化工原理作業(yè)和練習題

1、第七章練習題 1.在吸收塔中用水吸收混于空氣中的氨。已知入塔混合氣中氨含量為5.5%（質量分數，下同），吸收后出塔氣體中氨含量為0.2%，試計算進、出塔氣體中氨的摩爾比、。解：先計算進、出塔氣體中氨的摩爾分數和。 進、出塔氣體中氨的摩爾比、為 由計算可知，當混合物中某組分的摩爾分數很小時，摩爾比近似等于摩爾分數。第八章練習題2. 在溫度為25 及總壓為101.3 kPa的條件下，使含二氧化碳為3.0%（體積分數）的混合空氣與含二氧化碳為350 g/m3的水溶液接觸。試判斷二氧化碳的傳遞方向，并計算以二氧化碳的分壓表示的總傳質推動力。已知操作條件下，亨利系數kPa，水溶液的密度為997.8 kg

2、/m3。解：水溶液中CO2的濃度為對于稀水溶液，總濃度為 kmol/m3水溶液中CO2的摩爾分數為 由 kPa氣相中CO2的分壓為 kPa 故CO2必由液相傳遞到氣相，進行解吸。 以CO2的分壓表示的總傳質推動力為 kPa練習題7. 某填料吸收塔內裝有5 m高，比表面積為221 m2/m3的金屬階梯環(huán)填料，在該填料塔中，用清水逆流吸收某混合氣體中的溶質組分。已知混合氣的流量為50 kmol/h，溶質的含量為5（體積分數）；進塔清水流量為200 kmol/h，其用量為最小用量的1.6倍；操作條件下的氣液平衡關系為；氣相總吸收系數為；填料的有效比表面積近似取為填料比表面積的90。試計算（1）填料塔

3、的吸收率；（2）填料塔的直徑。解：（1）惰性氣體的流量為對于純溶劑吸收依題意（2）由 填料塔的直徑為練習題11. 某制藥廠現有一直徑為 0.6 m，填料層高度為6 m的吸收塔，用純溶劑吸收某混合氣體中的有害組分?，F場測得的數據如下：V=500 m3/h、Y1=0.02、Y2=0.004、X1=0.004。已知操作條件下的氣液平衡關系為 Y = 1.5 X ?，F因環(huán)保要求的提高，要求出塔氣體組成低于0.002（摩爾比）。該制藥廠擬采用以下改造方案：維持液氣比不變，在原塔的基礎上將填料塔加高。試計算填料層增加的高度。解：改造前填料層高度為改造后填料層高度為故有由于氣體處理量、操作液氣比及操作條件不

4、變，故對于純溶劑吸收，由 故 因此，有操作液氣比為填料層增加的高度為練習題12. 若吸收過程為低組成氣體吸收，試推導。解： 由 故 作業(yè)題3. 在總壓為110.5 kPa的條件下，采用填料塔用清水逆流吸收混于空氣中的氨氣。測得在塔的某一截面上，氨的氣、液相組成分別為、。氣膜吸收系數kG=5.210-6 kmol/(m2skPa)，液膜吸收系數kL=1.5510-4 m/s。假設操作條件下平衡關系服從亨利定律，溶解度系數H0.725 kmol/(m3kPa)。 （1）試計算以、表示的總推動力和相應的總吸收系數； （2）試分析該過程的控制因素。解：(1) 以氣相分壓差表示的總推動力為 kPa 其對

5、應的總吸收系數為kmol/(m2skPa) 以液相組成差表示的總推動力為 其對應的總吸收系數為 （2）吸收過程的控制因素氣膜阻力占總阻力的百分數為氣膜阻力占總阻力的絕大部分，故該吸收過程為氣膜控制。作業(yè)題5. 在101.3 kPa及25 的條件下，用清水在填料塔中逆流吸收某混合氣中的二氧化硫。已知混合氣進塔和出塔的組成分別為y1=0.04、y2=0.002。假設操作條件下平衡關系服從亨利定律，亨利系數為4.13103 kPa，吸收劑用量為最小用量的1.45倍。（1） 試計算吸收液的組成； （2） 若操作壓力提高到1013 kPa而其他條件不變，再求吸收液的組成。 解：（1）吸收劑為清水，所以

