化工原理下册课后答案.docx

1、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C5H12223.l233.0244.0251.0260.1275.1291.7309.3度/KC6H14248.2259.1276.9279.0289.0304.8322.8341.9饱和蒸气压1.32.65.38.013.326.653.2101.3习题 2 附表P PB0 ,yP P P0解：由以下二式求 x,y的数据。记 x PPA0 PPBB0 ,y PPA x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

2、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xP0 PB0 ，若所求的 x 与题给的 x 值相等, 则证明假设正确PA PB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 t 91.50C ，则查教材附录可知PA0 141.6KPa,p0B 56.8KPa.x 99 56.8 0.498 0.5141.6 56.8故溶液的泡点温度为 92 oC2. .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

3、定温度范围以查取 PA0和 PB0.由本题附表可知平衡温度在 260.6 K和 289 K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：260.6265270275280285t/Kp0A/KPa13.317.321.926.534.542.548.9pB0/KPa2.833.54.265.08.5311.213.3x10.9250.8450.7690.4770.2140y10.710.5130.3860.1840.66703.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

4、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/Kxy习题 2 的结果用 m 计算的结果260.64.71.01.01.02654.950.710.9180.9182705.40.5130.8450.8282755.300.3860.7090.7392804.040.1840.4770.5042853.790.0670.2140.2452893.68000平衡方程为 ymx 4.5x1 ( m 1)x 1 3.5x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

5、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ln w12w1310.6x2x2 0.498馏出液的平均组成dxdx 0.51ln0.54x 0.549 0.549 0.540.549 0.54x2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1 w1xD ,m w1 0.6 2 0.4983 1 D ,m 1 3xD,m 0.8042）平衡蒸馏 由题意知， q=2/3q x

6、XFq 1 q 12/3 0.6x2/3 1 2/3 12x 1.8(1)2）而 y 0.46x 0.549联立（ 1），（2）解得 x 0.509 y xD 0.783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

7、 “”表示质量流量）F D WF xF DxD Wxm由于 DxD 0.88F xF所以 F xF 0.88F xF Dxw0.12F xFWxw0.12 4000 0.30.052880kg / hDW= xDF W 4000 2880 1120kg / h0.88F xF 0.88 4000 0.3F 0.943D 1120xD0.943/ 760.943/ 76 0.057/1540.97（摩尔分数）平均分子差 Mm 0.97 76 0.03 154 78.3 kg / KmolD 1120/ 78.3 14.3Kmol / h 6.在常压操作的连续精馏塔中分离含甲醇 0.4 与水 0.

8、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lO.O0.075.30.400.72996.4O0.13473.l0.50O.77993.50.040.23471.2O.060.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.10O.41866.00.900.95884.40.15O.51

9、765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.078.0O.300.665解：(1)进料温度 40 oC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 m 0.4 1055 32 0.6 2320 18 38560KJ / kg 进料温度为 40oC ，泡点温度为 75.3oC ，故平均温度为1otm 2 (40 75.3) 57.7 oC由附录查得 57。7oC时，甲醇和水的比热分别为 2.68KJ/(kg g oC )和4.19KJ /(kggoC)故混合

10、液的平均比热为 Cp,m 0.4 2.68 32 0.6 4.19 18 79.6KJ /(KmolgoC)则进料热状况 q r Cp t 38560 79.6 (75.3 40) 1.703r 38560( 2)泡尖进料 q=1(3)饱和蒸汽进料 q=07.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+WFxFDxDWxWF(xFxW )100 (0.4 0.04

11、)D39.6kmol /hxDxW0.95 0.04解得WFD10039.6 60.4kmol /h而LRD2.539.6 99kmol /hVLD39.699 138.6mol /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 V F =138.6-100=38.6kmol/h8.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

12、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R0.732 R 2.61R1精馏段操作线截据为 xD 0.263R1所以： xD 0.263 (2.61 1) 0.95提馏段操作线与对角线交点坐标为y x xw ，故 xw 0.0748由两操作线交点 0.723x 0.263 1.25x0.723x+0.263=1.25x-0.0187 解得 x 0.535y 0.723 0.535 0.263 0.65因为露点下进料故 q 线为水平线，可得 原料液组成 xF =y=0.659.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

13、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 /(R 1) 0.9 /( 2.0 1) 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 14O

14、kJ/(kmol )。解：设 F=100kmol,总物料衡算为F D W 即 100 D WFxF DxD WxW 100 0.5 0.90 0.1W解得 D=W=50kmol/h因 R=2.0 L=RD=2 50 100kmol / 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/hL D 128 50 0.9 精馏段操作线方程 yn 1 xn xD xnn 1 V n V D 178 n 1780.719xn 0.25311.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

15、A 0.44, 馏出液中含 A 0.957(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x1 ( 1)x2.5x1 1.5x由操作线方程知xR1R11.63 0.957x1.63 1 1.63 10.62x 0.364 (2)联立( 1)(2)解得 x 0.365y 0.59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 x xF , y xF 可知原料液为气液混合物xF (1 q)y qx由 q 线方程可得 0.44 (1 q) 0.59 0.365qq 0.667 2/3

