化工原理下册部分题.docx
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化工原理下册部分题
1.某双组分理想物系当温度t=80℃时，PA°=，PB°=40kPa，液相摩尔组成xA=，试求：
⑴与此液相组成相平衡的汽相组成y；⑵相对挥发度α。
解：
（1）xA=（P总－PB°）／（PA°－PB°）；
=（P总－40）／（－40）
∴P总=；
yA=xA·PA°／P总=×／=
（２）α=PA°／PB°=／40=
5.某精馏塔在常压下分离苯－甲苯混合液，此时该塔的精馏段和提馏段操作线方程分别为y=+和y'='，每小时送入塔内75kmol的混合液，进料为泡点下的饱和液体，试求精馏段和提馏段上升的蒸汽量为多少（kmol/h）。
解:
已知两操作线方程:
y=+（精馏段）y′=′（提馏段）
∴R/（R+1）=
R=xD/（R+1）=xD=×=
！
两操作线交点时,y=y′x=x′
∴+=xF=
饱和液体进料q=1,xF=x=
提馏段操作线经过点（xW，xW）
∴y′=xw=－xW=
由全塔物料衡算F=D+WFxF=DxD+WxW
D=（xF—xW）/（xD－xW）F
=
∵饱和液体进料
V′=V=L+D=（R+1）D=×=h
-
6.已知某精馏塔进料组成xF=，塔顶馏出液组成xD=，平衡关系ｙ＝ｘ＋，试求下列二种情况下的最小回流比Rmin。
⑴饱和蒸汽加料；⑵饱和液体加料。
解：
Rmin=（xD－yq）/（yq－xq）
（1）；
yq=xq+
（2）；
yq=qxq/（q－1）－xf/（q－1）（3）
⑴q=0,由（3）yq=xf=，由
（2）xq=，
Rmin=由（3）xq=xf=，由
（2）yq=×+=，
Rmin=用常压精馏塔分离双组分理想混合物，泡点进料，进料量100kmol/h，加料组成为50%,塔顶产品组成xD=95％，产量D=50kmol/h，回流比R=2Rmin，设全塔均为理论板，以上组成均为摩尔分率。
相对挥发度α=3。
求：
（最小回流比）2.精馏段和提馏段上升蒸汽量。
3.列出该情况下的精馏段操作线方程。
解：
1.y=αx/[1+（α－1）x]=3x/（1+2x）泡点进料q=1,
xq=xF=,yq=3×（1+2×=2=
Rmin/（Rmin+1）=
：
Rmin=4/5=
2.V=V′=（R+1）D=（2×+1）×50=130kmol/h
3.y=[R/（R+1）]x+xD/（R+1）=+
12.某精馏塔用于分离苯－甲苯混合液，泡点进料，进料量30kmol/h，进料中苯的摩尔分率为，塔顶、底产品中苯的摩尔分率分别为和，采用回流比为最小回流比的倍，操作条件下可取系统的平均相对挥发度α=。
（1）求塔顶、底的产品量；
（2）若塔顶设全凝器，各塔板可视为理论板，求离开第二块板的蒸汽和液体组成。
解：
（1）F=D+W，FxF=DxD＋WxW
30=D+W，30×=D×+W×
∴D=/hW=/h
（2）xq=xF=，
yq=αxq／[1+（α—1）xq]=×[1+—1）×]=
Rmin=（xD－yq）／（yq－xq）=—/—=，
？
R=×Rmin=×=
精馏段的操作线方程为：
y=[R/（R+1）]x+xD／（R+1）
=[+1）]x＋/+1）=+
y1=xD=，
x1=y1／[α－y1（α－1）]=/[—×—1）]=
y2=+=，
x2=/[—×]=
18.用板式精馏塔在常压下分离苯－甲苯溶液，塔顶采用全凝器，塔釜用间接蒸汽加热，平均相对挥发度为。
进料为150kmol／h，组成为（摩尔分率）的饱和蒸汽，回流比为4，塔顶馏出液中苯的回收率为，塔釜采出液中甲苯的回收率为，求：
（1）塔顶馏出液及塔釜采出液的组成；
（2）精馏段及提馏段操作线方程；（3）回流比与最小回流比的比值。
（4）全回流操作时，塔顶第一块板的气相莫弗里板效率为，全凝器凝液组成为，求由塔顶第二块板上升的汽相组成。
:
解：
（1）D·XD=·F·xF，W·（1－xW）=F·（1－xF）×，
D+W=F=150
D·xD+W·xW=F·xF=150×=60
W=kmol/hD=kmol/hxD=%
xW=%
（2）精馏段操作线方程
y（n+1）=xn·R/（R+1）+xD/（R+1）=n+
提馏段操作线方程为y（n+1）'=L'·xn'/V'－W·xw/V'
q=0，V'=（R+1）D－F，L'=DR，
y（n+1）'=xn'·R·D/[（R+1）D－F]－W·xw/[（R+1）D－F]
—
=n'－
（3）∵q=0，ye=xF=，y=α·x/[1+[α－1）x]
∴xe=
Rmin=（xD－ye）/（ye－xe）=－/－=
R/Rmin=4/=
（4）Emv1=（y1－y2）/（y1*－y2）=
y1*=α×x1/[1+[α－1）x1]全回流时y2=x1，y1=xD=
∴y1*=·y2/（1+
∴Emv1=－y2）/[/（1+－y2]=
y2=%（mol%）
#
y2'=78×/[78×+92×（1－]=%（质量%）
改编：
用板式精馏塔在常压下分离苯－甲苯溶液，塔顶采用全凝器，塔釜用间接蒸汽加热，平均相对挥发度为。
进料为150kmol／h，组成为（摩尔分率）的饱和蒸汽，已知塔顶馏出液的流量为kmol/h，塔顶馏出液中苯的回收率为，回流比为最小回流比的倍，，求：
（1）塔顶馏出液及塔釜采出液的组成；
（2）塔釜采出液中甲苯的回收率（3）回流比（4）精馏段及提馏段操作线方程；
解：
（1）D·XD=·F·xF，D+W=F=150
D·xD+W·xW=F·xF=150×=60
W=kmol/hxD=%xW=%
（2）W·（1－xW）/F·（1－xF）=，
（3）∵q=0，ye=xF=，y=α·x/[1+[α－1）x]∴xe=
Rmin=（xD－ye）/（ye－xe）=－/－=
R/Rmin=∴R=4
《
（4）精馏段操作线方程y（n+1）=xn·R/（R+1）+xD/（R+1）=n+
提馏段操作线方程为y（n+1）'=L'·xn'/V'－W·xw/V'
q=0，V'=（R+1）D－F，L'=DR，
y（n+1）'=xn'·R·D/[（R+1）D－F]－W·xw/[（R+1）D－F]=n'－
14.
常压连续精馏塔分离二元理想溶液，塔顶上升蒸汽组成y1=（易挥发组分摩尔分率），在分凝器内冷凝蒸汽总量的1/2（摩尔）作为回流，余下的蒸汽在全凝器内全部冷凝作塔顶产品，操作条件下，系统平均相对挥发度α=，求：
⑴塔顶产品及回流液的组成；⑵由塔顶第二层理论板上升的蒸汽组成。
解：
y1=,V=1kmol/h,L=1/2kmol/h,
D=1/2kmol/h,R=1,α=,
⑴y0=α×x0/[1+（α-1）x0]=（1+-----------
（1）
1×y1=y0/2+x0/2------------
（2）
y0=2×代入
（1）2×=（1+,
&
x0=,
xD=y0=×（1+×=
⑵x1=y1/[α-（α-1）y1]=
y2=Rx1×/（R+1）+xD/（R+1）=2+2=
20.原料以饱和液体状态由塔顶加入，F=1kmol/s，xF=（摩尔分率，下同），塔釜间接蒸汽加热，塔顶无回流，要求xD=，xw=，相对挥发度α=，试求：
⑴操作线方程；⑵设计时若理论板数可增至无穷，F、xF和D不变，xD的最大值是多少
解：
⑴F=D+W,1=D+W,FxF=DxD+Wxw=D×+W×,
D=V’=,W=,L’=F=1,
y′=（L′/Ｖ′）x—W·xW/Ｖ′=（1/x－×
∴y′=－
⑵设顶部平衡xD=y=αxF/（1＋（α－1）xF）=×（1+×=
，
DxD=>FxF不可能。
设底部平衡xw=0∴xD=FxF/D=
21.进料组成xF=（摩尔组成，下同），以饱和蒸汽状态自精馏塔底部加入，塔底不再设再沸器，要求xD=，xW=，相对挥发度α=，试求：