6、所以操作時的液氣比為 吸收液的組成為 （2） 作業(yè)題6. 在一直徑為0.8 m的填料塔內，用清水吸收某工業(yè)廢氣中所含的二氧化硫氣體。已知混合氣的流量為45 kmol/h，二氧化硫的體積分數為0.032。操作條件下氣液平衡關系為，氣相總體積吸收系數為0.056 2 kmol/(m3s)。若吸收液中二氧化硫的摩爾比為飽和摩爾比的76%，要求回收率為98%。求水的用量（kg/h）及所需的填料層高度。解： 惰性氣體的流量為水的用量為 求填料層高度作業(yè)題8. 在101.3 kPa及20 的條件下，用清水在填料塔內逆流吸收混于空氣中的氨氣。已知混合氣的質量流速G為600 kg/(m2h)，氣相進、出塔的摩

7、爾分數分別為0.05、0.000526，水的質量流速W為800 kg/(m2h)，填料層高度為3 m。已知操作條件下平衡關系為Y= 0.9 X，KGa正比于G 0.8而于W無關。若（1）操作壓力提高一倍；（2）氣體流速增加一倍；(3) 液體流速增加一倍，試分別計算填料層高度應如何變化，才能保持尾氣組成不變。解：首先計算操作條件變化前的傳質單元高度和傳質單元數 操作條件下，混合氣的平均摩爾質量為 m （1） 若氣相出塔組成不變，則液相出塔組成也不變。所以 m m m 即所需填料層高度比原來減少1.801m。 （2） 若保持氣相出塔組成不變，則液相出塔組成要加倍，即故 m m m 即所需填料層高度

8、要比原來增加4.910 m。 （3） W對KGa無影響，即對KGa無影響，所以傳質單元高度不變，即 m 即所需填料層高度比原來減少0.609 m。作業(yè)題10. 用清水在塔中逆流吸收混于空氣中的二氧化硫。已知混合氣中二氧化硫的體積分數為0.085，操作條件下物系的相平衡常數為26.7，載氣的流量為250 kmol/h。若吸收劑用量為最小用量的1.55倍，要求二氧化硫的回收率為92%。試求水的用量（kg/h）及所需理論級數。 解： 用清水吸收， 操作液氣比為水的用量為 用清水吸收， 由 第九章練習題1在密閉容器中將A、B兩組分的理想溶液升溫至82 ，在該溫度下，兩組分的飽和蒸氣壓分別為=107.6

9、 kPa及41.85 kPa，取樣測得液面上方氣相中組分A的摩爾分數為0.95。試求平衡的液相組成及容器中液面上方總壓。解：本題可用露點及泡點方程求解。解得 kPa本題也可通過相對揮發(fā)度求解由氣液平衡方程得2試分別計算含苯0.4（摩爾分數）的苯甲苯混合液在總壓100 kPa和10 kPa的相對揮發(fā)度和平衡的氣相組成。苯（A）和甲苯（B）的飽和蒸氣壓和溫度的關系為式中p的單位為kPa，t的單位為。苯甲苯混合液可視為理想溶液。（作為試差起點，100 kPa和10 kPa對應的泡點分別取94.6 和31.5 ）解：本題需試差計算（1）總壓p總100 kPa初設泡點為94.6，則 得 kPa同理 kP

10、a或 則 （2）總壓為p總10 kPa通過試差，泡點為31.5，=17.02kPa，5.313kPa隨壓力降低，增大，氣相組成提高。練習題10在常壓連續(xù)精餾塔內分離苯氯苯混合物。已知進料量為85 kmol/h，組成為0.45（易揮發(fā)組分的摩爾分數，下同），泡點進料。塔頂餾出液的組成為0.99，塔底釜殘液組成為0.02。操作回流比為3.5。塔頂采用全凝器，泡點回流。苯、氯苯的汽化熱分別為30.65 kJ/mol和36.52 kJ/mol。水的比熱容為4.187 kJ/ (kg )。若冷卻水通過全凝器溫度升高15 ，加熱蒸汽絕對壓力為500 kPa（飽和溫度為151.7 ，汽化熱為2 113 kJ

11、/kg）。試求冷卻水和加熱蒸汽的流量。忽略組分汽化熱隨溫度的變化。解：由題給條件，可求得塔內的氣相負荷，即對于泡點進料，精餾段和提餾段氣相負荷相同，則（1）冷卻水流量 由于塔頂苯的含量很高，可按純苯計算，即（2）加熱蒸汽流量 釜液中氯苯的含量很高，可按純氯苯計算，即練習題12在常壓連續(xù)精餾塔中，分離甲醇水混合液。原料液流量為100 kmol/h，其組成為0.3（甲醇的摩爾分數，下同），冷液進料（q =1.2），餾出液組成為0.92，甲醇回收率為90，回流比為最小回流比的3倍。試比較直接水蒸氣加熱和間接加熱兩種情況下的釜液組成和所需理論板層數。甲醇水溶液的txy數據見本題附表習題12 附 表溫度

