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°=106.7kPa，PB°=40kPa，液相摩尔组成xA=0.4，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°）；

0.4=（P总－40）／（106.7－40）

∴P总=66.7kPa；

yA=xA·PA°／P总×

（２）α=PA°／PB°=106.7／40=2.67

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=0.723x+0.263和y'=1.25x'-0.0188，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=0.723x+0.263（精馏段）y′′-0.0188（提馏段）

∴R/（R+1）=0.723

R=2.61xD/（R+1）=0.263xD×0.263=0.9494

两操作线交点时,y=y′x=x′

∴0.723x+0.263=1.25x-0.0188xF=0.5347

饱和液体进料q=1,xF=x=0.5347

提馏段操作线经过点（xW，xW）

∴y′=xwW－0.0188xW

由全塔物料衡算F=D+WFxF=DxD+WxW

D=（xF—xW）/（xD－xW）F

=（0.5347-0.0752）/（0.9494-0.0752）×

∵饱和液体进料

V′×

6.已知某精馏塔进料组成xF=0.5，塔顶馏出液组成xD=0.95，平衡关系ｙ＝0.8ｘ＋0.2，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=0.8xq+0.2

（2）；

yq=qxq/（q－1）－xf/（q－1）（3）

⑴q=0,由（3）yq=xf=0.5，由

（2）xq=（0.5-0.2）/0.8=0.375，

Rmin

⑵q=1,由（3）xq=xf=0.5，由

（2）yq×0.5+0.2=0.6，

Rmin

9.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αmin（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=0.5,yq=3×0.5/（1+2×

Rmin/（Rmin

Rmin=4/5=0.8

2.V=V′=（R+1）D=（2×0.8+1）×50=130kmol/h

3.y=[R/（R+1）]x+xD

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0.5，塔顶、底产品中苯的摩尔分率分别为0.95和0.10，采用回流比为最小回流比的1.5倍，操作条件下可取系统的平均相对挥发度α=2.4。

（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，30×0.5=D×0.95+W×0.10

∴D=14.1kmol/hW=15.9kmol/h

（2）xq=xF=0.5，

yq=αxq／[1+（α—1）xq×—1）×0.5]=0.706

Rmin=（xD－yq）／（yq－xq——0.5）=1.18，

R=1.5×Rmin×1.18=1.77

精馏段的操作线方程为：

y=[R/（R+1）]x+xD／（R+1）

=[1.77/（1.77+1）]x＋0.95/（1.77+1）=0.639x+0.343

y1=xD=0.95，

x1=y1／[α－y1（α—×—1）]=0.888

y21+0.343=0.910，

x2—×（2.40-1）]=0.808

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2.47。

进料为150kmol／h，组成为0.4（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0.97，塔釜采出液中甲苯的回收率为0.95，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0.6，全凝器凝液组成为0.98，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）×0.95，

D+W=F=150

D·xD+W·xW=F·xF=150×0.4=60

W=87.3kmol/hD=62.7kmol/hxD=92.8%

xW=2.06%

（2）精馏段操作线方程

y（n+1）=xn·R/（R+1）+xD/（R+1）=0.8xn

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]

=1.534xn'－0.011

（3）∵q=0，ye=xF=0.4，y=α·x/[1+[α－1）x]

∴xe=0.02125

Rmin=（xD－ye）/（ye－xe

R/Rmin=4/2.816=1.42

（4）Emv1=（y1－y2）/（y1*－y2）=0.6

y1*=α×x1/[1+[α－1）x1]全回流时y2=x1，y1=xD

∴y1·y22）

∴Emv1=（0.98－y222）－y2]=0.6

y2=96.93%（mol%）

y2'=78×0.9693/[78×0.9693+92×（1－0.9693）]=96.4%（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2.47。

进料为150kmol／h，组成为0.4（摩尔分率）的饱和蒸汽，已知塔顶馏出液的流量为62.7kmol/h，塔顶馏出液中苯的回收率为0.97，回流比为最小回流比的1.42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=150×0.4=60

W=87.3kmol/hxD=92.8%xW=2.06%

（2）W·（1－xW）/F·（1－xF）=0.95，

（3）∵q=0，ye=xF=0.4，y=α·x/[1+[α－1）x]∴xe=0.02125

Rmin=（xD－ye）/（ye－xe

R/Rmin=1.42∴R=4

（4）精馏段操作线方程y（n+1）=xn·R/（R+1）+xD/（R+1）=0.8xn

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]=1.534xn'－0.011

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=0.96（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=2.4，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=0.96,V=1kmol/h,L=1/2kmol/h,

