化工分離過程課后答案

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化工分離過程課后答案

劉家祺

YUKIwascompiledonthemorningofDecember16,2020

化學工程與工藝教學改革系列參考書

分離過程例題與習題集

葉慶國鐘立梅主編

化工學院化學工程教研室

Sr_i__

刖百

化學工程與工藝專業(yè)所在的化學工程與技術(shù)一級學科屬于山東省“重中之

重”學科，一直處于山東省領(lǐng)先地位，而分離工程是該專業(yè)二門重要的必修專

業(yè)

課程之一。該課程利用物理化學、化工原理、化工熱力學、傳遞過程原理等基礎(chǔ)

基礎(chǔ)知識中有關(guān)相平衡熱力學、動力學、分子及共聚集狀態(tài)的微觀機理，傳熱、

傳質(zhì)和動量傳遞理論來研究化工生產(chǎn)實際中復雜物系分離和提純技術(shù)。傳統(tǒng)的教

學方法的突出的弊端就是手工計算工程量大，而且結(jié)果不準確。同時由于現(xiàn)代化

化學工業(yè)日趨集成化、自動化、連續(xù)化，學生能學到的東西越來越少。所以，傳

統(tǒng)的教學模式不能滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)對高水平工業(yè)工程師的需求，開展分離工

程課程教學方法與教學手段課題的研究與實踐，對我們的學生能否承擔起現(xiàn)代化

學工業(yè)的重任，與該課程的教學質(zhì)量關(guān)系重大，因此對該門課程進行教學改革具

有深遠意義。

分離工程課程的改革主要包括多媒體輔助教學課件的開發(fā)、分離工程例題與

習題集、分離工程試題庫的編寫等工作。目前全國各高校化學工程與工藝專業(yè)使

用的教材一般均為由化學工程與工藝專業(yè)委員會組織編寫的化工分離過程（陳洪

鉉主編，化學工業(yè)出版社），其他類似的教材已出版了十余部。這些教材有些還

未配習題，即便有習題，也無參考答案，而至今沒有一本與該課程相關(guān)的例題與

習題集的出版。因此編寫這樣一本學習參考書，既能發(fā)揮我校優(yōu)勢，又符合形勢

需要，填補參考書空白，具有良好的應(yīng)用前景。

分離工程學習指導和習題集與課程內(nèi)容緊密結(jié)合，習題貫穿目前已出版的相

關(guān)教材，有解題過程和答案，部分題目提供多種解題思路及解題過程，為學生的

課堂以及課后學習提供了有力指導。

編者

2006年3月

目錄

第一章緒

論..................................................................

.......................1第二章單級平衡過

程..................................................................

.......5第三章多組分精儲和特殊精

館........................................................18第四章

氣體吸

收..................................................................

.............23第五章液液萃

取..................................................................

.............26第六章多組分多級分離的嚴格計

算................................................27第七章吸

附..................................................................

.....................33第八章結(jié)

晶..................................................................

.....................34第九章膜分

離..................................................................

