化工原理下册课后答案.docx
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化工原理下册课后答案
p=13.3KPa下该溶液的平衡数据
假设该溶液为理想溶液。
温
C5H12
223.l
233.0
244.0
251.0
260.1
275.1
291.7
309.3
度/K
C6H14
248.2
259.1
276.9
279.0
289.0
304.8
322.8
341.9
饱和蒸气压
1.3
2.6
5.3
8.0
13.3
26.6
53.2
101.3
习题2附表
PPB0,y
PPP0
解：
由以下二式求x,y的数据。
记xPPA0PPBB0,yPPAx
第一章蒸馏的习题解答
1．.已知含苯0.5（摩尔分数）的苯—甲苯混合液,若外压为99KPa,试求该搭液的泡点温度。
苯和甲苯的饱和蒸气压数据见例14附表。
解：
本题需用试差法确定溶液的饱和温度。
先假设一温度，查苯和甲苯的饱和蒸汽压p0A和p0B
则x
P0PB0，若所求的x与题给的x值相等,则证明假设正确
PAPB
设假设温度恰为泡点温度,否则需修正。
本题外压为99KPa，据常压下苯~甲苯混合液的t-x-y图
设该溶液的泡点温度t91.50C，则查教材附录可知
PA0141.6KPa,p0B56.8KPa.
x9956.80.4980.5
141.656.8
故溶液的泡点温度为92oC
2..正戊烷（C5H12）和正己烷（
C6H14）的饱和蒸气压数据列于本题附表,试求
求解本题时应确定温度范围以查取PA0和PB0.
由本题附表可知平衡温度在260.6K和289K之间，选取以上两温度间的若
干温度，求x,y。
计算过程从略，结果如下表所示：
260.6
265
270
275
280
285
t/K
p0A/KPa
13.3
17.3
21.9
26.5
34.5
42.5
48.9
pB0/KPa
2.83
3.5
4.26
5.0
8.53
11.2
13.3
x
1
0.925
0.845
0.769
0.477
0.214
0
y
1
0.71
0.513
0.386
0.184
0.667
0
3.利用习题2的数据,计算:
（1）平均相对挥发度；
（2）在平均相对挥发度下的x-y数据,并与习题2的结果相比较。
解：
的计算结果处于本题附表的第二列
1（4.70+4.94+5.14+5.30+4.04+3.79+3.68）=4.51
温度/K
x
y
习题2的结果
用m计算的结果
260.6
4.7
1.0
1.0
1.0
265
4.95
0.71
0.918
0.918
270
5.4
0.513
0.845
0.828
275
5.30
0.386
0.709
0.739
280
4.04
0.184
0.477
0.504
285
3.79
0.067
0.214
0.245
289
3.68
0
0
0
平衡方程为y
mx4.5x
1（m1）x13.5x
计算结果表明：
由于随t略有变化，故用平均相对挥发度求得的x,y与习题2的结果稍有差异。
4．在常压下将某原料液组成为0.6（易挥发组分的摩尔分数）的两组分洛液分别进行简单蒸馏和平衡蒸馏,若汽化率为1/3,试求两种情况下的釜液和馏出液组成。
假设在操作范围内气液平衡关系可表示为
y=0.46x+0.549
解：
（1）简单蒸馏
釜液由下式求得，即
解得
lnw1
2
w1
31
0.6
x2
x20.498
馏出液的平均组成
dx
dx0.51ln
0.54x0.5490.5490.54
0.5490.54x2
即汽化液为1/3时的釜液组成）
xD,m由一批操作的物料衡算求得
1w1xD,mw10.620.498
31D,m13
xD,m0.804