⑴操作线方程;⑵设计时若理论板数可增至无穷，且D/F不变，则塔底产品浓度的最低值为多少
解：
⑴F=D+W,设F=1,1=D+W,FxF=DxD+Wxw=D×+W×,
∴D=,W=,V=F=1,L=W=
y=[L/V]·x+DxD/V=＋
⑵设底部平衡xw=xF/（α－（α－1）xF）=
xD=（FxF－Wxw）/D=不可能
设顶部平衡
xD=1,xw=（FxF－DxD）/W=
（
22.某精馏塔分离Ａ组分和水的混合物（其中Ａ为易挥发组分），xD=，xW=，xF=（均为摩尔分率），原料在泡点下进入塔的中部。
塔顶采用全凝器，泡点回流，回流比R=，塔底用饱和水蒸汽直接加热，每层塔板气相默夫里板效率Ｅmv=，在本题计算范围内，相平衡关系为ｙ=ｘ＋。
试求：
⑴从塔顶的第一块实际板下降的液体浓度；⑵塔顶的采出率D/F。
解：
（１）∵q=１，∴饱和水蒸汽用量V＇=V=（R＋1）D＝，
全凝器：
ｙ1=ｘD=
Emv=（ｙ1－ｙ2）／（ｙ1*－ｙ2）=（－ｙ2）／（ｘ1＋－ｙ2）=
即：
ｙ2=－ｘ1……（１）
由精馏段操作线方程：
（R+1）ｙ2=Rｘ1＋ｘD
ｙ2=ｘ1＋……（２）
联解（１）、（２）式，得：
ｘ1＝y2=
（２）F＋V＇=D＋W，V＇=，∴F＋=D＋W
、
即:
F＋=W……（３）
FｘF=DxD＋WxW……（４）式（３）代入式（４），消去W：
D/F=（xF－xW）/（xD＋）=（－）／（＋×）=
1.当系统服从亨利定律时，对同一温度和液相浓度，如果总压增大一倍，则与之平衡的气相浓度（或分压）
（A）y增大一倍；（B）P增大一倍；（C）y减小一倍；（D）P减小一倍。
解：
体系服从亨利定律，则：
y*=E/P·x，现已知P增大一倍，即P’=2P，x、E不变,则y*’=y*/2，分压PA’=P’·y*’=PA，∴平衡气相浓度y减小一倍，分压不变，故选择（C）。
2.在总压P=500KN/m2、温度t=27℃下使含CO2%（体积%）的气体与含CO2370g/m3的水相接触，试判断是发生吸收还是解吸并计算以CO2的分压差表示的传质总推动力。
已知：
在操作条件下，亨利系数E=×105KN/m2。
水溶液的密度可取1000kg/m3，CO2的分子量为44。
解：
气相主体中CO2的分压为P=500×=15KN/m2；与溶液成平衡的CO2分压为:
P*=Ex；对于稀溶液:
C=1000/18=kmol/m3，CO2的摩尔数n=370/（1000×44）=；x≈n/c==×10-4；∴P*=×105××10-4=m2；
∵P*＞P；于是发生脱吸作用。
~
以分压差表示的传质推动力为ΔP=P*-P=KN/m2
3.总压100kPa，30℃时用水吸收氨，已知kG=×10-6kmol/（m2·s·kPa），kL=×10-4m/s，且知x=时与之平衡的p*=kPa。
求：
ky、kx、Ky。
（液相总浓度C按纯水计）
解：
ky=PkG=100××10-6=×10-4kmol/m2·s，
kx=CkL=××10-4=×10-2kmol/m2·s，
m=E/P，E=p*/x，m=p*/P·x=（100×=
1/Ky=1/ky+m/kx=1/×10-4）+m/×10-2）=2604+=
Ky=×104kmol/m2·s（Δy）;
5.在20℃和760mmHg，用清水逆流吸收空气混合气中的氨。
混合气中氨的分压为10mmHg，经吸收后氨的分压下降到mmHg。
混合气体的处理量为1020kg/h，其平均分子量为,操作条件下的平衡关系为y=。
若吸收剂用量是最小用量的5倍，求吸收剂的用量和气相总传质单元数。
解：
①y1=p1/P=10/760=y2=p2/P=760=×10-5
-
L/G=5（L/G）min=5（y1-y2）/（y1/m）=5
G=1020/=hL=3.756G=133kmol/h
②S=m/（L/G）==NOG=1/（1－S）ln[（1－S）Y1/Y2+S]=。
7.用填料塔从混合气体中吸收所含的苯。