16、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)xD0.95(2)若馏出液量为 100kmol/h,则原料液流量为多少 ?0.88-1 ) 0.88yL,xL0.88 代入平衡方程 0.95解得2.59y1与 xL 是操作关系，其中 y11(x11)x12.5

17、9 0.79 0.9071 1.59 0.79R0.907R11.5930.88 0.95R1当q1时，yFxD yF yF xFxF1)xF2.59 0.51 1.59 0.50.722所以：Rmin0.95 0.722 1.0320.722 0.52)由 DFxxFD 0.96,F100 0.950.96 0.5198kmol /h13.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

18、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 yn 1 R xn xD1n 1 R 1 n R 1 精馏段下段的操作方程由物料衡算出V L D1 D2(2)V yS 1 LxS D1xD1 D2xD2(3)L D1 D2 (4)L D2 D1xD1 D2xDys 1 xSs 1 L D1 S L D1 联立( 2)(3)( 4)得 由于R L/ DyS 1R D2 /D1R1xD1xD2D2 / D1R1(5)联立（ 1）和（ 5）解得两线交点坐标为

19、x xD2 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 xD1 0.8 0.267R 1 2 11x x D /D 0.8 0.6精馏段下段操作线截据为 xD1 xD2D2 /D1 2 0.367R 1 2 1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 ,

20、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x00.00800.0200.02960.033y00.07500.1750.270.2500解:本题的提馏塔示意图如附图所示由于是恒摩尔流动 即： F L W Vo V D 全塔物料衡算得 F Vo W D FxF WxW DxD 将 DxD / FxF 0.99 代入上式得Fx WxW 0.99FxF 0.033 xW 0.99 0.033 所以 xW 0.000331)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WFVo,min Vo,mi

21、nyFxF xW由平衡数据查得xF0.033时， y*F 0.2700.27(2) Vo2Vmin 时，所需理论板层数及产品组成F 8.26所以 Vo,min 0.033 0.00033 进料Vo,min F /8.26 1/ 8.26 0.12mol / mol0.121 0.242mol / mol 进料DxDFxF0.242xDxF099xD0.99 0.0330.2420.135图解法求理论板层数 ,操作线斜率 =F /Vo 1/ 0.242 4.13 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

22、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 :x 0.26 0.38 0.51y 0.45 0.60 0.72解： 在全回流条件下， yn 1 xn 由所给的三组数据做图，然后确定 y3 x2 0.41y2 x1 0.57由板效率的定义方式知道EMVyn yn 1 y*n yn由 x20.41查得 y*2 0.628y2 y30.57 0.41y2 y30.628 0.410.73

23、73%同理 EMV30.410.475 00.2.288 67%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F1kmol / h由DFxxFD0.8得D 0.57kmol /h全塔物料衡算F D WFxF DxD WxW解得 W 0.43kmol / h 则1 0.2 0.57 0.28 0.43x

24、W得 xW 0.094气相默弗里板效率为 EMV 1* Wy1* yWy1 xD 0.28 ， yW因为 Lx1 vyW WxW 而F L,D V所以： yW1(1)xWFWD x1 D xW2.5 0.0941 1.5 0.0940.206即：0.206 1 x1 0.43 0.0940.57 1 0.57解得 x1 0.158y12.5 0.1581 1.5 0.1580.319故 EMV 0.28 0.206 100% 65.5%MV 0.319 0.206 17. 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

25、 ,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 x y 图，如附图所示因泡点进料，所以 xq xF 0.3; 由 x y图查得 yq 0.54xD yq0.950.54Rmin1.71所以： yq xq0.540.3R 1.5 1.712.56精馏段

26、操作线截据xD0.950.267R12.56 1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。 Np 101.51 20（ 2） 两产品的质量流量原料液的平均摩尔质量为 Mm 0.3 76 0.7 154 130.6kg / molF 4000/130.6 30.6kmol / h由全塔物料衡算得 0D.95WD 03.00.265W 30.6 0.3 解得W 21.5kmol /hMW0.025 760.975 154 152kg /molW21.51523270kg / hD40003270730kg / h3)塔径进料是

27、饱和液体，故 V V(R 1)DDF W 30.621.5 9.1kmol / hV(2.56 1) 9.132.4kmol /h设上升蒸汽为理想气体，则VS V 22.4 273 t pm k 32.4 22.4 273 161 101.33 0.247kmol /hS 3600 273 p 3600 273 101.334VS 4 0.247D S 0.627m3.14 0.84)有效塔高H (N p 1)h (20 1) 0.4 7.6m18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

28、 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 (R 1)D(IVD IVL)其中： IVD rm cp,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/(kg gk), CCl 4的比热为 0.8 KJ/(kg gk),rm 0.95 345 76 0.05 190 154 26400KJ /kmolcp,m 0.95 0.95 76 0.05 0.8 154 75KJ /(kmol K)IVD 26400 75 47所以 QCILD 75 40 (2.56 1) 9.1 (26400 75 7) 872300 KJ