2）平衡蒸馏由题意知，q=2/3
qxXF
q1q1
2/30.6
x
2/312/31
2x1.8
（1）
2）
而y0.46x0.549
联立
（1），
（2）解得x0.509yxD0.783
说明：
相同汽化率下，简单蒸馏得到的
xD,m高与平衡蒸馏的xD
这是由于平衡蒸馏实现了蒸馏过程的连续化造成了物料混合，从而影响了分离效果。
5．.在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四氯化碳所组成的混合液。
已知原料液流量为4000kg/h,组成为0.3（二硫化碳的质量分数,下同）。
若要求釜液组成不大于0.05,馏出液回收率为88%。
试求馏出液的流量和组成,分别以摩尔流量和摩尔分数表示。
解：
由全塔物料衡算得（以上标“'”表示质量流量）
F'D'W'
F'x'FDx'DWx'm
由于Dx'D0.88F'x'F
所以F'x'F0.88F'x'FD'x'w
0.12F'x'F
W'x'w
0.1240000.3
0.05
2880kg/h
D
W'=x'D
FW400028801120kg/h
0.88F'x'F0.8840000.3
F0.943
D1120
xD
0.943/76
0.943/760.057/154
0.97（摩尔分数）
平均分子差Mm0.97760.0315478.3kg/Kmol
D1120/78.314.3Kmol/h6．.在常压操作的连续精馏塔中分离含甲醇0.4与水0.6（均为摩尔分数）的溶液,
试求以下各种进料状况下的q值。
（1）进料温度为40℃；
（2）泡点进料；（3）饱和蒸气进料。
常压下甲醇一水熔液的平衡数据列于本题附表中
习题6附表
温度t
液相中甲醇
气相中甲醇
温度t
液相中甲醇
气相中甲醇
℃
的摩尔分数
的摩尔分数
℃
的摩尔分数
的摩尔分数
l∞
O.O
0.0
75.3
0.40
0.729
96.4
Oω
0.134
73.l
0.50
O.779
93.5
0.04
0.234
71.2
O.06
0.825
91.2
0.06
0.304
69.3
0.70
0.870
89.3
0.08
0.365
67.6
0.80
0.915
87.7
0.10
O.418
66.0
0.90
0.958
84.4
0.15
O.517
65.0
0.95
0.979
81.7
0.20
0.579
64.5
1.0
1.0
78.0
O.30
0.665
解：
（1）进料温度40oC
由甲醇~水溶液的平衡数据知道原料液的泡点温度为75.3oC，
由附录查得甲醇和水的汽化热分别为1055KJ/kg和2320KJ/kg
故原料液的汽化热为m0.41055320.623201838560KJ/kg进料温度为40oC，泡点温度为75.3oC，故平均温度为
1o
tm2（4075.3）57.7oC
由附录查得57。
7oC时，甲醇和水的比热分别为2.68KJ/（kggoC）和4.19KJ/（kggoC）
故混合液的平均比热为Cp,m0.42.68320.64.191879.6KJ/（KmolgoC）
则进料热状况qrCpt3856079.6（75.340）1.703
r38560
（2）泡尖进料q=1
（3）饱和蒸汽进料q=0
7..对习题6中的溶液,若原料液流量为100kmol/h,馏出液组成为0.95,釜液组成为0.04（以上均为易挥发组分的摩尔分数）,回流比为2.5。
试求产品的流量、精馏段的下降液体流量和提馏段的上升蒸气流量。
假设塔内气、液相均为恒摩尔流动。
解：
由全塔物料衡算知
F=D+W
FxF
DxD
WxW
F（xF
xW）
100（0.40.04）
D
39.6kmol/h
xD
xW
0.950.04
解得
W
FD
100