12、t液相中甲醇的摩爾分數氣相中甲醇的摩爾分數溫度t液相中甲醇的摩爾分數氣相中甲醇的摩爾分數1000.00.075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.078.00.300.665解：（1）釜液組成 由全塔物料衡算求解。 間接加熱 直接水蒸氣加熱關鍵是計算R。由于

13、q =1.2，則q線方程為在本題附圖上過點e作q線，由圖讀得：xq = 0.37，yq = 0.71于是 顯然，在塔頂甲醇收率相同條件下，直接水蒸氣加熱時，由于冷凝水的稀釋作用，xW明顯降低。（2） 所需理論板層數 在xy圖上圖解理論板層數 附 圖1 附 圖2習題12 附 圖間接加熱 精餾段操作線的截距為 由xD = 0.92及截距0.323作出精餾段操作線ab，交q線與點d。由xW=0.0425定出點c，連接cd即為提餾段操作線。由點a開始在平衡線與操作線之間作階梯，NT = 5（不含再沸器），第4層理論板進料。直接蒸汽加熱 圖解理論板的方法步驟同上，但需注意xW=0.0172是在x軸上而不

14、是對角線上，如本題附圖所示。此情況下共需理論板7層，第4層理論板進料。計算結果表明，在保持餾出液中易揮發(fā)組分收率相同條件下，直接蒸汽加熱所需理論板層數增加。且需注意，直接蒸汽加熱時再沸器不能起一層理論板的作用。作業(yè)題4在一連續(xù)精餾塔中分離苯含量為0.5（苯的摩爾分數，下同）苯甲苯混合液，其流量為100 kmol/h。已知餾出液組成為0.95，釜液組成為0.05，試求（1）餾出液的流量和苯的收率；（2）保持餾出液組成0.95不變，餾出液最大可能的流量。解：（1）餾出液的流量和苯的收率（2）餾出液的最大可能流量當A=100%時，獲得最大可能流量，即作業(yè)題5在連續(xù)精餾塔中分離A、B兩組分溶液。原料液

15、的處理量為100 kmol/h，其組成為0.45（易揮發(fā)組分A的摩爾分數，下同），飽和液體進料，要求餾出液中易揮發(fā)組分的回收率為96，釜液的組成為0.033。試求（1）餾出液的流量和組成；（2）若操作回流比為2.65，寫出精餾段的操作線方程；（3）提餾段的液相負荷。解：（1）餾出液的流量和組成由全塔物料衡算，可得kmol/h=54.55 kmol/hkmol/h=45.45 kmol/h（2）精餾段操作線方程（3）提餾段的液相負荷作業(yè)題7在連續(xù)操作的精餾塔中分離兩組分理想溶液。原料液流量為50 kmol/h，要求餾出液中易揮發(fā)組分的收率為94。已知精餾段操作線方程為y = 0.75x+0.23

16、8；q線方程為y = 2-3x。試求（1）操作回流比及餾出液組成；（2）進料熱狀況參數及原料的總組成；（3）兩操作線交點的坐標值xq及yq；（4）提餾段操作線方程。解：（1）操作回流比及餾出液組成 由題給條件，得及解得 R = 3，xD = 0.9522）進料熱狀況參數及原料液組成 由于及解得 q = 0.75（氣液混合進料），xF = 0.5（3）兩操作線交點的坐標值xq及yq 聯立操作線及q線兩方程，即解得 xq = 0.4699及yq = 0.5903（4）提餾段操作線方程 其一般表達式為式中有關參數計算如下： kmol/h = 25.32 kmol/hkmol/h =111.54 km

17、ol/hkmol/h = 86.22 kmol/h則 作業(yè)題9在板式精餾塔中分離相對揮發(fā)度為2的兩組分溶液，泡點進料。餾出液組成為0.95（易揮發(fā)組分的摩爾分數，下同），釜殘液組成為0.05，原料液組成為0.6。已測得從塔釜上升的蒸氣量為93 kmol/h，從塔頂回流的液體量為58.5 kmol/h，泡點回流。試求（1）原料液的處理量；（2）操作回流比為最小回流比的倍數。解：（1）原料液的處理量 由全塔的物料衡算求解。對于泡點進料，q = 1kmol/h=34.5 kmol/h則 解得 kmol/h（2）R為Rmin的倍數R = 1.70對于泡點進料，Rmin的計算式為 于是 第十章練習題1.