D=1/2kmol/h,R=1,α=2.4,

⑴y0=α×x0/[1+（α-1）x000）-----------

（1）

1×y1=y0/2+x0/2------------

（2）

y0=2×0代入

（1）2×000）,

x0=0.944,

xD=y0××

⑵x1=y1/[α-（α-1）y1×0.96）=0.909,

y2=Rx1×/（R+1）+xD

20.原料以饱和液体状态由塔顶加入，F=1kmol/s，xF=0.5（摩尔分率，下同），塔釜间接蒸汽加热，塔顶无回流，要求xD=0.65，xw=0.03，相对挥发度α=2.7，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+Wxw0.5=D×0.65+W×0.03,

D=V’=0.758,W=0.242,L’=F=1,

y′=（L′/Ｖ′）x—W·xW/Ｖ′×

∴y′=1.32x－0.00958

⑵设顶部平衡xD=y=αxF/（1＋（α－1）xF××

DxD=0.553>FxF不可能。

设底部平衡xw=0∴xD=FxF/D=0.66

21.进料组成xF=0.2（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=0.95，xW=0.11，相对挥发度α=2.7，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+Wxw0.2=D×0.95+W×0.11,

∴D=0.107,W=0.893,V=F=1,L=W=0.893

y=[L/V]·x+DxD

⑵设底部平衡xw=xF/（α－（α－1）xF

xD=（FxF－Wxw）/D=1.16不可能

设顶部平衡

xD=1,xw=（FxF－DxD）/W=0.104

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=0.95，xW=0.1，xF=0.5（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=1.5，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=0.5，在本题计算范围内，相平衡关系为ｙ=0.5ｘ＋0.5。

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＝2.5D，

全凝器：

ｙ1=ｘD=0.95

Emv=（ｙ1－ｙ2）／（ｙ1*－ｙ2）=（0.95－ｙ21＋0.5－ｙ2

21……（１）

由精馏段操作线方程：

（R+1）ｙ2=Rｘ1＋ｘD

21＋0.95……（２）

联解（１）、（２）式，得：

ｘ1＝0.927y2=0.9365

（２）F＋V＇=D＋W，V＇=2.5D，∴F＋2.5D=D＋W

即:

F＋1.5D=W……（３）

FｘF=DxD＋WxW……（４）式（３）代入式（４），消去W：

D/F=（xF－xW）/（xDW×

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CO23.0%（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CO2×105KN/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=500×0.03=15KN/m2；与溶液成平衡的CO2分压为:

P*=Ex；对于稀溶液:

C=1000/18=55.6kmol/m3，CO2的摩尔数n=370/（1000×44）=0.00841；x≈×10-4；∴×105××10-42；

∵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=11.16KN/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=0.05时与之平衡的p*=6.7kPa。

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=6.7/（100×

1/Ky=1/ky+m/kx×10-4×10-2）=2604+131.4=2735.4

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0.051mmHg。

混合气体的处理量为1020kg/h，其平均分子量为28.8,操作条件下的平衡关系为y=0.755x。

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=0.01316y2=p2×10-5

L/G=5（L/G）min=5（y1-y2）/（y1*10-5）/（0.01316/0.755）=3.756

=133kmol/h

②NOG。

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1.5倍，已知该系统的平衡关系Y=0.14X（摩尔比），已知气相体积传质系数ＫYa=0.035[kmol/m3.S]，纯煤油的平均分子量Ms=170，塔径0.6ｍ。

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=0.05，Y1=y1/（1-y1）=0.05/（1-0.05）=0.05263；Y2=Y1（1-η）=0.005266；G=940/22.4=41.96kmol/h；GB=G（1-y1）=41.96（1-0.05）=39.87kmol/h；