39.660.4kmol/h
而L
RD
2.5
39.699kmol/h
V
LD
39.6
99138.6mol/h
三种进料情况下，上述各值相等
V'=V+（q-1）F,进料为40oC时，q=1.07,V'=138.3+（1.07-1）100=145.6kmol/h
泡点进料时V'=V=138.6kmol/h
饱和蒸汽进料时V'VF=138.6-100=38.6kmol/h
8..某连续精馏操作中,已知操作线方程式为:
精馏段y=0.723x+O.263；提馏段y=1.25x-0.0187。
若原料液于露点温度下进入精馏塔中,试求原料液、馏出液和釜残液的组成及回流比。
解：
精馏段操作线斜率
R
0.732R2.61
R1
精馏段操作线截据为xD0.263
R1
所以：
xD0.263（2.611）0.95
提馏段操作线与对角线交点坐标为
yxxw，故xw0.0748
由两操作线交点0.723x0.2631.25x
0.723x+0.263=1.25x-0.0187解得x0.535
y0.7230.5350.2630.65
因为露点下进料故q线为水平线，可得原料液组成xF=y=0.65
9.在常压连续精馏塔中,分离苯—甲苯混合液。
若原料为饱和液体,其中含苯
0.5（摩尔分数,下同）。
塔顶馏出液组成为0.9,塔底釜残液组成为0.1,回流比为2.0,试求理论板层数和加料板位置。
苯—甲苯混合液的平衡数据见例1-10。
解：
按M-T图解法求理论板层数，如附图所示过程略
精馏段操作线截据：
xD/（R1）0.9/（2.01）0.3
在操作线和平衡线之间做梯级得理论板层数为8（含再沸器）加料板为从塔顶向下的第4层理论板
10.若原料液组成和热状况、分离要求、回流比及气液平衡关系均与习题9的相同,但回流温度为20℃,试求所需理论板层数。
已知回流液体的泡点温度为83℃,平均汽化热为3.2×104kJ/kmol,平均比热容为14OkJ/（kmol℃·）。
解：
设F=100kmol,
总物料衡算为
FDW即100DW
FxFDxDWxW1000.50.900.1W
解得D=W=50kmol/h
因R=2.0L'=RD=250100kmol/h离开第一层板的液体流量为L=L'q'=1.21800=128kmol/h进入第一层板的气相流量为V=L+D=128+50=178kmol/h
LD128500.9精馏段操作线方程yn1xnxDxn
n1VnVD178n178
0.719xn0.253
11.用一连续精馏塔分离由组分A、B所组成的理想提合液。
原料液中含A0.44,馏出液中含A0.957（以上均为摩尔分数）。
已知溶液的平均相对挥发度为2.5,最小回流比为1.63,试说明原料液的热状况,并求出q值。
解:
由相平衡方程得
x
1
（1）x
2.5x
11.5x
由操作线方程知
x
R1
R1
1.630.957
x
1.6311.631
0.62x0.364
（2）
联立
（1）
（2）解得x0.365y0.59
由最小回流比的定义，上述两方程的交点必是q线和平衡线的交点因为xxF,yxF可知原料液为气液混合物
xF（1q）yqx
由q线方程可得0.44（1q）0.590.365q
q0.6672/3
注此题还有其他方法可解
12.
发组分的回收率为
.在连续精馏塔中分离某组成为0.5（易挥发组分的摩尔分数,下同）的两组分理想溶液。
原料液于泡点下进入塔内。
塔顶采用分凝器和全凝器。
分凝器向塔内提供回流液,其组成为0.88,全凝器提供组成为0.95的合格产品。
塔顶馏出液中易挥
96%。
若测得塔顶第一层板的液相组成为0.79,试求:
（1）操作回
流比和最小回流比；
解：
（1）
xD
0.95
（2）若馏出液量为100kmol/h,则原料液流量为多少?