18、 25時醋酸（A）庚醇-3（B）水（S）的平衡數據如本題附表所示。習題1附表1 溶解度曲線數據（質量分數/%）醋酸（A）庚 醇-3（B）(333(B)水（S）醋酸（A）庚 醇-3（B） -3(B)-3(B)-3(B) 3(B)水（S）096.43.648.512.838.73.593.03.547.57.545.08.687.24.242.73.753.619.374.36.436.71.961.424.467.57.929.31.169.630.758.610.724.50.974.641.439.319.319.60.779.745.826.727.514.90.684.546.524.1

19、29.47.10.592.447.520.432.10.00.499.6習題1附表2 聯結線數據（醋酸的質量分數%）水 層庚 醇-3 層水 層庚 醇-3 層6.45.338.226.813.710.642.130.519.814.844.132.626.719.248.137.933.623.747.644.9試求：（1）在直角三角形相圖上繪出溶解度曲線及輔助曲線，在直角坐標圖上繪出分配曲線。（2）確定由200 kg醋酸、200 kg庚醇-3和400 kg水組成的混合液的物系點位置。混合液經充分混合并靜置分層后，確定兩共軛相的組成和質量。（3）上述兩液層的分配系數及選擇性系數。（4）從上述混合

20、液中蒸出多少千克水才能成為均相溶液？ 解：（1）溶解度曲線如附圖1中曲線SEPHRJ所示。輔助曲線如附圖1曲線SNP所示。分配曲線如附圖2 所示。 （2）和點醋酸的質量分率為 水的質量分率為 由此可確定和點M的位置，如附圖1所示。由輔助曲線通過試差作圖可確定M點的差點R和E。由杠桿規(guī)則可得 由附圖1可查得E相的組成為習題1 附圖1 習題1 附圖2 R相的組成為 （3）分配系數 選擇性系數 （4）隨水分的蒸發(fā)，和點M將沿直線SM移動，當M點到達H點時，物系分層消失，即變?yōu)榫辔锵?。由杠桿規(guī)則可得 需蒸發(fā)的水分量為練習題2. 在單級萃取裝置中，以純水為溶劑從含醋酸質量分數為30%的醋酸庚醇-3混合

21、液中提取醋酸。已知原料液的處理量為1 000 kg/h，要求萃余相中醋酸的質量分數不大于10%。試（1）水的用量；（2）萃余相的量及醋酸的萃取率。操作條件下的平衡數據見習題1。 解：（1）物系的溶解度曲線及輔助曲線如附圖所示。由原料組成xF=0.3可確定原料的相點F，由萃余相的組成xA=0.1可確定萃余相的相點R。借助輔助曲線，由R可確定萃取相的相點E。聯結RE、FS，則其交點M即為萃取操作的物系點。由杠桿規(guī)則可得習題2 附圖 （2）由杠桿規(guī)則可確定萃余相的量。 由附圖可讀得萃取相的組成為 萃取率=第十一章練習題1. 已知濕空氣的總壓力為100 kPa，溫度為50 ，相對濕度為40%，試求（1

22、）濕空氣中的水汽分壓；（2）濕度；（3）濕空氣的密度。 解：（1）濕空氣的水汽分壓 由附錄查得50 時水的飽和蒸氣壓，故 （2）濕度 （3）密度 m3濕空氣/kg絕干氣 密度 練習題2常壓連續(xù)干燥器內用熱空氣干燥某濕物料，出干燥器的廢氣的溫度為40 ，相對濕度為43%，試求廢氣的露點。解：由附錄查得40 時水的飽和蒸氣壓，故濕空氣中水汽分壓為 查出時的飽和溫度為25.02 ，此溫度即為廢氣露點。練習題3. 在總壓101.3 kPa下，已知濕空氣的某些參數。利用濕空氣的HI圖查出附表中空格項的數值，并繪出分題4的求解過程示意圖。習題3附表序號 濕度 kg/kg絕干氣干球溫度/濕球溫度相對濕度%

23、焓 kJ/kg絕干氣水汽分壓kPa露點1（0.02）86（35）51403232（0.03）793711（160）4.2303（0.04）8642（10）1936354（0.05）（60）42371927.538.5 解：附表中括號內的數為已知，其余值由H-I圖查得。分題4的求解過程示意圖略。作業(yè)題4. 將、絕干氣的常壓新鮮空氣，與干燥器排出的、絕干氣的常壓廢氣混合，兩者中絕干氣的質量比為1：3。試求（1）混合氣體的溫度、濕度、焓和相對濕度；（2）若后面的干燥器需要相對濕度10%的空氣做干燥介質，應將此混合氣加熱至多少攝氏度？ 解：（1）對混合氣列濕度和焓的衡算，得 （a） （b） 當、絕干氣時，空氣的焓為 當、絕干氣時，空氣的焓為將以上值代入式（a