（Ls/GB）min=（Y1-Y2）/（Y1/m）=（0.05263-0.00526）/（0.05263/0.14）=0.126；

×××170Kg/h=1281Kg/h；

X1=（Y1-Y2）/（1.5（Ls/GB×0.126）=0.251；

x1=X1/（1+X1）=0.2006；ＨOG=GB/（ＫYａΩ××0.6）=；ＮOG=（Y1-Y2）/ΔYm；Δ×

Δ；ΔYm=（0.01749-0.00526）/ln（0.01749/0.00526）=0.01018

ＮOG=（0.05263-0.00526）/0.01018=4.65；Ｚ=ＨOG×ＮOG×4.65=5.2m

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＝0.03，要求其收率φA＝95％。

操作条件下mV/L＝0.8（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*=0.03。

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=0.03093，x2=0，Y2=Y1（1－φA×

由最小溶剂用量公式

（L/G）min=（Y1－Y2）/（Y1/m－x2）=m·（0.031－0.00155）/0.031=

已知mG/L=0.8则

∴

m=Y1/X1*

（２）由物料衡算式得:

X1=（Y2－Y1×

（３）ＮOG=1/（1-mG/L）×ln[（1-mG/L）·（Y1－mX2）/（Y2－mX2）+mG/L]

=1/（1-0.8）×ln[（1-0.8）·Y1/（0.05Y1）+0.8]=7.84

10.用清水吸收氨－空气混合气中的氨。

混合气进塔时氨的浓度y1=0.01（摩尔比）,吸收率90%，气－液平衡关系y=0.9x。

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）传质单元高度为时，填料层高为几米？

解：

已知y1=0.01，η=90%，y2=y1（1－η）=0.01（1－0.9）=0.001，x2=0，

x1*=y1/0.9=0.01/0.9=0.0111，

（L/V）min=（y1－y2）/（x1*－x2）=（0.01-0.001）/0.0111=0.811，

L/V=2（L/V）min=2×0.811=1.62，x1=（y1－y2）/（L/V）+x2=（0.01－0.001）/1.62=0.00556，y2*=0，y1×0.00556=0.005，

Δym

NOG=（y1－y2）/Δym×3.6=1.8[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H2S2.8%（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0.0126（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=0.028，y2=y1（1－η）=0.028（1－0.95）=0.0014，

L=（y1－y2）/x1××100=211kmol/m2h

x1max=x1*=y1/m=0.028/2=0.014，x1/x1

②Δy1=y1－mx1=0.028－2×0.0126=0.0028，Δy2=y2=0.0014，

Δym

NOG=（y1－y2）/Δym

③Z=G/Kya×NOGKya=G/Z×NOG=100/8×13.2=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/m2.h，其中含氨6%（体积%），吸收率为99%,清水的流率为43kmol/m2.h，平衡关系为y=0.9x，气相体积总传质系数KGa与气相质量流率的0.8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=2.39，S=m/（L/G）=0.9/2.39=0.377，y1=0.06，

y2=y1（1－η）=0.06（1－0.99）=0.0006，NOG=1/（1－S）ln[（1－S）Y1/Y2+S]=6.64

HOG=h/NOG=3/6.64=0.451

当G↑一倍，G’=2G=36kmol/m2hS’=2S=0.754

NOG’=1/（1－S’）ln[（1－S’）Y1/Y2+S’]=13.1，HOG’=（G’/G）×HOG=0.518

Z’×0.518=6.79m∴填料层高度应增加。

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=0.75x，气相总传质系数KGa与气相质量流率的0.8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=2.39，S=m/（L/G）=0.75/2.39=0.314，

y1=0.06,y2=y1（1－η×

NOG=1/（1－S）·ln[（1－S）·（y1－y2*）/（y2－y2*）＋S]=6.17

HOG=h/NOG=3/6.17=

当L↑一倍,L’=2L，s’=m/（L/G）=s/2=0.157

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’×0.486=2.56m即所需填料层高度可以降低。

ΔＺ＝2.62m

15.在一逆流操作的填料塔中，用含A组分0.2%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=1.5%（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=1.2m,求填料层高度。

（此时回收率不变）

解：

（1）PA=yAP=XAPA°，yA=PA°/P×XA=380/760×XAA，

X1*=y1/0.5=0.015/0.5=0.03，

（2）y2=（1-φ）y1=（1-0.85）×

（L/G）min=（y1-y2）/（x1*-x2

（3）Z=NOG×HOG，NOG=1/（1-1/A）×ln[（1-1/A）（y1-mx2）/（y2-mx2）+1/A]

L=3Lmin，S=m/（L/G）=0.5/（3×0.4554）=0.3660

NOG×××3.171=

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）/