0.88
-1）0.88
yL,xL
0.88代入平衡方程0.95
解得
2.59
y1与xL是操作关系，其中y1
1（
x1
1）x1
2.590.790.907
11.590.79
R
0.907
R1
1.593
0.880.95
R1
当q
1时，
yF
xDyFyFxF
xF
1）xF
2.590.5
11.590.5
0.722
所以：
Rmin
0.950.7221.032
0.7220.5
2）由DFxxFD0.96,F
1000.95
0.960.5
198kmol/h
13.在常压连续精馏塔内分离乙醇—水、混合液,原料液为饱和液体,其中含乙醇0.15（摩尔分数,下同）,馏出液组成不低于0.8,釜液组成为0.02,操作回流比为2。
若于精馏段某一塔板处侧线取料,其摩尔流量为馏出液摩尔流量的1/2,侧线产品为饱和液体,组成为0.60试求所需的理论板层数、加料板及侧线取料口的位置。
物系平衡数据见例1-10。
解：
由于精馏段由侧线取料，精馏段分为上下两段
（1）
侧线产品出口以上的操作线方程为yn1RxnxD1
n1R1nR1精馏段下段的操作方程由物料衡算出
V''L''D1D2
（2）
V''yS1L''xSD1xD1D2xD2（3）
L''D1D2（4）
LD2D1xD1D2xD
ys1xS
s1LD1SLD1联立
（2）（3）（4）得由于RL/D
yS1
RD2/D1
R1
xD1
xD2D2/D1
R1
（5）
联立
（1）和（5）解得两线交点坐标为xx'D2提馏段操作线与无侧线相同图解法求理论板层数
精馏段上段操作线截据为xD10.80.267
R121
1
xxD/D0.80.6
精馏段下段操作线截据为xD1xD2D2/D120.367
R121
图解求得理论板层数为11（含再沸器）
侧线出口为从塔顶上下的第
5层板；加料板为从塔顶向下数的第
9层理论板
14．在常压连续提馏塔中分离含乙醇0.033（摩尔分数）的乙醇—水由合液。
饱和
液体进料,直接蒸汽加热。
若要求塔顶产品中乙醇回收率为99%,试求:
（1）在理论板层数为无限多时,计算lmol进料所需蒸汽量
（2）若蒸汽量取为最小蒸汽量的2倍时,求所需理论板层数及两产品的组成
假设塔内气、液相为恒摩尔流动。
常压下气液平衡数据列于本题附表中
习题14附表
x
0
0.0080
0.020
0.0296
0.033
y
0
0.0750
0.175
0.270.25
00
解:
本题的提馏塔示意图如附图所示
由于是恒摩尔流动即：
FLWVoVD全塔物料衡算得FVoWDFxFWxWDxD将DxD/FxF0.99代入上式得
FxWxW0.99FxF0.033xW0.990.033所以xW0.00033
1）
计算1mol进料所需最少蒸汽量
最少蒸汽量（理论板层数为无穷多）时操作线的斜率为
WF
Vo,minVo,min
yF
xFxW
由平衡数据查得
xF
0.033时，y*F0.270
0.27
（2）Vo
2Vmin时，所需理论板层数及产品组成
F8.26
所以Vo,min0.0330.00033进料
Vo,minF/8.261/8.260.12mol/mol
0.1210.242mol/mol进料
DxD
FxF
0.242xD
xF
099
xD
0.990.033
0.242
0.135
图解法求理论板层数,操作线斜率=F/Vo1/0.2424.13过点C（0.00033,0）作斜率为4.13的直线,与q线交于d点既为操作线自点d开始在平衡线和操作线之间绘梯级到跨越点c为止
需理论板层数为5，如本题附图所示。
15．在连续操作的板式精馏塔中分离苯—甲苯、混合液。
在全回流条件下测得相邻板上的液相组成分别为0.28、0.41和0.57,试求三层板中较低的两层的单板效率EmV。
操作条件下苯一甲苯棍合攘的平衡数据如下:
x0.260.380.51
y0.450.600.72
解：
在全回流条件下，yn1xn由所给的三组数据做图，
然后确定y3x20.41
y2x10.57
由板效率的定义方式知道
EMV
ynyn1y*nyn
由x2
0.41查得y*20.628
y2y3
0.570.41
y2y3
0.6280.41
0.7373%
同理EMV3
0.41
0.47500.2.28867%