.................35第十章分離過程與設(shè)備的選擇與放

大..............................................36

第一章緒論

1.列出5種使用ESA和5種使用MSA的分離操作。

答：屬于ESA分離操作的有精儲、萃取精儲、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精儲。

屬于MSA分離操作的有萃取精儲、液-液萃取、液-液萃?。p溶劑）、吸收、

吸附。

2.比較使用ESA與MSA分離方法的優(yōu)缺點。

答：當被分離組分間相對揮發(fā)度很小，必須采用具有大量塔板數(shù)的精儲塔才能分

離時,就要考慮采用萃取精儲（MSA）,但萃取精偏需要加入大量萃取劑，

萃取劑的分離比較困難，需要消耗較多能量，因此，分離混合物優(yōu)先選擇能

量媒介（ESA）方法。

3.氣體分離與滲透蒸發(fā)這兩種膜分離過程有何區(qū)別？

答：氣體分離與滲透蒸發(fā)式兩種正在開發(fā)應(yīng)用中的膜技術(shù)。氣體分離更成熟些，

滲透蒸發(fā)是有相變的膜分離過程，利用混合液體中不同組分在膜中溶解與擴

散性能的差別而實現(xiàn)分離。

4.海水的滲透壓由下式近似計算：n=RTC/M,式中C為溶解鹽的濃度，

g/cm3；

M為離子狀態(tài)的各種溶劑的平均分子量。若從含鹽g/cm3的海水中制取

純水，M=，操作溫度為298K。問反滲透膜兩側(cè)的最小壓差應(yīng)為多少kPa

答：滲透壓Jt=RTC/M=X298X=o

所以反滲透膜兩側(cè)的最小壓差應(yīng)為o

5.假定有一絕熱平衡閃蒸過程，所有變量表示在所附簡圖中。求:

(1)總變更量數(shù)Nv;

(2)有關(guān)變更量的獨立方程數(shù)Nc；

(3)設(shè)計變量數(shù)Ni;L,x,

pVT,P

(4)固定和可調(diào)設(shè)計變量數(shù)Nx,

T

Na；'

py

(5)對典型的絕熱閃蒸過程，你

i

習

將推薦規(guī)定哪些變量？皿

題

思路1:5

T

附

3股物流均視為單相物流，￥

圖

總變量數(shù)Nv=3(C+2)=3c+6

獨立方程數(shù)Ncp

V

物料衡算式C個

熱量衡算式1個

相平衡組成關(guān)系式C個

1個平衡溫度等式

1個平衡壓力等式共2c+3個

故設(shè)計變量Ni

=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3

固定設(shè)計變量Nx=C+2,加上節(jié)流后的壓力，共C+3個

可調(diào)設(shè)計變量Na=O

解：

(1)Nv=3(c+2)思路

2：

(2)Nc物c

能1輸

相c出

的

內(nèi)在(P,T)2

兩

Nc=2c+3股

物

(3)Ni=Nv-Nc=c+3

流

(4)Nxu=(c+2)+1=c+3差

成

(5)Nau=c+3-(c+3)=0

是相平衡物流，所以總變量數(shù)Nv=2(C+2)

塔頂產(chǎn)

獨立方程數(shù)Nc：物料衡算式C個，熱量衡算式1個，共C+1個

物

設(shè)計變量數(shù)Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+l)=C+3

固定設(shè)計變量Nx:有C+2個加上節(jié)流后的壓力共C+3個

可調(diào)設(shè)計變量Na：有0

6.滿足下列要求而設(shè)計再沸汽提塔見附圖，求：

(1)設(shè)計變更量數(shù)是多少？

(2)如果有，請指出哪些附加變

進料，227K,2068kPa

量需要規(guī)定？

9塔底產(chǎn)

u組分

解：Nx進料c+2

Kmol/h物

2

壓力9

習題6

u

Na串級單元1

附圖

傳熱1

合計2

u=

NX”=20

附加變量：總理論板數(shù)。

7.附圖為熱藕合精健系統(tǒng)，進料為三組分混合物，采出三個產(chǎn)品。確定該系

統(tǒng)：

(1)設(shè)計變量數(shù)；

(2)指定一組合理的設(shè)計變量。

解：NU壓力N+M+1+1加熱器

X吸

換熱器

進料c+2

收

泵

合計N+M+c+4

塔

(c=3)C0+蒸

尾

汽

氣

Na"串級6

蒸

分配器1T

T出

側(cè)線3P

P塔

傳熱2冷

水

卻

蒸

器

氣

u

Nv=N+M+3+4

=N+M+19

習題7附圖

8.利用如附圖所示的系統(tǒng)將某混合物分離成三個產(chǎn)品。試確定:

（1）固定設(shè)計變量數(shù)和可調(diào)設(shè)計變量數(shù);

（2）指定一組合理的設(shè)計變更量

u

解：Nx進料c+2全凝器產(chǎn)品1

壓力N+M+1+1+1

c+N+M+5

u

Na串級4

料

分配1

側(cè)線1

傳熱4

10

再沸

習題14附圖

產(chǎn)

品3

離

個

組

分

混

合

S再沸器

產(chǎn)品2

進料F

2

40%(

mo

200

1)