混合气体中含苯5%（体积%），其余为空气,要求苯的回收率为90%（以摩尔比表示），25℃，常压操作，入塔混合气体为每小时940[标准ｍ3]，入塔吸收剂为纯煤油，煤油的用量为最小用量的倍，已知该系统的平衡关系Y=（摩尔比），已知气相体积传质系数ＫYa=[kmol/]，纯煤油的平均分子量Ms=170，塔径ｍ。
试求：
（１）吸收剂的耗用量为多少[Kg/h]（２）溶液出塔浓度X1为多少（３）填料层高度Z为多少[ｍ]
解：
η=90%，y1=，Y1=y1/（1-y1）==；Y2=Y1（1-η）=；G=940/=h；GB=G（1-y1）==kmol/h；
（Ls/GB）min=（Y1-Y2）/（Y1/m）=；
Ls==××=h=×170Kg/h=1281Kg/h；
X1=（Y1-Y2）/（（Ls/GB）min）=；
x1=X1/（1+X1）=；ＨOG=GB/（ＫYａΩ）=3600）/××=1.12m；ＮOG=（Y1-Y2）/ΔYm；ΔY1=Y1-Y1*=；ΔYm=
ＮOG=；Ｚ=ＨOG×ＮOG=×=m
!
8.在常压逆流操作的填料塔内，用纯溶剂Ｓ吸收混合气体中的可溶组分Ａ。
入塔气体中Ａ的摩尔分率y1＝，要求其收率φA＝95％。
操作条件下mV/L＝（m可取作常数），平衡关系为Y=mX，与入塔气体成平衡的液相浓度X1*=。
试计算:
（1）操作液气比为最小液气比的倍数；
（2）吸收液的浓度x1；（3）完成上述分离任务所需的气相总传质单元数ＮOG。
解：
（1）Y1=3/97=，x2=0，Y2=Y1（1－φA）=×（1－=
由最小溶剂用量公式
（L/G）min=（Y1－Y2）/（Y1/m－x2）=m·－/=0.95m
已知mG/L=则L/G=（1/）m=
∴（L/G）／（L/G）min==
m=Y1/X1*==
（２）由物料衡算式得:
X1=（Y2－Y1）/（L/G）=×=
（３）ＮOG=1/（1-mG/L）×ln[（1-mG/L）·（Y1－mX2）/（Y2－mX2）+mG/L]
、
=1/×ln[·Y1/+]=
10.用清水吸收氨－空气混合气中的氨。
混合气进塔时氨的浓度y1=（摩尔比）,吸收率90%，气－液平衡关系y=。
试求：
（1）溶液最大出口浓度；
（2）最小液气比；（3）取吸收剂用量为最小吸收剂用量的2倍时，传质单元数为多少（4）传质单元高度为0.5m时，填料层高为几米
解：
已知y1=，η=90%，y2=y1（1－η）=（1－=，x2=0，
x1*=y1/==，
（L/V）min=（y1－y2）/（x1*－x2）=，
L/V=2（L/V）min=2×=，x1=（y1－y2）/（L/V）+x2=－/=，y2*=0，y1*=×=，
Δym=（－－－0））／ln－/=
NOG=（y1－y2）/Δym=－/=，Ｚ=×=[m]。
11.在填料层高为8m的填料塔中，用纯溶剂逆流吸收空气—H2S混合气中的H2S以净化空气。
已知入塔气中含H2S%（体积%），要求回收率为95%，塔在1atm、15℃下操作,此时平衡关系为y=2x，出塔溶液中含H2S为（摩尔分率），混合气体通过塔截面的摩尔流率为100kmol/（m2·h）。
试求：
①单位塔截面上吸收剂用量和出塔溶液的饱和度；②气相总传质单元数；③气相体积总传质系数。
注：
计算中可用摩尔分率代替摩尔比。
解①y1=，y2=y1（1－η）=（1－=，
…
L=（y1－y2）/x1×G=－/×100=211kmol/m2h
x1max=x1*=y1/m=2=，x1/x1*==90%
②Δy1=y1－mx1=－2×=，Δy2=y2=，
Δym=－/ln（=
NOG=（y1－y2）/Δym=
③Z=G/Kya×NOGKya=G/Z×NOG=100/8×=165kmol/m3h。
