.1）=0.3641. 當(dāng)系統(tǒng)服從亨利定律時，對同一溫度和液相濃度，如果總壓增大一倍，則與之平衡的氣相濃度（或分壓）(A) y增大一倍； (B) P增大一倍； (C) y減小一倍； (D) P減小一倍。 解：體系服從亨利定律，則： y*=E/Px ，現(xiàn)已知P增大一倍，即P=2P， x 、E不變, 則y*=y*/2 ，分壓PA=Py*=PA， 平衡氣相濃度y減小一倍，分壓不變，故選擇 (C)。 2. 在總壓P=500 KN/m2、溫度t=27下使含CO2 3.0%（體積%）的氣體與含CO2 370g/m3的水相接觸，試判斷是發(fā)生吸收還是解吸？并計算以CO2的分壓差表示的傳質(zhì)總推動力。已知：在操作條件下，亨利系數(shù)E=1.73105 KN/m2。水溶液的密度可取1000kg/m3，CO2的分子量為44。 解：氣相主體中CO2的分壓為P=5000.03=15 KN/m2；與溶液成平衡的CO2分壓為: P*=Ex；對于稀溶液: C=1000/18=55.6 kmol/m3，CO2的摩爾數(shù)n=370/(100044)=0.00841；xn/c=0.00841/55.6=1.51310-4； P*=1.731051.51310-4=26.16KN/m2；P*P；于是發(fā)生脫吸作用。以分壓差表示的傳質(zhì)推動力為P=P*-P =11.16 KN/m2 3. 總壓100kPa，30時用水吸收氨，已知kG=3.8410-6kmol/（m2skPa），kL=1.8310-4m/s，且知x=0.05時與之平衡的p*=6.7 kPa。求：ky、kx、Ky。（液相總濃度C 按純水計） 解：ky= PkG =1003.8410-6 =3.8410-4kmol/m2s ，kx=CkL=55.61.8310-4 = 1.0210-2 kmol/m2s，m=E/P，E=p*/x，m=p*/Px=6.7/(1000.05)=1.341/Ky=1/ky+m/kx=1/(3.8410-4)+m/(1.0210-2) =2604+131.4=2735.4 Ky=3.656104 kmol/m2s(y);5. 在20和760mmHg，用清水逆流吸收空氣混合氣中的氨?；旌蠚庵邪钡姆謮簽?0mmHg，經(jīng)吸收后氨的分壓下降到0.051 mmHg?；旌蠚怏w的處理量為1020kg/h，其平均分子量為28.8, 操作條件下的平衡關(guān)系為y=0.755x。若吸收劑用量是最小用量的5 倍，求吸收劑的用量和氣相總傳質(zhì)單元數(shù)。解：y1=p1/P=10/760=0.01316 y2=p2/P=0.051/760=6.7110-5L/G=5(L/G)min=5(y1-y2)/(y1/m)=5(0.01316-6.71*10-5)/(0.01316/0.755)=3.756 G=1020/28.8=35.42kmol/h L=3.756G=133kmol/h S=m/(L/G)=0.755/3.756=0.201 NOG=1/(1S)ln(1S)Y1/Y2+S=6.33。 7. 用填料塔從混合氣體中吸收所含的苯?；旌蠚怏w中含苯5%（體積%），其余為空氣,要求苯的回收率為90%（以摩爾比表示），25，常壓操作，入塔混合氣體為每小時940標(biāo)準(zhǔn)3，入塔吸收劑為純煤油，煤油的用量為最小用量的 1.5倍，已知該系統(tǒng)的平衡關(guān)系Y=0.14X（摩爾比），已知氣相體積傳質(zhì)系數(shù)Ya=0.035kmol/m3.S，純煤油的平均分子量Ms =170，塔徑0.6。試求：（）吸收劑的耗用量為多少Kg/h？（）溶液出塔濃度X1 為多少？（）填料層高度Z為多少？解：=90%，y1=0.05，Y1=y1/(1-y1)=0.05/(1-0.05)=0.05263； Y2=Y1(1-)=0.005266；G=940/22.4=41.96kmol/h；GB =G(1-y1)=41.96(1-0.05)=39.87 kmol/h； (Ls/GB)min=(Y1-Y2)/(Y1/m)=(0.05263-0.00526)/(0.05263/0.14)=0.126； Ls=1.5Lsmin=1.50.12639.87=7.536kmol/h=7.536170Kg/h=1281Kg/h；X1=(Y1-Y2)/（1.5(Ls/GB)min）=(0.05263-0.00526)/(1.50.126)=0.251；x1=X1/(1+X1)=0.2006 ；OG=GB/(Y)=(39.87/3600)/(0.0350.7850.6)=1.12m；OG=(Y1-Y2)/Ym；Y1=Y1-Y1*=0.05263-0.140.251=0.01749Y2=Y2-Y2*=0.00526；Ym=(0.01749-0.00526)/ln(0.01749/0.00526)=0.01018 OG=(0.05263-0.00526)/0.01018=4.65；=OGOG =1.124.65=5.2 m 8. 在常壓逆流操作的填料塔內(nèi)，用純?nèi)軇┪栈旌蠚怏w中的可溶組分。入塔氣體中的摩爾分率y1 0.03，要求其收率A 95。操作條件下mV/ L0.8（m可取作常數(shù)），平衡關(guān)系為Y = mX，與入塔氣體成平衡的液相濃度X1*=0.03。試計算: （1）操作液氣比為最小液氣比的倍數(shù)；（2）吸收液的濃度x1； （3）完成上述分離任務(wù)所需的氣相總傳質(zhì)單元數(shù)OG。 