1140kPa苯

閥

20

km

Km

ol

ol

/h

/h

含

苯10

進

甲苯

料

聯(lián)中

苯

苯

2

白勺

1

%

20

4k

Pa

冷卻器產(chǎn)品3

習題8附圖

習題9附圖

物為三個產(chǎn)品（見附圖），試問圖中

所注設(shè)計變量能否使問題有唯一解如果不，你認為還應(yīng)規(guī)定哪個（些）設(shè)計變

量

解：NXU進料c+2

壓力40+1+1

c+44=

47

u

Na3+1+1+2=7

u

Nv=54

設(shè)計變量：回流比，儲出液流率。

第二章單級平衡過程

1.計算在a和下苯Q)-甲苯⑵-對二甲苯⑶三元系，當x1=,

x2=，x3=時的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。已知三個二元系的Wilson方程參數(shù)。

12111035.33;1222

2322;2333

(單位:J/mol)

13U；1333

1510.141642.81

在丁=時液相摩爾體積為：

vL103/z?3/；vL103；vL103

kmo

安托尼公式為：

1/

苯：In2788-51，；

勺

甲苯：In3096,52T；

札

對二甲苯：In3346.65TJ{Ps：為":')

收

解1：由Wilson參數(shù)方程.

ij

L

exp

RT

vL

2expRT

12L1211

1

10

exp1035.33

103

L

e用2122RT

21L

2

10

exp

103

=23

同理：1331

32

kixk

由Wilson方程In/1Inyjxj

JkJJ

J

123

根據(jù)安托尼方程：

pSQ7aPa；pS104/^a；Ps104Pa

由式(2-38)計算

得：

如視為完全理想系，根據(jù)式(2-36)計算得：

4148；42；43

解2：在T=下

2788.5/；

苯：InP

S

Ps=

S

s

甲苯：In3096.52/；傷-

s

S

對二甲苯：In3346.65/;e=

電

Wilson方程參數(shù)求

取

vL

exp(exp(

1103

■1211)

1035.33

)

12LRT10

2

vL

2

10exp(；

exp(1222)

21LRT103

1

3

10

vL

exp(2322)

2exp()

23LRT103

3

3?

10

vL

exp(2333)

Qexp()

o

3

32LRT10

2

1031510.1

vL

4

e^)(1311)

1exp()

13LRT103

2

1642.81

103

vL

Qexp(1333)exp()

31LRT103

1

x)(2131萬3)

Inr1In(xx

x1

xxx

11122xi1221321\X?2331\32矛2

133格矛3矛3

1In(

)

xx

Inr

1In(xx)X)

x(

XXXXXXXXX

1In(

?)

9

也二

xv

InrX)

1ln(xx)

7X

X(

XXXXXX

XXX

1In(------------------------------------

)

?

故

而完全理想系:

42

心

1

p

s

2

p

2.一液體混合物的組成為：苯；甲苯；對二甲苯(摩爾分率)。分

別用平衡常數(shù)法和相對揮發(fā)度法計算該物系在WOkPa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：

PsPa；PsPa；PsPa

123

由式(2-36)；"2；43;Yi

得：

；鄧

81

由于Yi>,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：

K1可得/

?53

yi

重復上述步驟:

K;K；K

，，

?

1

23

i

y；y；y；y

，，

在溫度為時，存在與之平衡的汽相，組成為：苯、

甲苯、對二甲苯。

⑵用相對揮發(fā)度法：

設(shè)溫度為368K,取對二甲苯為相對組分。計算相對揮發(fā)度的:

135-807；23；，>3

解2：

⑴平衡常數(shù)充假設(shè)為3三全理想系。設(shè)t=95℃

苯：InPij

S

2788.5/(95

pS105Pa

甲苯：3096.52/(95

InP

s

Ps104Pa

對二甲苯：InP/(95

s

Ps104Pa

P5P

K;K

?

2

11052

1P10

s

心

3

P

Kixj

選苯為參考組分：/2;解得T2=℃

ss4

In電電10Pa

ss4

In時10Pa

《2《3

Kixj1

故泡點溫度為。C,且網(wǎng)；

72；F3

(2)相對揮發(fā)度法

設(shè)t=95℃,同上求得修=,K2=，K3=

13，23，331

ixi1

71

yi

Xi

iXi

故泡點溫度為95C,且

yi

yy

23i

?