13.有一填料层高度为3m的逆流操作的吸收塔，操作压强为1atm，温度为23℃，用清水吸收空气中的氨气，混合气体流率为18kmol/，其中含氨6%（体积%），吸收率为99%,清水的流率为43kmol/，平衡关系为y=，气相体积总传质系数KGa与气相质量流率的次方成正比，而受液体质量流率的影响甚小。
试估算在塔径、回收率及其他操作条件不变，而气体流率增加一倍时，所需填料层高度有何变化
解：
L/G=43/18=，S=m/（L/G）==，y1=，
y2=y1（1－η）=（1－=，NOG=1/（1－S）ln[（1－S）Y1/Y2+S]=
HOG=h/NOG=3/=
:
当G↑一倍，G’=2G=36kmol/m2hS’=2S=
NOG’=1/（1－S’）ln[（1－S’）Y1/Y2+S’]=，HOG’=（G’/G）×HOG=
Z’=×=6.79m∴填料层高度应增加3.79米。
14.有一填料层为3m的逆流吸收塔，操作压强为1atm，温度为
20℃，用清水吸收空气中的氨,混合气体流率为36kmol/m2·h，其中含氨6%（体积%），吸收率为99%，清水流率为86kmol/m2·h，平衡关系为y=，气相总传质系数KGa与气相质量流率的次方成正比，而受液相质量流率的影响甚小。
试估算在塔径、回收率及其他操作条件不变，液体流率增加一倍时，所需填料层高度有何变化
解：
L/G=86/36=，S=m/（L/G）==，
y1=,y2=y1（1－η）=×（1－=
NOG=1/（1－S）·ln[（1－S）·（y1－y2*）/（y2－y2*）＋S]=
HOG=h/NOG=3/=0.486m
当L↑一倍,L’=2L，s’=m/（L/G）=s/2=
;
NOG’==1/（1－S’）·ln[（1－S’）·（y1－y2*）/（y2－y2*）＋S’]=
由于气相总传质系数受L的影响很小,G不变,所以HOG’≈HOG
Z’=NOG’×HOG’=×=2.56m即所需填料层高度可以降低。
ΔＺ＝
15.在一逆流操作的填料塔中，用含A组分%的矿物油吸收混合气中的A组分。
已知进口混合气中A组分的含量为y1=%（以上均为mol%），操作压力为1atm。
系统平衡关系服从拉乌尔定律。
操作温度下A组分的饱和蒸汽压为380mmHg。
试求
（1）出口矿物油中Ａ组分的最大浓度。
（2）若Ａ组分的回收率为85%，求最小液气比。
（3）当吸收剂用量为最小用量的3倍时，气相总传质单元高度HOG=,求填料层高度。
（此时回收率不变）
解：
（1）PA=yAP=XAPA°，yA=PA°/P×XA=380/760×XA=，
X1*=y1/==，
（2）y2=（1-φ）y1=×=
（3）（L/G）min=（y1-y2）/（x1*-x2）=NOG×HOG，NOG=1/（1-1/A）×ln[（1-1/A）（y1-mx2）/（y2-mx2）+1/A]
L=3Lmin，S=m/（L/G）=（3×=
NOG=1/ln[Z=×=3.805m
17.已知某填料吸收塔直径为1m，填料层高度4m。
用清水逆流吸收空气混合物中某可溶组分，该组分进口浓度为8%，出口为1%（均为mol%），混合气流率为30kmol/h，操作液气比为2，相平衡关系y=2x。
试求：
①操作液气比为最小液气比的多少倍②气相总传质系数Kya。
③塔高为2米处气相浓度。
④若塔高不受限制，最大吸收率为多少
解：
①因为x2=0，所以（L/G）min=（y1-y2）/（y1/m）=2×（）/=；
（L/G）/（L/G）min=2/=倍；
1因为L/G=m=2，操作线与平衡线平行，且x2=0，Δym=y2;
所以NOG=（y1-y2）/Δym=（）/=7,
HOG=Z/NOG=4/7m,Kya=G/（HOG×Ω）=30/（4/7××1）=kmol/m3h
2NOG=Z/HOG=2/（4/7）=∴=（y1-y2）/y2=（）/→y=,
④ηmax=（y1-y2’）/y1=1，因为y2=0，＂挟点＂同时出现在塔顶，塔底。
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