16.在常压连续提馏塔中分离两组分理想、溶液。
原料液加热到泡点后从塔
顶加入,原料液组成为0.20（摩尔分数,下同）。
提馏塔由蒸馏釜和一块实际板构成。
现测得塔顶馏出液中易挥发组分的回收率为80%,且馏出液组成为0.28,物系的相对挥发度为2.5。
试求釜残液组成和该层塔板的板效率（用气相表示）。
蒸馏釜可视为一层理论板。
解：
设F
1kmol/h
由DFxxFD
0.8得D0.57kmol/h
全塔物料衡算
FDW
FxFDxDWxW
解得W0.43kmol/h则10.20.570.280.43xW
得xW0.094
气相默弗里板效率为EMV1*W
y1*yW
y1xD0.28，yW
因为L'x1v'yWWxW而FL',DV'所以：
yW
1（
1）xW
FW
Dx1DxW
2.50.094
11.50.094
0.206
即：
0.2061x10.430.094
0.5710.57
解得x10.158
y1
2.50.158
11.50.158
0.319
故EMV0.280.206100%65.5%
MV0.3190.20617.在连续精馏塔中分离二硫化碳一四氯化碳棍合液。
原料液在泡点下进入塔内其流量为4000kg/h、组成为0.3（摩尔分数,下同）。
馏出液组成为0.95,釜液组成为0.025。
操作回流比取为最小回流比的1.5倍,操作压强为常压,全塔操作平均温度为61℃,空塔速度为0.8m/s,塔板间距为0.4m,全塔效率为50%。
试求:
（1）实际塔板层数；
（2）两产品的质量流量；（3）塔径；（4）塔的有效高度。
常压下二硫化
碳一四氯化碳溶液的平衡数据见例1-44
解：
（1）求实际板数
由题给数据给xy图，如附图所示
因泡点进料，所以xqxF0.3;由xy图查得yq0.54
xDyq
0.95
0.54
R
min
1.71
所以：
yqxq
0.54
0.3
R1.51.71
2.56
精馏段操作线截据＝
xD
0.95
0.267
R1
2.561
用图解法求理论板层数，图解步骤略。
图解结果表明需理论板层数为
11块（含
再沸器），加料板为从塔顶数第7层理论板。
Np101.5120
（2）两产品的质量流量
原料液的平均摩尔质量为Mm0.3760.7154130.6kg/mol
F4000/130.630.6kmol/h
由全塔物料衡算得0D.95WD03.00.265W30.60.3解得
W21.5kmol/h
MW
0.02576
0.975154152kg/mol
W'
21.5
152
3270kg/h
D'
4000
3270
730kg/h
3）塔径
进料是饱和液体，故VV'
（R1）D
D
FW30.6
21.59.1kmol/h
V
（2.561）9.1
32.4kmol/h
设上升蒸汽为理想气体，则
VSV22.4273tpmk32.422.4273161101.330.247kmol/h
S3600273p3600273101.33
4VS40.247
DS0.627m
3.140.8
4）有效塔高
H（Np1）h（201）0.47.6m
18．求习题17中冷凝器的热负荷和冷却水消耗量及再沸器的热负荷和加热蒸汽消耗量。
假设热损失可忽略。
已知条件如下:
（1）塔的各截面上的操作温度为进料62℃、塔顶47℃、塔底75℃。
回流液和馏出液温度为40℃。
（2）加热蒸汽表压强为100KPa,冷凝水在饱和温度下排出。
（3）冷却水进、出口温度分别为25℃和30℃。
解：
（1）求冷凝器热负荷和冷却水消耗量冷凝器的热负荷由下式求得，即
QC（R1）D（IVDIVL）
其中：
IVDrmcp,mt从附录查得于42oC下CS2的汽化热为345kJ/kg,CCl4的汽化热为190KJ/kg.同温度下CS2的比热为0.95KJ/（kggk）,CCl4的比热为0.8KJ/（kggk）,
rm0.95345760.0519015426400KJ/kmol
cp,m0.950.95760.050.815475KJ/（kmolK）
IVD264007547
所以QC
ILD7540（2.561）9.1（26400757）872300KJ
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