3.一燃類混合物含甲烷5%(mol),乙烷10除丙烷30%及異丁烷55隊試求混

合物在25℃時的泡點壓力和露點壓力。

解1：因為各組分都是烷燒，所以汽、液相均可以看成理想溶液，Kj?值只取決

溫度和壓力?？墒褂妹铑惖腜-T-K圖。

⑴泡點壓力的計算：75348

假設(shè)P=,因T=25℃,查圖求

T7

/iXi=<1,說明/斤設(shè)壓力彳花高，重itP=

八ixi二個1,故泡J果壓力為

⑵露點壓力的計算：—

假設(shè)P=,因T=25℃,查圖求

/

1K

Vi—

7P木u口明日Jm-KXf廂IT,里女:八Pl-o

組分i甲烷⑴乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)￡

yi

Ki

xyi

iK

yi=心1,故露點壓力為。

K

解2：(1)求泡點壓力:

設(shè)Pl=lOOOKPa,由25℃,lOOOKPa,查P-RK列線圖得4/

/=42=《344=

所以Yi1

選異丁烷為參考組分

仙3442，查得P=1771KPa

4

在此條件下求得Yi1,繼續(xù)調(diào)整

K

《4443，查得P=1800KPa

Z.

求得：力，1,故混合物在25c的泡點壓力為1800KPa

-Ifxr\r\-\rx-\ccer'n1f-ir-tr\-\rT\1crxcT：c

Xi

（掙勒澳位力

T7JZT7T7

/fclrr

段I4-1000K七,在25"C,lOOOFPa,查P-T-K列線圖將ki

C

O

向=

42=4344=

所以Xi

選異丁烷為參考組分

442441xj

由25℃,442=查得P=560KPa,查得各組分的?值

醋酸乙酯：In

PA

T

乙醇：In

叱*（PS：Pa；T：K）

解1：⑴泡點溫度

此時x4，XE

?

i-----------44

In/

075

2i44

]AAEXA

??

170

XE

AEA

A075

InE~~7°

1AEAXE

44

設(shè)T=350K

?AAEx

A

InPA2790.50

S

100271Pa

InpE3803.98

S

95505Pa

/I々I

A972

P

KEEPE

434

P

064

Ki972434

KEXE

Kixi

所以泡點溫度為35°K。

⑵露點、溫度

vp

此時y月

9

設(shè)T=350K，

2790.50T

InPA

S[00271Pa

3803.98T

InPE

S95505Pa

設(shè)A

APA

K

9

P

K

?

EPEE

p

X

yA082

A

A

.y—

X

E

?

E

E

I】n'AAE

--------~~?

21.

]AAExA

??

?

AEAXE

9

AEA70

In

9908

2

?AEAXE70121

—L--------1

AE

944082

A

042

尸’0811

K，―-------ncnr2

~79785

Ap?

101300

KE

pEEp95505?

101300

yAy

yi

E

KA017921938

Ki

KE

%

i

K

i

所以露點溫度為350K。

解2：(1)計算活度系數(shù)：

InrAAae

(I^AE/}2(1

力2

)2

rA=AEA

XE

Inr￡

______dEA______________________________p

////?

(1AEA}2(1}2

XE

「E=(2)AAEX

計算泡點溫度A

設(shè)T=(80℃)

InPA

2790.50

Ps105Pa

InPs3808.98

353.15

E

Ps105Pa

10

rPS

105?

KAA

A

P

10

rPS

105?

KEE

E

P

KiXi

調(diào)整2

PS442P102790.5)

exp

A2T

A

解得T2=，即T2二℃

In/yj-ps104Pa

ps104Pa

InpS=

KE=

KA=

KiXi1

故泡點溫度為℃

⑶計算露點溫度

設(shè)T=(80℃)

KA2

2790.5

pSKA2P10

exp

A2

T

解得T2=℃)

Ps104Pa

In々=

Ps104Pa

s

E

K

A?