解：（1）Y1= 3/97 = 0.03093，x2= 0，Y2 =Y1 (1A ) =0.03093(10.95)=0.00155由最小溶劑用量公式 (L / G) min = (Y1Y2) / (Y1/mx2) = m(0.0310.00155)/0.031 = 0.95m已知 mG / L = 0.8 則 L / G = (1 / 0.8 ) m = 1.25m(L/G)(L/G)min =1.25/0.95=1.316 m = Y1/ X1* = 0.03093/0.03=1.031（）由物料衡算式得: X1= (Y2Y1)/(L/G) = (0.03093-0.00155)/ (1.251.031) = 0.0228（）OG =1/ (1-mG/L)ln(1-mG/L)(Y1mX2)/(Y2mX2)+mG/L =1/ (1-0.8)ln(1-0.8)Y1/(0.05Y1)+0.8 = 7.84 10. 用清水吸收氨空氣混合氣中的氨?；旌蠚膺M(jìn)塔時氨的濃度y1=0.01（摩爾比）, 吸收率90%，氣液平衡關(guān)系y=0.9x。試求：(1)溶液最大出口濃度；(2)最小液氣比； (3)取吸收劑用量為最小吸收劑用量的2倍時，傳質(zhì)單元數(shù)為多少？(4)傳質(zhì)單元高度為0.5m時，填料層高為幾米？解：已知y1=0.01，=90% ， y2=y1(1)=0.01(10.9)=0.001 ，x2=0， x1*=y1/0.9=0.01/0.9=0.0111，(L/V)min=(y1y2)/(x1*x2)=(0.01-0.001)/0.0111=0.811，L/V=2(L/V)min=20.811=1.62 ，x1=(y1y2)/(L/V)+x2=(0.010.001)/1.62=0.00556， y2*=0，y1*=0.90.00556=0.005，ym =(0.010.005)(0.0010)ln(0.010.005)/0.001=0.0025NOG=(y1y2)/ym =(0.010.001)/0.0025 =3.6 ， =0.53.6=1.8 m。11. 在填料層高為8m的填料塔中，用純?nèi)軇┠媪魑湛諝釮2S混合氣中的H2S以凈化空氣。已知入塔氣中含H2S 2.8%（體積%），要求回收率為95% ，塔在 1 atm、15下操作, 此時平衡關(guān)系為y=2x，出塔溶液中含H2S為0.0126（摩爾分率），混合氣體通過塔截面的摩爾流率為100kmol/（m2h）。 試求：單位塔截面上吸收劑用量和出塔溶液的飽和度；氣相總傳質(zhì)單元數(shù)；氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)。注：計算中可用摩爾分率代替摩爾比。 解 y1=0.028 ，y2=y1(1)=0.028(10.95)=0.0014 ，L=(y1y2)/x1G=(0.0280.0014)/0.0126100=211 kmol/m2h x1max=x1*=y1/m=0.028/2=0.014 ，x1/x1*=0.0126/0.014=90%y1=y1mx1=0.02820.0126=0.0028 ，y2=y2=0.0014 ，ym=(0.00280.0014)/ln（0.0028/0.0014)=0.00202 NOG=(y1y2)/ym=13.2Z=G/KyaNOG Kya=G/ZNOG=100/813.2=165 kmol/m3h。13. 有一填料層高度為3m的逆流操作的吸收塔，操作壓強為 1 atm，溫度為23，用清水吸收空氣中的氨氣，混合氣體流率為 18kmol/m2.h ，其中含氨 6%（體積%），吸收率為 99%, 清水的流率為43kmol/m2.h，平衡關(guān)系為y=0.9x，氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)KGa與氣相質(zhì)量流率的0.8次方成正比，而受液體質(zhì)量流率的影響甚小。試估算在塔徑、回收率及其他操作條件不變，而氣體流率增加一倍時，所需填料層高度有何變化？解：L/G=43/18=2.39 ，S=m/(L/G)=0.9/2.39=0.377 ，y1=0.06 ，y2=y1(1)=0.06(10.99)=0.0006 ， N OG =1/(1S)ln(1S)Y1/Y2+S=6.64 H OG=h/N OG=3/6.64=0.451 當(dāng)G一倍，G=2G=36kmol/m2h S=2S=0.754 N OG =1/(1S)ln(1S)Y1/Y2+S=13.1 ，H OG =(G/G)0.2H OG=0.518 Z=13.10.518=6.79 m 填料層高度應(yīng)增加3.79米。14. 有一填料層為3m的逆流吸收塔，操作壓強為1atm，溫度為20，用清水吸收空氣中的氨, 混合氣體流率為36kmol/m2h，其中含氨6%（體積%），吸收率為99%，清水流率為86kmol/m2h，平衡關(guān)系為y=0.75x，氣相總傳質(zhì)系數(shù)KGa與氣相質(zhì)量流率的0.8次方成正比， 而受液相質(zhì)量流率的影響甚小。試估算在塔徑、回收率及其他操作條件不變，液體流率增加一倍時，所需填料層高度有何變化？解： L/G = 86/36 = 2.39， S = m/(L/G) = 0.75/2.39 = 0.314，y1=0.06, y2 = y1(1) =0.06(10.99) = 0.0006NOG =1/(1S)ln(1S ) (y1y2*)/ (y2y2*)S = 6.17 HOG = h / NOG = 3 / 6.17 = 0.486m 當(dāng)L一倍, L=2L ， s= m / (L/G) = s / 2 = 0.157 NOG= 1 / (1S) ln (1S) (y1y2*)/ (y2y2*)S = 5.26由于氣相總傳質(zhì)系數(shù)受L 的影響很小, G 不變, 所以H OGH OG Z= N OGH OG= 5.260.4