K

E

xi1

故露點溫度為℃

5.設(shè)有7個組分的混合物在規(guī)定溫度和壓力下進行閃蒸。用下面給定的K值和

進料組成畫出Rachford-Rice閃蒸函數(shù)曲線圖。

cz]IKj

f

711Ki1

四的間隔取，并由圖中估計出歹的正確根值。

1CCAr~c

T7.

解：計算過程如下表所示:

ITT_

1Tr

iTr

ITT一

1Tr

iTr

1TF_

iTr

ITT1

根據(jù)上表所得數(shù)據(jù)畫圖：

1

由曲線圖得：4

甲

6.組成為60%(mol)苯，25%

甲

15%對二甲苯的lOOkmol液體

0

物，在和100℃下閃

0

試計算液體和氣體產(chǎn)物的量和

成。假設(shè)該物系為理想溶液。

托尼方程計算蒸氣壓。

解：在373K下T

苯

In2788.51T

K

%Pa

甲苯：in3096-521電Pa

Pl

42/

-7-L-m-H-13346.657/小

對一甲苯：InI坨PDa

ZiKi

1

?

11Ki1

,ziK,2

f

i

11iI2

21k

f

f20

此時：xi=,x2=,x3=,L=；

yi=，y2=，y3=，v=o

7.用圖中所示系統(tǒng)冷卻反應(yīng)器出來的物料，

并

從較重燃中分離輕質(zhì)氣體。計算離開閃蒸罐

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；

甲苯

解：以氫為1,甲烷為2,苯為3,甲苯為4。

總進料量為F=460knol/h,

ziZ2Z3%

又Kl=80,K2=10,K3=,K4=

由式(2-72)試差可得：中=,

由式(2-68)計算得：

yl=，y2=,y3=,y4=；

V=ho

8.下圖所示是一個精微塔的塔頂部分。圖中以表示出總精儲物的組成，其中

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：；；

，并假設(shè)K與壓力成正比。解：由圖中可

知zC2=，zC3=，zC4=;

由題意知：K'/,W=,

113791

由式(2-72)試差得：P=2179kPa。

9.在下，對組成為45%(摩爾)正己烷，

25%正庚烷及30%正辛烷的混合物。

⑴求泡點和露點溫度

⑵將此混合物在下進行閃蒸，使進料的50%汽化。求閃蒸溫度,

兩相的組成。

解：⑴因為各組分都是烷崎，所以汽、液相均可看成理想溶液，KI只取決于

度和壓力，可使用炫類的P-T-K圖。

泡點溫度計算得：TB=86ro

露點溫度計算得：TD=100℃O

⑵由式(2-76)求T的初值為93℃,查圖求

KI

T7.

Ki

Ki-

0

1K1

所以閃蒸溫度為93C。

由式(2-77)、(2-68)計算得:

xC6=，xC7=，xC8=yC6=，yC7=，

yC8=

所以液相中含正己烷典正庚烷除正辛烷機

汽相中含正己烷除正庚烷心正辛烷虬

第三章多組分精儲和特殊精儲

1.在一精微塔中分離苯(B),甲苯(T),二甲苯(X)和異丙苯(C)四元混合物。

進料量200moi/h,進料組成zB=,zT=,zx=(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：=,=,=,=。

BTTTXTCT

規(guī)定異丙苯在釜液中的回收率為隊甲苯在儲出液中的回收率為虬

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⑴為輕關(guān)鍵組分，異丙苯(C)為重關(guān)鍵組分，

則苯⑻為輕組分，二甲苯(X)為中間組分。

以重關(guān)鍵組分計算相對揮發(fā)度。

BC

TC

XC

CC1

由分離要求計算關(guān)鍵組分在塔頂釜的分配。

W(j200mol/h

DC200mol/h

DT200mol/h

]lg[/?/

所以“勿夕______________1g

/

1g

TC

NmDH

萬

與Di心求出非關(guān)鍵組分的分布

由白

礪

104%=0,DB=200=40Kmol/h

苯：除

?,Or+以=200=20

二甲苯:

求得以=,町r=,

物料平衡結(jié)果見下表:

YY八，憶?V〃/_?

40n